Пробковый кран

Полезная модель относится к трубопроводной арматуре и предназначена для перекрытия движения рабочей среды в трубопроводах, нефтепроводах, в т.ч. нагнетательных линиях при проведении операций, связанных с интенсификацией добычи нефти, гидравлического разрыва пласта, а также, для работы со средами с высоким содержанием абразивных частиц и твердых примесей под рабочим давлением до 105 МПа.
Из уровня техники известен шаровой кран (источник RU 2171935 С2), содержащий корпус с впускным и выпускным участками для прохода среды, шаровой запорный орган со сквозным продольным отверстием и возможностью поворота в вертикальной плоскости на угол 90°, два подвижных упруго нагруженных поджимными устройствами седла-уплотнителя расположенные по обеим сторонам запорного органа с центральными вогнутыми участками, полностью соприкасающимися с поверхностью запорного органа.
Из источника RU 138106 U1 кран запорный состоящий из корпуса с входным и выходным патрубками, в котором расположен вал с цапфами, выполненными со смещением S от оси вала, т.е. эксцентричны оси вала, при этом вал расположен в подшипниковых узлах. Затвор установлен на цапфах вала, на корпусе установлен уплотнительный элемент, который выполнен с применением баббита.
Из источника RU 2169302 20.06.2001 C1 известен кран, содержащий корпус, поворотную пробку с буртом, эластичное уплотнение в виде втулки, установленной в проточке корпуса, две фрикционные прокладки и нажимную гайку.
Недостатком известных технических решений является то, что при каждом цикле «открыто-закрыто» происходит износ сопрягаемых поверхностей крана, что приведет к потере его герметичности и, следовательно, к уменьшению ресурса работы крана.
Технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в повышении ресурса срока эксплуатации крана.
Технический результат достигается за счет того, что пробковый кран с изолированной зоной управления потоком рабочей среды содержит полый корпус, подвижный запирающий элемент, выполненный в виде цилиндрической пробки, и уплотнительный элемент с герметизирующими элементами, установленный по обе стороны от цилиндрической пробки, при этом запирающий элемент выполнен с возможностью плоскопараллельного перемещения под давлением рабочей среды в сторону выходного отверстия в пределах двойного конструкторского зазора, образованного между цилиндрической поверхностью пробки и внутренней поверхностью уплотнительного элемента и наружной поверхностью уплотнительного элемента и внутренней поверхностью корпуса, при этом уплотнительный элемент выполнен с возможностью упругой деформации и изменения степени кривизны под давлением рабочей среды, при этом по торцам цилиндрической пробки установлены подшипники скольжения с герметизирующими элементами, расположенные коаксиально относительно поводков пробки.
Уплотнительный элемент может быть выполнен в виде уплотняющих сегментов с боковыми вставками или уплотняющей вставки в виде втулки. При этом на внешней поверхности уплотнительного элемента, по периметру его отверстия, со стороны корпуса, выполнены канавки, в которые устанавливаются герметизирующие кольца.
Выполнение двойного конструкторского зазора между поверхностью цилиндрической пробки, внутренней и внешней поверхностями уплотнительного элемента и внутренней поверхностью корпуса обеспечивает перемещение пробки в сторону запираемого отверстия под давлением рабочей среды до 105 МПа, при повороте штока управления в сторону закрывания, обеспечивает компенсацию износа уплотнительного элемента, что не приводит к потере герметичности крана, и, следовательно, повышает ресурс срока эксплуатации крана.
При этом возможность плоскопараллельного перемещения цилиндрической пробки при запирании потока и вращательного движения пробки при управлении потоком рабочей среды относительно корпуса крана без потери герметичности и уменьшения надежности работы крана, обеспечивается установкой по торцам пробки подшипников скольжения с герметизирующими элементами, расположенных коаксиально относительно поводков пробки.
Выполнение запирающего элемента в виде цилиндрической пробки, а уплотнительного элемента в виде уплотняющих сегментов или уплотняющей вставки в виде втулки позволяет под давлением рабочей среды повысить площадь контакта между сопрягаемыми поверхностями, что позволяет повысить герметичность запирания крана и повышает ресурс срока эксплуатации крана.
Уплотнительный элемент, выполненный в виде уплотняющих сегментов с боковыми вставками или уплотняющей вставки в виде втулки с герметизирующими элементами с возможностью упругой деформации и изменения степени кривизны под давлением рабочей среды, обеспечивает равномерное уплотнение и многократную герметизацию уплотнительного элемента в зонах входного и выходного отверстий, что повышает ресурс срока эксплуатации крана.
