Резьба! Как много в этом слове для сердца русского слилось...

Инструментальная арматура обеспечивает пользователю гибкость в присоединении к процессу или к измерительным инструментам. Различные типы используемых резьбовых соединений в инструментальной арматуре и их соответствие российским и международным стандартам позволяет реализовать надежное герметичное соединение и безопасное ведение технологического процесса.

Опыт работы ВСП в области инструментальной арматуры насчитывает более 25 лет. Тесное сотрудничество с партнерами и заказчиками на объектах, с рядом производителей широкой линейки продуктов — Parker Hannifin, WIKA, CIR-Lok, Panam, HAVI Engineering и др.— позволило накопить существенный объем знаний относительно требований к инструментальной арматуре. Наряду со спецификой применения в отдельных приложениях, существуют и объективные характеристики, например, соответствие инструментальной арматуры определенным стандартам.
Инструментальная арматура для КИП предназначена для создания соединений, разъемных и неразъемных. Разъемные соединения выполняются с помощью резьбы, которая также регламентирована рядом международных и отраслевых стандартов.

I. История: старая и новая.

"Гениальность в простоте".

Резьбовые соединения при кажущейся простоте конструкции и доступности занимают достойное место в истории развития цивилизации. Сама концепция винта была известна человечеству с очень давних времен. Например, винтовые конструкции в античном мире применяли для отжима оливкового масла. Изначально винт в виде деревянных валов с резьбой получил применение не как крепежный элемент, а как устройство, преобразующее вращательное движение в возвратно-поступательное для перекачки воды. Еще в Древнем Египте применялось водоотливное приспособление, представляющее собой гладкое бревно с прикрепленными на его поверхности облегающими планками, образовывающими спираль. Широко известен так называемый Архимедов винт, применявшийся для перемещения жидкостей и сыпучих тел.

Архимедов винт, по существу шнек, сегодня используется практически везде, где имеет место поступательное движение или необходимость перемещения определенной массы, начиная от бытовых приборов, и заканчивая турбинными двигателями.
Первые крепежные детали, имеющие резьбы, начали применяться в Древнем Риме в начале нашей эры, использовались редко и преимущественно в очень дорогих изделиях. Болты и гайки с винтовой нарезкой появились примерно в середине XV века, их изготавливали вручную, и каждую гайку можно было навинтить только на один, соответствующий именно ей болт. Так как подобрать болт и соответствующую ему гайку было нелегко, то когда удавалось найти такую пару, винт и гайку держали соединенными до использования в каком-либо механизме. Позже совместимые болты и гайки стали маркировать и длилось это еще долгое время.

"Нижегородский Архимед".

В 2023 году исполнилось 288 лет со дня рождения великого русского механика, которого называют «нижегородским Архимедом». Речь идет об изобретателе Иване Петровиче Кулибине.

Изображение взято из открытых источников.

Наименование проекта: Лифт для Ее Императорского Величества.

Заказчик: Екатерина II.

Автор и исполнитель проекта: Иван Петрович Кулибин — член Императорской Академии наук, механик-изобретатель.

Описание проекта: Винтовой лифт Кулибина — удобный лифт для передвижения между этажами Зимнего дворца.
Специальное решение по спецификации Заказчика.
Кулибин предложил нестандартное решение вопроса: основание кресла крепилось к длинной оси-винту и двигалось по нему подобно гайке. Императрица Екатерина садилась на свой передвижной трон, слуга крутил рукоять, вращение передавалось на ось, и кресло поднималось на галерею второго этажа.

Срок исполнения проекта: Винтовой лифт Кулибина был закончен в 1793 году.

Второй в истории подобный механизм был построен в Нью-Йорке в 1859 г. американским изобретателем Элишей Отисом, основателем компании Otis Elevator Company. Винтовой лифт был установлен в отеле «Пятая авеню», однако система оказалась медленной и дорогой и дальнейшего развития не получила.

