Основними викликами в секторі трубопровідного транспорту є зношення запірної арматури та потреба використання високоміцних матеріалів для роботи в агресивних середовищах. Транспортування рідин та газів з абразивними домішками вимагає особливого підходу до вибору матеріалів, де широко використовують залізовуглецеві сплави: від традиційних сірих чавунів до високоміцних чавунів із кулястим графітом та легованих сталей. До запірної арматури та елементів з’єднання трубопроводів наразі висуваються дедалі жорсткіші вимоги. Їхня роль у системах трубопроводів для транспортування рідких і газових середовищ, насичених абразивами й агресивними хімічними домішками, залишається критичною як для безпеки, так і для економічної ефективності.
Для досягнення оптимальних рішень, що поєднують довговічність та економічність, в інституті ФТІМС НАН України на основі аналізу досвіду вітчизняних та зарубіжних виробників проводяться дослідження з метою створення легковагих моно- та армованих конструкцій з нового класу високоміцних сплавів на основі заліза і алюмінію та технологій одержання багатофункціональних виливків. Серед перспективних ливарних методів особливе місце посідає лиття металу за моделями, що газифікуються (ЛГМ).
ЛГМ-процес, в якому пінополістирольна модель у піщаній формі заміщується розплавом металу, нерідко застосовують для виготовлення трубоарматури, проте нинішні задачі відновлення трубопровідного транспорту рідких і газоподібних продуктів потребують розробки ресурсоощадних технологічних рішень виготовлення конструкцій, особливо з корозійною та зносостійкістю саме у проточній частині, тоді як корпусні елементи можуть бути з поширених недорогих сплавів.
Візьмемо до уваги також те, що для фланцевого кріплення трубної арматури стандарт ДСТУ ГОСТ 12822:2008 описує сталеві вільні фланці. Зварне з’єднання упорних кілець для них залишається слабким місцем через зміну фаз металу, залишкові напруги та загрозу утворення мікротріщин, що стають причиною виходу з ладу трубної арматури з такими фланцями. Особливо це критично у випадках, коли робоче середовище агресивне (кислоти, луги, корозійні гази) і потрібна корозійна стійкість саме у проточній частині (тобто в трубі, сідлі, затворі). Проте у багатьох випадках корпусні елементи (наприклад, фланці, кожух, несучі частини) не контактують безпосередньо із таким середовищем і можуть виконуватися з дешевшої сталі чи чавуну.
Альтернативою усунення зварного з’єднання та зменшення собівартості корпусів арматури може стати метод каркасного лиття на основі ЛГМ. Він полягає у виготовленні разової полімерної моделі для виливання несучого каркасу навколо металевої зносо- чи корозійностійкої оболонки. Таку ливарну модель з інтегрованою в неї металевою оболонкою формують у сухому піску контейнерної форми, яку заливають розплавом вуглецевої сталі або графітизованого чавуну. Попередньо вмонтована в каркасну модель оболонка, зокрема трубчаста заготовка з нержавіючого або зносостійкого сплаву, після заливання металу залишається інтегрованою в несучий каркас і служить захисним шаром, що ізолює литу каркасну частину від контакту з робочим плинним середовищем, з яким і «працює» утворена каркасно-комбінована конструкція (одиниця) трубної арматури. При цьому вилита частина містить усі необхідні засоби (фланці) для кріплення до трубопроводів та монтажу отриманого регулюючого механізму.
Такий підхід включає виконання разової полімерної моделі у вигляді каркасної конструкції, яка містить з’єднувальні перемички між функціональними елементами корпусу. Це дозволяє отримати вилиту частину відповідної полегшеної архітектури. При ЛГМ типовим матеріалом моделі слугує пінополістирол, а більш прогресивним варіантом є виготовлення такої каркасної конструкції моделі методом тривимірного друку, де перемички виконують порожнистими або піноподібними з відкритими порами. Така легковага структура забезпечує не лише економію матеріалів, а й оптимальні умови для газифікації полімеру під час лиття, що сприяє високій якості та надійності отриманої запірної арматури.
На рис. схематично показано застосування каркасних конструкцій при виготовленні варіантів зворотного клапана, де показана комплектація зворотного клапана з моделлю каркаса: 1 – корпус клапана; 2 – модель фланця; 3 – модель перемички між фланцями.
Для фланцевих конструкцій при виготовленні полімерних моделей перемички між фланцями встановлюють між кріпильними отворами фланців так, щоб це не заважало виконувати механічне кріплення арматури за типом «болт-гайка», чи «шпилька-гайка». У разі проектування перемичок вигнутої форми, призначених для огинання випуклого корпусу оболонки, їхню геометрію доцільно виконувати за кривизною провисаючої ланцюгової лінії (катенарії). Такий підхід базується на моделюванні виливків як оболонкових конструкцій, що дозволяє оптимізувати розподіл внутрішніх напружень у литому каркасі, мінімізуючи небажані згинальні моменти. Така форма забезпечує роботу елементів каркаса переважно на чистий розтяг або стиснення, що суттєво підвищує експлуатаційну надійність при сприйнятті тиску плинного середовища.
Застосування зносостійкої або корозійностійкої корпусної оболонки зі спеціальних легованих сплавів в поєднанні з несучою каркасно-фланцевою конструкцію зі сплавів, значно дешевших за вартістю, забезпечує економію коштів. Порівняно рівностінні оболонки з високолегованих сплавів, та трубчастих конструкцій з кованих чи прокатних сталей мають підвищені експлуатаційні властивості, ніж литі конструкції, зокрема з масивними фланцями. Описаний спосіб дозволяє перевести відпрацьовані популярні цільнолиті (наприклад, чавунні) конструкції, на каркасно-комбіновані з оболонками зі спеціальними властивостями для їх застосування при обробці агресивних середовищ. Тест від Дорошенка В.С.