БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ЗАПОРНО-ОТСЕЧНОЙ КЛАПАН

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Техническое решение относится к трубопроводному арматуростроению, в частности к запорно-отсечной арматуре АЭС, которая может быть использована в контурах теплоэнергетических установок в качестве запорного органа, в частности в паровых арматурных блоках АЭС.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Быстродействующая отсечная арматура относится к классу оборудования, непосредственно влияющего на безопасность эксплуатации как системы, в которой она установлена, так и оборудования, входящего в ее состав.
К быстродействующей запорно-отсечной арматуре, применяемой в системах безопасности, предъявляются повышенные требования по надежности - как главное требование, так как выход ее из строя может привести к серьезной аварии.
Среди быстродействующей отсечной арматуры стоит отдельно выделить быстродействующие запорно-отсечные клапаны (БЗОК) главных паропроводов второго контура энергоблоков АЭС с реакторами ВВЭР, как основные элементы защиты реактора в случаях возникновения аварии с неуправляемыми течами из парогенератора или разрывом основного паропровода.
БЗОК, являясь арматурой, установленной в системе паропроводов от парогенератора к турбине, оказывает существенное влияние как на работу турбоагрегата, так и на надежность самой системы трубопроводов и установленного на ней оборудования, в связи с чем к конструкции БЗОК предъявляются повышенные требования.
Из уровня техники известно следующее техническое решение: «Запорно-отсечное устройство пассивного действия», описанное в патенте на изобретение № RU 2633732, дата начала отсчета срока действия патента: 11.04.2016; патентообладатель - Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "МКТ-АСДМ" (RU).
Описано запорно-отсечное устройство пассивного действия с входным и выходными каналами, с разделяющим их седлом, взаимодействующим с запирающим элементом управляемым пружинным приводом, работающим от проводимой среды, поступающей в надпоршневую полость гидроцилиндра через два с чувствительными элементами настраиваемых на определенное давление механизма, выходной канал одного из которых соединен с дренажом, отличающееся тем, что чувствительные элементы нормально-открытого и нормально-закрытого настраиваемых механизмов соединены с внутренней полостью корпуса, как равно и входной канал нормально-закрытого настраиваемого механизма, а выходной канал последнего и входной канал нормально - открытого настраиваемых механизмов соединены с безштоковой полостью пневмо-гидроцилиндра, шток которого через систему рычагов соединен с пружинным приводом, управляющим запирающим элементом.
Также из уровня техники известно следующее техническое решение: «Управляемый клапан», описанное в патенте на полезную модель № RU 116941, дата начала отсчета срока действия патента: 20.10.2011; патентообладатель - Закрытое акционерное общество "АРМЭКС" (RU).
Описан управляемый клапан, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, в полости которого размещены взаимодействующие между собой запорный элемент и спусковой механизм в виде пневмоцилиндра с поршнем, при этом спусковой механизм связан с системой управления перемещением запорного элемента, отличающийся тем, что система управления перемещением запорного элемента выполнена в виде двойных клапанов и сбросного клапана, при этом двойные клапаны сообщены через дроссели с надпоршневой и подпоршневой полостями пневмоцилиндра спускового механизма и полостью корпуса. Данное устройство взято за прототип.
СУЩНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
Техническая проблема, решаемая с помощью заявленного устройства, заключается в устранении недостатков, присущих существующим аналогам и доработка устройства - прототипа для реализации новых свойств, направленных на увеличение ресурса.
Основной технический результат от использования данного технического решения заключается в увеличении срока службы быстродействующей отсечной арматуры за счет обеспечения работоспособности пары трения поршневое кольцо - зеркало цилиндра быстродействующего запорно-отсечного клапана, входящего в состав парового арматурного блока.
Также присутствует дополнительный технический результат в виде повышения безопасности при эксплуатации паровых арматурных блоков на АЭС и любых других объектах, в которых может быть использован быстродействующий запорно-отсечной клапан.