О роли крепёжных деталей.

«О роли крепежных деталей с точки зрения экономики, можно судить по результатам оценки, сделанной в 70-х годах 20-го столетия в Великобритании, показавшей, что на соединение конструктивных элементов различных систем приходится от 20 до 40% общих расходов, связанных с изготовлением этих систем. Аналогичная ситуация и в США. Значительная доля расходов приходится на оплату рабочей силы, занятой на сборочных операциях. Хотя стоимость крепежных деталей механического узла в среднем не превышает 5%, затраты рабочего времени на операции по соединению деталей составляют немногим более половины общих временных затрат на производство готовой продукции. В результате стоимость крепежных деталей, установленных в собранном изделии, увеличивается от 3 до 10 раз по сравнению с их номинальной стоимостью».

По материалам статьи Graves, Frederick E. "Nuts and Bolts." Scientific American, vol. 250, no. 6, 1984, pp. 136–45. JSTOR, http://www.jstor.org/stable/24969396. Accessed 28 Nov. 2023.

Безусловно, на современном производстве ситуация выглядит по-другому, однако можно с уверенностью утверждать, что ни один сложный продукт при его сборке не обходится без той или иной системы соединения.

Сам себе "госстандарт"!

Производители первых станков и деталей для них поняли, что резьбовое соединение может принципиально улучшить конструкцию сложных механизмов; значительно облегчить сборку, а также повысить их надежность. Первые промышленные применения резьбовых соединений придали большой импульс их развитию, но и привели к определенной путанице, так как вид, профиль и размер резьбы оставались прерогативой инженеров и изобретателей. Отсутствие единого подхода к резьбам на крепежных элементах являлось препятствием к развитию и внедрению различных механизмов в промышленности, поскольку каждый производитель работал по собственным стандартам. В Российской империи стандартизация резьб на государственном уровне также отсутствовала. Каждое предприятие, выпускающее резьбовые детали, использовало собственные стандарты, часто основанные на зарубежных аналогах. Важный шаг в направлении унификации элементов резьбы был сделан лишь в середине XIX века.

У каждой разновидности резьбовых соединений есть ряд типовых характеристик.

Профиль резьбы – контур сечения витка.
Угол профиля – угол между боковыми сторонами резьбы, β.
Вершина профиля – часть винтовой поверхности, соединяющей смежные боковые стороны по её вершине, P.
Впадина профиля – часть поверхности, соединяющая смежные стороны по дну канавки.
Шаг резьбы – интервал между точками боковых сторон профиля, находящихся в одной плоскости.
Наружный диаметр, внутренний диаметр, средний диаметр, D, d.

Также существуют другие параметры резьбы: высота профиля, длина ввинчивания, количество витков.

Первые стандарты и их развитие.

В середине XIX в. британский инженер-механик и изобретатель Джозеф Витворт (Joseph Whitworth) представил Институту гражданских инженеров свой доклад под названием "Система унифицирования винтовых резьб", в котором предложил профиль винтовой канавки и первую систему стандартизации резьбы: треугольный профиль, угол 55º.

В 1864, Уильям Селлерс (William Sellers), американский производитель металлорежущих инструментов, внес некоторые поправки в систему Витворта: предложил стандарт резьбы с сглаженными вершинами треугольного профиля с углом 60º, по мнению Селлерса, это обеспечивало более прочную резьбу.

В 1898 г. Международный Конгресс по стандартизации резьбы в Цюрихе определил новые международные стандарты метрической резьбы на основе резьбы Селлерса, но с метрическими размерами.
Стандартная система метрической резьбы, разработанная Международной организацией по стандартизации (ISO), была принята в 1964 году. Стандарты резьбы ISO в настоящее время являются общепринятыми во всем мире, в том числе, и в России.

II. Резьбы разные бывают.

Метрическая резьба.

