Корзина
22 отзыва
+380503449977
+380675522877
ООО Гидро-Максимум
Корзина

Гидравлические соединения без утечек жидкости: стандартизация, принцип действия и монтаж трубных резьбовых соединений

Гидравлические соединения без утечек жидкости: стандартизация, принцип действия и монтаж трубных резьбовых соединений

Новые требования к соединениям в гидравлических системах

В гидравлических системах по трубо- и шлангопроводам осуществляется транспортирование потоков жидкости с высокой энергией. Пути транспортирования жидкостей в системах гидравлических приводов можно наблюдать визуально, в отличие, например, от путей передачи информации в современных системах беспроводной телекоммуникации. Дальнейшее развитие современных гидравлических приводов предъявляет все большие требования также и к технике соединений между компонентами системы. Для повышения эффективной мощности в настоящее время в гидравлических системах используются существенно более высокие рабочие давления, чем всего несколько лет назад. Эта тенденция увеличения давлений, без сомнения, сохранится и в будущем. Из-за коротких длительностей циклов работы быстродействующих производственных машин возникает большое число пиков давлений, что вместе с вибрацией приводит к дополнительной нагрузке на трубопроводы. 
Дефектные гидравлические соединения проявляются на местах непосредственно в форме утечек и поломок трубопроводов. В то время, когда аспекты защиты окружающей среды и охраны труда постоянно приобретают растущее значение, потери жидкости в гидравлических системах неприемлемы (рис. 1). Раньше еще существовала практика останова машин для подтягивания подтекающих резьбовых соединений и дополнения потерянного количества жидкости для гидросистем. В настоящее время на больших производственных предприятиях, вследствие значительного дефицита источников финансирования мероприятий по проведению ремонтных работ, соответствующий персонал отсутствует. Ожидаемая выработка обеспечивается только в длительном и непрерывном режиме работы, при этом гидравлические соединения должны сохранять герметичность без проведения операций по подтягиванию. В условиях производства высококачественных изделий и чистых цеховых помещений загрязнение окружающей среды маслом не допускается. Кроме того, изготовители вынуждены создавать свои гидравлические системы с обеспечением высокой эффективности, т.е. с учетом прессинга в отношении стоимости, времени и качества. Спрос существует на удобные в обращении системы соединений с интеллектуальной техникой выполнения монтажных работ.

Во времена прогрессирующей глобализации не допускается применение каких-либо предусмотренных национальным рынком ограничивающих специальных предписаний. Все запасные части и монтажная техника должны иметься в распоряжении во всем мире. Традиционные системы резьбовых соединений, например, соединения посредством врезающихся колец 24° или резьбовых соединений 37° с отбортовкой были разработаны в последние 20 лет прошлого столетия с учетом тогдашних требований. Рациональное удовлетворение сегодняшних и будущих требований может быть успешно выполнено только с помощью более совершенных систем соединений и эффективной монтажной техники. На момент написания этот материал представлял собой самый обширный труд на немецком языке в области техники соединений в гидравлических системах высокого давления. Подробно представлен самый современный уровень техники соединений и монтажа, а также концепции проектирования систем при совместном сотрудничестве изготовителей машин, изготовителей соединительного оборудования и конечных заказчиков.

Основы техники трубных соединений

Критерии выбора подходящих компонентов резьбовых соединений

Одной из главных причин отказов систем трубопроводов наряду с ненадлежащим выполнением монтажа является применение непригодных соединительных элементов. Все элементы трубопроводов должны быть тщательно согласованы с соответствующей целью применения. В основном, предпочтительно применять жесткие трубопроводы. Они дешевле шлангопроводов и в течение всего срока применения не подвержены существенному износу, если эксплуатация осуществляется в допустимых рабочих условиях. Для выбора подходящих компонентов резьбовых соединений необходима следующая информация:

  • коррозионное воздействие;
  • совместимость со средой;
  • термическая нагрузка;
  • тип трубопровода;
  • расход среды;
  • нагрузка давлением;
  • условия эксплуатации;
  • условия на месте применения;
  • задания заказчика;
  • другие предписания.

