Введение к работе
Актуальность темы. Анализ причин аварий и загрязнения окружающей среды показывает, что значительное их количество происходит из-за неудовлетворительного состояния разъемных соединений (PC) промышленного оборудования, работающего под высоким давлением. Такое состояние может быть объяснено отсутствием соответствующих технологий, применение которых обеспечивало бы герметичность разъемных соединений при их создании и эксплуатации. Герметичность PC зависит от его конструкции, качества изготовления и проведения ремонтов (наличие приспособлений для контроля и обработки уплотнительных поверхностей и резьбовых соединений), а также оснастки, необходимой для его обслуживания (устройства для затяжки основного крепежа к определения усилий, которыми нагружается крепеж). Существующие нормативные документы и правила безопасной эксплуатации оборудования, а также система планово-предупредительных ремонтов не регламентируют оценку технического состояния и порядок подготовки PC к эксплуатации. Вследствие этого на многих предприятиях отсутствует необходимая оснастка для эксплуатации разъемных соединений, не производится оценка их состояния перед пуском в эксплуатацию. В результате детали PC, уплотнительные, резьбовые и опорные поверхности накапливают значительные остаточные деформации и дефекты, теряют свою форму и размеры, что приводит к разгерметизации, авариям и несчастным случаям при эксплуатации оборудования.
Рассматривая эту проблему, необходимо учесть, что большое количество эксплуатируемого оборудования отработало более 20 лет, что оно разрабатывалось по уже устаревшим методикам и во многих случаях без учета особенностей его эксплуатации. Поэтому, существующие технологии создания и эксплуатации PC, а также их техническое обеспечение не могут гарантировать экологической безопасности эксплуатации оборудования высокого давления.
В связи с этим, актуальным является поиск новых единых технологий и технологических структур для создания и эксплуатации PC, удовлетворяющих современным требованиям, предъявляемым к оборудованию высокого давления (химических, нефтехимических, энергетических, атомных и других производств). Это должно обеспечить выбор наиболее эффективных технологаи, конструкций и структур для определения рациональных путей перехода к новой технике для новых производств и эксплуатации существующих, способных гарантировать устойчивое развитие общества.
Актуальность этих задач обусловлена также неуклонным возрастанием влияния состояния промышленного оборудования высокого давления на экономические, экологические и социальные условия жизни людей, исключительной тяжестью экономических последствий от крупномасштабной реализации несовершенных технологических решений, стремитель-
ным увеличением антропогенного воздействия на окружающую среду и потому недопустимостью длительной отсрочки решения экологических проблем в промышленности.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является создание единого комплекса технологий и техники обеспечения герметичности PC оборудования высокого давления на основе разработки инженерных методов расчета PC, определения рациональных размеров их деталей, анализа факторов, влияющих на герметичность PC, прочность и податливость крепежных деталей, разработки технологического обеспечения на стадиях изготовления и эксплуатации, создания нормативной базы для проектирования, изготовления и эксплуатации.
Для достижения поставленной цели потребовалось: теоретически обобщить проблему и выработать единую стратегию исследований при проектировании, изготовлении и эксплуатации PC; разработать математические модели расчета геометрических и эксплуатационных параметров; создать экспериментальные установки и стенды, на которых можно проверить достоверность полученных результатов расчетов и получить новые данные, необходимые для оценки работоспособности PC. В задачи исследований входило получение ответов на вопросы, которые к настоящему времени недостаточно или совсем не освещены в технической литературе. К ним относятся: выбор конструкций и материалов; расчет геометрических и силовых параметров с учетом особенностей эксплуатации оборудования; решение задачи контактного взаимодействия деталей PC с учетом трения; исследование влияния методов обработки уплотнительных поверхностей и погрешностей изготовления на герметичность; определение условий герметизации уплотнительных соединений (УС) и PC; разработка методики экспериментального определения коэффициента трения в стыке уплотнительных поверхностей; решение задачи о предварительном нагружении PC через создание методики расчета режимов затяжки крепежных шпилек; разработка методики оценки технического состояния PC и подготовки их к эксплуатации.
Научная новизна. Диссертация представляет собой комплекс научно обоснованных технических решений, позволяющих обеспечить герметичность PC оборудования высокого давления. На защиту выносятся основные, содержащие элемент научной новизны, положения диссертации:
-
Новая технология обеспечения герметичности PC сосудов и аппаратов высокого давления, которая предусматривает также обеспечение их работоспособности и безопасности с единых позиций на долгосрочную перспективу, и возможность ее использования для других типов оборудования.
-
Новые классификации PC и устройств для затяжки крепежных деталей.
-
Методы расчета PC, позволяющие учитывать особенности их эксплуа-
тации.
-
Методы и техника для предварительного нагружения крепежных деталей PC.
-
Результаты определения податливостей уплотнительных и резьбовых соединений.
-
Зависимости для определения условий фрикционного взаимодействия в PC.
-
Методы исследований и математические модели условий герметизации в виде многофакторных зависимостей.
-
Решение задачи о взаимодействии геометрических и силовых параметров и условий герметизации PC.
-
Методика оценки технического состояния PC и подготовки их к эксплуатации.
10.Перспективные конструкции PC и устройств для затяжки крепежных деталей, техника испытательной и исследовательской базы. Достоверность результатов. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы обоснована использованием классических механических концепций и адекватного математического аппарата; соответствием полученных аналитических результатов с данными экспериментов; положительным опытом внедрения разработанных методик расчета и проектирования в промышленность.
