Общие сведения о шаровых кранах

 

 Термины и определения

Краном по ГОСТ 24856-81 «Арматура трубопроводная промышленная» называется промышленная трубопроводная арматура, в которой запорный или регулирующий орган имеет форму тела вращения или части его, поворачивающийся вокруг собственной оси, произвольно расположенной к направлению потока сред. В кране подвижная деталь (запорный орган) запорного устройства имеет форму тела враще­ния с отверстием для пропуска потока, которое при перекрытии потока вра­щается вокруг своей оси, перпендикулярной оси трубопровода.

 

Условное обозначение кранов

Первые две цифры обозначает вид запорной арматуры, сле­дующие за ней буквы – материал, из которого изготовлен корпус, далее – первая цифра – тип применяемого привода, следующие две цифры – конструкция арматуры по каталогу завода – изготовителя, следующие две буквы указыва­ют на материал, из которого выполнены уплотнительные поверхности.

Изделия без вставных или наплавленных уплотнительных колец, т.е. с уплотнительными поверхностями, выполненными непосредственно на самом корпусе, обозначают буквами “к” (без колец). С обозначением материала уплотнительных поверхностей объединяется обозначение материала внутреннего покрытия корпуса. Условное обозначение изделия, дополненное римской циф­рой, указывает на различные варианты конструктивного исполнения основного изделия.

Примеры условных обозначений.

11с320бк: 11 – кран; с – корпус из углеродистой стали; 3 – вид примененного привода (механический с червячной передачей); 20 – конструкция кра­на (по каталогу); к – уплотнительные поверхности выполнены непосредствен­но на корпусе, т.е. без вставных колец.

 

Шаровые краны

К шаровым кранам по ГОСТ 24856-81 относятся «кран, запорный или регулирующий, орган которого имеет сферическую форму». Шаровые краны обладают основными преимуществами конусных кранов: прямоточностью, низким гидравлическим сопротивлением, постоянным контактом уплотнительных поверхностей (уменьшающим коррозию и позволяющим применять уплотнительную смазку), малыми размерами. Однако шаровые краны имеют преиму­щества перед конусными: запорный орган и корпус крана благодаря сфериче­ской форме имеют меньшие размеры и массу, а также большую прочность и жесткость. В шаровых кранах не нужны ребра жесткости, усложняющие техно­логию отливки и увеличивающие массу всего устройства.

Краны со сферическими запорными органами обеспечивают гораздо лучшую герметичность. Даже при недостаточной точности изготовления кон­такты уплотнительных поверхностей корпуса и запорного органа полностью герметизируют запорное устройство.

Уплотнительные поверхности корпусов шаровых кранов выполняют в виде колец или седел, размеры которых во много раз меньше размеров уплотнитель­ных поверхностей запорных органов. Кроме того, в шаровых кранах с кольца­ми, имеющими мягкие уплотнения, вообще отпадает необходимость в притирке уплотнительных поверхностей. Здесь запорный орган обычно хромируется или полируется.

Дополнительная герметизация шаровых запорных органов в кранах больших проходов для газопроводов, рассчитанных на большие условные давления и низкие отрицательные температуры, достигается за счет подачи уплотнительной смазки (пасты).

 

Описание основных типов шаровых кранов

Шаровой кран представляет собой запорное устройство, состоящее из: корпуса, запорного узла, в который входит запорный орган (шар) и два уплотнительных седла, и поворотного штока (шпинделя). Несмотря на простоту схемы, и принципа действий конструктивное решение этих узлов отлича­ется большим разнообразием. По способу установки шара и уплотнительных седел можно выделить основные типы шаровых кранов: с плавающим шаром, с шаром в опорах, со свободным шаром и подпружиненной плавающей втулкой. Выбор типа шарового крана зависит от рабочего давления среды и диаметра условного прохода крана.

Запорное устройство с плавающим шаром ранее использовалось в кранах с диаметром условного прохода до 1000 мм. В настоящее время его исполь­зуют только для кранов с малым проходным сечением (DN<100 мм) при давлениях рабочей среды до 10 МПа (100 кгс/см2). Основное преимущество такого запорного узла — простота и компактность, что определяет высокую надежность и малую металлоемкость крана.

Запорное устройство со свободным шаром и подпружиненной втулкой

позволяет компенсировать износ уплотнительных поверхностей колец, обеспечивая при этом двухстороннее уплотнение. Кроме того, подпружиненная втул­ка компенсирует температурные изменения, которые могут наблюдаться при работе крана.

 

Шаровой кран с плавающим шаром

Принцип работы крана с плавающим шаром заключается в следующем.