Данные основной и дополнительный технические результаты достигаются за счет обеспечения работоспособности пары трения поршневое кольцо - зеркало цилиндра быстродействующего запорно-отсечного клапана, входящего в состав парового арматурного блока, путем нанесения на рабочую поверхность поршневых колец лазерной наплавки высотой 0,5-1,5 мм, зоной термического влияния 0,3-1,0 мм из материала, обеспечивающего низкий коэффициент сухого трения со сталью цилиндра клапана при температуре рабочей среды до 300°С и давлении до 80 бар.
Данное техническое решение может быть выполнено в виде быстродействующего запорно-отсечного клапана, содержащего корпус с седлом и входным и выходным патрубками, в полости которого размещены взаимодействующие между собой запорный элемент в виде поршня цилиндрической формы с поршневыми кольцами, отличающийся тем, что поршневые кольца выполнены с нанесением на их рабочую поверхность лазерной наплавки высотой 0,5-1,5 мм, зоной термического влияния 0,3-1,0 мм из материала, обеспечивающего низкий коэффициент сухого трения со сталью цилиндра клапана при температуре рабочей среды до 300°С и давлении до 80 бар. Все перечисленные элементы находятся в едином конструктивном исполнении.
В качестве материала наплавки может быть использован порошок ПР-БрОФ 8-0,3.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - чрезмерный износ поршневых колец рабочего штока (поршня) и задиры на рабочих поверхностях цилиндра быстродействующего запорно-отсечного клапана;
Фиг. 2 - быстродействующий запорно-отсечной клапан с наплавкой на поршневом кольце.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
Ниже будут рассмотрены некоторые термины, которые в дальнейшем будут использоваться при описании технического решения.
АЭС (атомная электростанция) - ядерная установка, использующая для производства электрической (и в некоторых случаях тепловой) энергии ядерный реактор (реакторы) и содержащая комплекс необходимых сооружений и оборудования.
БЗОК (быстродействующий запорно-отсечной клапан) - предназначен для быстрого перекрытия рабочей среды с пульта управления или в автоматическом режиме при нарушении технологических параметров в системе, и является исполнительным органом автоматики безопасности агрегатов или может применяться как запорный орган.
Наплавка - нанесение слоя металла или сплава на поверхность изделия посредством сварки плавлением.
Лазерная наплавка - метод нанесения материала при помощи лазерного луча, использующегося для создания ванны расплава, куда подается материал. В качестве присадки могут использоваться как порошки, так и проволоки.
В данном техническом решении основной технический результат от его использования заключается в увеличении срока службы быстродействующей отсечной арматуры, достигается за счет обеспечения работоспособности пары трения поршневое кольцо - зеркало цилиндра быстродействующего запорно-отсечного клапана, входящего в состав парового арматурного блока, путем нанесения на образующую поверхность поршневых колец лазерной наплавки высотой 0,5-1,5 мм, зоной термического влияния 0,3-1,0 мм из материала, обеспечивающего низкий коэффициент сухого трения со сталью цилиндра клапана при температуре рабочей среды до 300°С и давлении до 80 бар.
Данное техническое решение может быть выполнено в виде быстродействующего запорно-отсечного клапана, содержащего корпус с седлом и входным и выходным патрубками, в полости которого размещены взаимодействующие между собой запорный элемент в виде поршня цилиндрической формы с поршневыми кольцами, отличающийся тем, что поршневые кольца выполнены с нанесением на их образующую поверхность лазерной наплавки высотой 0,5-1,5 мм, зоной термического влияния 0,3-1,0 из материала, обеспечивающего низкий коэффициент сухого трения со сталью цилиндра клапана при температуре рабочей среды до 300°С и давлении до 80 бар. Все перечисленные элементы находятся в едином конструктивном исполнении.
Обеспечение работоспособности пары трения поршневое кольцо - зеркало цилиндра быстродействующего запорно-отсечного клапана (БЗОК), входящего в состав парового арматурного блока, является ключевой задачей для обеспечения работы всего парового арматурного блока.
Разрушение поршневых колец и сопряженных с ними цилиндров стакана БЗОК происходит из-за высокого коэффициента трения (сухое трение сталь по стали) в паре поршневое кольцо - зеркало цилиндра, усугубляющегося высокой (до 300°С) температурой среды и высоким давлением в цилиндре (до 80 бар).
