ШАРОВОЙ КРАН
BALL VALVE

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для управления потоком рабочей среды в магистральных трубопроводах высокого давления при больших расходах рабочей среды, содержащих примеси с абразивными включениями, а также может найти широкое применение в технологических процессах нефтехимической переработки с температурой до 500°С.
Известны конструкции односедельного сегментного поворотного клапана (Брагин Б.Ф. Трубопроводная арматура для абразивных гидросмесей. М.: Машиностроение, 1981, рис.22, 25), содержащие корпус с входным и выходным отверстиями, коническое седло клапана и запорный элемент, выполненный в виде сегмента со сферической уплотнительной поверхностью.
Недостатком данных клапанов является постоянный контакт между уплотнительными поверхностями в процессе их взаимного перемещения, что влечет за собой их сильный износ при попадании абразивных частиц между трущимися поверхностями.
Указанное обстоятельство затрудняет использование этих клапанов на магистральных трубопроводах, где рабочими средами является нефть или газ, содержащие незначительные примеси с абразивными включениями.
Существует конструкция шарового крана с подвижными седлами, где шаровой затвор поворачивается в двух осях на 90°, а подвижные седла обеспечивают поджатие и отжатие уплотнительных конических поверхностей, обеспечивая герметизацию затвора в закрытом положении и зазор при повороте затвора, предохраняя уплотнительные поверхности от износа в абразивной среде. Система управления седлами технически довольно сложная, особенно если арматура работает при высоких температурах рабочей среды (патент №2355933, опубл. 20.05.2009 г.).
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является конструкция шарового крана марки ORBIT компании Cameron (сайт http://www.c-a-m.com/Forms/Resource.aspx?ResourceID=al 83a4fe-b027-4941-912b-cf0799f6flb2 стр.5).
Конструкция шарового крана содержит корпус с входным и выходным отверстием и опорной поверхностью, выполненной в его нижней части, седло с конической уплотнительной поверхностью, выемную часть, состоящую из шарового затвора со сферической поверхностью, фонаря с сальником, привода с возвратно-поступательным движением штока, устройством, приводящим к взаимодействию уплотнительных поверхностей шарового затвора и седла корпуса.
Для закрытия крана, по ходу вращения ручного штурвала, шток начинает опускаться, при этом спиральные канавки в штоке взаимодействуют с фиксированными направляющими пальцами, вызывая поворот штока и шара. Дальнейшее вращение штурвала поворачивает шар и шток на 90°, при этом уплотнительная поверхность шара не касается седла. При последних поворотах штурвала спиральные канавки переходят в канавки, расположенные параллельно оси штока. Последний в нижнем положении плотно прижимает шар к седлу клиновой поверхностью. При открытии клапана аналогичной клиновой поверхностью шток отжимает затвор от седла, образуя зазор между уплотнительными поверхностями. Отсутствие трения уплотнительных поверхностей затвора как в ходе открытия, так и закрытия позволяет работать крану с загрязненными рабочими средами, в том числе, и при высоких температурах до плюс 427°C, обеспечивая высокую герметичность уплотнительных поверхностей и его износостойкость. Однако и эта конструкция не исключает следующие недостатки.
1. При повороте шарового затвора на закрытие и открытие при большой скорости движения рабочей среды возникают высокие контактные напряжения между поверхностью спиральных канавок и направляющими пальцами, что приводит к повышенному износу трущихся поверхностей.
2. При поджатии и отжатии шарового затвора между трущимися клиновыми поверхностями возникают высокие контактные напряжения, также отрицательно влияющие на работоспособность.
Все это в итоге сказывается на сокращении ресурса работы. Практическое применение крана марки ORBIT доказывает справедливость этих выводов. Из-за указанных недостатков арматуру приходится часто ремонтировать, особенно если рабочая среда содержит абразивные составляющие.
3. Конструкция с односторонним уплотнением затвора ограничивает применение крана марки ORBIT на нефтяных и газовых магистралях, где требуется двухстороннее уплотнение в аварийных ситуациях.
Необходимо отметить, что разработчики крана марки ORBIT заявляют, что кран герметичен при любом направлении потока рабочей среды. Однако заключение это несколько неточно, так как усилия от перепада давления рабочей среды, действующие на затвор с одним седлом, будут существенно отличаться в зависимости от направления потоков.
