Запорные клапаны на высокие параметры: исследования и проектирование

 
 
 
 
В. К. Погодин 
 
 
 
 
 
 
 
ЗАПОРНЫЕ КЛАПАНЫ  
НА ВЫСОКИЕ ПАРАМЕТРЫ 
 
ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
 
 
Монография 
 
 
Под редакцией доктора технических наук, профессора П. М. Огара 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва   Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 
 
 
1 

УДК 621.646.98:622.692 
ББК 39.71 
 
П43 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор кафедры МиОК СПбПУ  
 А. М. Долотов; 
доктор технических наук, профессор кафедры инженерной экологии  
и альтернативной энергетики МАМУ (г. Москва) Г. В. Божко 
 
 
 
Погодин, В. К.  
П43  
Запорные клапаны на высокие параметры. Исследования и проектирование : монография / В. К. Погодин ; под ред. д. т. н., проф. П. М. Огара. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 416 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1013-7 
 
Проанализирован и обобщен опыт отечественного и зарубежного проектирования запорных клапанов на высокие и сверхвысокие давления. Предложены 
методы расчета усилий и геометрических параметров деталей и узлов с учетом 
податливости, трения и условий герметизации. Приведены результаты исследований, которые позволили разработать рекомендации по совершенствованию 
действующих и разработке новых нормативных документов для проектирования 
и создания запорных клапанов. 
Для специалистов предприятий химической, нефтехимической, энергетической и других отраслей промышленности, занимающихся импортозамещением трубопроводной арматуры. Может быть полезно для научно-исследовательских и проектных организаций, машиностроительных предприятий, в том 
числе при подготовке аспирантов и студентов. 
 
УДК 621.646.98:622.692 
ББК 39.71 


 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1013-7 
” Погодин В. К., 2022 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
2 

ВВЕДЕНИЕ 
Применение в современных технологических процессах высоких и сверхвысоких давлений позволяет изменять свойства материалов, получать новые материалы, что открывает большие возможности для развития науки и техники, а также 
создания новых производств. 
Высокие и сверхвысокие давления от 10 до 500 МПа находят применение в 
нефтегазовом комплексе. Сверхвысокие давления до 250 МПа при температуре  
300 °С используются в установках производств для полимеризации полиэтилена. 
Известны методы выращивания искусственных кристаллов кварца, изумрудов, рубинов и других минералов при давлениях от 70 до 150 МПа и температуре 400 °С, а 
также примеры применения таких давлений при проведении перспективных исследовательских работ. 
В последние годы практика развития новых производств и поддержания в рабочем состоянии действующих предприятий связана с интенсивным использованием в основном импортного оборудования, что не способствует развитию отечественного машиностроения, в частности арматуростроения. 
Известно, что для управления потоками жидкостей и газов в оборудовании 
высокого их и сверхвысокого давления широко используют трубопроводную арматуру (ТА), потребности в которой с каждым годом возрастают. 
В настоящее время приобрела актуальность проблема импортозамещения ТА, 
которая по оценке арматуростроителей не решается уже более 25 лет ввиду отсутствия комплексного подхода, предполагающего выполнение ряда практических мероприятий, в том числе: 
– создание новых сталей, сплавов и других материалов; 
– оснащение предприятий современными технологиями и оборудованием; 
– проведение исследований механизма работы ТА; 
– разработка перспективных конструкций ТА для развития инновационных 
технологий и производств; 
– пересмотр существующей нормативной базы для расчета и проектирования 
ТА; 
– создание экспериментальнвх центров, оснащенных их современным испытательным оборудованием; 
– подготовка специалистов для успешного и качественного выполнения перечисленных выше задач. 
В отсутствии альтернативы запорные клапаны на высокие и сверхвысокие 
давления в основном приобретаются по импорту, доля их потребления только в 
нефтегазовом комплексе составляет 9 % от всего объема отечественной и импортной ТА.  
 Необходимость приобретения этой ТА по импорту можно объяснить особенностями разработки и изготовления клапанов, к которым следует отнести: 
– отсутствие отработанных методик расчета и нормативных материалов для 
проектирования; 
– необходимость использования дорогостоящего оборудования для изготовления и испытания запорных клапанов при высоких параметрах; 
– высокие требования к точности и качеству изготовления; 
3 