В то же время прочность стенок цилиндра и поршневых колец должна быть достаточной для обеспечения ресурса БЗОК в 200 циклов.
Из-за неидеальной геометрии поршневых колец и зеркала цилиндров при работе БЗОК в зонах их контактов резко увеличиваются удельные давления, что при сухом трении приводит к увеличению температуры зон контактов до значений плавления стали, происходит точечное сваривание металлов, при движении поршня происходят задиры и разрушение поверхностей зон ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Техническое решение относится к трубопроводному арматуростроению, в частности к запорно-отсечной арматуре АЭС, которая может быть использована в контурах теплоэнергетических установок в качестве запорного органа, в частности в паровых арматурных блоках АЭС.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Быстродействующая отсечная арматура относится к классу оборудования, непосредственно влияющего на безопасность эксплуатации как системы, в которой она установлена, так и оборудования, входящего в ее состав.
К быстродействующей запорно-отсечной арматуре, применяемой в системах безопасности, предъявляются повышенные требования по надежности - как главное требование, так как выход ее из строя может привести к серьезной аварии.
Среди быстродействующей отсечной арматуры стоит отдельно выделить быстродействующие запорно-отсечные клапаны (БЗОК) главных паропроводов второго контура энергоблоков АЭС с реакторами ВВЭР, как основные элементы защиты реактора в случаях возникновения аварии с неуправляемыми течами из парогенератора или разрывом основного паропровода.
БЗОК, являясь арматурой, установленной в системе паропроводов от парогенератора к турбине, оказывает существенное влияние как на работу турбоагрегата, так и на надежность самой системы трубопроводов и установленного на ней оборудования, в связи с чем к конструкции БЗОК предъявляются повышенные требования.
Из уровня техники известно следующее техническое решение: «Запорно-отсечное устройство пассивного действия», описанное в патенте на изобретение № RU 2633732, дата начала отсчета срока действия патента: 11.04.2016; патентообладатель - Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "МКТ-АСДМ" (RU).
Описано запорно-отсечное устройство пассивного действия с входным и выходными каналами, с разделяющим их седлом, взаимодействующим с запирающим элементом управляемым пружинным приводом, работающим от проводимой среды, поступающей в надпоршневую полость гидроцилиндра через два с чувствительными элементами настраиваемых на определенное давление механизма, выходной канал одного из которых соединен с дренажом, отличающееся тем, что чувствительные элементы нормально-открытого и нормально-закрытого настраиваемых механизмов соединены с внутренней полостью корпуса, как равно и входной канал нормально-закрытого настраиваемого механизма, а выходной канал последнего и входной канал нормально-открытого настраиваемых механизмов соединены с безштоковой полостью пневмо-гидроцилиндра, шток которого через систему рычагов соединен с пружинным приводом, управляющим запирающим элементом.
Также из уровня техники известно следующее техническое решение: «Управляемый клапан», описанное в патенте на полезную модель № RU 116941, дата начала отсчета срока действия патента: 20.10.2011; патентообладатель - Закрытое акционерное общество "АРМЭКС" (RU).
Описан управляемый клапан, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, в полости которого размещены взаимодействующие между собой запорный элемент и спусковой механизм в виде пневмоцилиндра с поршнем, при этом спусковой механизм связан с системой управления перемещением запорного элемента, отличающийся тем, что система управления перемещением запорного элемента выполнена в виде двойных клапанов и сбросного клапана, при этом двойные клапаны сообщены через дроссели с надпоршневой и подпоршневой полостями пневмоцилиндра спускового механизма и полостью корпуса.
СУЩНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
Техническая проблема, решаемая с помощью заявленного устройства, заключается в устранении недостатков, присущих существующим аналогам и доработка устройства-прототипа для реализации новых свойств, направленных на увеличение ресурса.
Основной технический результат от использования данного технического решения заключается в увеличении срока службы быстродействующей отсечной арматуры за счет обеспечения работоспособности пары трения поршневое кольцо-зеркало цилиндра быстродействующего запорно-отсечного клапана, входящего в состав парового арматурного блока.