На сегодняшний день заказчики арматуры уделяют повышенное внимание к процессу правильного выбора арматуры с целью уменьшения дополнительных производственных затрат и расходов на обслуживание, а в некоторых случаях и воздействия на окружающую среду.
Запорная арматура «на входе» и «на выходе» требуется все чаще и чаще. С этой целью разрабатывается арматура с функцией двухсторонней отсечки и контролируемой протечки. Обычно эта функция может быть выполнена только с использованием двух отсечных клапанов с промежуточным дренажным клапаном. Особенно это актуально, когда арматура работает на загрязненной среде, а требования по герметичности отсечного участка трубопровода высокие (по классу А).
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей клапана, работающего на загрязненных средах, повышение герметичности затвора и повышение ресурса арматуры в целом.
Технический результат от использования изобретения заключается в возможности использования его на магистральных трубопроводах больших DN и PN с малыми усилиями приводов и работы на загрязненных средах с повышением герметичности затвора и увеличением ресурса арматуры в целом.
Технический результат достигается за счет того, что шаровой кран, содержащий корпус с входным и выходным отверстием и опорной поверхностью, выполненной в его нижней части, седло с конической уплотнительной поверхностью, выемную часть, состоящую из шарового затвора со сферической поверхностью, фонаря с сальником, привода с возвратно-поступательным движением штока, устройства, приводящего к взаимодействию уплотнительных поверхностей шарового затвора и седла корпуса, согласно изобретению, корпус снабжен вторым седлом, расположенным напротив первого седла, шаровой затвор выполнен из двух подвижных сегментов с дисками, на которых выполнены уплотнительные поверхности, подвижные сегменты соединены между собой шарнирно через ось, установленную в опорной поверхности корпуса, а в верхней части каждый сегмент через введенные рычаги с осями соединен шарнирно с нижним концом штока, который после поворота и совмещения уплотнительных поверхностей шарового затвора обеспечивает поджатие уплотнительных поверхностей при дальнейшем поступательном его перемещении, причем введенное устройство, преобразующее поступательное движение штока с затвором в поворотное состоит из гайки с несамотормозящейся резьбой, установленной неподвижно в введенном ползуне привода и взаимодействующей с соответствующей выполненной резьбой штока, а дальнейшее поступательное движение штока обеспечивают введенные опорные детали устройства, передающие усилие со штока на пакет тарельчатых пружин, установленных с предварительным поджатием в корпусе фонаря.
Опорные детали устройства могут быть расположены коаксиально относительно штока и состоять из двух полуколец, установленных в кольцевой проточке штока, двух колец, удерживающих полукольца, двух упорных подшипников, воспринимающих вращение штока, и двух колец, центрирующих упорные подшипники.
Оптимальное расположение уплотнительных поверхностей затвора с седлами после поворота может фиксироваться разворотом корпуса привода относительно корпуса фонаря за счет введенного накидного фланца.
Опорная поверхность корпуса может быть выполнена в виде гайки с возможностью регулировки и фиксации ее относительно корпуса.
Для регулировки хода штока для открытия затвора может быть введена гайка с фиксацией, расположенная в корпусе привода.
Для контроля положения затвора крана на штоке перпендикулярно оси последнего может быть установлен указатель.
На конце штока может быть неподвижно установлена муфта, передающая момент при повороте затвора.
Уплотнительные поверхности затвора могут быть выполнены на герметично установленных съемных дисках и служить одновременно в качестве компенсаторов для обеспечения синхронного поджатия уплотнительных поверхностей затвора.
Разгрузка затвора при любом направлении рабочей среды может быть обеспечена введением байпасной линии, имеющей запорный клапан на выходе из внутренней полости крана и два обратных клапана, установленных каждый на линии входного и выходного отверстия крана, и соединяющей внутреннюю полость крана с выходным отверстием.
На фиг.1 изображен продольный разрез крана в положении «открыто».
На фиг.2 изображен продольный разрез крана в положении «закрыто».
На фиг.3 изображен шаровой кран с разгрузкой затвора байпасной линией.