– трудности с обеспечением герметичности в узлах и соединениях в особенности при работе с ядовитыми и огнеопасными газообразными продуктами; 
– повышенная склонность к эрозионным явлениям при наличии даже незначительных дефектов на уплотнительных поверхностях; 
– снижение механических свойств применяемых материалов при высоких 
температурах и давлениях; 
– высокая чувствительность к разрушению деталей из-за конструктивных погрешностей и особенностей деталей, дефектов материалов, эксплуатационных ошибок. 
Проектирование запорных клапанов без учета перечисленных причин может 
привести к аварийным ситуациям, загрязнению окружающей среды, а также к человеческим жертвам. Решение этой проблемы отпугивает исследователей своей сложностью и опасностью при проведении экспериментальных исследований, а также 
ответственностью за принимаемые технические решения. Эти обстоятельства приводят к резкому снижению необходимых исследований, что подтверждается ощутимым сокращением количества научных публикаций по этой проблеме. 
Перечисленные причины, а также насущная потребность в импортозамещении запорных клапанов послужили поводом для подготовки этой книги. 
Анализ технологий, применяемых для создания и эксплуатации запорных 
клапанов, демонстрирует отсутствие системного подхода к их проектированию, 
расчету и эксплуатации, что не позволяет с единых позиций создавать новые работоспособные конструкции данного оборудования, соответствующие требованиям 
принятых в России технических регламентов.  
В основе надежности запорной арматуры при ее проектировании и изготовлении лежит соблюдение требований безопасности, изложенных в технических регламентах Таможенного союза: 
– при номинальном диаметре до 25 мм – по ТР ТС 010/2011 « О безопасности 
машин и оборудования»; 
– при номинальном диаметре свыше 25 мм – по ТР ТС 032/2013 «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением». 
Для формирования системного подхода к созданию запорных клапанов в соответствии с требованиями технических регламентов исследованы отечественные и 
зарубежные конструкции с учетом опыта их эксплуатации на производствах, материалы для изготовления деталей, а также механизмы взаимодействия деталей и узлов в реальных условиях. Кроме того, в книге приводятся конструкции запорных 
клапанов, применяемых как в области при исследований физико-химических процессов, так и в промышленности при давлениях от 20 до 320 МПа. Для этих конструкций определены характерные типы деталей и характеристики материалов, используемых в узлах при этих параметрах. 
При анализе механизма взаимодействия деталей в узлах и соединениях определены основные процессы, влияющие на работоспособность запорных клапанов. 
К ним следует отнести прочность, герметичность, коррозию, эрозию, трение и изнашивание.  
Установлено сходство между процессами, происходящими в уплотнительных 
соединениях (УС) затворов запорных клапанов с процессами, имеющими место в 
разъемных соединениях (РС), что позволяет использовать разработанные ранее с 
участием автора технологии создания и эксплуатации РС применительно к узлам 
4 