Также присутствует дополнительный технический результат в виде повышения безопасности при эксплуатации паровых арматурных блоков на АЭС и любых других объектах, в которых может быть использован быстродействующий запорно-отсечной клапан.
Данные основной и дополнительный технические результаты достигаются за счет обеспечения работоспособности пары трения поршневое кольцо-зеркало цилиндра быстродействующего запорно-отсечного клапана, входящего в состав парового арматурного блока, путем нанесения на рабочую поверхность поршневых колец лазерной наплавки высотой 0,5-1,5 мм, зоной термического влияния 0,3-1,0 мм из материала, обеспечивающего низкий коэффициент сухого трения со сталью цилиндра клапана при температуре рабочей среды до 300°С и давлении до 80 бар.
Данное техническое решение может быть выполнено в виде быстродействующего запорно-отсечного клапана, содержащего корпус с седлом и входным и выходным патрубками, в полости которого размещены взаимодействующие между собой запорный элемент в виде поршня цилиндрической формы с поршневыми кольцами, характеризующегося тем, что поршневые кольца выполнены с нанесением на их рабочую поверхность лазерной наплавки высотой 0,5-1,5 мм, зоной термического влияния 0,3-1,0 мм из бронзового сплава. Все перечисленные элементы находятся в едином конструктивном исполнении.
В качестве материала наплавки может быть использован порошок ПР-БрОФ 8-0,3.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - чрезмерный износ поршневых колец рабочего штока (поршня) и задиры на рабочих поверхностях цилиндра быстродействующего запорно-отсечного клапана;
Фиг. 2 - быстродействующий запорно-отсечной клапан с наплавкой на поршневом кольце.
Фиг. 3 - частная реализация быстродействующего запорно-отсечного клапана с наплавкой на поршневом кольце.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
Ниже будут рассмотрены некоторые термины, которые в дальнейшем будут использоваться при описании технического решения.
АЭС (атомная электростанция) - ядерная установка, использующая для производства электрической (и в некоторых случаях тепловой) энергии ядерный реактор (реакторы) и содержащая комплекс необходимых сооружений и оборудования.
БЗОК (быстродействующий запорно-отсечной клапан) - предназначен для быстрого перекрытия рабочей среды с пульта управления или в автоматическом режиме при нарушении технологических параметров в системе, и является исполнительным органом автоматики безопасности агрегатов или может применяться как запорный орган.
Наплавка - нанесение слоя металла или сплава на поверхность изделия посредством сварки плавлением.
Лазерная наплавка - метод нанесения материала при помощи лазерного луча, использующегося для создания ванны расплава, куда подается материал. В качестве присадки могут использоваться как порошки, так и проволоки.
В данном техническом решении основной технический результат от его использования заключается в увеличении срока службы быстродействующей отсечной арматуры, достигается за счет обеспечения работоспособности пары трения поршневое кольцо-зеркало цилиндра быстродействующего запорно-отсечного клапана, входящего в состав парового арматурного блока, путем нанесения на образующую поверхность поршневых колец лазерной наплавки высотой 0,5-1,5 мм, зоной термического влияния 0,3-1,0 мм из материала, обеспечивающего низкий коэффициент сухого трения со сталью цилиндра клапана при температуре рабочей среды до 300°С и давлении до 80 бар.
Данное техническое решение может быть выполнено в виде быстродействующего запорно-отсечного клапана, содержащего корпус с седлом и входным и выходным патрубками, в полости которого размещены взаимодействующие между собой запорный элемент в виде поршня цилиндрической формы с поршневыми кольцами, отличающийся тем, что поршневые кольца выполнены с нанесением на их образующую поверхность лазерной наплавки высотой 0,5-1,5 мм, зоной термического влияния 0,3-1,0 из материала, обеспечивающего низкий коэффициент сухого трения со сталью цилиндра клапана при температуре рабочей среды до 300°С и давлении до 80 бар. Все перечисленные элементы находятся в едином конструктивном исполнении.
