История развития трубопроводной арматуры — изделий для регулирования потоков рабочей среды — насчитывает несколько тысячелетий. Последние 140 лет эволюция арматуры в Российской Империи, СССР и России тесно связана с заводом, который сейчас называется Армалит. Mil.Press запускает спецпроект, в котором расскажет о производстве одного из современных типов арматуры – дисковых затворов – от чертежа и отливки до военной приемки и отправки заказчику. Первая статья цикла посвящается конструкторскому бюро предприятия.
Долгий путь арматуростроения
Несколько тысячелетий развития арматуры — это не преувеличение, приведенное для красного словца. Простейшие изделия для регулирования потоков вод, использовавшихся для орошения и подведения к жилым постройкам, применялись еще в Древнем Египте, Месопотамии, Индии и Китае.
Сегодня трубопроводная арматура встречается в нашей жизни повсюду. Умываясь утром в ванной, мы пользуемся смесительными кранами. Садясь в автомобиль, чтобы доехать до работы, включаем поворотом ключа клапан подачи топлива. Проезжая мимо теплотрассы, можем наблюдать предохранительный клапан, предназначенный для аварийного сброса давления пара.
Конструкция классической трубопроводной арматуры за последние 100 лет принципиально не изменилась. Гораздо интереснее эволюция арматуры специальной, применяющейся в системах сверхвысокого давления, где в качестве рабочей среды может выступать разогретый до температуры в сотни градусов Цельсия взрывоопасный газ или жидкое топливо. Такую арматуру сегодня способен выпускать «Армалит», ведущий свою историю с 1878 года.
В настоящее время завод на 80% загружен заказами со стороны российских судостроителей. Объем потребностей в клапанах, задвижках, затворах и прочих трубопроводных комплектующих на один корабль или судно измеряется в сотнях наименований изделий, а их стоимость может достигать 10% от всего заказа. Именно от арматуры зависит, сможет ли подлодка продуть балластные цистерны и всплыть, сработает ли система пожаротушения в случае ЧП на борту, в нужном ли объеме поступит жидкость в контур охлаждения силовой установки.
У военных свои специфические требования к судовой арматуре. Например, она должна выдерживать близкие взрывы, поэтому для флота не поставляются изделия с корпусами из чугуна. Для кораблей минно-тральной борьбы на передний план выходит использование маломагнитных материалов.
Сотрудники конструкторского бюро «Армалита» говорят, что для одного изделия может существовать до тысячи различных вариантов исполнения, отличающихся разными типами присоединений, специфическими материалами, средствами автоматизации привода и другими нюансами, которые могут иметь принципиальное значение для конкретного заказчика. Свои требования есть и у разработчиков систем для АЭС, нефтегазовой, химической отраслей. Отсюда и набирается кажущаяся фантастической цифра в 6000 видов арматуры, поставленных на производство «Армалитом». А всего в номенклатуре выпускаемых заводом изделий — более 20000 наименований.
Производство шаг за шагом
От момента получения заказа на производство арматуры до ее передачи заказчику может пройти до 24 месяцев. Пока не погрузишься в детали производственного процесса, кажется, что это слишком долго.
Сроки зависят, например, от требуемого материала для изготовления корпуса, технологии наплавки металла на седло, требований к ламели. Взять хотя бы литье титана, которое требует специального оборудования для подачи инертного газа или создания вакуумированного объема. Создавать такой участок на арматуростроительном заводе нерентабельно — поэтому титановые заготовки поступают на «Армалит» от внешних поставщиков.
Зато с чугуном, сталью, различными видами бронзы и латуни на петербургском заводе работают с удовольствием — литейный цех «Армалита» оснащен тремя индукционными печами емкостью до 1 тонны каждая. Но прежде, чем свою работу сделает этот этап производства, для литья требуется создать формы. Ими занимается модельный цех завода, поставляющий, помимо литейных форм, еще и пресс-формы для кузнечно-прессового цеха. Там, в свою очередь, методом штамповки делают простые элементы арматуры, например, ручки вентилей.