запорных клапанов. Для управления данными технологиями и процессами, с учетом 
механизма взаимодействия деталей ТА, разработаны методики расчета геометрических параметров деталей и усилий, действующих в затворе, РС и сальниковых узлах 
(СУ). Для оценки работоспособности деталей и узлов в этих методиках использованы критерии прочности и герметичности. 
В качестве критерия (степени) герметичности РС рассматривается принятая в 
международной практики, величина утечки среды за единицу времени, приходящаяся на единицу длины периметра УС, приведенная к атмосферному давлению. Использование этого критерия позволяет с единых позиций сравнивать различные 
конструкции затворов и РС в ТА. 
Для использования в расчетах критерия герметичности проведены исследования по определению условий герметизации в УС, затворах и СУ. В частности, 
определены условия герметизации для узлов запорных клапанов при давлениях до 
320 МПа ,что необходимо при разработке ТА для предприятий высокотехнологичных отраслей, в том числе, для производств полиэтилена, синтеза минералов и других производств. 
Материалы исследований могут служить основой для разработки и модернизации конструкций запорных клапанов, методов расчета их геометрических параметров, усилий и напряжений и в целом позволяют определять на стадии проектирования возможность эксплуатации основных деталей и узлов при высоких рабочих 
параметрах. 
Приведенные в книге результаты исследований и методики расчетов УС, затворов, СУ с оценкой их работоспособности и остаточного ресурса работы по критериям их прочности и герметичности на стадиях проектирования позволяют при 
импортозамещении создавать новые конструкции запорных клапанов, соответствующие требованиям действующих технологических регламентов и конкретным 
условиям их эксплуатации. 
В книге использованы результаты многолетних исследований запорных клапанов на высокие и сверхвысокие параметры, которые проводились в АО «ИркутскНИИхиммаш» при непосредственном участии автора. Обобщение этого опыта позволило автору разработать рекомендации по расчету, проектированию и испытаниям запорных клапанов. 
Автор выражает благодарность тем, кто в течение многих лет помогал формировать представленный в книге материал. Автор помнит и чтит память сотрудников АО «ИркутскНИИхиммаш» В. И. Лившица и А. К. Древина, с которыми начинались исследования по запорным клапанам на высокие параметры.  
Глубокую признательность и благодарность автор выражает С. В. Белокобыльскому, А. М. Кузнецову, без помощи и поддержке которых этой книги могло 
не быть, а также А. М. Долотову, П. М. Огару, В. Д. Продану за плодотворное обсуждение основных результатов работы, критические замечания и рекомендации. 
Отдельную благодарность автор выражает своей супруге А. А. Погодиной за 
активную помощь и поддержку при подготовке книги к изданию.  
Автор надеется, что представленный в книге материал привлечет интерес специалистов, занимающихся импортозамещением ТА, эксплуатируемой при высоких 
параметрах, и будет благодарен читателям, которые пришлют свои замечания и 
предложения по уточнению и совершенствованию изложенного материала. 
  
5 

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 
 
К – коэффициент концентрации  
напряжений 
KCU – ударная вязкость материала 
D – температурный коэффициент 
линейного расширения 
U – угол трения 
f – коэффициент трения 
O – коэффициент осевой  
податливости 
D – внутренний диаметр трубопровода 
Dk – диаметр контакта уплотнительного кольца с уплотнительными поверхностями соединяемых деталей 
d – диаметр стержня шпильки 
J – угол наклона уплотнительной  
поверхности 
m – число крепежных деталей 
q1 – контактное давление  
на уплотнительной поверхности 
q  – нормальное удельное усилие по 
периметру контакта уплотнительных поверхностей 
Q3 – осевое усилие предварительного нагружения крепежных  
деталей (усилие затяжки) 
Q – полное осевое усилие, действующее на крепежные детали 
B – величина утечки уплотняемой 
среды с единицы периметра контакта уплотнительных поверхностей 
Р  шаг резьбы 
 
V – напряжение 
Vр – расчетное напряжение 
Vэкв – эквивалентное напряжение 
Vi – интенсивность напряжений 
Vr – радиальное напряжение 
Vt – кольцевое (тангенциальное) 
напряжение 
Vz – осевое напряжение 
[V] – допускаемое напряжение 
p – расчетное внутреннее давление 
pа – давление автофретирования 
pp – рабочее давление 
pпр – пробное давление 
ртех; ропр – технологическое давление 
опрессовки  
Rp – предел текучести  
Rp0,2 – условный предел текучести  
Rm – временное сопротивление  
(предел прочности) 
R1,0/10n – предел ползучести 
Rm/10n – предел длительной прочности 
\ – относительное сужение  
į – относительное удлинение 
HB – твердость по Бринеллю 
Е – модуль упругости  
P – коэффициент Пуассона 
G – модуль сдвига 
H – отно сительная деформация 
Hi – интенсивность деформаций 
nв; nт – коэффициенты запаса прочности, соответственно, по временному 
сопротивлению и пределу текучести 
 
 
6 

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 
 
 
НТД 
– нормативно-техническая документация 
 
ВД 
– высокое давление 
 
РС 
– разъемное соединение 
 
УС 
– уплотнительное соединение 
 
НДС 
– напряженно-деформированное состояние 
 
МКЭ 
– метод конечных элементов 
 
ТА 
– трубопроводная арматура 
 
ТО 
– техническое обслуживание 
 
ТС 
– техническое состояние 
 
ППР 
– планово-предупредительный ремонт 
 
ПДР 
– планово-диагностический ремонт 
 
СТО 
– стандарт организации 
 
ИДСУЭР 
– информационно-диагностическая система 
  управления эксплуатацией и ремонтом 
 