В метрической резьбе профиль состоит из равносторонних треугольников. Угол профиля метрической резьбы составляет 60º. Нормативы размеров стандартного шага устанавливает ГОСТ 8724-81 (ИСО 261-98) «Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба метрическая. Диаметры и шаги».
Согласно этому документу, на поверхностях диаметром 1- 68 мм шаг резьбы может быть крупным или мелким. При диаметре поверхности крепежного элемента свыше 68 мм метрическая резьба может иметь только мелкий шаг. Каждому диаметру соответствует один вариант крупного шага резьбы и несколько вариантов мелкого шага. Например, при диаметре 10 мм возможен крупный шаг в 1,5 мм и три варианта мелкого шага. Крупный шаг в обозначении метрической резьбы опускается, поскольку его значение всегда неизменно, и его можно узнать по таблице.

Метрическая резьба с крупным шагом обозначается буквой М и размером наружного диаметра; с мелким шагом обозначается буквой М, размером наружного диаметра и шагом резьбы.

Пример обозначения: МК20х1,5 LH.
M - метрическая резьба;
К - конический тип;
1,5 - шаг резьбы;
LH - направление, левое.
Шаг резьбы и диаметр измеряются в миллиметрах, угол профиля составляет 60º.

Основной крепежной метрической резьбой является цилиндрическая резьба. Такая резьба имеет профиль в виде равностороннего треугольника с углом 60°. Вершины – плоскосрезанные, а впадины – либо плоскосрезанные, либо закругленные. Резьба метрическая коническая эффективно применяется в конических резьбовых соединениях, где присутствует высокое давление рабочей среды.

Метрический стандарт DIN.

Это немецкий метрический стандарт, название происходит от Deutsche Institute fur Normung. Стандарт регламентирует требования для резьбы, зубцы и углубления которой имеют угол 60 градусов. Стандарт DIN практически представляет собой международный стандарт ISO, который был принят Германией без изменений. Для различных видов крепежей используются разновидности DIN с указанием соответствующего номера.
Метрическая резьба широко применяется в машиностроении, станкостроении, при изготовлении крепежных элементов.

Например, метрическая резьба ISO DIN13:
Резьба метрическая крупная ISO DIN13 (ISO Coarse Thread, metric).
Обозначение: М - метрическая, пример: болт М16х80
Взаимозаменяема с резьбой: ГОСТ 24705-81 (Россия); ISO 724; BS 3643.

Британская дюймовая резьба: BSW, BSF, BSPP, BSPT.

В своей статье «Единая система резьбовых соединений» Дж.Витворт предложил:
«Каждый диаметр болта должен иметь определенное число витков на дюйм (TPI - thread per inch). Угол профиля (между соседними сторонами витков) должен составлять 55°.
Вершины треугольного профиля и основания впадин должны быть закругленными на 1/6 высоты. Зависимость радиуса закругления от шага определяется формулой r = 0.137329 x p (шаг)».

На практике, первым в мире национальным стандартом винтовой резьбы стала британская форма резьбы Витворта. В Великобритании до 1970-х годов (и несколько позже) эта резьба широко использовалась в автомобильной промышленности, в самолетостроении, при сборке различного механического оборудования.
Оригинальная резьба Витворта была крупной (BSW), потому что предел прочности стали на растяжение в то время был низким, и тонкие нити при затягивании просто срывались бы. Впоследствии, с улучшением прочностных характеристик металла, была разработана мелкая резьба British Standard Fine (BSF), представленная Британской ассоциацией инженерных стандартов в 1908 г.
Таким образом, дюймовый болт диаметром 1/2 дюйма может иметь либо 12 ниток на дюйм (BSW), либо 16 (BSF). Преимущество мелкого шага заключается в. том, что болты BSF обладают лучшей устойчивостью к вибрации; они прочнее, чем болты BSW с крупным шагом того же размера и из того же материала.

Трубная резьба BSP.

