ЛИТАЯ ЗАГОТОВКА КОРПУСНОЙ ДЕТАЛИ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ

Заявляемая полезная модель относится к области литейного производства и может быть использована при производстве заготовок корпусных деталей трубопроводной арматуры, а именно, корпусов шиберных и клиновых задвижек, тройников и т.д.
Одной из проблем литейного производства в настоящее время является наличие в отливках дефектов усадочного характера, таких как усадка, усадочные рыхлоты, пористость, а также дефектов виде неметаллических включений. Скрытность течения процесса затвердевания металла в форме затрудняет возможность ликвидации возникающих при этом усадочных дефектов отливок. В случае выполнения сложной отливки, объем которой формируется взаимным пересечением нескольких формообразующих поверхностей, в зонах пересечения этих поверхностей, иначе, тепловых узлах, проявляются основные дефекты усадочного характера, которые требуют дальнейшего устранения, например, механической разделки и заваривания. Одним из основных средств, практикуемых для получения отливок без усадочных раковин, служит применение прибылей. Однако не всегда возможно обеспечить отливку необходимым количеством прибылей, особенно для питания тепловых узлов.
Из описания изобретения к а.с. СССР №1444058 известна литая заготовка детали арматуры, имеющая несколько тепловых узлов (центральный и периферийные), при этом над центральным тепловым узлом расположена прибыль в качестве питающего элемента, а технологические приливы соединяют центральный тепловой узел с периферийными тепловыми узлами.
При изготовлении данной конструкции отливки не обеспечивается полноценное питание всех тепловых узлов, так как имеющиеся технологические приливы не перекрывают зону теплового узла полностью, а лишь обеспечивают их соединение.
Из уровня техники также известна отливка, содержащая сочленение объемных элементов с образованием теплового узла переменного сечения и прибыль, размещенную со стороны, противоположной максимальному сужению теплового узла переменного сечения (а.с. СССР №1082556).
В результате изготовления данной конструкции отливки задача устранения усадочных дефектов в тепловых узлах не решается, поскольку зоны сочленения объемных элементов не охватываются участками действия прибыли, а дополнительных питающих элементов, например, в виде приливов, конструкцией отливки не предусмотрено.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является литая заготовка, получаемая методом литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) на Воронежском механическом заводе (журнал CADmaster, №4, 2004 «Литье по выплавляемым моделям: взгляд изнутри», Савельев Ю., Турищев В.). Известная литая заготовка представлена в виде двух взаимопроникающих цилиндрических тел с протяженными тонкими стенками и массивными фланцами. Заготовка характеризуется наличием термических центров (тепловых узлов) в местах переходов от тонких элементов к толстым. При получении отливки решается задача поиска оптимальных условий кристаллизации и уменьшении количества дефектов усадочного характера за счет использования пяти массивных прибылей, одна из которых установлена в центре отливки, три - на фланцах, и еще одна - на конусной части отливки.
Однако из указанного источника информации следует, что авторам не удалось избежать наличия дефектов типа «усадочная пористость» в зоне «глухого кармана» и в нижней части горизонтально ориентированной части отливки.
Задачей заявляемого технического решения является улучшение качества отливок, предназначенных для изготовления деталей трубопроводной арматуры, в частности, шиберных задвижек, за счет снижения возможности проявления дефектов усадочного характера и дефектов в виде неметаллических включений в зоне тепловых узлов отливки в результате обеспечения тепловых узлов питанием.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении направленной кристаллизации и удалении неметаллических включений и газов из отливки в прибыль.
