ШАРОВОЙ КРАН

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, в частности к шаровым кранам для газовых магистральных и технологических трубопроводов.
Шаровые краны при повороте пробки для закрытия или открытия проходного диаметра DN находятся в дросселирующем режиме с уменьшением проходного сечения с круглой формы до чичевицеобразной и до нуля при существенном увеличении скорости прохода газа через изменяющееся проходное сечение. При этом режиме эксплуатации крана кинетическую энергию проходящего газа воспринимает, в основном, пробка поверхностью проходного диаметра, от надежности которой зависит срок эксплуатации крана по износостойкости и герметизации пробки в кране.
Количество поворотов пробки в кране за его срок эксплуатации определен числом циклов в стандарте ОАО «Газпром»- ОТС-ЗРА-98, пункт 10.2 в зависимости от размеров кранов по DN:
для DN от 100 мм до 200 мм - 4000 циклов поворота,
для DN от 300 мм до 1000 мм - 2000 циклов поворота,
для DN от 1200 мм до 1400 мм - 500 циклов поворота пробки.
Кроме того, краны, установленные после компрессоров на компрессорных и дожимных станциях, нагружены неравномерными (вибрационными) нагрузками по давлению газа от компрессоров. Требования к вибростойкости кранов предусмотрены в пункте 2.6 ОТС-ЗРА-98.
Известен шаровой равнопроходный кран, содержащий разборный корпус, входной и выходной патрубки, шаровую поворотную пробку на опорах и седла с уплотнительными кольцами, установленные в патрубках и прижатые к шаровой поверхности пробки пружинами.
Шаровая пробка отлита с опорами и содержит обечайку, приваренную внутри пробки кольцевыми швами, что снижает гидравлические сопротивления крана (см. Д.Ф.Гуревич, О.Н.Заринский, Ю.К.Кузьмин. Справочник по арматуре для газо- и нефтепроводов, Л.:»Недра», 1988, рис.3.13, [1]).
Известный шаровой кран имеет следующие недостатки:
- обечайка по длине меньше длины пробки, а по толщине меньше толщины стенки трубы, привариваемой к крану, что снижает надежность крана по вибростойкости при повороте пробки и герметичности пробки при закрытом положении крана. Расточка пробки под приварку обечайки снижает жесткость и прочность сферы литой пробки, необходимой для герметичности, а обечайка с малой длиной и толщиной стенки имеет недостаточную жесткость и прочность для обеспечения необходимой вибростойкости и герметичности пробки при эксплуатации крана.
- тонкая обечайка, при повороте пробки, принимает на себя кинетическую энергию проходящего газа, вибрирует и разрушает кольцевые швы обечайки;
- обечайка к опорам не приварена, что снижает прочность обечайки и герметичность затвора при закрытом положении крана;
- обечайку, сваренную, нельзя вставить в расточку пробки и приварить к пробке.
Известен шаровой кран по патенту на полезную модель РФ №41504 F16K 5/20, дата публикации 2004.10.27. Кран содержит неразъемный корпус с входным и выходным патрубками, шаровую поворотную пробку на опорах, размещенную в корпусе и содержащую плоско-шаровую оболочку, опоры и кожух, сваренные между собой, седла с уплотнительными кольцами, установленными в патрубках и прижатые к шаровой поверхности пробки пружинами.
Известный шаровой кран устранил отдельные недостатки аналога [1]:
- замены литой сферы на штампованную из листового проката (листовой прокат имеет механические свойства в 1,5 раза выше литых в землю деталей);
- увеличение толщины стенки плоско-шаровой оболочки за счет штамповки;
- изготовление кожуха из двух частей, что позволило вставить половинки тонкого кожуха в расточку пробки;
- приварки кожуха к опорам продольным сварным швом 2-х половин кожуха (см. фиг.4).
Шаровой кран по патенту на полезную модель №41504 принят за прототип.