Впрочем, литейные заготовки нужны для производства не всей номенклатуры «Армалита». Например, корпуса межфланцевых дисковых затворов изготавливают из металлического листа толщиной до 160 мм сразу в цехе механообработки.
Обработать седла запорной арматуры и запирающие элементы, например, пробку шарового крана, помогают современные станки с числовым программным управлением. Они на «Армалите» сегодня установлены в 40, 41 и 42 цехах. После обработки на станках, в дело вступают сварочно-термическое производство, где, например, корпуса арматуры оснащают дополнительными ребрами жесткости, и гальваническое производство, где на металл наносят защитное покрытие. В частности, титановую арматуру для защиты от коррозии подвергают оксидированию. «Армалит» — один из немногих заводов, способный выполнять оксидирование титана под требования военной приемки.
На финальном этапе готовую арматуру проверяют давлением, обмеряют на контрольно-измерительной машине с точностью до 2 микрон, а также просвечивают рентгеном для оценки однородности металла. Наконец, к отправке заказчику арматуру готовят на окрасочно-упаковочном производстве. О всех вышеперечисленных этапах процесса создания комплектующих для судостроения Mil.Press расскажет в следующих статьях цикла.
От идеи к чертежу
Несмотря на десятки тысяч чертежей, которые хранятся в архивах «Армалита» и КБ «Армас», выступающего калькодержателем советского арматурного наследия, непрерывно возникающие задачи в различных отраслях требуют создания новых образцов продукции. Поэтому, отмечают сотрудники «Армалита», на предприятии и создали не традиционный для арматуростроительной отрасли небольшой отдел проектирования, а полноценное конструкторское бюро. Интересный факт — количество сотрудников одного только КБ завода превосходит общее число работников некоторых поставщиков арматуры, с которыми петербургскому заводу приходится конкурировать в тендерах. Здесь трудится 53 человека, которые разделены по специфике деятельности: кто-то проектирует судовую арматуру, кто-то работает над приводами, кто-то создает уникальные изделия для атомной отрасли.
С инженерными кадрами в машиностроении сейчас тяжело. «Мы давно поняли, что искать кого-то бесполезно, людей нужно «растить», — говорил Mil.Press генеральный директор «Армалита» Александр Кузнецов. Ему вторит главный конструктор завода Леонид Архипов: «Специалистов, которые могут вести тему, зная все аспекты — как саму арматуру, так и приводы — практически не найти». Дело в том, что в России нет специализированного высшего учебного заведения, где изучают арматуростроение. В КБ «Армалита» берут в основном выпускников СПб ГМТУ («Корабелки») и «Военмеха». Средний возраст сотрудников — 35 лет, это на 8 лет меньше, чем в среднем по заводу
«Задач у нас больше, чем людей», — говорит главный конструктор «Армалита» Леонид Архипов, возглавляющий проектирование всей продукции предприятия на протяжение уже 6,5 лет. Сам он получил образование в Новгородском политехническом институте (в советское время — филиал ЛЭТИ), трудился в Центральном конструкторском бюро арматуростроения, затем на Новгородском арматурном заводе, где дошел до должности главного конструктора.
В качестве одного из самых сложных проектов Архипов вспоминает индийский заказ на арматуру для стенда испытаний ракетных двигателей. «Основная сложность была с рабочей средой — жидким водородом и кислородом под давлением 200 атмосфер», — рассказал собеседник Mil.Press Военное. В России интересных задач тоже хватает. Например, «Армалит» участвовал в создании арматуры для воздухонезависимой энергетической установки подлодок. «По техническому заданию привод должен был полностью закрываться за 0,15 секунды даже при отсутствии электричества. Мы смогли решить эту задачу и за два года создали опытную партию изделий», — сообщил Леонид Архипов.
В день визита съемочной группы Mil.Press FlotProm на столе главного конструктора «Армалита» стоял титановый шаровый кран с электроприводом, предназначенный для воздушной магистрали глубоководного обитаемого аппарата. Над ним завод работал на протяжении четырех месяцев. Основной задачей было обеспечить минимальные габариты изделия, обусловленные теснотой отсека, где он будет установлен. Несмотря на внешнюю простоту этого образца, шаровый кран снабжен электроприводом с обратной связью. Он оснащен датчиками, сигнализирующими в систему управления верхнего уровня о положении запорного элемента и возникновении критических для работоспособности ситуаций.
