«Мыльные пузыри в детстве запускал?» – интересуется профессор национального исследовательского Иркутского государственного технического университета Владимир Кольцов. Так доктор технических наук, автор трёх десятков изобретений начинает объяснять принцип, применяемый в некоторых из запорных устройств для трубопроводов, проектом по разработке которых он руководит с 2004 года. За это время в ИрГТУ создали 15 вариантов конструкций запорной арматуры, чей принцип действия основан на свойствах эластичных материалов. 

По закону Бернулли

В основе разработок лежит знакомый многим по школьному курсу физики закон Бернулли, каноничное определение которого гласит, что сумма внешнего, гидростатического и динамического давления в потоке жидкости постоянна. Согласно ему, в узкой части трубы давление всегда больше, чем в широкой. «Используя этот закон, мы в одном месте сузили сечение трубы, а перепад давления использовали для перемещения запорного устройства», – поясняет Кольцов. Задвижка, эскиз которой он при этом демонстрирует, состоит из двух соединённых штангом торов – геометрических фигур в виде бублика. Для их перемещения используется давление самой жидкости, текущей по трубопроводу: для того, чтобы закрыть или открыть задвижку, её по шлангам перебрасывают от «входа» или «выхода».

Испытания на стенде подтвердили заявленные характеристики новых задвижек

Свойства тора используются ещё в одном варианте устройства, которое показывает корреспонденту «Сибирского энергетика» собеседник издания. Его отличие от предыдущего варианта заключается в том, что здесь тор сжат в конус. «А если «загнать» его в конус, он всегда стремится «вылезти» обратно», – продолжает профессор импровизированную лекцию со слайдами. В итоге, как только ослабевает давление жидкости, конструкция перекрывает трубу, а стоит восстановить напор – возвращается в специальное ответвление. Существуют и другие варианты запорных клапанов, например, тот, в котором «бублики» из эластичного материала используются в качестве усилителя давления. 

Кольцов рассказывает, что мысль об их применении в запорной арматуре возникла вскоре после того, как при ИрГТУ была создана научно-производственная фирма «Восток-ТОР», занимающаяся очисткой, ремонтом и восстановлением трубопроводного оборудования и котлов. «Мы тогда увлеклись эластичными конструкциями, – вспоминает учёный. – И, раз уж взялись за торовые технологии в очистке трубопроводов, я решил заняться задвижками – неотъемлемым элементом трубопроводной арматуры. Мне это показалось интересным». Судя по всему, именно этот интерес и подтолкнул Кольцова и его коллег – директора института архитектуры и строительства ИрГТУ Виктора Чупина, директора ЗАО НПФ «Восток-ТОР» Игоря Майзеля, директора технического колледжа ИрГТУ Александра Куницына, старшего преподавателя Елизавету Попову и студенток Елену Герасимову и Валентину Надточий – к созданию полутора десятков различных конструкций запорной арматуры. Справедливости ради заметим, что не все из них используют свойства эластичного тора. 

Принцип мыльного пузыря

В действующих образцах кранов, собранных в ИрГТУ, основой являются пузырьковые конструкции. А принцип их действия прост и известен не только корреспонденту «Сибирского энергетика» и его собеседнику, но и любому, кто в детстве пускал мыльные пузыри. «Большой пузырь никогда маленький внутрь не пустит, тот просто останется на его поверхности, – замечает Кольцов. – Если же два разных пузыря поместить в одну ёмкость, то большой всегда будет вытеснять маленький». Запорная арматура действует по тому же принципу, за тем лишь исключением, что вместо мыльной плёнки в ней используется резина (применяться может и любой другой эластичный материал с необходимыми свойствами). 

Например, в одном из опытных образцов используются запаянные отрезки двух резиновых шлангов разного диаметра, установленные поперёк трубы. С помощью шланга в них подаётся жидкость из трубопровода (сначала кран испытывали с помощью воздуха, затем его подсоединили к водооборотному стенду, однако с тем же успехом он может использоваться на нефте- или газопроводе), и больший «пузырь» выдавливает меньший, тем самым перекрывая трубу. Чтобы открыть задвижку, необходимо, соответственно, подать жидкость обратно в трубопровод. Регулируется запорный механизм обычным шаровым краном, который можно купить в обычном хозяйственном магазине, а для того, чтобы избежать генерации – самопроизвольного открывания и закрывания всей конструкции, – предусмотрен обратный клапан. При этом оба существующих образца запорной арматуры собраны из общедоступных материалов, которые можно приобрести в свободной продаже. «Просто сходил в магазин да купил», – лаконично замечает Кольцов. 

Однако при их масштабном производстве могут использоваться и другие эластичные материалы – всё зависит от сферы применения и потребностей заказчика. Но даже в том случае, если будут применяться более дорогие материалы, стоимость подобной запорной арматуры будет ниже, чем у традиционных аналогов, основные узлы которых выполнены из недешёвых цветных сплавов, стойких к коррозии. Экономия достигается и за счёт того, что отпадает необходимость использовать сложное станочное оборудование и непростые технологии. Свои плюсы есть и при эксплуатации запорной арматуры, основанной на торовых конструкциях, например, меньший коэффициент сопротивления и большая надёжность. 

Известная проблема

Несмотря на все эти, казалось бы, очевидные преимущества, разработанные в ИрГТУ конструкции задвижек пока остаются опытно-конструкторским инновационным проектом и в серию не идут. «Основная проблема известна: нет денег, – констатирует Кольцов. – Когда мы обратились в Ангарскую нефтехимическую компанию, там сказали, что с удовольствием у нас эти задвижки купят. Но ведь для того, чтобы им или кому-то ещё их продать, нужно сделать опытный образец, испытать его в реальных условиях, довести конструкцию до совершенства, изготовить промышленный образец, затем его сертифицировать и только потом рекомендовать к применению». По его расчётам, на это требуется около 25 млн. рублей – небольшие средства по меркам крупных нефтяных компаний, однако немалые даже для крупного вуза, получившего статус национального исследовательского университета. 

Впрочем, инвестор на проект нашёлся – МУП «Производственное управление водопроводно-канализационного хозяйства». В иркутском «Водоканале» заинтересовались разработкой учёных из ИрГТУ, а её наглядная демонстрация убедила представителей муниципального предприятия в перспективности нового вида запорной арматуры. Применить её опытные образцы планируют на водопроводных сетях наиболее распространённого диаметра – 200 мм. «Мы договорились, что они попросят у своего учредителя деньги на изготовление опытных образцов, – рассказал собеседник «Сибирского энергетика». – Но денег нам пока никто не дал, мы всё ещё ведём переговоры. Как только получим эти средства, мы сразу изготовим опытные экземпляры и установим их на сетях». Согласно плану, это должно произойти в начале 2012 года. А до конца следующего года предполагается завершить сертификацию промышленных образцов. Но для этого нужно будет выполнить одно условие – выделить необходимые средства. По мнению Кольцова, даже если это произойдёт после Нового года, в график удастся уложиться.