Поставленная задача решается тем, что заявляется литая заготовка корпусной детали трубопроводной арматуры, представляющая собой стальную полую отливку с прибылью. Отливка выполнена в виде, по крайней мере, двух взаимосопряженных под углом цилиндрических или цилиндрической и конической поверхностей. Отливка может быть получена методом гравитационного литья в сырые формы, песчаные холодно твердеющие смеси, в кокиль, оболочковые формы, или методом литья по выплавляемым моделям. Согласно заявляемому техническому решению, в полости отливки с примыканием к ее внутренней поверхности выполнены приливы, расположенные с обеспечением частичного или полного перекрытия зон сопряжения поверхностей, образующих заготовку, при этом приливы выполнены сообщающимися через поверхность отливки с прибылью, а отношение внутреннего диаметра (А) цилиндра, в котором размещены приливы к расстоянию между ними (D) в горизонтальном осевом сечении цилиндра составляет от 1,06 до 5. Размеры приливов и их расположение друг относительно друга зависят от диаметров сопрягаемых поверхностей и размеров прибыльной части литой заготовки. Приливы могут быть выполнены смыкающимися подприбыльной зоне отливки. Помимо указанных геометрических параметров, приливы могут удовлетворять следующим соотношениям: отношение длины цилиндра (L), в котором размещен прилив, к ширине прилива (В) в горизонтальном осевом сечении цилиндра составляет от 3 до 10. Прилив может иметь переменную по всей высоте толщину, расширяясь к зоне прибыли, при этом расширение прилива к зоне прибыли составляет от 3° до 15°. Из литой заготовки по заявляемой полезной модели изготавливаются корпусные детали трубопроводной арматуры, в частности, корпусы шиберной или клиновой задвижки. Так, например, литая заготовка корпусной детали задвижки представляет собой взаимосопряженные магистральный проход и присоединительные верхний и нижний цилиндры в качестве взаимосопряженных цилиндрических поверхностей, при этом приливы в отливке корпуса задвижки расположены в полости отливки и ориентированы в сторону магистрального прохода.
Заявляемая полезная модель поясняется следующими схематичными изображениями:
На фиг.1 представлен разрез литой заготовки (вид сверху) с указанием возможного расположения дефектов в тепловых узлах;
На фиг.2 представлен вид сбоку на заготовку без приливов;
На фиг.3 представлен разрез литой заготовки (вид сверху), снабженной приливами, выполненными в зонах взаимного пересечения формообразующих поверхностей для предотвращения появления дефектов, показанных на фиг.1;
На фиг.4 представлен вид сбоку на заготовку с приливами, выполненными в соответствии с заявляемым изобретением;
На фиг.5 представлен разрез заготовки корпусной детали задвижки с усадочными дефектами в тепловых узлах;
На фиг.6 показаны зоны размещения приливов по заявляемой полезной модели, соответственно местам образования усадочных дефектов;
На фиг.7 представлена заготовка корпуса задвижки с приливами и прибылями;
На фиг.8 и 9 представлены виды на корпус клиновой задвижки с дефектами и без них, с приливами.
На фиг.10 представлен вид сбоку на корпусную деталь клиновой задвижки с приливами.
На фиг.11-13 представлены варианты выполнения приливов в отливке в соответствии с заявляемой полезной моделью, отличающиеся уровнем высоты смыкания этих приливов, что определяется их толщиной и формой выполнения.
На фиг.14 представлено схематичное изображение заявляемой заготовки, выполненной в виде взаимосопряженных цилиндрической и конической поверхностей.
Позициями на чертежах обозначены:
1 цилиндрическая поверхность,
2 прилив,
3 зона сопряжения поверхностей (тепловой узел),
4 магистральный проход,
5 присоединительный цилиндр,
6 шиберный паз,
7 прибыль,
8 дефекты
9 точка смыкания приливов,
10 коническая поверхность.
Подробное описание конструкции заявляемого технического решения и способ его изготовления и использования показаны на примере литой заготовки корпуса шиберной задвижки, однако реализация изобретения возможна также и для других объемных литых заготовок корпусных деталей, например, клиновых задвижек, запорных и регулирующих клапанов, тройников, отводов и т.д. В каждом случае размеры и форма приливов, расположенных в зонах сопряжения образующих заготовку поверхностей, рассчитываются индивидуально.