Леонид Архипов уточняет, что изделие, стоящее на его столе — экспериментальный образец, собранный для проверки отдельных технических решений в мастерской конструкторского бюро.
Отработка конструкторских идей «в металле» — неотъемлемая часть работы КБ «Армалита». «Практика выбора решений по сложным вопросам у нас обычная — проводится научно-технический совет завода. Намечаем, какие есть непонятные моменты в новом проекте, собираемся и обсуждаем их. Потом выпускаем решение о том, как нужно сделать или какую дополнительную информацию собрать. Однако всего начертить нельзя, не получается учесть всех мелочей и нюансов. Нужно проверять на опытном образце», — объяснил главный конструктор «Армалита».
Поэтому буквально через стену от кабинета, где расположилось КБ завода, создана мастерская. Это небольшое помещение, оборудованное приборами для проверки электрооборудования, специальными испытательными стендами. Именно здесь свет увидели первые образцы судовых шаровых кранов, созданные по собственному проекту «Армалита», вспоминает начальник КБ судовой арматуры предприятия Михаил Каменев. Это произошло в 2015 году, а сейчас, по словам коммерческого директора «Армалита» Евгения Коптяева, завод занимает 80% рынка этих изделий в сегменте гособоронзаказа.
Здесь же, в мастерской, конструкторы разбирают арматуру после проверок на испытательном стенде. Это нужно, чтобы оценить, выдержали ли изделия заявленное давление, не появилось ли на запорных элементах и седлах механических повреждений.
Арматуростроительная цифровизация
Все проектирование на «Армалите» уже давно ведется в современной системе автоматизированного проектирования (САПР). Основной программной средой предприятия выступает SolidWorks, конечно-элементный анализ для решения задач, связанных со сложными средами, производится в Ansys.
Один из обязательных этапов проектирования — создание трехмерной модели арматуры. Уже сейчас завод имеет возможность обмениваться 3D-моделями с конструкторскими бюро-проектантами кораблей. Таким образом, работа КБ «Армалита» упрощает в дальнейшем создание трехмерной инфомодели или интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР) морской техники. В контексте ведущейся Минобороны и Минпромторгом глобальной цифровизации судостроительной отрасли это немаловажный нюанс. Проект одного корабля или судна включает в себя сотни наименований арматуры. И если арматуростроительный завод не может передать 3D-модели своей продукции, работа по отрисовке ложится на плечи КБ-проектанта корабля, что в конце концов приводит к удорожанию этапа проектирования.
Внутри предприятия обмен инженерными данными ведется с помощью PDM (Product Data Management)-системы. В ней хранятся чертежи изделий и технологической оснастки. Номенклатура продукции «Армалита» включает более 20000 изделий, и без цифровой поддержки предприятию просто не обойтись. Сейчас завод работает над тем, чтобы в едином информационном пространстве передавать управляющие программы на все станки с ЧПУ, которых на производстве насчитывается более 70.PDM-система «Армалита» решает и еще одну стратегическую задачу, которая рано или поздно встанет перед всеми поставщиками судостроительной отрасли. Речь идет о переводе взаимодействия между верфями и заказчиком в рамки контрактов жизненного цикла.
«Я считаю, что вопросы эксплуатации изделия на протяжении всего жизненного цикла должны решаться предприятиями-производителями. Владельцы судна обращаются к верфи, верфь — к поставщикам оборудования, поставщики должны заниматься ремонтом и обслуживанием. В нашей информационной системе хранятся данные о всех версиях изделия, которое мы когда-либо выпускали. Мы знаем, что на какой корабль поставили, по какой документации изготавливалась продукция», — рассказал генеральный директор «Армалита» Александр Кузнецов.
