Шаровой кран для напорных полипропиленовых трубопроводов

Полезная модель относится к запорной арматуре шарового крана, которая может быть применена в напорных полипропиленовых трубопроводах, широко используемых, например, во внутридомовых инженерных системах.
Традиционный шаровой кран, используемый в напорных полипропиленовых трубопроводах, содержит полипропиленовый корпус, внутри которого вмонтирована запорная арматура. Запорная арматура традиционного шарового крана состоит из латунного шарового затвора (шара), вращением которого перекрывают или открывают движение потока жидкости, а также латунного штока, передающего усилие на перекрытие потока воды с рукоятки на шар. На штоке размещены уплотнительные сальниковые кольца, предназначенные для герметизации крана в области вращения штока. Соединение штока со сферической поверхностью шарового затвора в традиционном шаровом кране выполнено по шпоночному типу «выступ-паз».  Электронный ресурс/ https://valtec.ru/document/article/povyshenie_resursnoj_nadejnosti_polipropilenovyh_sharovyh_kranov.html [1].
Наиболее часто встречающимся недостатком эксплуатируемых шаровых кранов с полипропиленовым корпусом принято считать протечку по штоку, вызванную потерей герметичности крана.
Одной из причин потери герметичности полипропиленовых кранов является различие коэффициентов линейного расширения (КЛР) полимерных материалов, из которых изготовлены обойма и корпус шарового крана, и КЛР латуни, которую широко используют для изготовления элементов запорной арматуры. Пластиковые обойма и корпус шарового крана увеличиваются в размерах больше, чем латунные шаровой затвор и шток, что ведет к образованию зазора между деталями и появлению течи.
Прочность пластиковой обоймы полипропиленового шарового крана гораздо меньше прочности латунного штока, который в процессе открытия-закрытия крана, поворачиваясь, постепенно сминает более мягкую пластиковую обойму. Это вызвано тем, что при воздействии на рукоятку крана пользователь передаёт на шток не только крутящий, но и некоторый изгибающий момент, который тем больше, чем туже открывается затвор. Поэтому с течением времени между штоком и обоймой образуется зазор, не компенсируемый эластичностью уплотнительных колец штока, что является причиной протечки крана. Таким образом, использование металлических элементов запорной арматуры, подверженных коррозии и износу, приводит к такому недостатку, как негерметичность шаровых кранов. Одним из способов устранения такой негерметичности является изготовление элементов запорной арматуры из полимерных материалов.
Так, из китайского патента CN204176024, опубл. 25.02.2015, принятого в качестве прототипа заявленному шаровому крану, известна конструкция пластикового шарового крана, устойчивого к коррозии, не образующего окалины и способного эффективно предотвращать утечки [2]. В этом кране шар выполнен из полифенилсульфоновой смолы (PPSU). Как сказано в описании к этому патенту полифенилсульфоновые смолы являются аморфными, устойчивым к обычным кислотам, щелочам, солям, спиртам и алифатическим углеводородам, растворимы в галогеноводородах, а потому эффективны для изготовления шаров крана с полипропиленовым корпусом. Учитывая высокие эксплуатационные свойства современных пластиков, напрашивается идея выполнить из них не только шар, но и сопрягаемый с ним шток.
Однако, как показали испытания, в разъемных соединениях полимерного штока со сферической поверхностью полимерного шарового затвора возможны деформации элементов запорной арматуры. В традиционном шаровом кране, как сказано выше, разъемное соединение латунного шарового затвора с латунным штоком выполнено по шпоночному типу «выступ-паз». Этот тип соединения показал свою надежность и при соединении полимерного шара с латунным штоком. Однако при соединении полимерного шара с полимерным штоком, имеющим ту же конструкцию, что и латунный шток, при усилии в 4-5 Нм происходит изменение соосности штока, в результате чего шар прекращает вращаться, а шток прокручивается по оси. При усилии 7-9 Нм происходил слом штока или разрушение паза в шаре. Поэтому обеспечение надежности соединения элементов запорной арматуры из полимерных материалов потребовало подбора этих материалов, геометрических размеров элементов запорной арматуры, а также разработки формы соединения шарового затвора и штока, выполненных из полимерных материалов.
Задача полезной модели заключается в разработке надежной конструкции шарового крана с полипропиленовым корпусом, внутри которого вмонтирована запорная арматура из полимерных материалов.
