В.В. Мороз. Новый взгляд на конструкцию шарового крана

Фото с сайта: www.kultobozrevatel.ru
Данная статья в предыдущей редакции была опубликована
в дайджесте «Вестник арматурщика»
Новый взгляд
на конструкцию шарового крана
В.В. Мороз, зав. отделом запорной арматуры ООО «МИКЭМ»
В настоящее время краны с шаровыми пробками прочно заняли первенство на рынке
трубопроводной арматуры и стали настолько обычны, что что-то менять в их конструкции,
по мнению многих, это как «изобретать велосипед» – действительно, зачем пытаться
модернизировать конструкцию, которая уже давно всем известна, отлично отработана,
и совершенна в том смысле, что не содержит практически ничего лишнего и полностью
соответствует своим задачам? Но, тем не менее, порой взгляд на обычные вещи под другим углом
зрения открывает новые возможности. Эта статья как раз описывает попытку посмотреть
на всем известную запорную арматуру «по-другому».
П
ик роста производства шаровых кранов пришелся на начало
80-х годов, когда при механической обработке начали широкого
использоваться станки с ЧПУ, и появились такие уплотнительные материалы как фторопласт и полиуретан.
Главными преимуществами шаровых кранов, которые обеспечили им
успех, стали:
–
–
–
–
–
–
высокая герметичность затвора;
отсутствие застойных зон;
простота конструкции;
быстродействие;
удобный монтаж и эксплуатация;
низкий коэффициент гидравлического сопротивления;
– длительный срок безаварийной
работы;
46
– благоприятные условия для диагностирования и очистки трубопровода.
Однако, этому типу трубопроводной арматуры присущи и недостатки,
основными из них являются:
� постоянное прижатие седел к поверхности шара при помощи пружин приводит к тому, что мягкое
уплотнение трется о поверхность
пробки и изнашивается (особенно
при наличии твердых включений
(песка) в рабочих средах), что в итоге сокращает срок эксплуатации
крана. Кроме этого, поверхность
шаровой пробки у крана, который
длительное время находился в положении «закрыто», «зарастает»
содержащимися в транспортируемой среде твердыми включениями,
�
и при повороте пробки происходит
сильный износ уплотнений седел.
Применяемые для восстановления
герметичности
уплотнительные
смазки неэффективны, они часто
«коксуются» и забивают каналы,
делая их непригодными для дальнейшего использования;
сферическая поверхность пробки
должна иметь правильную форму
и высокую чистоту поверхности,
а также покрыта износостойкими и коррозионностойкими материалами. Все это существенно
увеличивает стоимость изготовления и ремонта шаровых кранов,
особенно больших DN, что требует применения специального
дорогостоящего
оборудования
для точной обработки сферы;
наука и конструирование
Автор попытался найти такое техническое
решение, которое позволило бы, при сохранении
всех основных преимуществ шаровых кранов,
устранить перечисленные выше недостатки.
Автор попытался найти такое
техническое решение, которое
позволило бы, при сохранении
всех основных преимуществ шаровых кранов, устранить перечисленные выше недостатки.
При разработке новой конструкции был выделен ряд основных
задач:
1. Кран должен быть создан на
базе шарового крана традиционной конструкции.
2. При эксплуатации должна
быть обеспечена возможность
корректировать износ уплотнительных элементов крана
без его разборки и без применения уплотнительных смазок.
3. Кран должен иметь уплотнение
«металл по металлу».
4. Касание поверхности запорного органа с уплотнением должно
происходить только в положении
крана «Закрыто».
5. Кран должен иметь низкую себестоимость изготовления и высокую ремонтопригодность.
Для решения поставленной задачи были проанализированы существующие конструкции трубопроводной арматуры, такие как «Orbit Valve»
фирмы «Cameron» (США), полнопроходный затвор производства ПТПА
(г. Пенза), кран эксцентриковый
НПЦ «АНОД» (г. Нижний Новгород),
множество российских и европейских
патентов.
Ниже приведено описание конструкции, которая в итоге была спроектирована на базе крана шарового
DN 100 PN 100, выпускаемого многими арматурными предприятиями.
По массогабаритным показателям
и внешне новый шаровой кран практически не отличается от своего аналога (рис. 1).
Рис. 1.
Кран предлагаемой конструкции
(рис. 2) имеет основные детали, такие как корпус из двух половинок,
опоры пробки, уплотнение между
полукорпусами, аналогичные серийному образцу. Но в конструкцию серийного крана внесены изменения:
дополнительно в проходном отвер-
стии пробки установлена втулка
с возможностью поворота вокруг
оси прохода. На втулке имеется
паз, в который установлен рычаг для ее поворота, и на концах
втулки выполнены лыски, которыми она сопрягается с седлами. Седла установлены на выполненных на пробке проточках,
с возможностью перемещения
в разные стороны при повороте
втулки. Для возврата седел в исходное положение применены
пружины. В полукорпусах неподвижно закреплены металлические уплотнительные диски.
В кране предлагаемой конструкции при повороте шаровой пробки при помощи рукоятки
или привода вместе с ней поворачиваются втулка, рычаг и размещенные на ней седла. При этом между
сферическими поверхностями пробки, размещенными на ней седла-
Рис. 2.
47
наука и конструирование
4 | 85 | 2013
Рис. 3.
ми и неподвижно закрепленными
в полукорпусах крана уплотнительными дисками имеется небольшой,
но гарантированный зазор. Наличие зазора исключает износ седел
при повороте запорного органа
и снижает момент при управлении
краном. При приближении шаровой
пробки к положению «закрыто»
рычаг упирается в торец кольцевого паза, выполненный на верхней опоре (рис. 3), и поворачивает
втулку, которая в свою очередь,
раздвигает седла в противоположные стороны, герметизируя тем самым кран (рис. 4). Рычаг одним концом установлен во втулке и сверху
зафиксирован верхней опорой
в кольцевом пазу, поэтому дополнительного крепления не требует.