Известный шаровой кран имеет следующие недостатки:
- тонкий кожух вварен в расточку плоско - шаровой оболочки;
- длина кожуха меньше длины пробки;
- толщина стенки кожуха меньше толщины стенки трубы, привариваемой к крану;
- прочность сварного шва кожуха к опорам недостаточна для выполнения дополнительной функции кожуха, как ребра жесткости пробки при закрытом положении крана, и устранения вибраций кожуха при повороте пробки;
- кожух и пробка изготовлены из одной марки стали по прочности;
- на практике был случай отрыва куска кожуха от сферы пробки в кране DN 1000 мм, PN 8,0 МПа, установленном на компрессорной станции после компрессора.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение технических возможностей крана в части повышения надежности пробки по вибростойкости при повороте в кране и герметичности пробки при закрытом положении крана.
Техническая задача решается за счет того, что в шаровом кране, содержащем неразъемный корпус с входным и выходным патрубками,
шаровую штампосварную поворотную пробку на опорах, размещенную в корпусе и содержащую плоско-шаровую оболочку, опоры и кожух, сваренные между собой, и седла с уплотнительными кольцами, установленные в патрубках и прижатые к шаровой поверхности пробки пружинами, пробка выполнена из трубы, или обечайки, длиной равной длине пробки, толщиной равной толщине стенки трубы, привариваемой к крану, с двумя центральными отверстиями диаметром меньше диаметра опор, запрессованной в плоско-шаровую оболочку и приваренной к ней наружным швом с катетом, в полтора раза превышающим толщину стенки трубы, и к опорам с переменной величиной катета при сохранении размеров проходного диаметра DN, а опоры выполнены с выступом уменьшенного диаметра, центрирующих трубу при сборке пробки. При этом, труба может быть изготовлена из низколегированных марок сталей повышенной прочности.
Предлагаемый шаровой кран и пробка на опорах схематично представлены на фиг.1-5.
На фиг.1 - показан общий вид крана в открытом положении.
На фиг.2 - вид на конструкцию пробки при открытом положении крана.
На фиг.3 - вид на конструкцию приварки трубы к плоско-шаровой оболочке по 1, фиг.2.
На фиг.4 - вид на конструкцию приварки трубы к опорам по 11, фиг.2.
На фиг.5 - вид на конструкцию приварки трубы к опорам по А-А, фиг.4
сф
Шаровой кран (см. фиг.1) содержит корпус 1, входной 2 и выходной 3 патрубки, шаровую штампосварную поворотную пробку 4 на опорах, размещенную в корпусе, седла 5 с уплотнительными кольцами, установленные в патрубках и прижатые к шаровой поверхности пробки пружинами, шпиндель 6 под привод (не показан) поворота пробки, опору 7 для установки крана и приварки к трубам 8. Кран равнопроходный с проходным диаметром DN, равным внутреннему диаметру D привариваемой трубы 8 с толщиной стенки S. Пробка 4 уплотняется седлами 5 по сферической поверхности пробки с диаметром сферы D.
1
1
Пробка 4 (см. фиг.2) выполнена из трубы или обечайки 10, длиной L, равной длине пробки, толщиной S равной толщине стенки трубы 8, привариваемой к крану, с двумя центральными отверстиями диаметром d меньше диаметра опор d, запрессованной в плоско-шаровую оболочку 11 и приваренной к ней и к опорам швами различной величины. Приварка трубы 10 к плоско-шаровой оболочке 11 (см. фиг.3) выполнена с катетом в 1,5 раза превышающим толщину стенки трубы S, а к опорам 12 и 13 (см. фиг.4-5) по контуру отверстия в трубе 10 диаметром d с катетами переменной величины при сохранении размера DN. При этом, труба 10 может быть изготовлена из низколегированных марок сталей повышенной прочности.