Заготовка корпуса задвижки выполнена в виде цилиндрического магистрального прохода 4 диаметром от 100 до 2000 мм с присоединительными цилиндрами (патрубками) 5, перпендикулярно ориентированными к нему с двух противоположных его цилиндрической поверхности сторон (верхний и нижний). Литая заготовка корпуса задвижки представляет собой отливку, выполненную методом, например, гравитационного литья в песчаные холодно-твердеющие смеси. Литье также может быть осуществлено также в сырые формы, в кокиль, оболочковые формы или по выплавляемым моделям. Большинство литейных дефектов формируется в процессе затвердевания отливки после полного заполнения. Усадка жидкого и кристаллизующегося сплава обуславливает образование в отливках незаполненных металлом полостей (усадочных раковин и пор), что негативно сказывается на дальнейших эксплуатационных характеристиках таких отливок (фиг.1, 5, 8). Описываемые отливки применяют в качестве заготовок корпусов изделий трубопроводной арматуры, используемой при транспортировке нефти и газа. В случае наличия в отливке усадочных дефектов, существенно возрастает риск частичного разрушения металла и утечки транспортируемой среды в окружающую среду, что крайне негативно сказывается на внешней экологической обстановке и создает угрозу безопасности эксплуатируемого объекта. Так, усадочные раковины часто образуются в изолированных узлах с наибольшей концентрацией металла; в углах, в местах подвода металла или местах с затрудненным отводом теплоты. При литье простых по форме заготовок, задача снижения количества усадочных дефектов решается посредством установки прибылей над зонами, имеющими склонность к усадочным дефектам. При литье сложных по конфигурации заготовок, при взаимном пересечении образующих заготовку поверхностей, образуются тепловые узлы, питания которых только прибылями недостаточно для предотвращения возникновения дефектов усадочного характера. Кроме того, питание этих массивов прибылями вызывает большие расходы металла и непроизводительные дополнительные затраты на механическую обработку. В некоторых случаях, не представляется возможным обеспечить отливку таким количеством прибылей, чтобы устранить возможную усадку. В заявляемой полезной модели решается локальная задача питания металлом тепловых узлов 3 отливки, образованных при пересечении (сопряжении) образующих заготовку поверхностей. На фиг.5, 6 схематично представлено сечение заготовки корпуса шиберной задвижки, образованной взаимосопряженными цилиндрическим магистральным проходом 4 (в общем случае 1) и верхним и нижним присоединительными цилиндрами 5. Из фиг.5 видно, что усадочные дефекты 8 образуются в зонах сопряжения формообразующих поверхностей, так называемых, тепловых узлах 3. Отливка корпуса задвижки имеет четыре тепловых узла, в зоне которых организованы четыре идентичных по форме и размерам прилива 2, смыкающихся в подприбыльной зоне в магистральном проходе. Форма приливов показана на фиг.4, и определяется ориентированностью в пространстве линии пересечения поверхностей, образующих заготовку. В общем случае приливы имеют переменную по всей высоте толщину и выполнены с увеличением толщины к прибыли. Приливы выполнены смыкающимися в верхней части магистрального прохода 4 заготовки корпуса задвижки. Размеры приливов не являются абсолютными значениями, а определяются геометрическими параметрами отливаемой заготовки.
Так, для отливки корпуса шиберной задвижки диаметром Ду=1200 мм справедливо выполнение следующих заявленных соотношений геометрических параметров отливки: A/D=2,35; A/G=1,14; L/B=5,56; а расширение прилива к прибыли (угол конусности прилива) составляет 9°.
Соотношение A/D характеризует зависимость расстояния между двумя, расположенными напротив, приливами в горизонтальном сечении заготовки по оси магистрального парохода от диаметра магистрального прохода, что является характеристикой высоты смыкания приливов в подприбыльной зоне.
Соотношение A/G характеризует зависимость высоты смыкания двух соседних приливов в магистральном проходе от диаметра магистрального прохода.
