Слова, вынесенные в заголовок, в первую очередь воспринимаются как «анонс» информации о том, из чего сделан корпус арматуры, поскольку такие термины как, например, «арматура стальная» или «чугунная арматура» означают арматуру со стальным или чугунным корпусом. Но корпус ─ это только часть задвижки, дискового затвора, клапана, крана, и при изготовлении стальной или чугунной арматуры, как правило, используются не только сталь и чугун.
Все множество материалов, применяемых в трубопроводной арматуре, можно разделить на несколько подмножеств ─ материалы корпусные, уплотнительные, прокладочные, набивные (герметизирующие), смазки.
Материалы для изготовления корпуса
Главное требование к корпусу трубопроводной арматуры ─ прочность. Во-первых, корпус служит своего рода базисом, несущей платформой для других узлов и деталей. Во-вторых, именно он воспринимает механические напряжения, связанные с параметрами рабочей среды ─ давлением, скоростью, возможно, наличием твердых включений. И плюс к этому ─ монтажные усилия и динамические нагрузки, возникающие в процессе работы вследствие перемещения подвижных элементов конструкции.
Чаще всего корпус трубопроводной арматуры изготавливают из металлических материалов. Реже ─ из пластмассы, керамики или стекла. Керамика и стекло в этом качестве могут казаться экзотикой. Хотя стеклянная и керамическая арматура имеет свои преимущества, и, пожалуй, самое главное из них ─высокая устойчивость к воздействию агрессивных сред. Поэтому для многих технологических процессов в химической промышленности корпус из керамики или стекла может оказаться наиболее эффективным решением.
Пластмасса ─ материал экономичный, не всегда прочный, но для трубопроводов с небольшим номинальным диаметром и низким давлением пластмассовая арматура─ вариант приемлемый. Слово «пластмассовая» объединяет широкий перечень материалов: поливинилхлорид (ПВХ), полипропилен, полиэтилен и другие.
Трубопроводная арматура начиналась с цветных металлов ─ для изготовления первой трубопроводной арматуры использовали податливые и легкие в обработке бронзу, латунь, свинец. И сегодня для некоторых классов трубопроводных систем латунная арматура или бронзовая арматура с небольшим номинальным диаметром остается оптимальным вариантом, особенно учитывая привлекательный внешний вид изделий из медных сплавов. А если к бронзовому крану была приложена рука дизайнера, то он вполне может стать экспонатом на выставке промышленного дизайна. И хотя внешность для трубопроводной арматуры ─ не самое главное, в отдельных случаях, скажем, в системах автономного теплоснабжения индивидуальных домов, арматура может оказаться на виду, став частью интерьера, и тогда красота форм и радующие глаз цвета окажутся совсем не лишними. Еще одно достоинство медных сплавов ─устойчивость к коррозии и прекрасная механическая обрабатываемость. Арматура алюминиевая дешевле и легче, чем арматура с корпусом из сплава меди. Сравнительно легким, но при этом гораздо более прочным является титан, конкурирующий с алюминием за право называться металлом будущего. Правда титановая арматура стоит достаточно дорого и в общепромышленном исполнении используется редко. Из других металлов, применяемых для изготовления корпусов трубопроводной арматуры, заслуживают упоминания никелевые и танталовые сплавы. Но все-таки гораздо чаще корпус трубопроводной арматуры сделан из черных металлов ─ стали и чугуна.
Корпус стальной арматуры может быть изготовлен из стали разного вида: углеродистой, легированной, коррозионностойкой (она же нержавеющая), жаропрочной.
Из жаропрочной выполнена арматура стальная трубопроводная, работающая при повышенных (свыше 600°C) температурах. Да и в целом арматура стальная применима в более широком температурном диапазоне, чем чугунная. Для работы с агрессивными или особо чистыми средами используют нержавеющую сталь. Корпус стальной арматуры может быть кованным, литым, сварным, штампованным или комбинированным (литоштампосварным, штампосварным).
Чугунные корпуса трубопроводной арматуры изготавливают методом литья. Для корпусов используют серый чугун (СЧ), ковкий чугун (КЧ) высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧ).
Серый чугун ─ сплав железа с графитом ─ отличается хорошими литейными свойствами. Ковкий, более вязкий и прочный, чем серый, способен переносить воздействие низких температур, хорошо противостоит динамическим и вибрационным нагрузкам и износу. Чугун с шаровидным графитом получил свое название от шарообразной формы содержащихся в нем включений графита. Обладая высоким пределом прочности при растяжении, сжатии и изгибе, он может использоваться для изготовления ответственных деталей.
Чугун обладает большей коррозионной стойкостью, чем низкоуглеродистая сталь, достаточно тверд, но при этом сравнительно хрупок. Поэтому арматура с чугунным корпусом не применяется при значительном давлении и в трубопроводных системах, где имеют место резкие скачки давления (гидравлические удары). Зато чугунная запорная арматура дешевле стальной.
Материалы уплотнений
Материалы уплотнений служат для создания уплотнительных поверхностей затвора трубопроводной арматуры, от качества и взаимодействия которых в решающей степени зависит, насколько герметичным будет то или иное техническое устройство. Затвор может выполняться как одно целое с корпусом. Но в большинстве случаев его изготавливают из другого материала, выбор которого должен отвечать требованиям надежности и долговечности (в частности, он должен обладать высокой износостойкостью) и в значительной степени зависит от параметров рабочей среды.
