Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СИЛЬФОНА

Изобретение относится к технологии изготовления устройств для подвижного соединения трубопроводов - сильфонов (наименование этих устройств произошло от фирменного названия Sylphon).

Сильфон - это тонкостенная металлическая трубка или камера с гофрированной (волнообразной) боковой поверхностью. Наиболее широко сильфоны применяют в пневмо- и гидроавтоматике в качестве чувствительных элементов, реагирующих (расширением или сжатием, подобно пружине) на изменение давления газа или жидкости, действующего на дно сильфона (например, в датчиках температуры, давления), а также в качестве гибких соединений трубопроводов, компенсаторов температурных удлинений, упругих разделителей сред и т.п. Стенки сильфона для работы при больших разностях давлений или в агрессивных средах изготовляют 2÷6-слойными [Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия. 1969-1978].

Эта осесимметричная упругая оболочка, которая способна под действием давления, температуры, силы или момента силы совершать линейные, сдвиговые, угловые перемещения или преобразовывать давление в усилие [ГОСТ 22743-85]. Основными материалами для изготовления сильфонов являются коррозионностойкие стали.

С целью устранения дефектов и предотвращения их образования в процессе эксплуатации, а также для обеспечения длительного срока службы сильфонов, предпринимаются различные способы обработки их поверхности.

Известно устройство [патент РФ 2068147, кл. F16L 27/10, 1996] для подвижного соединения трубопроводов, содержащее гибкий трубопровод, например сильфон, соединенный по торцам с фланцами, и демпфирующие элементы, выполненные в виде проволочной оплетки, края которой прикреплены к одной, а средняя часть к другой опорной детали. Недостатком данного решения является низкий срок службы проволочной оплетки.

Известен «Компенсатор сильфонный» [патент ПМ РФ 97799, МПК 7 F16L 51/02, 2010], снабженный внешним и внутренним защитными экранами, причем с одной стороны сильфон герметично соединен с первым из наконечников, внешним и внутренним защитными экранами, а с другой стороны сильфон герметично соединен со вторым наконечником, образуя демпфирующее устройство, кроме того, первый и второй наконечники выполнены сужающимися под углом от 5 до 40°.

Наиболее близким техническим решением является сильфон [патент ПМ РФ 122463, МПК F16L 51/02, В82В 1/00, опубл. 27.11.2012], в котором гофрированная обечайка снабжена, по меньшей мере, одним слоем фторсодержащего олигомера, которой нанесен по всей внутренней и внешней поверхности обечайки перед гофрированием ее, при этом высота абсорбированного слоя составляет 4-20 нанометров. Обечайка может быть снабжена несколькими слоями фторсодержащего олигомера, при этом слой фторсодержащего олигомера представляет собой многокомпонентные системы общей формулы - R_fCOOH.

Технической задачей предлагаемого изобретения является оптимальное увеличение ресурса работоспособности изделия, а именно увеличение количества циклов от начала эксплуатации до наступления предельного состояния, при котором эксплуатация сильфона недопустима или происходит его полное разрушение (т.е. увеличение цикловой работы до разрушения), а также оптимизация рабочего хода, рабочего давления и рабочей температуры.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе изготовления сильфона, включающем раскрой ленты, формирование трубчатой заготовки сильфона, формовку и сушку сильфона, нанесение модифицирующего состава, согласно заявленному решению в качестве модифицирующего состава используют фторсодержащее поверхностно-активное вещество (ФПАВ) из раствора во фторорганическом растворителе при концентрации ФПАВ от 0,1 до 5,0 мас. %, с последующей термофиксацией модифицирующего состава, причем нанесение ФПАВ проводят при температуре 20-60°С в течение 50-60 минут. ФПАВ выбран из класса перфторполиоксапропилен- или перфторполиоксаэтиленкарбоновых кислот или их смеси с молекулярной массой от 3000 до 7500, которые растворены во фторорганическом растворителе, например в хладоне 113 или в перфторэтилизопропилкетоне. Нанесение модифицирующего состава проводят либо после стадии формирования трубчатой заготовки сильфона, либо после стадии формовки и сушки сильфона, а термофиксацию модифицирующего состава проводят при температуре 100-150°С в течение 1,0-1,5 ч в термошкафах, печах или сушилках.