При повороте пробки на открытие рычаг под действием пружины
вместе с обечайкой возвращается
в исходное положение, седла также
под действием пружин возвращаются в исходное положение.
Для обеспечения возможности
при эксплуатации корректировать износ уплотнительных элементов крана
без его разборки и без применения
уплотнительных смазок в конструкции предусмотрены регулируемые
упоры (рис. 5). Упоры установлены
выше уплотнения верхней опоры,
поэтому изолированы от рабочей
среды и не требуют герметизации.
Регулируемые упоры поворачивают
верхнюю опору на требуемый угол,
изменяя тем самым величину перемещения седел в закрытом положении крана, что позволяет изменять
контактные давления в уплотнении,
корректировать износ уплотнения
48
Рис. 4.
в ходе эксплуатации и восстанавливать герметичность без разборки
крана.
Подвижные седла изготовлены из коррозионностойкой стали
или керамики и относительно пробки
крана уплотнены резиновыми кольцами. Причем резиновые кольца рас-
Рис. 5.
положены на диаметре большем, чем
диаметр линии контакта подвижных
седел с уплотнительными дисками (рис. 6).
Уплотнительные диски
герметизированы относительно корпуса, также
на диаметре большем,
чем диаметр линии контакта подвижных седел
с ними. Уплотнительные диски могут быть
изготовлены из коррозионностойкой стали
или бронзы, при этом
форма и способ крепления позволяет им упруго
деформироваться
Рис. 6.
при перемещении под-
вижных седел и под действием давления рабочей среды, то есть самоуплотняться. Упругая конструкция
уплотнительных дисков, кроме того,
снижает требования к точности изготовления сферы подвижных седел,
так как позволяет «отслеживать»
погрешности ее формы. При возникновении избыточного давления
в корпусе крана уплотнительные
диски прогибаются в обратную сторону, и происходит сброс давления
из корпуса, что важно для жидких
сред.
Для предлагаемой конструкции
крана седла могут быть изготовлены из листовой стали с минимальными припусками в условиях обычного станочного парка небольшого
предприятия. В качестве заготовки
втулки может быть использована труба из нержавеющей стали
близкого типоразмера. Пробка
крана может быть отлита из обычной углеродистой стали, и требуется обработка только трущихся по-
наука и конструирование
4 | 85 | 2013
верхностей (рис. 7, 8). Пробка
является силовым элементом
и воспринимает весь перепад
давления в кране, поэтому требования к подвижным седлам
снижаются, и они могут быть
изготовлены из такого перспективного материала как керамика, что практически исключает
износ уплотнительных поверхностей в экстремальных условиях повышенных температур
и агрессивных сред.
Рис. 7.
На рис. 9 показан вариант
крана с двумя рукоятками. В данточках на пробке, а неподвижных
ном случае регулируемые упоры отуплотнений – в корпусе, и тот факт,
сутствуют и на боковой поверхности
что они вступают в контакт только
верхней опоры выше ее уплотнения
в положении крана «закрыто», понарезан червячный сектор, который
сле перемещения подвижных седел,
находится в зацеплении с червячным
а в остальное время между ними
валом, соединенным со второй рукообеспечен минимальный зазор, позяткой. Рукоятки расположены таким
воляет:
образом, что блокируют друг друга.
• сэкономить средства за счет
На рисунке 9 кран показан в положеуменьшения времени обработнии «открыто», рукоятка, связанная
ки поверхности пробки, отказа
с пробкой, расположена вдоль оси
от использования специального
трубопровода и блокирует рукоятку
точного сферообрабатывающего
разведения седел. Седла невозможоборудования в пользу обычноно расклинить, пока кран не будет
го универсального станочного
закрыт и рукоятка, связанная с пробпарка, отказа от покрытия всей
кой, не встанет перпендикулярно
поверхности пробки хромом или
трубопроводу.
никелем и ее последующего поНа рис. 10 кран показан в пололирования;
жении «закрыто», рукоятка, связан• сэкономить средства при доная с пробкой, расположена перводке изделия и проведении
пендикулярно трубопроводу, и ее
испытаний запорного органа
блокирует рукоятка разведения сена герметичность, так как имедел. Кран невозможно открыть, пока
ется возможность менять конседла не будут разблокированы.
тактное давление в уплотнении
Из вышеописанного следует,
крана, при этом отпадает необчто такое решение как располоходимость в разборке крана и
жение подвижных седел в про-
Рис. 9.
Рис. 10.
Рис. 8.
подгонке уплотнений, кран при
регулировке может находиться
под давлением;
• продлить срок службы крана, так
как, в отличие от традиционной
конструкции, отсутствуют износ
уплотнений при повороте пробки и трение постоянно поджатых
пружинами седел по ее поверхности;
• упростить обслуживание крана, так как в ходе эксплуатации
имеется возможность откорректировать износ уплотнения и
восстановить герметичность без
разборки крана простым вращением регулируемых упоров, причем кран при этом может находиться под давлением;
• на время проведения ремонтных
работ вращением регулируемых
упоров возможно полностью заблокировать кран в положении
«закрыто», исключив возможность самопроизвольного его
открытия. Привод при этом может быть снят для проведения
ремонтных работ.
Описанная
конструкция может быть освоена
на предприятиях, выпускающих шаровые краны
типа «пробка в опорах»
от DN 50 до DN 500 на давление до 10 МПа на обычные и агрессивные среды
с температурой до +200 °С,
без дополнительных материальных затрат, с получением ощутимого экономического эффекта.
49