Обеспечение работоспособности пары трения поршневое кольцо-зеркало цилиндра быстродействующего запорно-отсечного клапана (БЗОК), входящего в состав парового арматурного блока, является ключевой задачей для обеспечения работы всего парового арматурного блока.
Разрушение поршневых колец и сопряженных с ними цилиндров стакана БЗОК происходит из-за высокого коэффициента трения (сухое трение сталь по стали) в паре поршневое кольцо-зеркало цилиндра, усугубляющегося высокой (до 300°С) температурой среды и высоким давлением в цилиндре (до 80 бар).
В то же время прочность стенок цилиндра и поршневых колец должна быть достаточной для обеспечения ресурса БЗОК в 200 циклов.
Из-за неидеальной геометрии поршневых колец и зеркала цилиндров при работе БЗОК в зонах их контактов резко увеличиваются удельные давления, что при сухом трении приводит к увеличению температуры зон контактов до значений плавления стали, происходит точечное сваривание металлов, при движении поршня происходят задиры и разрушение поверхностей зон контактов. В качестве примера можно привести результаты проведенных ресурсных испытаний БЗОК - был выявлен чрезмерный износ поршневых колец рабочего штока (поршня) и задиры на рабочих поверхностях цилиндра, что в свою очередь привело к заклиниванию штока в корпусе клапана (в зоне цилиндра) в период испытаний (Фиг. 1).
Исключить локальные разрушения в отдельных точках и появление задиров возможно подбором материалов поршневое кольцо-зеркало цилиндра, способных работать при высоком сухом трении, высоких температурах и удельных давлениях. Однако подбор материалов ограничивается требуемыми механическими свойствами, требованиями конструкторской документации или стоимостью материалов.
В то же время конструкция пары поршневое кольцо-зеркало цилиндра позволяет решить проблему разделением пары трения промежуточным материалом, способным обеспечить работу пары трения при высоких температурах, высоких удельных давлениях и сухом трении наплавкой подобранными материалами по специальной технологии.
При этом важно, чтобы сцепление наплавки и основного материала (поршневого кольца или цилиндра) было выполнено на диффузионном уровне, при этом, для сохранения механических свойств материалов, на которые производится наплавка, должна быть минимальная зона термического влияния.
При этом твердость и состояние исходных материалов пары трения поршневое кольцо-цилиндр не имеют значения.
Таким условиям удовлетворяет лазерная наплавка порошковыми материалами. Лазерная наплавка - единственный способ гарантированного диффузионного соединения одного металла с другим, при котором очень мала зона термического влияния. Это означает, что соединяемые металлы (кроме зоны сплавления) не будут подвергаться в процессе наплавки высоким температурам, а значит, их механические свойства не будут изменяться. Другие виды наплавок не имеют столь малой зоны термического влияния и гарантированного сплавления.
При этом наплавку возможно выполнить либо на образующих поверхностях поршневых колец, либо на сопряженной с ними поверхности цилиндра.
Выбор бронзовых сплавов материала наплавки обуславливается тем, что они, имея чешуйчатую структуру, выполняют роль смазки до температур применения 400°С при сухом трении, а также улучшают приработку пары трения. В предпочтительном варианте осуществления описываемого устройства может быть использован износостойкий, антифрикационный, коррозионно-стойкий при 100% влажности среды, для противозадирных покрытий порошок ПР-БрОФ 8-0,3, состав 8% олово, 0,3% фосфор, остальное - медь. Подобный эффект снижения трения может быть и у многих других сплавов с другим процентным содержанием компонентов.
Высота наплавки должна быть в пределах 0,5-1,5 мм после механической обработки (после выполнения лазерной наплавки порошковыми материалами предполагается дальнейшая механическая обработка на имеющемся металлообрабатывающем оборудовании на заводе-изготовителе БЗОК), зона термического влияния 0,3-1,0 мм, в каждом конкретном случае величина данных параметров зависит от конструкции и требуемых механических свойств изделий. Важно, чтобы сплавление обеспечивало нужную прочность на сдвиг наплавки с основным металлом, а выступание обеспечивало нужную прочность материала наплавки на сдвиг. Ключевые характеристики: зона термического влияния около 0,3-1,0 мм, высота наплавки после мехобработки на готовом кольце около 0,5-1,5 мм. Допуск 0,2 мм. Важно хорошее диффузионное сцепление с основным материалом и гарантированное выступание наплавляемого материала.