Благодаря высокой проникающей способности модифицирующий состав проникает в микродефекты поверхности заготовки или сильфона, дегазирует и обезвоживает их. После нанесения модифицирующего состава фторсодержащий растворитель испаряют, а фторсодержащее поверхностно-активное вещество заполняет микродефекты и микротрещины металла. Термофиксация модифицирующего состава усиливает хемосорбционную связь пленки модифицирующего состава с поверхностью обрабатываемого материала. При последующей деформации заготовки при образовании гофр эти микродефекты трансформируются в усталостную трещину при значительно большей цикловой наработке, тем самым продлевая жизненный цикл сильфона.

Меняя концентрацию ФПАВ в пределах 0,1-5,0 мас. % в модифицирующем составе, длительность обработки сильфонов либо заготовок для них во время нанесения состава, а также порядок нанесения модифицирующего состава (модификации поверхности), в производственном цикле изготовления готового изделия, достигают увеличения ресурса работы сильфона.

Способ изготовления сильфонов включает следующие стадии:

1 - раскрой ленты,

2 - формование трубчатых заготовок сильфонов,

3 - сборка и калибровка тонкослойных трубчатых заготовок в многослойные пакеты (для многослойных сильфонов),

4 - накатка канавок,

5 - подрезка бортиков,

6 - формовка и сушка сильфонов.

При этом либо на поверхность заготовки для сильфона, после формования трубчатых заготовок сильфонов, либо после стадии формовки и сушки сильфона на его поверхность наносится модифицирующий состав, содержащий фторорганический растворитель, например хладон 113 или перфторэтилизопропилкетон, и высокомолекулярное фторсодержащее поверхностно-активное вещество (далее - ФПАВ) из класса перфторполиоксапропилен- или перфторполиоксаэтиленкарбоновых кислот или их смесь (молекулярная масса ФПАВ от 3000 до 7500). Раствор может наноситься любым способом - разбрызгиванием, окунанием детали в раствор, нанесением кистью либо тампоном, как при нормальной температуре, так и при температуре кипения растворителя. Главное требование - достижение сплошного и, по возможности, равномерного покрытия поверхности.

Поверхности деталей, подлежащие модификации, должны быть чистыми и сухими, без следов масла, ржавчины, окалины, смазки. Детали с прижогами не подлежат модификации. Обезжиривание (расконсервация) является обязательным условием перед модификацией поверхности.

Для расконсервации и обезжиривания могут применяться различные растворители: ацетон, бензин "Колоша", хлорсодержащие растворители, хладоны, спирты и др. Кроме того, обезжиривание можно осуществлять и пожаробезопасными техническими моющими средствами на основе ПАВ.

После расконсервации детали протираются хлопчатобумажной тканью насухо или просушиваются на воздухе. После чего проводят нанесение модифицирующего состава (модификация поверхности).

Эта операция является определяющей при получении качественного изделия. В зависимости от габаритов деталей, их материала, оснащенности предприятия используются в основном 2 метода:

- модификация поверхности при нормальной температуре: погружение деталей в модифицирующий состав, смачивание с помощью тампонирования поверхности или аэрозольное распыление раствора ФПАВ;

- модификация поверхности при повышенной температуре: обработка поверхностей в кипящем растворе модифицирующего состава. Осуществляется в специальных герметичных установках, оснащенных регулируемой системой подогрева, конденсации растворителя и емкостью для рабочей среды.

Нагрев модифицирующих составов возможен ТЭНами, горячей водой либо паром.

Затем проводят термофиксацию модифицирующего состава. Термофиксацию обычно осуществляют при температуре 100-150°С в течение 1,0-1,5 ч в термошкафах, печах или сушилках, крупногабаритные поверхности можно сушить бытовым феном в течение 20-25 мин. Термофиксация усиливает хемосорбционную связь пленки модифицирующего состава с поверхностью обрабатываемого материала. В некоторых случаях качество обработки поверхностей холодным способом сравнимо с результатами обработки деталей в кипящем растворе модифицирующего состава.

Заявленный способ позволяет создавать сильфоны и ему подобные устройства с оптимальными свойствами и на их базе конструировать конечные устройства с заранее определенным ресурсом работы.