Коррозионное воздействие является определяющим фактором для выбора материала и вида обработки поверхности компонентов (рис. 2). 
В частности, для мобильных рабочих агрегатов определение рабочих условий часто затруднительно: один и тот же вильчатый автопогрузчик, который эксплуатируется на складе книжной типографии, при эксплуатации в порту или на установке по опреснению морской воды подвергается существенно более значительному коррозионному воздействию. 
Наряду с типичными случаями применения в условиях влияния морской воды, например, в судостроении, в прибрежных сооружениях и в шлюзовых установках, высокие требования к коррозионной стойкости используемых материалов предъявляют, прежде всего: бумагоделательные машины, технологические установки, автомобили для посыпания дорог в зимний период и установки для гальванического покрытия. Трубопроводы многих металлообрабатывающих станков подвержены воздействию смазочно-охлаждающих жидкостей на водной базе, шлифовальной пыли или агрессивному истиранию. В установках пищевой промышленности или в медицинской технике производят периодическую очистку трубопроводов с применением агрессивных сред. 
Для всех указанных случаев применения простые стальные материалы - в том числе с гальваническим антикоррозионным покрытием - не пригодны для эксплуатации в течение продолжительного времени. Из-за высокого наружного коррозионного воздействия, как правило, необходимо использовать нержавеющую сталь, даже если внутри трубопровода протекает исключительно минеральная жидкость для гидросистем. 
По причинам стоимости применение труб из нержавеющей стали должно ограничиваться теми случаями применения, когда коррозионная стойкость трубопроводов, оцинкованных гальваническим методом, недостаточна. Стальные трубопроводы, оцинкованные гальваническим методом, стали стандартным решением для всех гидравлических установок, которые либо стационарно установлены в зданиях, либо эксплуатируются на строительных площадках или в сельском и лесном хозяйстве. Распространенные на рынке цинковые покрытия при стойкости к белой ржавчине от 200 до 500 часов обеспечивают достаточную защиту от коррозии. Стойкость к белой ржавчине означает, что цинковое покрытие хотя и подвергается агрессивному воздействию, но обеспечивается защита основного материала - стали. Но и там, где до сих пор использовалась дополнительная окраска стальных трубопроводов, внедряются компоненты с цинковым покрытием гальваническим методом. При этом экономятся не только расходы на окраску, но и затраты на монтаж и демонтаж, отклеивание и очистку компонентов после окраски. Благодаря перечисленным преимуществам выполненные из стали гидравлические резьбовые соединения предлагаются всеми известными изготовителями, как правило, только с цинковым покрытием поверхности компонентов. 
Наряду с четко определенными областями применения стали и нержавеющей стали существуют также области смешанного применения, например, автомобильные тормоза с гидравлическим приводом, влажные зоны металлорежущих станков или установки судов под палубой, которые хотя и подвержены повышенному коррозионному воздействию, но для их эксплуатации не обязательно использование нержавеющей стали, обработка которой связана со значительными затратами. 
Для указанных специальных случаев применения более выигрышным в отношении стоимости компромиссом является применение труб из нержавеющей стали с резьбовыми соединениями из оцинкованной стали и врезающимися кольцами из нержавеющей стали. Но при применении указанных комбинаций материалов необходимо соблюдать специальные монтажные процедуры, в частности, это относится к резьбовым соединениям с врезающимися кольцами. 
Резьбовые соединения из латунных и медных труб для гидравлических установок сегодня практически уже не применяются. Причинами являются недостаточная стойкость к высокому давлению, ограниченная коррозионная стойкость, высокая стоимость и ограниченное наличие соответствующих компонентов. К тому же, латунь не обладает стойкостью к воздействию морской воды, при воздействии механической нагрузки может произойти коррозионное растрескивание. При сравнении с обычно используемыми в машиностроении материалами, например, алюминием и оцинкованной сталью, латунь и медь имеют, кроме того, очень неблагоприятные показатели в пределах электрохимического ряда напряжений. Из-за воздействия влаги (например, конденсационной влаги) в местах соединений возникают местные гальванические элементы (источники напряжения), которые, в свою очередь, вызывают электрохимическую коррозию. В результате, выполненная из менее благородного металла конструкция подвергается последовательной деструкции. Пластмассы не применяются для жестких гидравлических трубопроводов. Из-за низкой прочности стандартных пластмасс и их ограниченной стойкостью к воздействию сред и температур пластмассовые трубопроводы не пригодны для гидравлических систем высокого давления. Высокопрочные, армированные волокнистыми материалами специальные материалы являются слишком дорогими для общего применения в рабочих гидравлических системах.