Таким образом, указанный технический результат подтверждается полученным ресурсом изделия в реальных эксплуатационных условиях, а именно обеспечения гарантированного ресурса в 200 циклов для БЗОК.
Подобные операции можно применить также в подвижных уплотнениях арматуры, работающей в аналогичных условиях.
На Фиг. 2 изображен поясняющий чертеж описываемого решения.
Позицией 1 отмечен цилиндр, позицией 2 - наплавка, позицией 3 - зона термического влияния, позицией 4 - поршневое кольцо, позицией 5 - поршень, позицией 6 - зеркало цилиндра.
На Фиг. 3 представлен чертеж частной реализации описываемого технического решения: поз. 1 - корпус, поз. 2 - запорный элемент в закрытом положении, поз. 3 - поршень, поз. 4 - изготовленные поршневые кольца.
Левый патрубок - подвод рабочей среды (пара температурой 300°С, давлением 80 бар) от ПГ (парогенератора), нижний патрубок - отвод среды к турбине. При аварийных ситуациях по сигналам датчиков с помощью электромагнитных клапанов запорный элемент перекрывает отвод среды к турбине и открывает отвод среды к защитному клапану перед БРУ-А (быстродействующая редукционная установка для сброса пара в атмосферу в аварийных ситуациях).
Для разделения пары трения поршневое кольцо-зеркало цилиндра на поршневое кольцо наносится промежуточный материал (наплавка), способный выполнять роль смазки при высоких температуре 300°С и давлении 80 бар. Гарантированное соединение основного материала поршневого кольца и наплавки, выполняющей роль смазки при сухом трении сталь по стали, способное служить при указанных выше условиях весь срок службы АЭС, может обеспечить только соединение в расплавленном виде. Для этого поверхность поршневого кольца быстро нагревается до плавления и на него наносится в расплавленном состоянии наплавка.
Быстрый нагрев поверхности поршневого кольца до плавления возможен только лазером, также только лазером возможно быстрое расплавление и нанесение материала наплавки. Причем, чем тоньше расплавленный слой поршневого кольца и меньше время операции наплавки, тем в меньшей степени будет подвергнут слой поршневого кольца высокой температуре, где возможны изменения механических свойств поршневого кольца, в частности, снижение упругости. Этот слой состоит из чистого материала наплавки, смеси материалов поршневого кольца и материала наплавки, и зоны термического влияния.
Зона термического влияния - часть основного металла, которая не была расплавлена во время лазерной наплавки, но чья микроструктура и механические свойства были изменены в результате нагрева.
В совокупности этот слой из чистого материала наплавки, смеси материалов поршневого кольца и наплавки и зона термического влияния не выполняет функции поршневого кольца, этот слой лишь удерживает наплавку между поршневым кольцом и зеркалом цилиндра.
Таким образом, чем тоньше этот слой, тем лучше. В процессе работы БЗОК наплавка постепенно «истирается», поэтому высота наплавки после мехобработки на поршневом кольце 0,5-1,5 мм диктуется тем, чтобы ее гарантированно хватило на весь срок работы АЭС с большим запасом.
Технологически зону термического влияния менее 0,3-1,0 мм лазерной наплавкой выполнить невозможно.
Экспериментально изготовленные поршневые кольца в количестве 24 штук после ресурсных испытаний БЗОК на рабочих параметрах в количестве 200 циклов (столько циклов БЗОК должен отработать за весь срок работы АЭС, составляющий 60 лет) не получили износ, который можно было бы измерить инструментально. Специалисту в данной области, очевидно, что конкретные варианты осуществления быстродействующего запорно-отсечного клапана были описаны здесь в целях иллюстрации, допустимы различные модификации, не выходящие за рамки и сущности объема технического решения.