ТО и Р 
– техническое обслуживание и ремонт 
 
ОФС 
– система ТО и Р по фактическому состоянию 
 
РТО 
– реагирующее техническое обслуживание 
 
ПАО 
– система проактивного обслуживания 
 
ПДР-I 
– система ОФС с планированием сроков ремонта 
 
ПДР-II 
– система ОФС с планированием сроков диагностических проверок 
 
ТУ 
– технические условия 
 
ЗК 
– запорный клапан 
 
ТР 
– технический регламент 
 
БРС 
– бугельное разъемное соединение 
 
СУ 
– сальниковый узел 
 
ЗУ 
– затворный узел 
 
ТРГ 
– терморасширенный графит 
 
 
 
 
 





7 

ГЛАВА 1 

КОНСТРУКЦИИ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ                       
НА ВЫСОКИЕ И СВЕРХВЫСОКИЕ ПАРАМЕТРЫ 
  
В составе оборудования, работающего под избыточным давлением (трубопроводы, сосуды, аппараты, насосы, компрессоры и др.) и используемого в установках, цехах, на заводах для производств, связанных с добычей, получением и 
переработкой различных продуктов и материалов, необходимых для обеспечения населения, широко применяется трубопроводная арматура (ТА). 
 Известны случаи, когда разгерметизация ТА была причиной аварий на 
опасных промышленных объектах с человеческими жертвами и огромными экономическими потерями, поэтому с каждым годом предъявляются все более высокие требования к герметичности и экологической безопасности ТА. Как правило, разгерметизации происходят из-за нарушения правил эксплуатации, а 
также несоответствия выбранной конструкции ТА рабочим условиям эксплуатации. Учитывая это, конструкции ТА требуют постоянного совершенствования 
путем разработки и замены на новые или модернизации существующих конструкций  
Для наиболее эффективного совершенствования ТА необходимо владеть 
определенной терминологией, которая позволяет единообразно описывать ее 
конструкцию, соединяемые и крепежные детали, а также существующие варианты их конструктивного исполнения. С этой целью в данной главе представлены варианты конструкций ТА, наиболее часто используемых в отечественных 
отраслях промышленности.  
ТА – это устройства, устанавливаемые на трубопроводах и других типах 
оборудования (агрегатах, сосудах) и обеспечивающие управление ( отключение, 
распределение, регулирование, смешивание, фазоразделение и др.) потоками рабочих сред путем изменения проходного отверстия в них. Степень сложности 
устройств определяется количеством и конструкцией используемых деталей. 
Деталь – это изделие, изготовленное из материала одной марки без применения сборочных операций (сварка, пайка, склеивание, завинчивание). 
Элемент – это часть детали, предназначенная для выполнения определенной (специальной) характерной для нее функции, например, уплотнительная поверхность отвода корпуса ТА для размещения уплотнительного кольца, резьбовые поверхности на шпильках и в отверстиях для размещения шпилек на резьбовом фланце, а также корпусе ТА и т. д.  
Сборочной единицей (узлом) называется совокупность деталей, соединенных между собой с помощью сборочных операций (завинчиванием, сваркой  
и т. д.) в конструкцию, предназначенную для совместной работы. Простейший 
узел может быть составной частью более сложного узла, который в свою очередь 
является узлом другого еще более сложного узла или изделия. 
8 