Совместимость со средой

Трубные соединения подвергаются также воздействию гидравлической среды. Стальные трубы и стальные резьбовые соединения, в принципе, пригодны для применения со всеми распространенными на рынке жидкостями для гидросистем. 
Нержавеющую сталь необходимо использовать лишь для установок для осветления воды. Для трубопроводов сжатого воздуха из-за образования конденсационной влаги иногда еще используются медные трубопроводы с латунными элементами резьбовых соединений. Но благодаря введению методов улучшенной подготовки сжатого воздуха эти специальные материалы утратили свое значение. По трубопроводам технологических производственных установок часто транспортируются агрессивные жидкости и газы. Данные трубопроводы периодически промывают водой или растворяющими средствами. Такие нагрузки поверхности выдерживают только при применении компонентов из нержавеющей стали. Проверка совместимости со средой не должна ограничиваться только материалом металла резьбового соединения, необходимо производить соответствующую проверку также уплотнительного материала. Благодаря высокой степени герметичности, превосходящей герметичность других материалов, и возможности простого монтажа при выполнении чувствительных к утечкам соединений для всех таких соединений преимущественно применяются эластомерные уплотнения. Эластомерные уплотнения гидравлических резьбовых соединений состоят, как правило, из эластомерного сополимера бутадиена и акрилонитрила (нитрильного каучука) (NBR), так как он совместим с жидкостями для гидросистем. NBR пригоден - в рамках допустимого диапазона рабочих температур - также для эксплуатации с жидкостями, способными к биологической деструкции, например, синтетический сложный эфир (HEES), жидкости на базе гликоля (HEPG) и жидкости на растительной базе (HETG). Особенно агрессивные среды, например, кислоты или бензолы и синтетические масла, при высокой температуре не совместимы не только с NBR, но и с фторкаучуком (FPM). Напротив, существуют среды, например метанол и холодный газообразный аммиак, которые хотя и совместимы с NBR, но не совместимы с FPM. По этой причине используемые в технологических установках трубы из нержавеющей стали, как правило, имеют металлические уплотнения.

Термическая нагрузка

Обычные для машиностроения стальные трубопроводы с цинковым покрытием со статически нагруженными уплотнениями из NBR пригодны для длительной эксплуатации при температуре до 100 °С, при этом они не претерпевают повреждений также и при кратковременном воздействии более высоких температур. 
Стальные трубопроводы с уплотнениями из FPM пригодны для эксплуатации при температурах до 200 °С. Для экстремальных температур, например, в технологии производственных процессов или в системах рециркуляции отработавших газов автомобилей, могут применяться только трубы из нержавеющей стали с металлическими уплотнениями. В условиях воздействия агрессивных сред и чаще всего более низкого давления по сравнению с давлением рабочей гидравлики такое решение является оптимальным.

Тип гидравлического трубопровода

При указании трех первых критериев выбора параметров: коррозионного воздействия, совместимости со средой и термической нагрузки на переднем плане стояло отделение условий эксплуатации от условий в специальных случаях применения с экстремальными требованиями, так как названные критерии необходимо проверять независимо от типа гидравлического трубопровода (рис. 3). Тем не менее, в пределах гидравлической системы машины имеются разнообразные трубопроводы, работающие, в основном, с различными видами нагрузки: напорные, обратные и всасывающие трубопроводы. Напорные трубопроводы должны длительно сохранять герметичность также и при воздействии мощных импульсов давления. Высокие значения мощности требуют экстремальных скоростей потока. Во всасывающих трубопроводах существуют меньшие скорости потоков. Для исключения повреждений из-за явлений кавитации на насосе здесь имеют значение вакуумная герметичность и низкие значения сопротивления потоку. Поэтому для правильного выбора резьбового соединения необходимо знание соотношений потока и давления в каждом отдельном трубопроводе.