В корпусе расположены два уплотнительных седла, между которыми зажимается стальной или бронзовый шар, имеющий сквозное отверстие, диаметр которого равен внутреннему диаметру трубопровода. С помощью штока шар может свободно поворачиваться в уплотнительных седлах. В открытом со­стоянии отверстие шара совпадает с отверстием трубопровода, обеспечивая протекание рабочей среды с минимальным гидравлическим сопротивлением. При повороте штока на четверть оборота (90°) отверстие шара устанавливается перпендикулярно проходному отверстию крана. Давлением среды шар прижи­мается к заднему седлу, чем обеспечивается полная герметичность запорного узла.

Краны с плавающим шаром просты по конструкции и надежны в эксплуатации, но им отдают предпочтение в тех случаях, когда материал седел вы­держивает нагрузку от шара, так как вся нагрузка, которую воспринимает шар от давления рабочей среды, передается на седла. Кроме того, нужно знать, что кран с плавающим шаром при больших диаметрах приходного сечения требует больших усилий при его повороте из одного положения в другое.

Необходимые герметичность и надежность работы крана такого типа могут быть обеспечены при выполнении следующих основных требований:

Удельные нагрузки на поверхности контакта шара и седла должны
быть достаточно высокими для уплотнения, но не выше удельных давлений,
допускаемых материалом седла.

2. Посадка седла в гнездо должна быть герметичной, иначе седло даже
при хорошей герметичности по шару будет пропускать среды по торцевой поверхности гнезда. Для выполнения этого требования на торцевой поверхности гнезда рекомендуется делать концентрические канавки треугольного профиля углом при вершине 60° и глубиной 1-2 мм.

Шар должен иметь правильную геометрическую форму, высокую чистоту поверхности. Обычно шары изготавливают по 2-му и 3-ему классам точ­ности с шероховатостью не ниже 9-го класса. Для увеличения твердости и из­носоустойчивости поверхность шара подвергают термической обработке с по­ следующим хромированием.

Уплотнительные седла должны быть выполнены из пластичного материала, который, обеспечивая плотное прилегание, не могут повредить уплотнительную поверхность шара. Одновременно материал должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать высокие удельные нагрузки. Одним из наиболее универсальных материалов для изготовления седел является фторопласт-4. Широкое использование этого материала при различных условиях работы объ­ясняется его низким коэффициентом сухого трения, высокой химической стой­костью и широким диапазоном рабочих температур. В тех случаях, когда кра­ны рассчитываются на большие давления, для седел используется фторопласт-3, имеющий более высокие механические  свойства по сравнению с фторопластом-4. По химической стойкости фторопласт-3 лишь незначительно уступает фторопласту-4. Не менее широкое применение находит капрон, который может быть рекомендован для кранов, работающих

при высоких рабочих давлениях на неагрессивных жидкостях и газах. Резиновые седла обладают наилучшей уп­лотняющей способностью, но они могут быть применены в кране с плавающим шаром только при низких давлениях р.<2,5 МПа (25 кгс/см2).

В нормально работающем кране с плавающим шаром уплотнение обеспечивается седлом, расположенным вниз по потоку среды, т.е. за шаром, за счет герметичного прилегания к сферической и торцевой поверхностям. В то же время седло, расположенное перед шаром, давлением газа может отжиматься от торцевой поверхности, изгибаться. При этом рабочая среда будет проходить через образовавшийся зазор в полость шарового крана. Седло перед шаром во избежание повреждения давлением среды необходимо надежно закрепить в корпусе. Способы закрепления могут быть различными.

Простейший способ закрепления - уплотнительное седло удерживается в гнезде с помощью пружинного кольца, вставляемого в канавку. Так как пружинное кольцо не является достаточно надежным силовым элементом, этот способ применяется на кранах с DN 50-100, работающих на давлениях не более 2 МПа (20 кгс/см2).

Для более высоких давлений и больших диаметров кранов используют конструкцию следующего узла. Уплотнительное седло удерживается в гнезде двумя полукольцами, имеющими внутренние бурты. Меньшим буртом полукольца удерживаются на втулке, более развитый бурт предохраняет кольцо от изгиба.

Поддержка уплотнительного седла с помощью плавающего бронзового кольца, надетого на шар, применяется в кранах с малым проходным сечением (DN 80) работающих в неагрессивных средах. Кольцо должно быть изготовлено из более мягкого материала, чем шар. Недостатки такого способа крепления - это возможность повреждения поверхности шара кольцом и трудность подгонки внутренней поверхности кольца к поверхности шара с зазором с = 0,3-0,5 мм, необходимым для обеспечения поджатия седла по мере его износа.

В некоторых кранах применяется защита седел от изгиба другим способом. Запорное устройство представляет собой плавающий шар, зажатый между двумя бронзовыми или латунными втулками. Втулки вставляются в корпус крана по широкоходовой посадке и поджимаются штуцерами, самоустанавли­ваясь по шару. В один торец втулки запрессовывается седло из тефлона или капрона. С другой стороны имеется цилиндрический хвостовик с конусной фаской. На хвостовик натягивается уплотнительное резиновое кольцо, которое упирается в фаску и выступает над торцом, обращенным к штуцеру.

