История УОСНТ

Весной 2010 года Омскнефтехимпроект предложил инженерам Омского завода газовой аппаратуры (ОЗГА) организовать промышленное производство некоторых изделий, которые постоянно применяются в технологических установках и общезаводских хозяйствах нефтехимической отрасли, но относятся к нестандартными. В качестве примеров приводились площадки обслуживания, узлы отбора проб и многое другое. Речь шла о типизации изделий или составляющих их элементов, в результате которой стало бы возможно наладить их серийное производство в заводских условиях.


Понятен интерес проектировщика, желающего получить готовые изделия вместо того, чтобы конструировать их для каждого проекта. Выпуск изделий, которые попадали бы на рынок через спецификации проектных институтов - тоже дело для производства интересное. И, наконец, задача унификации какого-то вида изделий, создание своего рода "лего", - достаточно интересная инженерная задача. На сочетании этих интересов и сошлись.


В результате нескольких месяцев изучения рынков, конструкций и технологий было выбрано основное направление разработок - опоры низкого трения (с коэффициентом трения не выше 0,1). В пользу этого выбора было несколько соображений.


Тема явно тянула на изобретательский уровень. Задача снижения горизонтальных нагрузок на трубопровод и опорные конструкции поставлена давным давно и актуальность ее никем не оспаривается. Но существующие решения задачи и даже затверждение одного из них стандартизацией катковых опор мало кого устраивает. Скользящие конструкции с использование фторопласта - тоже не новость. Но если в мостостроении, например, ряд конструктивных решений уже сформировался и появилась позитивная история эксплуатации опорных узлов низкого трения, в трубопроводных системах скользящие опоры с антифрикционными элементами применяются очень редко и с большим недоверием.


Во-вторых, дело обещало быть выгодным. Строительные конструкции эстакад трубопроводов, проходящие на больших высотах, приходится рассчитывать не столько на вертикальные нагрузки от веса трубопровода с рабочей средой, сколько на горизонтальные - от трения в опорах, - даже если коэффициент трения в них соответствует нормативному значению 0,3. Это характерное значение коэффициента для пар трения "сталь-сталь", получаемое в лабораторных условиях, в реальных, - когда опорные листы засыпаны пылью и песком, а между трущимися поверхностями образовался слой ржавчины, никто не мерил, но предполагается, что он ближе к значению 0,5. Если изделие будет гарантировано давать коэффициент трения 0,1 или ниже того, опорные конструкции получатся в разы легче, соответственно, дешевле, и экономия на них с лихвой перекроет увеличенную, по сравнению со стандартными, стоимость самих опор.


В-третьих, хорошее решение задачи позволит серьезно повысить качество. Известные примеры использования фторопласта в качестве антифрикционного материала существовали в чертежах проектных институтов и реализовывались силами, как правило, монтажных организаций - т.е. практически на строительной площадке. Мало того что качество опорных узлов в таком исполнении оставляло желать лучшего даже по визуальной оценке, главное - проектировщик никогда не получал гарантии того, что коэффициент трения будет действительно не выше 0,1 - значения, которое он заложил в расчет опорных конструкций. Возможные последствия неблагоприятного сочетания обстоятельств очевидны. Последнее соображение, кстати, приводило к выводу, что будущее изделие должно обязательно проходить комплекс испытаний, которые бы подтверждали сохранение заданной величины коэффициента трения в течение всей эксплуатации.


Работы повели в нескольких направлениях:

  • разработка заводской конструкторской документации по применяемым аналогам - на случай, если потребность в изделии возникнет "завтра";
  • изучение характеристик и свойств антифрикционных материалов и покрытий;
  • разработка конструктивных вариантов надежного крепления фторопластовых антифрикционных элементов;
  • выработка оптимального базового технического решения, которое будет применимо с любыми типами и типоразмерами подвижных опор трубопроводов;
  • проектирование и изготовление испытательного оборудования.


Первые два направления никаких открытий не принесли. Чертежи через короткое время были готовы, а изучение характеристик антифрикционных материалов только подтвердило, что за последние семьдесят лет человечество ничего более скользкого чем случайно открытый в 1938 году политетрафторэтилен (ПТФЭ) не придумало. Природа не спешила "открывать нам свои детские секреты", более того, обнаружились две проблемы. Оказалось, что под нагрузками более 1 МПа (10 кг/см²) чистый фторопласт-4 существенно "течет", говоря проще, проминается в месте контакта при обычной атмосферной температуре. Вторая проблема проявилась в не слишком надежных данных о пригодности Ф-4 для клеевых соединений, что серьезно сужало возможности в следующем направлении - разработке надежного крепления.