Скорость потока

Скорость потока является основополагающей для определения сечения труб и влияет на выбор резьбового соединения, например, на выбор между применением колена трубы или углового резьбового соединения. В стандартах ISO 4413 и, соответственно, DIN 24346 приводятся следующие ориентировочные значения:

  • Напорные трубопроводы: от 3 до 5 м/с,
  • Обратные трубопроводы: от 2 до 4 м/с,
  • Всасывающие трубопроводы: 1 м/с.

В отклонение от этих ориентировочных значений в гидравлических системах высокого давления и с высокой мощностью скорости потоков достигают 10 м/с и более. Такие скорости приводят к высоким потерям давления и значительному развитию тепла. Результат воздействия высоких температур проявляется в повышенном износе подвижных частей и ускоренном старении уплотнений. Из-за развития тепла снижается экономическая эффективность. Явления турбулентности часто вызывают повышенный уровень шумов от потоков. 
Большие сечения трубопроводов приводят, с другой стороны, к высокой стоимости системы. А легкие, компактные машины с низкими скоростями потоков жидкости реализовать невозможно. Для определения наружного диаметра трубопровода существует эмпирическая формула:

 

 

RAD - численное значение наружного диаметра трубы в мм,

V` - численное значение объемного расхода в л/мин,

с - численное значение скорости потока в м/с.

 

С помощью коэффициента коррекции 4,61 оптимальное сечение трубы может быть определено без необходимости дополнительного пересчета единиц измерения. Потери давления на резьбовых соединениях часто не рассчитывают, а только грубо оценивают. В основном, для трубопроводов с благоприятными условиями для протекания среды действуют следующие правила: исключать повороты и уступы в поперечном сечении, вместо угловых резьбовых соединений использовать колена труб и, по возможности, отказаться от пустотелых винтов с поперечными отверстиями. 
Для оптимизации параметров длинных и комплексных трубопроводов или трубопроводов, работающих при экстремально высоких скоростях потоков, можно не отказываться от определения потерь давления. Расчет потерь давления, которые возникают в местах монтажа элементов, например, в местах резьбовых соединений, относительно простой, если известны значения коэффициентов сопротивления соответствующих конструктивных элементов. 
Эти значения часто зависят от изготовителя и указываются вместе с соответствующими формулами в каталогах продукции известных изготовителей.

Нагрузка давлением

Для выбора компонентов трубопровода определяющим параметром является номинальное давление, при котором осуществляется их эксплуатация. Номинальное давление PN является параметром, нормированным в соответствии с DIN 2401. Соответствующие требования к испытаниям резьбовых соединений приведены в DIN 3859, часть 3 и, соответственно, ISO 8434, часть 5. В соответствии с этими документами параметр номинального давления включает четырехкратный статический запас прочности (давление продавливания) и 1,33-кратный динамический запас прочности (импульсное испытание). Номинальное давление каждого из всех компонентов должно превышать рабочее давление установки - при этом во всех рабочих состояниях. Поэтому определяющим фактором является не только значение напора насоса, но также открывающее давление клапана максимального давления. Если в отдельных ветвях системы трубопроводов не избежать подачи давления со стороны нагрузки, значения этих давлений также следует учитывать при определении параметров. В случае комплексных новых конструкций рекомендуется измерить фактическое значение нагрузки давлением в процессе эксплуатации (рис. 4). Важным аспектом при выборе резьбового соединения является проверка данных номинального давления для всех труб и мест соединений. Стойкость системы трубопроводов к нагрузке давлением определяется величиной номинального давления самого слабого звена. Особое внимание должно быть уделено при этом типу уплотнения в местах соединений: соединения с эластомерным уплотнением часто имеют более высокие показатели стойкости к нагрузке давлением по сравнению с соединениями с металлическим уплотнением.