При подаче давления среды в направлении, указанном стрелкой, кольцо пропускает среду в полость шарового запорного органа, а другое кольцо давлением среды прижимается к стенкам канавки и обеспечивает герметичность крана. При изменении направления потока функции резиновых колец меняют­ся. Кроме уплотнения кольца, создается начальное упругое поджатие седел к шару.

Надежность работы и срок службы крана во многом зависят от правильно выбранного поджатия уплотнительных седел за счет предварительного сжатия при сборке пружин. При недостаточном предварительном поджатии не обеспечивается герметичность крана при малых давлениях. Чрезмерное поджатие вызовет увеличение момента трения шара и может привести к пластической деформации материала седел. Основное условие правильной работы седел при затяжке без подпружинивающих колец - посадка их в гнезде с гарантированным зазором. Считается, что при затяжке запорного устройства седло равномерно растягивается шаром в пределах упругой деформации и, выбрав зазор, занимает нормальное рабочее положение. Величина зазора определяется с учетом растяжения седла при предварительном поджатии, т.е. в пределах суммарных упругих деформаций.

Краны с жестким предварительным поджатием запорного органа наиболее просты и обеспечивают двустороннее уплотнение. Уменьшение поджатия по мере износа седел приводит к нарушению герметичности крана при малых давлениях. Для восстановления поджатия необходима периодическая подтяжка седел резьбовыми втулками, что необходимо периодически выполнять в про­цессе эксплуатации.

 

Кран с шаром в опорах

Кран с шаром в опорах применяется в основном в кранах с большим номинальным (условным) проходом, рассчитанных на высокие рабочие давления. Перенос опорных усилий с уплотнительных седел на полуоси шара позволяет значительно уменьшить момент, необходимый для поворота запорного органа. При правильном выборе уплотнительных элементов запорный узел данного типа   обеспечивает герметичность перекрытия потока в двух направлениях.

В зависимости от расположения уплотнительного седла запорный узел может быть выполнен по двум схемам: с уплотняющим седлом перед шаром и с уплотняющим седлом за шаром.

 

Шаровой кран с уплотняющим седлом перед шаром

Принцип работы такого крана заключается в следующем. Шар, выполненный за одно целое с полуосями, может свободно поворачиваться в двух опорных подшипниках скольжения или качения. Уплотнительные седла располагаются в плавающих втулках, которые уплотняются в корпусе кольцами. Седла крана предварительно поджимаются комплектом пружин. Седло, расположенное со стороны входа, при закрытом кране прижимается к шару давлением среды, дей­ствующим на кольцевую поверхность, которая ограничена окружностями с диаметрами d и D1 Противоположное седло в уплотнении крана не участвует. При подаче давления с противоположной стороны функции седел меняются. Нагрузка на опоры определяется рабочим давлением на входе в кран, дейст­вующим на площадь, ограниченную диаметром D1.

Надежность работы крана в значительной степени зависит от соотношения диаметров dcp и D1 где dcp = (D1 + d)/2 – средний диаметр уплотнительной поверхности седла. Если величина D1 недостаточна по отношению к Dcp, кран не будет обеспечивать надежной герметичности. С другой стороны, чрезмерная величина D1 вызывает перегрузку уплотнительного седла и уплотнительных колец, что приводит к увеличению момента, необходимого для поворота запор­ного органа.

В настоящее время разработаны конструкции седла, позволяющие дополнительно уплотнить запорный узел от перепада давления вне зависимости от направления потока газа.

Конструкция из подпружиненных седел используется в кранах с шаром в опорах. Узел представляет собой плавающую втулку, в канавке которой размещено седло запорного устройства, выполненное из резины, фторопласта-4 или полиуретана. Седло закрепляется в канавке с помощью кольца. Весь узел прижимается к шару комплектом пружин, размещенных в гнездах втулки. Втулка уплотняется в корпусе резиновым кольцом. Рассмотренную конструк­цию используют в кранах при рабочих давлениях до  2 МПа (20 кгс/см2). Мак­симальное рабочее давление определяется прочностью седла.

Уплотнение отличается исключительной простотой конструкции. Резиновое кольцо зажимается между бронзовым опорным кольцом и втулкой. Предварительное поджатие кольца к шару обеспечивается упругостью резины. Такое уплотнение используется при давлении до 2,5 МПа (25 кгс/см2) в кранах с шаром, как имеющим опоры, так и плавающим.