Опыты с обработкой склеиваемой поверхности фторопласта аммиачными растворами щелочных металлов, ультрафиолетом, тлеющим разрядом с последующим нанесением разных клеев, включая легендарный ВК-32-200, положительных результатов не дали. На металле клей держался прекрасно, но образцы фторопласта отваливаливались при сколько-нибудь значительном усилии. Ничего хитрее, чем привинчивание 5-миллиметровой пластины винтами с потайной головкой и "правильным" шагом винтов придумать не получилось.


Хорошие перспективы в смысле надежности крепления просматривались в направлении применения тонких антифрикционных материалов: лакотканей на фторопластовой основе или металлофторопластовых лент. Еще целый класс материалов - антифрикционные покрытия на основе ПТФЭ - и вовсе устранял задачу крепления. Но ткани, ленты и, тем более, покрытия, в отличие от листового фторопласта, весьма чувствительны к поверхностным нагрузкам, поскольку толщина антифрикционного слоя в таких материалах измеряется десятыми долями миллиметра. А как к тому времени выяснилось из литературы и опыта специалистов, "башмак опирается на опорный лист крайне неравномерно; это приводит к возникновению больших контактных напряжений, что вызывает царапание, задиры металла и, естественно, сильно увеличивает сопротивление сдвигу".


В мостовых опорных частях низкого трения антифрикционным элементом, как правило, работает лист фторопласта толщиной 5 мм, утопленный больше чем наполовину в стакане - толстостенной стальной оправке. Ответной поверхностью служит еще более толстостенная плита с листом скольжения из полированной нержавеющей стали. Стакан, тем не менее, размещают на упруго-эластичной подушке, которая компенсирует возникающие деформации.

В отличие от мостовых конструкций, трубопроводные характеризуются гораздо меньшей жесткостью, большей подвижностью и низкой точностью изготовления. Допустимые перемещения опорных конструкций измеряются десятками миллиметров, продольные перемещения опор трубопровода достигают 600 мм, допуски на расположение поверхностей стандартых опор - 1 мм на 100 мм длины. Геометрия труб и корпусов опор в таких условиях отклоняется от теоретических плоскостей до нескольких миллиметров.

Становилось понятно, что никакие антифрикционые покрытия при таких концентрациях напряжений работать не будут.


Чтобы сформулировать проблему, которая описана в предыдущем абзаце, понадобилось полгода. Хорошего решения не было, поэтому остановились на промежуточном: на подошву корпуса опоры наносим износостойкое покрытие, которое работает по листу фторопласта. Толстый лист фторопласта в такой паре компенсирует деформации стальных поверхностей и покрытию ничего не угрожает. Опора, конечно, промнет под собой колею, но продольное перемещение будет происходить с необходимым коэффициентом трения.


Опытные образцы в таком исполнении прошли первые экспериментальные испытания на стенде, в который был превращен обычный горизонтально-фрезерный станок. Утешаться на том этапе позволяли следующие выводы:

  • задача теперь была сформулирована гораздо лучше чем в исходной постановке, а, как известно, хорошая постановка задачи - половина решения;
  • конструкция получилась технологичнее и надежней аналогичных, которые уже применялись в эксплуатации;
  • модельные испытания подтверждали возможность получения коэффициента трения в паре "фторопласт-покрытие" на уровне не выше 0,6.

Результаты испытаний и дополнительные сведения из литературы позволили к середине 2012 года внести в ТУ 1468-001-00151756 нормативные требования, регламентирующие величины коэффициента трения в опорных узлах.


А чуть позже созрело и техническое решение, которое снимало проблему концентрации напряжений в пятне контакта. Идея была похожа на реализацию одного из принципов каратэ "гнуться, а не ломаться". Лист скольжения в соответствии с идеей должен быть не сплошным, а состоять из небольших поверхностей с антифрикционным слоем, которые подстраивают свое положение под деформированную поверхность опоры. Так появился составной лист скольжения из вкладышей, которые уложены на прослойку из упруго-эластичного материала. Концентрации напряжений снизились, и теперь на обеих поверхностях пары трения стало возможно использовать покрытия и другие тонкие антифрикционные материалы. В марте 2013 года это техническое решение было оформлено в виде заявки  в ФИПС на получение патента "Опорный узел скольжения".


Одно дело хорошее техническое решение, другое - работающее изделие. Оптимальные размеры вкладышей, геометрия их расположения для разных типоразмеров, давление в пятне контакта и, соответственно его площадь, лучшие сочетания антифрикционных материалов в паре трения... - это только малая часть вопросов, ответы на которые могут дать только эксперименты. Так на первый план снова переместилась задача проектирования и изготовления испытательного оборудования.


В конце 2014 года стенд был готов к работе. После метрологической аттестации стенда в качестве испытательного оборудования, которая была проведена в начале 2015 года, начались испытания опытных образцов УОСНТ.


Продолжение следует...