Для этого предложен шаровой кран, который, как и кран по прототипу, содержит полипропиленовый корпус, внутри которого вмонтирована запорная арматура, состоящая из шарового затвора, выполненного из полифенилсульфоновой смолы и сопрягаемого с ним штока, при этом соединение штока со сферической поверхностью шарового затвора выполнено по типу «выступ-паз». Новый шаровой кран отличается тем, что шток выполнен из конструкционного полимерного материала, имеющего модуль упругости при растяжении более 2100 Мпа и температурой изгиба под нагрузкой при напряжении 1,8 Мпа – более 180°С, при этом рабочий диаметр штока составляет не менее чем 18 % от диаметра сферы шарового затвора, а соединение штока со сферической поверхностью шарового затвора выполнено крестообразным.
В заявленном решении элементы запорной арматуры, выполненные из полимерных материалов, а также экспериментально подобранное соотношение диаметра штока по отношению к диаметру сферы шарового затвора в совокупности с крестообразным соединением штока и шарового затвора, обеспечивают надежное соединение элементов запорной арматуры и исключают протечки шарового крана.
Новый технический результат, достигаемый заявленным решением, заключается в предотвращении деформации элементов запорной арматуры и исключении протечек шарового крана с запорной арматурой из полимерных материалов.
Полезная модель иллюстрируется рисунками, где фиг.1 изображен общий вид шарового крана; на фиг.2 и 3 – крестообразное соединение полимерного шарового затвора с полимерным штоком; на фиг.4 – полимерный шток; на фиг.5 – крестообразный выступ на полимерном штоке; на фиг.6 – крестообразный паз на полимерном шаровом затворе.
Шаровой кран содержит корпус 1, изготовленный методом литья под давлением из полипропилена тип 3 (рандом сополимер полипропилена). Для предотвращения деформации запорных элементов, находящихся внутри отливаемого корпуса, используют форму бочонка, который собирают вручную, а затем вставляют в пресс форму для формирования вокруг бочонка корпуса. Запорная арматура шарового крана содержит шаровой затвор (шар) 2 из полифенилсульфоновой смолы (PPSU), вращением которого перекрывают или открывают движение потока жидкости, а также шток 3, передающий усилие на перекрытие потока воды с рукоятки на шаровой затвор. В данном примере шток 3 выполнен из полиамида-66 с содержанием стекла 30%. Этот материал является предпочтительным, но могут быть использованы и другие полимерные материалы, имеющие модуль упругости при растяжении более 2100 Мпа и температурой изгиба под нагрузкой при напряжении 1,8 Мпа – более 180 °С. К таким материалам относится, например, полифенилсульфоновая смола, из которой изготовлен шаровой затвор, а также  полифениленсульфид, полиамид-6 с содержанием стекла 30% и др.
На штоке 3 размещены резиновые кольца круглого сечения 4, предназначенные для герметизации крана в области вращения штока. Рукоятка 5 монтируется отдельно и прикручивается перед упаковкой изделия. Шаровой кран содержит фторопластовую прокладку 6, предназначенную для поддержания герметичности крана при закрытом шаре, а также кольцо 7 из полипропилена тип 3, предназначенное для сохранения целостности собранного бочонка при транспортировке.
Соединение штока 3 со сферической поверхностью шарового затвора 2 выполнено крестообразным по типу «выступ-паз». Для этого в данном примере на штоке 3 выполнен выступ 8 в форме креста, а на шаре 2 – паз 9 в форме креста. Крестообразная форма соединения штока со сферической поверхностью шарового затвора не исчерпывается изображением, представленным на фиг.5 и 6. Выступ и паз могут быть выполнены в форме креста иной формы, основное требование к которой заключается в не использовании формы шпоночного типа, применяемой в известных шаровых кранах, включая прототип.
В данном примере представлена конструкция, испытанная для двух типов шарового крана: д20 и д25. Для шарового затвора крана д20 с диаметром сферы «D», равным 25(-0,05)мм,  рабочий диаметр  штока «d»  выполнен равным 13,9 (-0,05) мм.  Для шарового затвора крана д25 с диаметром сферы «D», равным 30(-0,05) мм, рабочий диаметр штока «d» также выполнен равным 13,9 (-0,05) мм. Предложенная конструкция может быть использована для других типов шарового крана.
Шаровой кран функционирует традиционным образом. Шток  3 передает  усилие с рукоятки 5 на шаровой затвор, вращением которого перекрывают поток воды.