Использование деталей и узлов в конструкциях ТА позволяет применять 
для их изготовления различные материалы, что облегчает их изготовление, эксплуатацию и ремонт.  
При выборе конструкции ТА для конкретных условий ее работы пользуются определениями в соответствии с отечественными или международными 
стандартами [1]. В книге приняты следующие определения: 
– типоразмер ТА определяет ее конструкцию и параметры, регламентированные номинальным диаметром (условным проходом), номинальным давлением (условным давлением) в соответствии с обозначением основного группового конструкторского документа; 
– исполнение ТА устанавливает для конкретного типа , кроме условного 
прохода и условного давления, сведения о материалах основных деталей, способ 
присоединения к трубопроводу, вид управления и др., которые должны соответствовать основному конструкторскому документу и конкретному коду ОКП.  
ТА промышленного назначения имеет многоотраслевое применение, что 
исключает предъявление к ней каких-либо конкретных требований. В то же 
время практика показывает, что универсальной ТА, удовлетворяющей любым 
рабочим условиям ее эксплуатации, не существует. С учетом этого разрабатывают и изготавливают ТА специального назначения, удовлетворяющую требованиям, связанным с ее применением в конкретных (специальных) условиях эксплуатации. 
Промышленную и специальную ТА разделяют по видам и типам. Вид ТА 
определяет ее функциональное назначение. 
По функциональному назначению промышленную ТА подразделяют на 
следующие основные классы: 
– запорная; 
– регулирующая; 
– распределительная; 
– предохранительная; 
– защитная (отсечная); 
– фазоразделительная. 
При разработке, изготовлении и эксплуатации ТА следует учитывать ее  
важную и ответственную роль в промышленном оборудовании - конструкция 
должна выдерживать без разрушения деталей давление среды и обеспечивать 
герметичность соединяемых элементов. 
Наиболее широкое применение нашла запорная ТА, которая служит в основном для перекрытия потока рабочей среды. 
Конструктивные особенности ТА существенно зависят от направления перемещения в ней подвижной детали с запирающим или регулирующим элементами и от потока рабочей среды. В зависимости от этого ТА разделяют на типы: 
задвижка, клапан, кран, заслонка и др. 
Каждый тип ТА имеет свой механизм взаимодействия входящих в нее деталей и свои условия обеспечения герметичности и безопасности. По принципу 
перекрытия потока запорную ТА разделяют на клапанную и золотниковую.  
9 

В значительной степени работоспособность и безопасность клапанов зависит от конструктивного оформления и технического состояния затвора, сальниковых узлов (СУ), разъемных (РС) и уплотнительных (УС) соединений.  
Затвор представляет собой совокупность подвижной (шпиндель, шток, золотник и т. п.) и неподвижной ( седло) деталей или их элементов, образующих 
проходное сечение при открытом затворе или герметичность УС – при закрытом 
затворе .  
Сальниковый узел (СУ) состоит из пакета сальниковой набивки (или колец), размещенного в корпусе клапана или сальниковой коробке и предназначенного для уплотнения плунжера, штока или шпинделя путем его поджатия 
грундбуксой или крышкой. 
Разъемные соединения (РС) – это совокупность деталей с конструктивными элементами, обеспечивающими закрытие (открытие) и герметичность мест 
стыка соединяемых деталей в условиях эксплуатации, включая УС и крепежные 
детали. РС может быть образовано при присоединении концевых частей трубопроводов между собой, а также концевых частей другого оборудования с клапаном. В литературных источниках и нормативных документах вместо термина 
«РС» также часто используют другие термины – «затвор» или «затворный» узел. 
Уплотнительные соединения (УС – это составляющая часть РС, включающая в себя, в зависимости от применения их в этих узлах, детали с элементами в 
виде уплотнительных поверхностей. В затворе такими деталей являются шпиндель, шток или золотник в сочетании с седлом, в РС это либо непосредственно 
соединяемые детали, либо соединяемые детали в сочетании с уплотнительным 
кольцом, которое обеспечивает герметичность данных узлов. 
Крепежные соединения (резьбовые, муфтовые, байонетные, бугельные, 
рамные и др.), крепежные детали (шпильки, болты, гайки, закладные сектора, 
скобы и др.) и элементы (резьбы, резьбовые гнезда, кольцевые выступы, гнезда 
под закладные сектора и др.) предназначены для удерживания в заданном положении относительно друг друга соединяемые детали в ТА или в оборудовании в 
рабочих условиях. 
Названия конструкций – затвор, РС, СУ, УС в соответствии с существующими классификациями устанавливаются, как увидим далее, по виду используемых в них конструкций УС или крепежных соединений, деталей и элементов. 
Установлено, что конструктивное оформление этих конструкций в значительной 
степени определяется особенностями технологического процесса, происходящего в оборудовании и ТА, а также диапазонами температурного режима и давления среды, при которых они используются. 
По температурному режиму ТА разделяют на следующие категории: 
– обычная – от минус 40 до плюс 450 qС; 
– для высоких температур – от 450 до 600 qС;  
– жаропрочная – для температур свыше 600 qС. 
Следует обратить внимание на то, что условия применения рекомендованных существующими стандартами конструкций затворов, РС, СУ, УС часто требуют уточнения и проверки с учетом конкретных условий их эксплуатации. 
10