В качестве уплотнительных материалов могут использоваться металлические кольца, развальцованные в корпусе или привариваемые к нему. Материал, из которого они изготавливаются, должен хорошо обрабатываться (шлифоваться), обладать антифрикционными свойствами, быть коррозионно-устойчивым. Этим требованиям соответствуют сталь, латунь (сплав меди и цинка), бронза (сплав меди и олова), монель - металл (сплав никеля и меди). Уплотнительная поверхность может формироваться наплавлением металла. Например, очень твердого и обладающего высокой коррозионной стойкостью стеллита (сплава на основе кобальта) или сормайта (высокохромистого, высокоуглеродистого сплава на основе железа). Изначально в трубопроводной арматуре использовали только металлические уплотнения, но по мере развития химической промышленности все большее значение приобрели эластичные.
Широкое распространение получили такие неметаллические материалы как резина, фторопласт, эбонит, тефлон, другие полимеры. Как самостоятельно, так и в комбинации с металлом, например, резинометаллические уплотнения.
В сальниковых набивках трубопроводной арматуры используют т. н. герметизирующие материалы, обладающие высокой упругостью, температуростойкостью и небольшим коэффициентом трения ─ ленты (хлопчатобумажные и из других материалов растительного происхождения), тальк, стекловолокно. В агрессивных средах и при повышенных температурах ─ фторопласт или графит. В общем, набивочные материалы, применяемые в трубопроводной арматуре, отличаются достаточно большим разнообразием.
Материал для прокладок обеспечивает герметичность соединений: например, между корпусом и крышкой, поверхностями фланцев, в составных корпусах. Используют металлические и неметаллические прокладки; металлические ─ преимущественно для особо тяжелых условий работы. Менее стойкие неметаллические прокладки изготавливают из листовой резины, паронита, фторопласта.
Иногда к материалам трубопроводной арматуры относят смазочные материалы, используемые для улучшения герметичности и снижения усилий, необходимых для работы затвора.
О значении «арматурного» материаловедения
От того, какими физико-механическими свойствами обладает материал трубопроводной арматуры, в значительной степени зависят ее отдельные параметры и функциональные возможности в целом. Материал во многом определяет стоимость арматуры. Нельзя не учитывать его влияние на тип присоединения к трубопроводу. Так, при монтаже чугунной арматуры в отличие от стальной не используют сварные соединения, поэтому возможна только арматура чугунная фланцевая или с резьбовым присоединением.
О том, сколь важен материал, из которого изготовлены отдельные узлы трубопроводной арматуры, свидетельствует тот факт, что в информации, которую она «спешит» сообщить о себе в своего рода визитной карточке, какой является сочетание букв и цифр, носящее название таблица фигура (таблица фигур) или других способах обозначений, обязательно указываются материал корпуса и материал уплотнения в затворе.
Материал корпуса упоминается при указании конструктивной разновидности арматуры, когда говорят, ─ стальная арматура, чугунная арматура, латунная арматура и т. д.
Вовлечение в процесс изготовления трубопроводной арматуры новых материалов или совершенствование уже известных ─ один из главных резервов научно-технического прогресса в этой области технологий. Даже простая замена материалов без совершенствования конструкции способна коренным образом изменить такие свойства трубопроводной арматуры как герметичность, износоустойчивость, надежность, долговечность.
Примером настоящей технологической революции, обусловленной появлением новых материалов, может служить активное внедрение в конструкцию трубопроводной арматуры полимеров. Прежде всего, для изготовления эластичных уплотнений. Но не только.
Пусть не столь зримый, но тоже весомый результат принесло использование сравнительно «молодых» металлов ─ титана и алюминия ─ и сплавов на их основе.
Улучшение качества стали раздвинуло температурный диапазон, в котором можно использовать арматуру. Как в сторону «минуса» (криогенная техника), так и высокотемпературных технологий.
Еще одна возможность получить новое качество арматуры ─ объединение разнородных материалов для достижения общей цели, когда их сильные стороны суммируются. Примеров тому в технике множество, а конкретно в трубопроводной арматуре ─ это гуммирование или футерование пластмассой. У гуммированной арматуры внутренние полости имеют эластомерное (резиновое) покрытие, а у футерованной ─ полимерное.
Эффективно противостоящий механическим нагрузкам чугун коррозии сопротивляется хуже. Покрытый слоем механически непрочных, зато чрезвычайно коррозионно-устойчивой резины или полимерных материалов, он буквально преображается. В результате такого симбиоза получается механически прочная и в то же время способная эффективно противостоять воздействию широкого спектра химически активных веществ и абразивных сред трубопроводная арматура. Помимо технологического результата в этом нельзя не принимать во внимание экономическую сторону. Способность сравнительно недорого чугуна, футерованного пластиком, не уступать воздействию коррозии, возрастает гораздо в большей степени, чем его стоимость. Учитывая масштабы арматурного производства, экономический эффект такого технического решения измеряется цифрами с немалым количеством нолей на конце. Другие варианты «объединения усилий» различных материалов ─ армированная арматура из неметаллических материалов, с наружной стороны усиленная металлическими конструкциями, или бронированная арматура, неметаллические детали которой заключены в металлическую оболочку.
Покрытие металлических корпусов трубопроводной арматуры полимерными материалами выполняется не только изнутри, но и снаружи, что делает их устойчивыми к атмосферным воздействиям.
Поскольку пределов для совершенствования свойств материалов нет, даже при полном исчерпании новых конструкторских идей (что, конечно, невозможно в принципе, но если на секунду это предположить) ─ прогресс трубопроводной арматуры не остановится.