кр
Пример. В ОАО «Волгограднефтемаш» серийно изготавливается шаровой кран DN 1000 мм, PN 8,0 МПа длиной L=2100 мм, содержащий неразъемный корпус, входной и выходной патрубки, шаровую штампосварную поворотную пробку на опорах, размещенную в корпусе,
седла с уплотнительными кольцами, установленные в патрубках и прижатые к шаровой поверхности пробки пружинами. Штампосварная пробка содержит плоско-шаровую оболочку, опоры и кожух из двух полуобечаек, приваренных к оболочке по проходному диаметру DN, равным 978 мм, по AP1-6D, и между собой продольным швом без приварки к опорам (согласно аналогу [1]). Толщина стенки кожуха равна 8 мм, толщина стенки трубы привариваемой к крану S=16 мм (⌀ 1020 х 16), а диаметр опор d=260 мм.
1
H
1
В предлагаемом кране пробка выполнена из трубы (⌀ 1020 х 16 мм с проходным диаметром DN, равным 988 мм, из стали 09Г2С или 10Г2ФБЮ по ТУ 1381-012- 05757848-2005 ОАО «Выксунский металлургический завод». Сталь 10Г2ФБЮ прочнее стали 09Г2С в 1,5 раза. Труба 10 выполнена длиной 1105 мм, равной длине пробки L (см. фиг.2) с двумя центральными отверстиями диаметром d, равным 200 H12 мм (см. фиг.4 и 5). Плоскошаровая оболочка 11 (см. фиг.3) расточена под запрессовку трубы 10 с наружным диаметром D. Труба 10 запрессована в плоско-шаровую оболочку 11, сцентрирована по длине выступами 14 высотой 10 мм по диаметру d, равным 198h12 мм, опор 12 и 13 (см. фиг.2-5) и приварена к ней катетом в 24 мм, больше толщины трубы S=16 мм (см. фиг.3). К опорам 12 и 13 труба приварена катетами переменной величины, от 6 мм (16-10) по длине (см. фиг.4) до 16 мм по диаметру DN (см. фиг.5), при сохранении размера проходного диаметра DN.
Положительный эффект предлагаемого крана:
H
предл.
сущ.
пpeдл
cyщ
3
3
- пробка содержит трубу или обечайку с размерами 1020 х 16-1105 мм (наружный диаметр D, умноженный на толщину стенки и умноженный на длину), а не желоб из двух частей с размерами 978 х 8 х 940 мм, что повысило жесткость пробки в J/J в 2,11 раза (где J=π/8(1020-16) х 6 и J=π/8(978+8) х 8;
- приварка трубы к опорам уменьшила изгибающий момент на торцах оболочки пробки в 4 раза за счет уменьшения длины трубы (плеча) в 2 раза;
- надежность крана по герметичности пробки при закрытом положении крана повысилась в 8,44 раза (2,11 х 4);
- сварной шов приварки кожуха к плоско-шаровой оболочке с проходного диаметра DN перенесен на шаровую поверхность плоскошаровой оболочки, вынесен из зоны влияния кинетической энергии газа при повороте пробки, и выполнен с катетом в 24 мм против 8 мм в существующем кране, что повысило надежность пробки дополнительно в 3 раза (24:8), а в итоге в 25,32 раза (8,44 х 3);
- увеличение надежности (жесткости и прочности) пробки расширило применение кранов для эксплуатации до вибрационных условий, выполнен п.2.6 ОТС-ЗРА-98;
3
2,6
3
p
d
L
d
L
KP
p
- увеличение проходного диаметра DN с 978 мм (по AP1-6D) до 988 мм (по АРМГА3-2006, по ГОСТ 28338) снизило гидропотери при транспортировке газа на 119,886 млн. м/год (при ΔQ=Q(l-K)K, где K=(988/978), K=L/5DN=2100/5х978, Q=8580 млн. м/год);
- снизились затраты на изготовление пробки.
y
Предложенное изобретение может найти применение при изготовлении полнопроходных шаровых кранов с D от 300 до 1400 мм со штампосварной пробкой.