BSP (British Standard Pipe), широко применяемая в мире, имеет два варианта исполнения:

цилиндрическая (BSPP), которая обычно герметизируется различными уплотнительными материалами;
коническая (BSPT), которая самоуплотняется на резьбе.

Оба типа резьбы – BSPP и BSPT имеют угол профиля 55°, как у их прототипа BSW, и всего четыре значения шага – 28, 19,14, 11.

Трубную цилиндрическую наружную и внутреннюю резьбу BSPP обозначают буквой G.

Пример условного обозначения: G 1 1/2"-А, где А – класс точности.
Левая резьба идентифицируется по двум дополнительным буквам LH, например: G 1 1/2" LH - А.
Наружную коническую резьбу BSPT обозначают буквой R, а сопрягаемую с ней внутреннюю цилиндрическую буквами Rp. Например: R 1/2" и Rp 1/2".

BSPP соответствует цилиндрической резьбе ГОСТ 6357-81; BSPT взаимозаменяема с конической резьбой российского стандарта ГОСТ 6211-81.

Трубная резьба NPT.

Наряду с британской конической резьбой BSPТ (BSP) широкое распространение получила другая коническая резьба для труб – NPT/NPTF (National pipe taper/National pipe tapered fuel), являющаяся национальным стандартом США.
NPT имеет угол треугольника 60° и сглаженные выступы и впадины (форма Селлерса). У BSP угол составляет 55° и имеет закругленные вершины и впадины (форма Витворта).

Пример типичного обозначения резьбы:
1⁄8–27 NPT
1/8 — диаметр резьбы в дюймах,
27 — количество витков на дюйм.

Шаг резьбы и диаметр измеряются в дюймах, угол профиля составляет 60º.

Коническая трубная резьба NPT соответствует ГОСТ 6111-52 «Резьба коническая дюймовая с углом профиля 60 градусов».

Конические резьбы NPT и BSP нельзя совмещать друг с другом, даже при совпадении числа витков на дюйм длины. Они не взаимозаменяемы из-за различий в форме.
Трубная коническая резьба NPT и BSP обеспечивает герметичное соединение для безопасной транспортировки жидкостей, газов, пара. Оба типа резьбы могут использоваться на трубопроводах из широкого спектра материалов: сталь, латунь, бронза, чугун и пластик.

Унифицированные дюймовые резьбы стандарта UN: UNC, UNF и UNEF.

Резьбы стандарта UN широко применяются в Америке и Канаде, где действует дюймовая система измерений.
Американская резьба имеет тот же профиль с углом при вершине 60°, что и метрическая стандарта ISO, но ее основные параметры выражены не в миллиметрах, а в дюймах. В зависимости от частоты витков она также бывает крупная (основная) UNC, мелкая UNF и супермелкая UNEF.

Пример обозначения дюймовой резьбы UNF:
5/8″-18 UNF
5/8″внешний диаметр= 15,875 мм,
18 витков на дюйм = шаг 1,41 мм.

Стандарты JIC / SAE.

Стандарт JIC (Joint Industrial Committee, Американский Промышленный Совет) — американский стандарт, дюймовая резьба (60°). Обычно указывается номинальный диаметр и количество витков на дюйм.

SAE (Society of Automotive Engineers, Американская Ассоциация Автомобильных Инженеров) — американский стандарт, дюймовая резьба (60°). В единицах SAE обычно указывается внешний диаметр трубы. Например, 1/4" SAE — внешний диаметр 1⁄4".

Штуцер JIC имеет цилиндрическую резьбу и наружный конус 37°.
Фитинг JIC имеет накидную гайку с цилиндрической резьбой и внутренний конус 37°.

Один из примеров соединения по стандарту SAE — cоединение с дюймовой резьбой и уплотнительным конусом 37° (74°) по SAEJ514 или ISO 8434-2:2007 — этот тип соединений был разработан в США в 50-х годах XX века, и получил там наибольшее распространение.

