Питання актуальності і доцільності відновлення трубопровідного транспорту рідких і газоподібних продуктів з використанням оптимальних матеріалознавчих і машинобудівних рішень, зокрема інноваційних ливарних процесів, постає сьогодні надзвичайно гостро. Його вирішення дозволить оперативно та з мінімальними витратами забезпечити потреби інфраструктури у високоміцних деталях ключових вузлів трубопровідних систем. Технологічна необхідність відновлення виробництва литої запірно-регулюючої арматури для магістральних, комунальних та промислових трубопроводів зумовлена вимогами до високої міцності, довговічності та зниження її маси, що є критичним для стратегічного елемента національної інфраструктури. Протягом 2023 р. вантажообіг у трубопровідному секторі склав 43,0 млрд т-км, посідаючи друге місце за цим показником після залізничного транспорту [1].

Основними викликами в секторі трубопровідного транспорту є зношення запірної арматури та потреба використання високоміцних матеріалів для роботи в агресивних середовищах [2]. 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 [1, 2]. 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).

Символічно, що у 2026 році наукова спільнота відзначає 75-річчя з моменту відкриття пінополістиролу (фірмова назва Styropor) фірмою BASF у 1951 році (https://uk.wikipedia.org/Пінопласт). На основі цього пінополімеру у                         1956–1958 роках Г. Шроєром було отримано перші патенти на метод ЛГМ, де цей полімер відіграє ключову роль, дозволяючи охопити контекст від створення литих конструкцій з чорних та кольорових металів до розробки складних композитних сплавів з армувальними фазами.

ЛГМ-процес нерідко застосовують для виготовлення трубоарматури [1, 2], 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. 1 схематично показано застосування каркасних конструкцій при виготовленні варіантів зворотного клапана. Ескіз зображеної на рис. 1, б конструкції створений на основі цільнолитого зворотного клапана типу NVD 402, який компанія «Danfoss» (Данія) серійно випускає з умовними діаметрами (Д_у) від 40 мм до 500 мм [3].

а                                                                       б

1 – корпус клапана; 2 – модель фланця; 3 – модель перемички між фланцями;

4 – пружина з неіржавкої сталі; 5 – ущільнення EPDM (етилен-пропіленовий каучук); 6 – перемичка; 7 – спеціальний профіль запірної системи; 8 – фланці;

9 – знімна напрямна обтічна форма; 10 – бронзовий шток; 11 – бронзове напрямівне кільце

Рисунок 1. Схема комплектації з моделлю каркаса (а) та ескіз зворотного клапана з металевим каркасом (б)

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 [4], 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.

Література:

1. Дорошенко В. С., Шалевська І. А., Янченко О. Б. Відновлення та модернізація транспортної інфраструктури України: роль інноваційних ливарних технологій // Вісник машинобудування та транспорту. – 2025. – Том. 21, № 1. – С. 50–60. https://doi.org/10.31649/2413-4503-2025-21-1-50-60.

2. Дорошенко В. С., Клименко С. І., Федюк Ю. А. Запірна трубопровідна арматура з залізовуглецевих сплавів: світовий досвід та перспективи для України // Литво. Металургія. 2025 (Харків, травень 2025 р.). – Харків, 2025. – С. 88–92.

3. Зворотний клапан Danfoss NVD 402 PN16 DN50. Teplocentr.ua. М. Чернівці. URL: https://teplocentr.ua/product/zvorotniy-klapan-402-pn16-dn50-065b7471/.

4. Дорошенко В. С. Моделирование отливок как оболочковых конструкций с целью металлосбережения // Металл и литье Украины. – 2015. – № 6. – С. 30–34.