Соотношение L/B характеризует зависимость величины прилива от длины заготовки.
Указанные соотношения для корпусной детали диаметром Ду=1200 мм характеризуют геометрические параметры приливов, которые обеспечивают практически полное отсутствие усадочных дефектов в тепловых узлах и оптимально способствуют удалению неметаллических включений в прибыль. В общем случае, все геометрические соотношения взаимосвязаны, и их соблюдение обеспечивает оптимальную конфигурацию приливов.
На фиг.11-13 показано, что соединение (смыкание) образовано в подприбыльной зоне, то есть непосредственно под прибылью отливки. Ранее отмечено, что отношение внутреннего диаметра цилиндра (внутреннего диаметра магистрального прохода для случая литой заготовки корпуса задвижки) к расстоянию между приливами, измеренному в горизонтальном осевом сечении цилиндра (магистрального прохода) характеризует высоту смыкания (соединения) приливов (см. дополнительные фигуры 11-13). Так, на фиг.11 схематично представлено изображение части литой заготовки, внутренний диаметр цилиндра которой равен 500 мм, а расстояние между приливами, измеренное по горизонтальному осевому сечению цилиндра, составляет 251 мм, соответственно, их отношение составляет 1,99. На фиг.12 схематично представлена ситуация, когда приливы выполнены более утолщенными, в результате чего, расстояние между ними в горизонтальном осевом сечении цилиндра минимально, и составляет 100 мм при идентичном внутреннем диаметре цилиндра. Таким образом, отношение вышеуказанных величин равно 5, что является граничным значением из заявленного диапазона. На фиг.13 представлена противоположная ситуация, когда толщина приливов минимальна, они выполнены небольшими, в результате чего расстояние между ними в горизонтальной осевой плоскости 471 мм практически равно внутреннему диаметру цилиндра. Таким образом, для данного случая, вышеописанное отношение составляет 1,06. После остывания металла отливки, при ее механической обработке в процессе изготовления корпусной детали, приливы удаляют.
Так как приливы представляют собой дополнительный объем литьевой формы, то через них уходит часть газов, неметаллических включений по кратчайшему пути в прибыль. Приливы на отливке обеспечивают заготовку полноценным питанием металлом, способствуют направленной кристаллизации отливки. При направленном затвердевании отливка получается наиболее плотной, без концентрированных раковин, которые посредством приливов, сообщающихся с прибылью через поверхность отливки, выводятся в прибыль. В результате получают литую заготовку, в которой нет необходимости проводить заваривание усадочных раковин или иные работы по снижению количества дефектов.
На фиг.14 представлен вариант литой заготовки, образованной взаимным пересечением конической 10 и цилиндрической 1 поверхностей. Такое исполнение заготовки может быть использовано при изготовлении, например, корпусов шиберных задвижек. Приливы располагаются в цилиндрической части заготовки, а коническая часть выполняет функцию присоединительного патрубка конической формы.
Выбор конкретного значения из заявленных диапазонов геометрических соотношений зависит от многих факторов, в том числе и от требований к качеству отливаемой заготовки, а именно, от требований к возможному количеству или объему различного рода дефектов. Так, общие требования ОАО «Транснефть» к отливкам отличаются от требований ГОСТ 977-88. В соответствии с ГОСТ 977-88, на необрабатываемых поверхностях отливок допускаются без исправления раковины и другие дефекты, кроме трещин, вид, размеры, количество и расположение которых указаны в конструкторской документации и конкретных технических требованиях к отливке. В требованиях ОАО «Транснефть» содержится четкое указание на обязательное отсутствие различного рода раковин и других дефектов. Таким образом, допустимое количество дефектов определяется входными требованиями принимающей организации. В зависимости от этого изменяются и размеры приливов - например, при ужесточении требований - вплоть до необходимости полного отсутствия дефектов, приливы выполняют более массивными, с минимальным расстоянием между ними.