Кросс-отраслевое проектирование
После успешного старта линейки шаровых кранов «Армалита» в 2015 году завод начал работать над проектированием собственной серии дисковых затворов. Это один из видов арматуры для жидких сред, который нашел свое применение сразу в нескольких отраслях. В них функцию запирания или регулирования потока обеспечивает поворачивающийся вокруг оси диск. На морском сленге из-за характерной формы такую арматуру иногда называют «бабочкой» (butterfly valve). Одно из ключевых преимуществ дисковых затворов — компактность: чтобы врезать этот вид арматуры в трубопровод метрового диаметра, хватит и 10 см свободного места.
Дисковые затворы изобрели еще в 18 веке, но из-за отсутствия качественных уплотнительных материалов этот вид арматуры не получил широкого распространения. После Великой Отечественной войны эволюция химической промышленности позволила обеспечивать дисковые затворы достаточным уплотнением, одновременно в связи с динамичным развитием космической и подводной техники возник и спрос на них. Самые простые дисковые затворы, где уплотнение обеспечивает резиновая прокладка, способны выдержать невысокое давление — до 10 кгс/см2. Наиболее совершенные образцы выполнены с использованием так называемого трехосевого эксцентриситета — конструктивной особенности, позволяющей обеспечить запирание без трения и, как следствие, износа элементов. Достигается это за счет смещения оси вращения затвора относительно его центра в двух плоскостях, а также сведения краев затвора в конус, условная вершина которого направлена в сторону осевой линии трубопровода. Благодаря этому дисковый затвор работает фактически аналогично запорному клапану, но может быть выполнен под давление до 160 кгс/см2.
Толчком к развитию трехэксцентриковых дисковых затворов на «Армалите» послужил ОКР от ЦМКБ «Рубин» на бронзовую арматуру для проектируемого плавдока. Такие дисковые затворы еще несколько лет назад в России никто не выпускал. «Мы взялись, а затем на базе этой конструкции поняли, что можно сделать подобное изделие из стали и нержавейки — материалов, которые востребованы в нефтехимии», – объяснил главный конструктор «Армалита» Леонид Архипов.
Следующим вызовом стала необходимость сделать дисковый затвор из титана. Конструкторам «Армалита» пришлось с нуля создавать конструктив изделия исходя из эксплуатационных характеристик материала, проверять идеи на макете, выпускать опытные образцы. Подспорьем оказалось то, что «Армалит» исторически имел судовую направленность и опыт работы с титаном. «Большой плюс, что снабжение знает, где купить титановый лист, шпильки, гайки — все, что необходимо для выпуска», — объяснил Л. Архипов.
Производство столь технологически сложных изделий требует современного оборудования. На «Армалите» для выпуска дисковых затворов в 2018 году запустили новый цех, где для обработки трехосевого эксцентриситета используется горизонтально-расточной обрабатывающий центр с числовым программным управлением производства Niigata и еще целый ряд высокоточных станков. Сейчас «Армалит», ориентируясь на потребности заказчиков, выпускает дисковые затворы под давление 40 кгс/см2, но в конструкторском бюро уже идет работа над следующим поколением, которое выдержит и 55 кгс/см2.
Развитие этой линейки продукции идет в инициативном порядке — финансирование ОКР в арматуростроении пока широкого распространения не получило.
«Сейчас у нас практически нет ОКР, которые финансирует заказчик. Один был в начале года, сейчас ведем еще один. Минобороны выделяет деньги на разработку только когда нужна уникальная арматура, которая имеет всего одно применение и больше нигде не используется. В атомной отрасли тоже своя специфика — заказчик создал высококонкурентный рынок, на котором не требуется финансирование ОКР», — объяснил главный конструктор «Армалита» Леонид Архипов.
За время работы КБ под руководством Леонида Архипова уже разработало восемь типоразмеров дисковых затворов, сейчас конструктора трудятся над еще семью типоразмерами.
«Расширяем линейку в сторону увеличения диаметра: 600, 800, 900, 1000, 1200 мм», — рассказал Mil.Press FlotProm главный конструктор предприятия.
Таким образом дисковые затворы, за счет трехэксцентриковой конструкции выдерживающие существенное давление рабочей среды, стали для «Армалита» универсальной продукцией, которая с небольшими доработками и при условии использования соответствующих задаче материалов может применяться в совершенно различных отраслях: судостроении, на АЭС, для решения задач нефтегазовых компаний, в химической промышленности.
