Создание отечественного производства химически стойкой неметаллической трубопроводной арматуры

Уважаемые коллеги и друзья, мы продолжаем публикацию уникальных научных материалов из последнего номера журнала «Вестник арматуростроителя», и сегодня речь пойдёт о создании отечественного производства химически стойкой неметаллической трубопроводной арматуры. 

•   Автор: Минчук Сергей Викторович;
•   Соавторы: Галигузов Андрей Анатольевич, младший научный сотрудник МГУ имени М.В. Ломоносова, Малахо Артем Петрович, ведущий научный сотрудник МГУ имени М.В. Ломоносова, Фатеев Алексей Николаевич, руководитель проекта «Композит» АО «НПО «СПЛАВ».

В современной промышленности все более актуальным становится применение технологических трубопроводов и арматуры, изготовленных из различных полимеров, металлических труб, футерованных пластмассами, и труб из полимерных композиционных материалов (далее ПКМ), что обусловлено тем, что пластики по отношению к традиционно используемым материалам имеют ряд преимуществ, таких как:

•   высокая устойчивость в химически агрессивных средах; 
•   отсутствие коррозии и отложений на стенках, влияющих на чистоту транспортируемых жидкостей; 
•   длительный срок службы; 
•   малый вес и простота монтажа; 
•   отсутствие затрат на обслуживание; 
•   сравнительно низкая стоимость.

При проектировании запорной арматуры из реактопластов и термопластов необходимо комплексно учитывать технологические ограничения, требования к конструкции, эксплуатационным свойствам, экономическим показателям.

Представленные на рынке неметаллические элементы трубопроводов и арматуры по применяемым материалам можно разделить на изготовленные из:

•   композиционных материалов на основе термореактивных связующих (винилэфирных, фенолформальдегидных смол), армированных углеродным и стеклянным волокном; 
•   композиционных материалов на основе термопластичных связующих, армированных углеродным и стеклянным волокном; 
•   термопластов, среди которых: ПП, ПВДФ, ПВХ, ПЭ, АБС, ПФСУ.

Как следствие, при проектировании неметаллической запорной арматуры невозможно ориентироваться на решения, применяемые в металлической арматуре. Так, усадка деталей из термопластов приводит к необходимости механической доработки рабочих поверхностей запорных элементов, фланцев, посадочных мест для обеспечения требуемых допусков и посадок.

Для обеспечения заданной химической стойкости неметаллической арматуры необходимо применение соответствующих решений в части конструкции и материалов уплотнений.

Предельные значения температуры и давления эксплуатации данной арматуры зависят от материала исполнения и, как правило, находятся в пределах от –50 °C до +150 °C и до 25 кгс/см2 соответственно. Кроме того, при выборе пластиковой и композиционной арматуры следует учитывать преимущества и недостатки типа полимерного материала (табл. 1).

Таким образом, для большинства термопластов характерна более высокая производительность и более интенсивные методы переработки; возможно формование крупных деталей сложной конфигурации, высокая химическая стойкость большинства полимеров, сочетание высокой прочности и теплостойкости (полиэфирсульфон (ПЭС/PES), полиэфиримид (PEI/ПЕИ), полифениленсульфид (PPS/ПФС)) с высокой ударной прочностью и трещиностойкостью. Что касается термореактивных матриц для трубопроводной арматуры, то они обладают хорошими технологическими свойствами (низкой вязкостью и температурой отверждения); хорошо смачивают и пропитывают армирующий материал; имеют хорошую адгезию к большинству волокон, повышенную теплостойкость, стойкость в различных средах.

Целью в рамках создания высокотемпературной и химически стойкой запорной арматуры было достижение температуры длительной эксплуатации до 150 °Cдля изделий из реактопластов и 180 °C для изделий из термопластов.

В целом, в рамках работ решались следующие основные задачи:

1) создание материала, удовлетворяющего критериям химической и термической стойкости;
2) создание технологии переработки разработанных литьевого и пресс-материалов; 
3) разработка конструкции запорной арматуры.

Для создания опытных образцов изделий (шаровой кран, дисковый затвор) была использована технология литья под давлением и прямого горячего прессования, соответственно скорректированная для конкретного литьевого и пресс-материала. Были применены вновь разработанные материалы: литьевой ПКМ – КПМИ (ТУ 2253-002-00044977-2014), термореактивный ПКМ – КПМП (ТУ 2253-189-07506004-2014).

При получении деталей методом литья под давлением необходимо учитывать значение усадки полимерного материала, которое необходимо принимать во внимание как для определения конструкции деталей, так и при проектировании оснастки.

Как видно из таблицы 2, введение наполнителей в термопласты уменьшает усадку изделий при литье под давлением. Высокая дисперсность наполнителя, равномерность его распределения по объему изделия способствуют повышению размерной точности и уменьшению колебания усадки [3].

Для оптимизации процесса литья под давлением реального изделия было проведено моделирование литья с помощью программного пакета Moldex3D для целевых пластмасс (рис. 1). Было обнаружено, что основной параметр, влияющий на усадку и коробление, – это температурное поле в массе изделия в момент размыкания оснастки. Условия моделирования были воспроизведены в реальных условиях литья, результаты показали хорошую сходимость параметров (около 90 %).

Из приведенных в таблице 3 данных видно, материал КПМП превосходит известный материал на основе винилэфирной смолы по физико-механическим показателям (за исключением прочности и модуля при сжатии). Тепло- и химическая стойкость материала КПМП сопоставима с показателями известного химически стойкого зарубежного материала ПФСУ/PPSU. Литьевой материал марки КПМИ также показал превосходные свойства относительно ПФСУ/PPSU.

В рамках экспериментальных и опытных работ спроектированы (рис. 2, 3) и изготовлены образцы запорной арматуры с температурой длительной эксплуатации до 150 °C из термореактивных ПКМ и 180 °C из литьевых ПКМ.

На основе указанных материалов разработаны конструкции запорной арматуры типа «кран шаровой» с номинальным диаметром DN 15-50 и номинальным давлением PN 25 и «затвор дисковый» – DN 50-200, PN 16. Химическая стойкость по ГОСТ 12020-72 в отношении большинства кислот, щелочей и окислителей – хорошая.