Кроме этого наличие зазоров между цилиндрической поверхностью пробки и внутренней и наружной поверхностями уплотнительного элемента и внутренней поверхностью корпуса уменьшает трение между ними, что позволяет уменьшить износ уплотнительного элемента, исключить заклинивание запорного органа из-за повышенного трения, повысить герметичность и, следовательно, повысить ресурс срока эксплуатации крана.
Все конструктивные элементы заявленного пробкового крана находятся в причинно-следственной связи с указанным техническим результатом, следовательно, являются существенными признаками полезной модели.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
Прилагаемые чертежи демонстрируют отдельные варианты выполнения пробкового крана. Специалисту данной области техники понятно, что пробковый кран может иметь и другие варианты воплощения.
Фиг. 1 поперечный разрез пробкового крана.
Фиг. 2 продольный разрез пробкового крана, положение «открыто» (а) и положение «закрыто» (б) (вид верху).
Пробковый кран на четверть оборота с изолированной зоной управления потоком рабочей среды состоит из корпуса (1), с входным и выходным патрубками, образующими проход для рабочей среды, внутри которого установлены цилиндрическая пробка (2) со сквозным отверстием для прохода рабочей среды, подшипники скольжения (3), установленные по торцам цилиндрической пробки (2), с герметизирующими элементами (4), расположенные коаксиально относительно поводков пробки, уплотнительный элемент (5), установленный по обе стороны от цилиндрической пробки (2) и снабженный сквозными отверстиями, расположенными на одной оси с входным и выходным патрубком, крышка (8), шток управления и магистрали для смазки поводковой зоны.
Уплотнительный элемент (5) может быть выполнен в виде уплотняющих сегментов с боковыми вставками (7) или в виде уплотняющей вставки в виде втулки. На внешней поверхности уплотнительного элемента (5), по периметру его отверстий, со стороны корпуса, выполнены канавки, в которые устанавливаются герметизирующие кольца (6). Уплотнительный элемент (5) выполнен с возможностью упругой деформации и изменения степени кривизны под давлением рабочей среды. Герметизирующие элементы изготовлены из высококачественного, эластичного материала, стойкого к агрессивным средам, по форме колец, прямоугольных колец, сечением в виде круга, трапеции, прямоугольника.
Между поверхностью пробки (2) и внутренней поверхностью уплотнительного элемента (5) и наружной поверхностью уплотнительного элемента (5) и внутренней поверхностью корпуса (1) выполнен двойной конструкторский зазор.
Сечение в горизонтальной плоскости всей сборки (фиг. 2а, б) представляет собой следы образующих цилиндров не концентричных между собой: это след образующей цилиндра пробки (2), след образующей цилиндра внутренней поверхности уплотнительного элемента (5), след образующей цилиндра наружной поверхности уплотнительного элемента (5) и след образующей цилиндра внутренней поверхности корпуса (1).
На рабочие поверхности цилиндрической пробки, в том числе торцевые, поверхности уплотняющих сегментов или уплотняющей вставки в виде втулки, термически обработаны до высоких значений твердости. При этом на рабочие поверхности гальваническим способом нанесено покрытие, для дополнительной защиты от истирания и предохранения от вредного воздействия агрессивной среды.
Кран работает следующим образом.
При открытом положении крана, когда отверстие цилиндрической пробки (2) соосно впускному и выпускному отверстиям, происходит беспрепятственное прохождение рабочей среды через кран. При этом незначительная часть проходит в зазор между поверхностью пробки и внутренней поверхностью уплотнительного элемента (5) (фиг. 2а позиции А и Б). Для закрытия крана шток управления поворачивают в сторону закрывания, цилиндрическая пробка (2), вследствие поворота, начинает перекрывать выпускное отверстие (фиг. 2, б позиция С) и начинает зарождаться прижимающая сила, которая перемещает пробку (2) в сторону выходного отверстия, и максимальное значение силы достигается при полном перекрытии выпускного отверстия (С). В течение данного процесса величина конструкторских зазоров превращается в ноль между поверхностью пробки (2) и внутренней поверхностью уплотняющего сегмента или уплотняющей вставки в виде втулки (5) и между наружной поверхностью уплотняющего сегмента или уплотняющей вставки в виде втулки (5) и внутренней поверхностью корпуса (1), в дальнейшем происходит упругая деформация сегмента или стенки уплотняющей втулки (5) и зазор между поверхностью сегмента или втулки (5) и корпусом крана (1) тоже исчезает, при которой сопряженные поверхности цилиндрической пробки, внутренней и наружной поверхности сегмента или втулки (5) и корпуса крана становятся концентричными. Следовательно, происходит полное герметичное запирание потока рабочей среды.
Таким образом, использование предлагаемой конструкции пробкового крана позволяет повысить ресурс срока эксплуатации пробкового крана.