Практическая ценность работы определяется:
разработкой и внедрением современных технологий обеспечения герметичности PC;
техническими решениями по рациональному проектированию, изготовлению и эксплуатации PC, позволяющих снизить аварийность и экологическую опасность при работе с оборудованием высокого давления;
разработкой и внедрением принципиально новых конструкций PC и устройств для их подготовки к эксплуатации;
созданием испытательного оборудования и стендов для испытания и сертификации оборудования высокого давления.
По результатам исследований разработано 19 нормативных документов в виде ГОСТов, ОСТов, РД по расчету, изготовлению и эксплуатации PC, которые утверждены или согласованы с Госгортехнадзором СССР и России и рекомендованы к применению на предприятиях России и стран СНГ.
Апробация работы. Результаты были доложены и обсуждены на Всесоюзной конференции "Надежность аппаратов и деталей трубопроводов высокого давления химической и нефтехимической промышленности", г. Иркутск 1970г., 2-м Всесоюзном совещании "Методы и приборы контроля герметичности химического оборудования, уплотнений и др. изделий", г. Дзержинск, 1973г., Конференции молодых ученых и конструкторов Мин-химнефтемаша, г. Ленинград, 1975г., Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы совершенствования аппаратов и
трубопроводов высокого давления", г. Иркутск, 1977г., 7-ой Международ
ной конференции по уплотнениям, г. Будапешт, 1978г., Всесоюзном науч
но-техническом совещании "Пути совершенствования, интенсификации и
повышения надежности аппаратов в основной химии", г. Сумы, 1980г.,
Всесоюзных научно-технических конференциях "Процессы и аппараты
производства полимерных материалов, методы и оборудование для пере
работки их в изделия", 1982,1986гг., IX Международной конференции по
уплотнениям, г. Дрезден, 1982г., Всесоюзном симпозиуме "Современная
техника и методы экспериментальной минералогии", г. Черноголовка,
1983г., 2-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Технологи
ческое управление триботехническими характеристиками узлов машин", г.
Кишинев, 1985г., Всесоюзной научно-технической конференции "Аппара
тура и трубопроводы высокого давления, изготавливаемые Минхиммашем,
и основные направления их совершенствования в период двадцатой пяти
летки", г. Иркутск, 1985г., научно-технических конференциях "Повышение
качества герметизирующих соединений", г. Пенза, 1988, 1989гг., научно-
техническом семинаре "Совершенствование конструкций трубопроводной
пневмогидроаппаратуры", г. Киев, 1987г., 5-ой научно-технической конфе
ренции "Проблемы повышения боеготовности, боевого применения, тех
нической эксплуатации и обеспечения безопасности полетов летательных
аппаратов", г. Иркутск, 1987г., 5-ом Всесоюзном научно-техническом со
вещании по уплотнительной технике, г. Сумы, 1988г., Всесоюзной научно-
технической конференции "Основные направления создания и совершен
ствования сосудов, аппаратов',' котлов и трубопроводов высокого давле
ния", г. Иркутск, 1991г., Всесоюзной научно-технической конференции
"Методы и средства испытаний промышленной трубопроводной армату
ры", г. Пенза, 1992г., Всероссийской научно-технической конференции
"Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуа
ции, пути и способы их решения", г. Братск, 1996г., Ш-м Всероссийском
семинаре "Риски страхования", г. Иркутск, 1997г., 7-ой региональной на
учно-технической конференции "Неразрушающий контроль и техническая
диагностика в процессе эксплуатации", г. Иркутск, 1997г., 15-ой Россий
ской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и ди
агностика», г. Москва, 1999г. -;" -.'' ' '\'Гі.,
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 76 печатных работах. Отдельные конструкции и способы обеспечения герметичности оборудования, PC, устройств для затяжки и других конструкций защищены 36 авторскими Свидетельствами СССР и патентами Российской Федерации. Разделы диссертации представлены в двух справочниках "Сосуды и трубопроводы высокого давления", изданных в 1990, 1999 гг., в 19 нормативных документах (ГОСТ, ОСТ, РД) и научно-технических отчетах.
Автор защищает: - принципы технологии создания и эксплуатации PC;
классификации PC и устройств для их затяжки, позволяющие создавать и выбирать наиболее эффективные конструкции для конкретных условий эксплуатации;
методики расчета и исследования PC;
новые результаты исследований по определению условий герметизации, коэффициентов трения в PC, податливости и прочности их элементов и деталей; .
методы оценки работоспособности разъемных соединений;
методы оценки технического состояния разъемных соединений;
методы и режимы затяжки крепежных деталей;
принципиально новые, более технологичные в изготовлении и сборке конструкции PC, устройства для затяжки их крепежных деталей. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести
глав, заключения с основными выводами по работе, списка литературы из 330 наименований. Общий объем работы 357 страниц, включая 41 таблицу и 135 рисунков. К диссертации прилагаются четыре приложения с содержанием методик, облегчающих внедрение технологии обеспечения герметичности в промышленность, и два приложения о внедрении и практическом использовании результатов работы.
Автор выражает глубокую признательность действительному члену АИН, доктору технических наук, профессору A.M. Кузнецову, член-корреспонденту РИА, кандидату технических наук В.И. Лившицу, докторам технических наук, профессорам П.Г. Пимштейну и В.Д. Продану за поддержку и внимание при подготовке диссертации.
