плоские пружинные шайбы

Когда говорят про плоские пружинные шайбы, многие, даже опытные механики, первым делом вспоминают про гайки и болты, про бытовой ремонт. И в этом кроется главный подвох. В паротурбинном оборудовании, особенно в силовых обводах, крышках цилиндров или фланцевых соединениях паропроводов высокого давления, эта, казалось бы, элементарная деталь перестаёт быть просто ?шайбой?. Она становится элементом системы обеспечения несущей способности соединения, работающей в условиях ползучести металла, термоциклирования и вибраций. Ошибка в выборе или установке — и через несколько тысяч часов работы можно получить ослабление стяжки, перекос фланца, а там и до течи пара недалеко. Я лично сталкивался с ситуацией, когда на одном из энергоблоков после капремонта турбины К-300 именно из-за неверно подобранных по материалу и твердости плоских пружинных шайб на вспомогательных трубопроводах начались проблемы с герметичностью. Искали причину долго, грешили на прокладки, на неравномерность затяжки, а дело оказалось в ?мелочи?.

Не просто железка: функция в контексте турбины

Итак, зачем они тут? Основная задача — поддерживать постоянное усилие в резьбовом соединении, компенсируя релаксацию напряжений и температурную деформацию. В турбине соединения живут в агрессивной среде: температура может скакать от пуска к останову на сотни градусов, металл ?дышит?. Прокладка под фланцем тоже садится. Если гайка затянута жёстко, без упругого элемента, через какое-то время усилие падает, соединение становится слабым звеном. Плоская пружинная шайба здесь работает как аккумулятор усилия, постоянно поджимая соединение своим упругим восстановлением.

Но тут есть нюанс, который часто упускают из виду при закупках. Не все шайбы, которые называют ?пружинными?, одинаково полезны в высоконагруженных узлах. Речь идёт о реальной рабочей диаграмме — зависимости усилия от деформации. У дешёвых вариантов, которые гнутся как пластилин после первого же цикла затяжки, эта диаграмма нелинейна и нестабильна. Они ?садятся?, теряют упругость. В турбиностроении нужны изделия с чётко контролируемой упругостью, из специальных пружинных сталей, прошедшие соответствующую термообработку. Мы, например, при комплектации ответственных узлов для паровых турбин на https://www.chinaturbine.ru всегда запрашиваем у поставщиков не только сертификаты на материал, но и протоколы испытаний на остаточную деформацию после циклического нагружения. Без этого — никак.

Кстати, о поставщиках. Компания ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование, в рамках своей деятельности по производству и ремонту турбинного оборудования, сталкивается с этим вопросом на двух уровнях. Во-первых, при сборке новых агрегатов — тут всё должно быть по проекту и нормам. А во-вторых, и это даже интереснее, при капитальном ремонте и модернизации. Часто на старых турбинах, которые мы берем в работу, эти шайбы либо вообще отсутствуют (заменены на обычные), либо находятся в нерабочем состоянии. И здесь уже требуется инженерная оценка: можно ли восстановить узел со штатной деталью, или условия изменились (например, повысили параметры пара при модернизации) и нужен перерасчет на более жесткий упругий элемент?

Ошибки монтажа, которые дорого стоят

Допустим, шайба правильная, материал тот же. Самая частая ошибка на месте — неправильная ориентация. Да, у плоской пружинной шайбы есть ?лицевая? и ?тыльная? сторона, если речь о классической тарельчатой форме (не Belleville, а именно отечественный вариант с прорезями). Острые кромки прорезей должны быть обращены к опорной поверхности гайки, а не к детали. Это обеспечивает лучшее врезание и предотвращает проворачивание. Видел, как монтажники, торопясь, ставили как попало — мол, всё равно прижмётся. В итоге при контрольной протяжке после выхода на режим обнаруживалось, что шайба провернулась вместе с гайкой, прорези ?съели? часть поверхности, и нужна уже замена и самой шайбы, и иногда гайки.

Вторая ошибка — комбинирование с другими упругими элементами без расчёта. Иногда, пытаясь ?усилить? соединение, ставят и пружинную шайбу, и гровер. Этого делать нельзя. Работают они по-разному, и в итоге общая жёсткость пакета становится непредсказуемой, можно не добиться нужного предварительного натяга. Правильный путь — использовать расчётный пакет тарельчатых шайб (шайб Бельвиля) или одну, но рассчитанную на конкретное усилие.

