Станислав Горобченко - Курс «Современный ТРИЗ». Модуль «Алгоритм решения инжиниринговых задач АРИнЗ»

Первым из таких элементов выступал собственно тип клапана. Седловой клапан, как показанный на рис.18, не имеет возможности регулировать при сложном переменном составе среды. На нем происходит залипание и кристаллизация среды, со значительным уменьшением условного прохода. Значительные гидравлические сопротивления не дают возможности использовать все сечение трубопровода для перекачки дисперсных кристаллизующихся сред. Тем более невозможно сэкономить на уменьшении энергопотребления насосами.

Чтобы обеспечить работоспособность клапана в условиях абразивного износа, проектанты часто приравнивают эти условия к максимально жестким и, соответственно закладывают максимально жесткие конструкции клапанов. Например, ими могут быть пробковые клапаны. Однако среда забивается под конус, а высокая поверхность соприкосновения в этом случае создает «лучшие» условия для забивания трущихся поверхностей седла и конусной пробки и последующего непременного заклинивания.

Таким образом, жесткие конструкции клапанов не подходят. К тому же любое сужение, перегибы проточной части, как показано в вентиле, помогают абразивному износу. Оптимальным решением была бы полностью проходная проточная часть.

Вторым из таких элементов с непропорционально высоким вкладом в стоимость клапана и выполняемой функцией оказался фланец клапана. Основная функция фланца – обеспечивать присоединение арматуры к трубопроводу и гарантировать его безопасную эксплуатацию. Но при рабочих давлениях не выше 1–3 Бар, можно обойтись и без фланца на клапане, что существенно снизит его стоимость. Различные вибрации, возникающие в трубопроводе, хорошо гасятся все больше внедряемыми спирально-навивными прокладками. А ведь стоимость фланца в клапане весьма высока и часто поднимает его стоимость более чем на 30%. Явный разрыв. Нет фланца – есть экономия. А бесфланцевый клапан при таких давлениях вполне применим.

Третьим элементом был собственно шток и трудности его уплотнения в таких кристаллизующихся средах. Движение такого штока вверх-вниз с налипшей на него средой всегда приведут к повышенному износу сальникового уплотнения, а за ним и к утечкам и заклиниванию. Собственно цепочка – «седловой клапан (типа вентиля)» – «проблемы утечки и заклинивания» – «проблемы износа штока и уплотнения» взаимосвязаны. Корнем проблемы является возвратно-поступательный тип клапана.

Четвертым элементом с непропорционально большим вкладом в стоимость арматуры оказался корпус и, особенно, материал корпуса. Была применена нержавеющая сталь. Поиск данных по коррозионной стойкости различных материалов в используемых щелочных средах показал, что в своем большинстве может быть применена углеродистая сталь. Она имеет большую прочность и твердость по сравнению с обычно применяемой нержавеющей сталью, и способна значительно больше сопротивляться коррозионно-эрозионному износу. Здесь удалось найти значительно большую почву для экономии по сравнению с другими элементами.

Несмотря на очевидность необходимости корпуса для формирования потока, корпус – это вспомогательная деталь. При этом корпус – самая дорогая, самая сложная в изготовлении и материалоемкая деталь, достигающая до 70% стоимости изготовления всего клапана. Чем меньше корпуса, тем лучше. Чтобы реализовать это на практике – нужно упростить форму, лучше до формы, близкой к трубопроводной, обеспечить полнопроходность, уменьшить размеры, например, за счет устранения фланцев и передачи их в трубопровод (т.н. прифланцовываемое исполнение).

Как видно, рабочий орган и седло оказывают не только положительное (регулирующее воздействие), но и из-за дросселирующего эффекта они могут оказывать отрицательное воздействие на среду после себя, например, при неправильном расчете вызывая значительную нелинейность, автоколебания, в критичном случае – кавитацию, вскипание, слишком значительное падение давления и пр. В связи с этим и, учитывая характер среды, лучше работать в верхней части диапазона регулирования.

Как видно, многие проблемы тянутся одна за другой и представляют собой одну цепочку, упирающуюся в неправильно когда-то подобранный тип клапана. Лучшим решением может быть такая конструкция клапана, которая сама обеспечивает защиту, и от налипания, и от заклинивания. Ею оказывается конструкция сегментного клапана. Набегающий поток входит в чашу сегмента и препятствует прямому контакту металла сегмента и истиранию при трении последующих входящих струй зарастающего трубопровода. Бесфланцевое исполнение, полнопроходность, широкий диапазон регулирования для работы в условиях зарастающего трубопровода также выполнимы для сегментного клапана.