JIC SAE J514 соответствует ГОСТ 28941 «Соединения трубопроводов с развальцовкой трубы».

Коротко о главном.

В трубопроводных системах широко используется множество типов трубной резьбы. Выше приведены некоторые характеристики широкого ряда типов резьбы, включая метрическую резьбу и дюймовые резьбы NPT, NPTF, BSPT, BSPP, SAE, резьбу UN/UNF.

Резьбы разного типа имеют разное назначение — конкретные технические характеристики и условия применения диктуются стандартами. Если обобщить, то коническая резьба обеспечивает высокую надежность уплотнения, т.к. уплотнение происходит металл-по-металлу. Цилиндрическая резьба в большей степени применяется для уверенной стяжки элементов.

Метрическая и дюймовая резьбы различаются количеством витков на резьбовом шаге и разным углом наклона при вершине. Из-за разницы профилей герметично соединить детали с метрической и дюймовой резьбой невозможно.

Цилиндрические резьбы требуют использования уплотнений, конические резьбы являются самоуплотняющимися (в принципе), хотя, к примеру, для герметичности соединения рекомендуется применять уплотнитель/смазку даже при использовании резьбы NPTF.

III. При всём уважении...
не только резьбовые соединения.

Технологии не стоят на месте. Одно из концептуальных решений в системах соединения труб — технология неразъемных соединений Phastite® (Parker Hannifin) — может быть заменой других методов соединения, применяемых в настоящее время. Технические характеристики позволяют использовать фитинги Phastite в системах, работающих на давлении до 20 000 фунтов/кв. дюйм (1380 бар).
Соединение по технологии Phastite является надежной альтернативой резьбовым соединениям на высокое давление или сварным соединениям и соответствует требованиям ASTM A269. Сертификация Phastite по ISO 19879 является важным квалификационным подтверждением для пользователей в нефтегазовой и нефтехимической промышленности, в энергетике и судостроении.
Запатентованная технология уплотнения Phastite позволяет использовать одни и те же фитинги как с тонкостенными трубками толщиной 0,5 мм (0,020"), так и с толстостенными трубками с толщиной стенки до 4,8 мм (0,188") в системах как с низким, так и высоким давлением.

Фитинги Phastite обеспечивают надежную герметизацию и превосходные удерживающие свойства за счет конструкции, которая не только обеспечивает герметизацию металл-по-металлу по сформированным граням внутри корпуса фитинга, но также позволяет трубке расширяться на величину специально сформированной впадины, тем самым достигается увеличение удерживающих свойств.

В ряду положительных характеристик можно также отметить отсутствие последствий в виде хрупкости или коррозии металла (вызываемых, например, нагревом при сварке).
Фитинги предварительно собираются на производстве, не имеют незакрепленных деталей, что предотвращает потенциальные ошибки при сборке на объекте пользователя. Однако сборка соединения требует определенного оборудования, что сказывается на стоимости для конечного пользователя.

IV. А что инструментальная арматура из Индии — HAVI Engineering? Проверяли?

ВСП продолжает успешно развивать направление инструментальной арматуры, ориентируясь на действительные ценности: компетентность и профессионализм команды, партнерство и сотрудничество с поставщиками и заказчиками, ответственный подход к работе — ориентир на долгосрочную стратегию. Одной из составляющих конкурентоспособности является соответствие предлагаемых рынку продуктов стандартам — российским, отраслевым и международным. Соответствие стандартам не просто обеспечивает «доступ» тому или иному продукту на рынок, но и означает безопасность применения, надежность и герметичность сборочного узла. Соответствие продукции HAVI заявленным характеристикам в том числе подтверждено сертификатами ГОСТ Р и независимой экспертизой, проведенной ВСП в России на базе аккредитованной лаборатории.

Выдержки из отчета (испытание 2021г.).