Кран содержит литой корпус 1 с двумя приваренными седлами 2 с уплотнительными поверхностями из антикоррозионной и твердосплавной наплавки. Входной и выходной патрубки 3 выполнены в исполнении под сварку с трубопроводом. Верхний фланец 4 и нижний фланец 5 корпуса 1 позволяет извлечь выемную часть крана при ремонте без демонтажа корпуса из трубопровода. Выемная часть состоит из шарового затвора, состоящего из двух подвижных сегментов 6 и 7 и съемных дисков 8 и 9 с уплотнительными сферическими поверхностями, неподвижно и герметично закрепленных на сегментах 6 и 7. В нижней части затвора сегменты 6 и 7 соединены шарнирно через ось 10. Ось 10 закреплена на неподвижной регулируемой резьбовой опоре 12 гайкой 11. Опора 12 выполнена в виде гайки с наружной резьбой для соединения с корпусом 1. Фиксация опоры 12 с корпусом 1 производится винтом 13. В верхней части затвора сегменты 6 и 7 шарнирно соединены с концом штока 16 через рычаги 14 и 15. Поворот затвора на 90° осуществляется с помощью муфты 17, неподвижно установленной на нижнем конце штока 16. На верхнем конце штока 16 выполнена несамотормозящаяся резьба. Между штоком 16 и корпусом фонаря 18 размещено сальниковое уплотнение 19 штока 16. Фонарь 18 в верхней части неподвижно соединен с корпусом 20 привода накидным фланцем 21 и элементами крепления. Привод состоит из гайки 22, установленной в упорных подшипниках 23, и ползуна 24, который поступательно перемещается в шпоночных пазах корпуса 20.
В верхней части фонаря 18 и ползуна 24 размещено устройство, преобразующее поступательное движение штока 16 в поворотное, а затем снова в поступательное. Устройство состоит из гайки 25 с несамотомозящейся резьбой, неподвижно установленной в ползуне 24 и сопрягаемой со штоком 16 с соответствующей резьбой, пакета тарельчатых пружин 26, установленного в фонаре 18 с предварительным поджатием, кольца 27, упорного подшипника 28, двух полуколец 29, установленных в кольцевую проточку штока 16 и удерживаемых двумя кольцами 30, упорного подшипника 28, кольца 31 и опорной регулируемой гайки 32, фиксируемой винтом 33. Вращение гайки 22 осуществляется маховиком 34. На штоке 16 установлен указатель положения затвора 35.
Фланцевое крепление выемной части фонаря 18 и фланца 4 корпуса 1 обеспечивается крепежом 36 и 37. Герметизация обеспечивается прокладкой 38. Соединение фланца 5 корпуса 1 с заглушкой 39 осуществляется крепежом 40 и 41. Герметизация - прокладкой 42.
Шаровой кран работает следующим образом.
В открытом положении (фиг.1) проходное отверстие сегментов 6 и 7 совпадает с отверстиями патрубков 3 корпуса 1. Кран обеспечивает минимальное гидравлическое сопротивление.
При закрытии крана маховик 34 привода вращается по часовой стрелке. Винт ползуна 24 (левая резьба) поступательно перемещается вниз, а гайка 25 с несамотормозящейся резьбой ползуна 24, находясь в зацеплении с концом штока 16, поворачивает последний с затвором на 90°. Поворот происходит до момента касания торца ползуна 24 кольца 31, поджатого предварительно усилием пакета тарельчатых пружин 26. При этом сферические поверхности дисков 8 и 9 сегментов 6 и 7 встают напротив уплотнительных поверхностей седел с гарантийным зазором. При дальнейшем движении вниз ползуна 24 усилие передается через кольцо 31 на подшипник 28, кольцо 30, полукольца 29, кольцо 30, подшипник 28, кольцо 27 и пакет тарельчатых пружин 26. При этом конец штока 16, опускаясь вниз, разводит рычаги 6 и 7, поджимая сферические поверхности дисков 8 и 9 к конусным уплотнительным поверхностям седел 2, обеспечивая двухстороннее закрытие крана. Между торцами опорой гайки 32 и кольцом 31 образуется зазор А.