При высоких рабочих температурах могут иметь место сбросы давления. Они соответствуют потерям прочности материала резьбового соединения при температурах более 100 °С. Для производственной практики эти сбросы давления имеют небольшое значение: гидравлические системы высокого давления едва ли эксплуатируются при температурах выше 100 °С, а при применении при высоких температурах, например, в технологических системах, достаточно даже стойкости к воздействию давления, пониженной на 30 %. Для всех резьбовых соединений из латуни по сравнению с одинаковыми в остальном резьбовыми соединениями из стали или нержавеющей стали приняты значения номинального давления, пониженные на 35%. 
Коэффициенты запаса прочности сознательно выбирают высокими, чтобы при всех возможных на практике значениях допусков при определении параметров, при монтаже и в процессе эксплуатации, а также при отклонении параметров рабочих состояний системы обеспечить ее работоспособность без тотального выхода из строя. В динамическом длительном режиме эксплуатации встречаются изменения материалов и величин посадки, которые понижают стойкость системы трубопроводов к воздействию давления. В рамках обеспечения длительной эксплуатации без неисправностей и утечек и для исключения несчастных случаев международная стандартизация не оставляет свободного пространства для интерпретации при проведении расчетов по критерию номинального давления. 
На ручные инструменты с гидравлическим приводом, например, спасательные ножницы, правило четырехкратного запаса прочности не распространяется. Вследствие малого веса такие приборы работают с давлением 700 бар и более. Создание указанных давлений производится чаще всего ручными насосами или переносными малогабаритными агрегатами, поэтому такие давления следует рассматривать в качестве квазистатических. Если бы параметры для этих приборов определялись с четырехкратным запасом прочности, их было бы невозможно переносить, и они были бы непригодными для использования по назначению. 
Поэтому для таких специальных случаев применения действуют специальные нормы, которые допускают меньшее значение коэффициента статического запаса прочности - 2,5. С учетом этого аспекта могут использоваться резьбовые соединения до давления, равного 1,6-кратному номинальному давлению (2,5 · 1,6 PN = 4 PN). В некоторых каталогах изготовителей эти повышенные значения для специальных случаев применения также указываются; чаще всего они имеют обозначение РВ или Рmax.

Условия эксплуатации

Гидравлические приводы с высокой нагрузкой и экстремальной мощностью требуют надежных соединений трубопроводов, чтобы в длительном режиме эксплуатации в течение ряда лет сохранялась герметичность без необходимости подтягивания отдельных соединений или даже их замены. Экскаваторы и другие мобильные агрегаты (рис. 5) в процессе эксплуатации на строительной площадке часто эксплуатируются на пределе мощности - иногда за пределом мощности. Следовательно, их гидравлические трубопроводы должны быть особенно надежными. Это относится также к тем случаям применения, когда отказы были бы опасными, а ремонт на месте невозможен. Типичными примерами являются буровые вышки, суда, горное дело или оборонная техника. В отношении резьбового соединения надежное соединение означает:

  • применение эластомерных уплотнений во всех местах соединений;
  • безупречный монтаж элементов соединений;
  • все используемые компоненты относятcя к тяжелому конструктивному ряду (S), если их поставка осуществляется из различных конструктивных рядов.

Достигнутым благодаря этим мерам преимуществам противостоят, однако, недостатки, например, большие размеры, частичное ухудшение условий транспортирования среды, высокий уровень затрат сил при монтаже и более высокая стоимость. 
Другим экстремальным случаем применения являются трубопроводы с низкой нагрузкой и сравнительно низким потенциалом опасности, например, смазочные трубопроводы. Для этих случаев применения используются трубные резьбовые соединения очень легкого конструктивного ряда (LL). При обеспечении достаточной эффективности резьбовые соединения ряда LL являются особо малогабаритными, их легко и просто монтировать, их цена невысокая. 
Кроме рассмотренных выше экстремальных случаев в области общего применения в машиностроении правильным выбором являются резьбовые соединения легкого конструктивного ряда (L). 
При правильном определении параметров и надлежащем выполнении монтажа данные резьбовые соединения обеспечивают высокую функциональную надежность. В частности, это относится к резьбовым соединениям, которые имеют эластомерные уплотнения на всех разъемных местах соединений. 
Указанное разделение на три конструктивных ряда нормировано исключительно для резьбовых соединений с врезающимся кольцом (читайте в одном из следующих номеров «ГиП») (рис. 6). Приварные конусы (см. следующие номера) нормированы исключительно для конструктивных рядов L и S. По смыслу одинаковый критерий выбора действуют также для резьбовых соединений с отбортовкой: так, резьбовые соединения с уплотнением на лицевой стороне посредством кольца круглого сечения (резьбовые соединения типа ORFS, стр. 67 и последующие) обеспечивают существенно повышенную надежность по сравнению с традиционными резьбовыми соединениями 37° с отбортовкой (см. публикации в «ГиП»).