Результаты испытаний на прочность.
Среда испытаний — гидравлическое масло ВМГЗ (ТУ 38.101479-86).
Максимальное давление при испытаниях фитингов на прочность составило 64 МПа, что ограничено характеристиками насосной станции.
Результат: без разрушений элементов сборки, без отсоединений фитингов — испытание пройдено.
Манифольд в режиме «открыто» испытывался при давлении 62 МПа. В режиме «закрыто» при давлении 45 МПа. Кран шаровой испытывался в режиме «закрыто» при максимальном полученном давлении 62МПа. В режиме «открыто» максимальное полученное давление составило 69 МПа. При проведении испытаний было достигнуто максимальное давление, создаваемое насосной станцией, без разрушения манифольда и крана шарового.
Результат: тест пройден.

Результаты испытаний на герметичность образцов производителя HAVI Engineering, Индия.
Среда испытаний — гелий технический марки А (ТУ 0271-135-31323949-2005).
Испытание манифольда и крана на протечку при давлении 15 МПа.
Результат: герметичны.
Фитинги испытывались на протечку при давлении 10 МПа и выдержке в течение 2 минут.
Результат: герметичны.
Фитинги испытывались внутренним давлением на протечку после 20 циклов «сборки-разборки».
Результат: герметичны.

Отчет (неполная редакция) по итогам экспертизы образцов инструментальной арматуры HAVI Engineering (PDF, RU)

Учитывая разнообразие приложений инструментальной арматуры HAVI, требования технологических процессов, обвязку конкретных измерительных узлов или трубопроводов, где применяется инструментальная арматура, HAVI обеспечивает и различные способы подключения арматуры, будь то присоединение к процессу или к измерительным устройствам.

Типы присоединения арматуры с различными резьбами можно продемонстрировать на примере ряда продуктов инструментальной арматуры HAVI Engineering.

12MFCM20-S6:
Штуцер HAVI Engineering с внутренней резьбой М20х1,5 под обжим трубки 12 мм;
Материал: нержавеющая сталь 316;
Рабочая температура от -192 ℃ до 649 ℃.

SV4A-M20F-M20F-1I-S6:
4-х вентильный манифольд HAVI Engineering для одновременного подключения 2-х приборов к одной точке отбора давления.
Присоединения: Вход/Выход: М20х1.5 внутренняя резьба; Дренаж: 1/4 NPT внутренняя резьба;
Материал корпуса: нержавеющая сталь 316;
Материал уплотнений: GFT (стеклонаполненный тефлон);
Ру: 41,4 МПа; Рабочая температура: от -54 °C до +260 °C.

14MMC8N-S6-N:
Соединитель HAVI Engineering с наружной резьбой;
Присоединения: Обжим трубки 14 мм - 1/2" NPT;
Материал: нержавеющая сталь 316; Рабочая температура: от -192 °C до 649 °C;
Материалы по NACE MR0175 / MR0103.

12MMA8IT-S6:
Переходник HAVI Engineering с наружной резьбой;
Присоединения: Патрубок 12 мм - 1/2" BSPT;
Материал: нержавеющая сталь 316; Рабочая температура от -192 до 649 °C.

Арматура всем нужна! Арматура всем важна!

Где бы не располагалось производство инструментальной арматуры — в Европе, в Америке, в Азии или в России — всех объединяют резьбы!

И стандарты, унификация и безусловное желание предложить потребителю лучший продукт: надёжный, соответствующий региональным требованиям и условиям долгосрочной эксплуатации, и по лучшей цене, конечно! ВСП и HAVI Engineering продолжают лучшие традиции инженеров и разработчиков, предложивших миру сотни лет тому назад простые решения, изменившие когда-то наш мир навсегда — изучая опыт прошлых поколений, инвестируя в развитие инфраструктуры, понимая необходимость профессионального роста... — мы растём, предлагая заказчикам инструментальную арматуру, наиболее точно соответствующую проектным требованиям.

Инструментальную арматуру HAVI Engineering из Индии выбирают конечные пользователи в России!