При открытии крана (фиг.2) маховик 34 привода вращается против часовой стрелки. Винт ползуна 24 поступательно перемещается вверх и тянет за собой шток на величину зазора А. При этом конец штока 16 через рычаги 14 и 15 отводит уплотнительные поверхности дисков 8 и 9 сегментов 6 и 7 от конусных уплотнительных поверхностей седел 2, обеспечивая гарантированный зазор. После выбора зазора А усилие от предварительного поджатия пакета тарельчатых пружин 26 через кольцо 27, подшипник 28, кольцо 30, полукольца 29, кольцо 30, кольцо 31, гайку 32 замыкается на корпусе фонаря 18. Поступательное движение штока 16 прекращается, но перемещение ползуна 24 продолжается. При этом гайка 25 с несамотормозящейся резьбой ползуна 24 и шток 16 с соответствующей резьбой на конце поворачиваются с затвором на 90° до соприкосновения указателя положения 35 с корпусом фонаря 18. Кран находится в положении «открыто».
В предлагаемой конструкции описание осуществлено для шарового крана, где уплотнение затвора обеспечивалось для высокотемпературных рабочих сред (выше 200°C). Естественно, это конструкция применима и для низкотемпературных сред (ниже 200°C), где можно использовать более эффективное уплотнение затвора - металл-эластомер.
При использовании шарового крана, особенно на высокотемпературных средах, необходимо принимать во внимание двухстороннюю герметичность затвора, которая может вызвать переопрессовку корпуса крана в его закрытом положении. Для предохранения от этого нежелательного явления на корпусе крана необходимо устанавливать предохранительный клапан.
Особенно интересна предлагаемая конструкция шарового крана для магистральных трубопроводов, где используются краны больших DN и PN и где необходимым условием является режим двухстороннего направления рабочей среды.
На фиг.3 представлена схема использования шарового крана с разгрузкой затвора при открытии и закрытии, которая возможна только для предлагаемого затвора с наличием двух седел. Внутренняя полость шарового крана через штуцер 36 соединена байпасной линией с патрубком 3 корпуса 1 крана через штуцеры 37 и 38. На байпасной линии установлен клапан малого проходного сечения 39 и два обратных клапана 40 и 41. При работе шарового крана в открытом положении клапан 39 тоже открыт и байпасная линия через обратный клапан 40 и штуцер 37 или обратный клапан 41 и штуцер 38 (в зависимости от направления потока рабочей среды) соединена с магистральным трубопроводом. В процессе закрытия шарового крана (особенно к концу закрытия) усилие на приводе благодаря разгрузке затвора уменьшается. После закрытия шарового крана закрывается клапан 39 байпасной линии. Перед открытием шарового крана клапан 39 открывается, давление среды внутри крана и в отсеченной магистрали выравнивается (сбрасывается) почти мгновенно, так как объем внутренней полости крана существенно меньше, чем в магистрали. Сегмент затвора вместе с уплотнительной поверхностью диска, который находится под перепадом рабочего давления, разгружается и легко открывается. А противоположный сегмент затвора с уплотнительной поверхностью диска, на который продолжает действовать перепад давления, стремится самопроизвольно открыться, воздействуя через рычаг на шток, и тоже снижает усилие привода. Введенные в байпасную линию обратные клапаны 40 и 41 в зависимости от направления потока рабочей среды в магистральном трубопроводе соединяют байпасную линию после клапана 39 с соответствующей полостью патрубков корпуса клапана.
Опытное изготовление предлагаемой конструкции и испытания доказали ее эффективность по сравнению с прототипом и полностью подтвердили ее повышенный ресурс благодаря высокой износостойкости силовых элементов в виде многозаходной несамотормозящейся резьбы и рычажно-шарнирных механизмов, воспринимающих высокие удельные давления при открытии и закрытии затвора под перепадом давления рабочей среды. Двухсторонняя герметичность затвора существенно расширяет функциональные возможности предлагаемой конструкции и является полноценной альтернативой существующим шаровым кранам на чистых и особенно на загрязненных рабочих средах, так как обладает более высоким ресурсом по цикличности и высокой герметичностью двухстороннего затвора на всем протяжении эксплуатации.
Использование шарового крана с разгрузкой байпасной линией существенно расширяет его функциональные возможности для использования на магистральных трубопроводах больших DN и PN с малыми усилиями приводов.