И третье — игнорирование состояния поверхности. Шайба должна опираться на чистую, ровную, без забоин и окалины поверхность. Если на фланце есть риски от старой шайбы или коррозия, упругая характеристика меняется. В условиях нашего производства и ремонта на https://www.chinaturbine.ru это строго контролируется на этапе подготовки соединений. Перед установкой новых плоских пружинных шайб посадочные места обязательно шабрят или обрабатывают мелким абразивом. Казалось бы, мелочь, но именно такие мелочи определяют надёжность соединения на десятки тысяч часов.

Материаловедческий аспект: не просто сталь 65Г

В каталогах часто пишут ?сталь 65Г? и на этом успокаиваются. Но для условий работы в паровом тракте, особенно в зонах с повышенной температурой (скажем, на фланцах ЦВД), этого может быть недостаточно. Сталь 65Г склонна к отпускной хрупкости, а при длительном нагреве выше 250-300°С её пружинные свойства ухудшаются. Поэтому для ответственных узлов мы ищем или специфицируем шайбы из легированных сталей типа 60С2ХА, 50ХФА, прошедшие закалку и средний отпуск на тростичность. Они лучше держат упругость в ?горячих? зонах.

Ещё один момент — покрытие. Оцинковка, часто применяемая для защиты, в высокотемпературном соединении — не лучший вариант. Цинк может ?вытекать? под нагрузкой, играя роль смазки и непреднамеренно снижая коэффициент трения в резьбе, что ведёт к недотяжке или, наоборот, к перетяжке при монтаже. Для таких случаев предпочтительнее фосфатирование или кадмирование (хотя с экологией последнего сейчас сложно), а то и просто качественная окалиностойкая сталь без покрытия, но с контролем влажности в узле сборки для предотвращения коррозии.

В практике ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование был показательный случай при модернизации турбины для завода в Юго-Восточной Азии. На заменённых паропроводах среднего давления стояли оцинкованные плоские пружинные шайбы от местного поставщика. После полугода эксплуатации на одной из обвязок появилась течь. При вскрытии обнаружили, что шайбы ?сплющились?, потеряли упругость, а на резьбе шпилек был характерный блестящий налёт — тот самый вытекший цинк. Пришлось полностью менять комплект на шайбы из 50ХФА с фосфатным покрытием, подобранные нашими инженерами. С тех пор к вопросу материалов подходим ещё тщательнее.

Контроль и приёмка: на что смотреть

Приходуя партию на склад или принимая узел после сборки, нельзя ограничиваться подсчётом количества. Первое — визуальный осмотр. Нет ли трещин, особенно у оснований ?лепестков? у прорезных шайб? Нет ли следов коррозии? Геометрия должна быть чёткой, без вмятин. Второе — проверка твёрдости. Выборочно, но обязательно. Простой файл или твёрдомер Роквелла. Если твёрдость ниже HRC 40-45 для стандартных сталей, шайба будет слишком пластичной и не выполнит свою функцию.

Третье, и самое важное для ответственных применений, — это, по возможности, выборочные испытания на стенде. Не у всех есть такая возможность, но серьёзные производители и ремонтники, как наша компания, её организуют. Шайбу сжимают до плоского состояния в специальной оправке, выдерживают, отпускают и замеряют остаточную высоту. Если она превышает норму (обычно доли миллиметра, но строго по ТУ), партию бракуют. Потому что эта остаточная деформация — прямой показатель, ?сядет? ли соединение в первые же часы работы.

На практике при монтаже и наладке турбин мы также всегда проводим контроль затяжки динамометрическим ключом с учётом трения. И здесь плоская пружинная шайба вносит свою поправку в общий момент затяжки. Этот момент нужно либо брать из данных производителя шайбы, либо определять экспериментально для конкретной партии. Слепо крутить ?по ощущениям? или по таблицам для чистых резьб — путь к недотяжке.

Вместо заключения: мысль вслух

Часто ли я думаю specifically о плоских пружинных шайбах? Нет, конечно. Это фоновая, рутинная деталь. Но именно из таких фоновых деталей, каждая из которых выполняет свою маленькую, но чёткую работу, и складывается надёжность всего агрегата — будь то новая паровая турбина с конвейера или отремонтированный блок после долгих лет службы. Опыт, который накапливаешь в этой сфере, учит не делить детали на важные и неважные. Учит смотреть на узел как на систему, где каждый элемент, включая самую простую шайбу, должен быть на своём месте, соответствовать условиям работы и быть установленным с пониманием того, что он делает. В деятельности ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование, охватывающей полный цикл от проектирования до обслуживания, этот принцип — не красивые слова, а ежедневная практика. И игнорировать его — значит сознательно закладывать проблему на будущее, которое может наступить после сдачи объекта, когда турбина уже будет работать на другом конце света. А ответственность, техническая и репутационная, останется здесь.