Специальные допуски к эксплуатации и предписания

Для специальных случаев применения, например, в судостроении или в системах газонапорного режима, могут потребоваться специальные разрешения на эксплуатацию. В отдельных случаях, например, при строительстве энергетических блоков, могут быть даже предписаны индивидуальные свидетельства о проведении испытаний для каждого отдельного резьбового соединения. В случае такой конструкции необходимо обращать внимание на то, чтобы имелась соответствующая документация для каждого отдельного компонента. Эта тщательность часто воспринимается в качестве обременительной, но было бы значительно неприятнее столкнуться впоследствии с трудностями при приемке установки или даже с эксплуатационными неисправностями. Определенные методы соединений подлежат ограничениям в отношении техники безопасности. На немецко-говорящем пространстве данные ограничения распространяются на резьбовые соединения с использованием стяжных и врезающихся колец. Для специальных случаев применения, например, в прессостроении, в области подъемных установок или гидросооружений с применением стальных конструкций, предписаны соединения с геометрическим замыканием, таким образом, применение врезающихся колец не допускается. Тем не менее, эти запреты на применение врезающихся колец действуют не в целом. В прессостроении данный запрет распространяется только на соединения между цилиндром фиксации в верхнем положении и аварийным клапаном устройства контроля поломки трубы, а именно, только в том случае, если пресс-форма при поломке данной трубы может выполнить движение замыкания, обусловленное силой тяжести. В большинстве гидравлических прессов такой трубопровод вообще отсутствует; аварийный клапан устройства контроля поломки трубы прифланцован прямо к цилиндру. Здесь больше нет необходимости останавливаться на соблюдении указанных специальных предписаний. Ответственный конструктор и без этого должен проработать в рамках знака соответствия директивам СЕ все предписания, которые относятся к конкретному случаю применения разрабатываемого изделия.

Технические требования заказчиков

Профессионально подготовленные пользователи составляют перечни обязательных требований к гидравлическим установкам, которые часто выходят за рамки стандартов ISO 4413 и, соответственно, DIN 24346. Так, например, могут быть предписаны определенные продукты, материалы, виды обработки поверхностей или применение изделий определенных изготовителей. В зависимости от отрасли и страны происхождения заказчика речь может идти вполне об экзотических продуктах. Целью в большинстве случаев является обеспечение эксплуатационной надежности и упрощение проведения ремонтных работ и содержания запасных частей. 
В случае комплексных установок, которые могут монтироваться только на месте, целесообразно также и без детальных предписаний заказчика ознакомиться с местными условиями. К ним относятся, на первый взгляд, банальные аспекты, например, наличие труб с метрической резьбой или подходящих инструментов и возможность контакта с местными торговыми организациям, которые имеют в своем распоряжении применяемый продукт.

Системное определение параметров трубопроводов

Коррозионное воздействие определяет выбор:

  • материала трубы;
  • материала резьбового соединения. Среда определяет выбор:
  • материала трубы;
  • материла элементов резьбового соединения;
  • материала уплотнения.

Режим эксплуатации трубопровода определяет выбор:

  • системы резьбового соединения;
  • толщины стенок трубопровода конструктивного ряда;
  • типа уплотнения.

Скорость потока среды определяет выбор:

  • внутреннего диаметра трубопровода;
  • типа соединения с возможностью регулирования направления.

Нагрузка давлением определяет выбор:

  • толщины стенок трубопровода конструктивного ряда;
  • ввертной резьбы;
  • типа соединения с возможностью регулирования направления;
  • типа резьбового соединения.

Условия эксплуатации определяют выбор:

  • толщины стенок трубопровода конструктивного ряда;
  • техники монтажа;
  • способов прокладки и крепления трубопроводов.

Рекомендации для выбора подходящих трубных резьбовых соединений:

  • всегда работать в соответствии с новейшими стандартами и предписаниями;
  • оценивать информацию каталогов продуктов изготовителей элементов резьбовых соединений только последних изданий;
  • учитывать технические требования конечных заказчиков;
  • использовать только трубные резьбовые соединения, для выполнения которых на месте конечного заказчика имеются в наличии запасные части и соответствующее монтажное оборудование;
  • использовать опыт технического применения изделий, накопленный изготовителем элементов резьбовых соединений.
Предыдущие статьи