Другой узел предназначен для давлений 2,5-5 МПа (25-50 кгс/см2). В нем профилированное резиновое седло закрепляется в плавающей втулке с помощью резьбового кольца. Уплотнительное кольцо круглого сечения уплотняет плавающую втулку относительно обоймы, в торце которой имеются гнезда для размещения комплекта поджимающих пружин.

Еще одна аналогичная конструкция от предыдущей отличается тем, что в ней роль уплотнительного седла выполняет кольцо, выполненное из тефлона или капрона. Резиновое кольцо обеспечивает уплотнение седла относительной плавающей втулки. Такой узел используют в кранах больших диаметров и при давлениях рабочей среды до 35 МПа (350 кгс/см2).

Одно из конструктивных решений – закрепление пластмассовых седел при помощи двух полуколец. Полукольца надеваются на седло  и плавающую втулку, а затем вставляются в расточку неподвижной втулки. Такое крепление компактно и не нуждается в контровке.

В уплотнении с укороченной плавающей втулкой уплотняющее кольцо зажимается между внутренней гильзой и наружным кольцом, которые плотно прилегают к поверхности шара. Незначительное предварительное поджатие и уплотнение кольца в неподвижной втулке обеспечивается резиновым кольцом. Кроме того, в момент открытия крана кольцо дополнительно удерживается в канавке давлением среды благодаря дренажным отверстиям, равномерно расположенным по окружности кольца.

 

 

Кран с уплотняющим седлом за шаром

Принципиальное отличие такого запорного устройства от запорного устройства с уплотняющим седлом перед шаром заключается в том, что в нем уп­лотнение закрытого крана осуществляется седлом, расположенным за шаром (по направлению движения потока). Это позволяет уменьшить нагрузку на опорные подшипники шара.

Конструктивное отличие крана с уплотняющим седлом за шаром от крана с уплотнением перед шаром заключается в том, что он имеет плавающие втулки, у которых диаметр уплотнения D2 меньше среднего диаметра седла Dcp. Для обеспечения этого условия внутренний диаметр седла должен быть больше диаметра проходного отверстия в шаре d.

Запорное устройство с шаром в опорах имеют следующие преимущества:

-    с уплотнительным седлом перед шаром - при закрытом кране уплотнение шпинделя и большая часть корпуса крана не нагружена внутренним давле­нием;

-    с уплотнением за шаром - значительное снижение нагрузки на опорные
подшипники, уменьшение суммарного момента трения в запорном устройстве.

Краны с уплотнительным седлом перед шаром характеризуются большими моментами, необходимыми для поворота шара, и высокими нагрузками на опорные подшипники в результате увеличения эффективной площади, на кото­рую действует давление.

 

Кран с плавающим шаром и подпружиненным седлом

В корпусе крана располагается плавающий шар, который с одной стороны поддерживается седлом, жестко установленным в корпусе, а с другой — подпружиненным седлом, вставленным в плавающую втулку. Втулка уплотняется в корпусе кольцом и прижимается к шару пружинами. В исходном положении между втулкой и торцом крышки должен быть обеспечен зазор, равный 0,5 мм.

При наличии давления в полости и закрытом кране подпружиненное седло прижимается к поверхности шара давлением среды, действующей на площадь S = π(D1 во второй степени - d2)/4. При этом вся нагрузка, приходящаяся на шар и втулку, воспринимается седлом. В данном случае кран уплот­няется двумя седлами.

Уплотнение по двум седлам гарантирует высокую герметичность крана. Если при закрытом кране давление возникает с противоположной стороны, шар сдвигается влево на некоторую величину зазора. При этом подпружиненное седло обеспечивает герметичность крана и воспринимает всю нагрузку от шара.

Конструктивно рассмотренный кран напоминает кран с плавающим шаром и подпружиненным седлом. Однако наличие с одной стороны уплотнен­ной плавающей втулки, способной воспринимать нагрузки от шара при дейст­вии давления с противоположной стороны, придает крану новые качества:

-    способность уплотнять в двух направлениях, причем в одном из на­
правлений создается повышенная герметичность благодаря дублирующему уплотнению;

-    обеспечение постоянного предварительного натяга в кране, который сохраняется при износе седла;

-        надежная компенсация температурных изменений в кране.
Рассмотренный кран характеризуется следующими особенностями:

-    увеличением момента трения по сравнению с обычным плавающим шаром в результате увеличения эффективной площади, на которую действует давление среды; так, если в кране с плавающим шаром рабочая среда действует на площадь S1 = πd2ср/4, то в данном случае эта площадь S2 = πD2/4;

-    в результате того, что S2>S1, нагрузки на опорном  кольце значительно
выше по сравнению с плавающим шаром.

-         корпус из двух частей с одним вертикальным или горизонтальным
разъемом;

 

-    корпус от трех частей с двумя разъемами.

Авто реклама