В соответствии с предлагаемым способом осуществляли обработку промежуточных заготовок, а также готовых сильфонов. Во всех случаях наблюдалось значительное увеличение рабочих ресурсов готовых сильфонов.

Результаты испытаний сильфона с нанесением модифицирующего состава и без него приведены в примерах 1-6.

Пример 1 (сопоставительный)

Однослойный сильфон изготовлен из необработанной трубы, т.е. без нанесения модифицирующего состава. Испытания проводились на специальном стенде до полного разрушения сильфонов при параметрах:

P_p=1,25 МПа (внутреннее), Т=20°С, ход на сжатие = 7,2 мм. Количество циклов до разрушения 528 070 (по 4 параллельным испытаниям).

Пример 2

Однослойный сильфон изготовлен из трубы, прошедшей модификацию поверхности (МП). Заготовки для сильфона тщательно обезжирили изопропиловым спиртом, высушили на воздухе и обработали модифицирующим составом, содержащим 0,5% ФПАВ и 99,5% перфторэтилизопропилкетона. Обработку проводили при 50°С в течение 50 минут в емкости с обратным холодильником для предотвращения испарения растворителя. После модификации заготовки проводили термофиксацию в сушильном шкафу при 100°С в течение 30 минут. Испытания проводились при тех же условиях, что и в примере 1. Количество циклов до разрушения 3342272 (по 5 параллельным испытаниям).

Пример 3 (модификация готового сильфона)

Однослойный сильфон изготовлен из трубки, не прошедшей модификацию поверхности. Готовый сильфон тщательно обезжирили ацетоном, высушили на воздухе и обработали модифицирующим составом, содержащим 5,0% ФПАВ и 95,0% перфторэтилизопропилкетона. Обработку проводили при 50°С в течение 60 минут в емкости с обратным холодильником для предотвращения испарения растворителя. После модификации сильфона проводили термофиксацию в сушильном шкафу при 100°С в течение 30 минут. Испытания проводились при тех же условиях, что и в примере 1. Количество циклов до разрушения 1164530 (по 5 параллельным испытаниям).

Пример 4 (сопоставительный)

Четырехслойный сильфон изготовлен из необработанных трубок. Модификацию поверхности сильфона не проводили. Испытания проводились на специальном стенде до полного разрушения сильфонов при параметрах: рабочее давление 80 кг/см², ход сильфона 12 мм, температура воздуха 350°С. Количество циклов до разрушения 16833 (по 4 параллельным испытаниям).

Пример 5 (модификация готового сильфона)

Четырехслойный сильфон изготовлен из трубки, не прошедшей модификацию поверхности. Готовый сильфон тщательно обезжирили ацетоном, высушили на воздухе и обработали модифицирующим составом, содержащим 0,5% ФПАВ и 99,5% хладона 113. Обработку проводили при 50°С в течение 60 минут в емкости с обратным холодильником для предотвращения испарения растворителя. После модификации сильфона проводили термофиксацию в сушильном шкафу при 100°С в течение 30 минут. Испытания проводились при тех же условиях, что и в примере 10. Количество циклов до разрушения 29580 (по 4 параллельным испытаниям).

Пример 6

Четырехслойный сильфон изготовлен из трубок, прошедших модификацию поверхности. Заготовки для сильфона тщательно обезжирили ацетоном, высушили на воздухе и обработали модифицирующим составом, содержащим 5,0% ФПАВ и 95,0% хладона 113. Обработку проводили при 50°С в течение 60 минут в емкости с обратным холодильником для предотвращения испарения растворителя. После модификации заготовки проводили термофиксацию в сушильном шкафу при 100°С в течение 30 минут. Испытания проводились при тех же условиях, что и в примере 10. Количество циклов до разрушения 65948 (по 3 параллельным испытаниям).

Таким образом, задача, стоявшая перед авторами изобретения, решена - достигнуто увеличение ресурса работоспособности изделия, а именно увеличение количества циклов от начала эксплуатации до наступления предельного состояния. Увеличение ресурса работоспособности изделия пропорционально зависит от обработки как заготовки для сильфона, так и готового сильфона фторсодержащим поверхностно-активным веществом.