Шаровой кран

Полезная модель относится к трубопроводной арматуре, преимущественно к шаровым кранам с многослойным уплотнением, применяемым для транспортировки нефтепродуктов, газообразных сред в нефтяной и газовой промышленности при добыче, переработке и транспортировке.
Известен шаровой кран с уплотнительной вставкой с многослойной структурой (патент RU2628468, опубл. 17.08.2017), оснащенный уплотнительной вставкой с многослойной структурой, представляющей собой чередующиеся слои графита и тонкие листы металла. Такая многослойная структура, содержащая слои графита, чередующиеся с металлическими листами, обеспечивает улучшенную герметичность, как при высоких температурах, так и в присутствии текучих сред, содержащих взвешенные твердые частицы. Уплотнительная вставка для шарового крана имеет кольцевую форму, которая позволяет устанавливать ее в седло шарового крана, при этом указанная вставка имеет многослойную структуру вдоль направления, перпендикулярного отверстию в кольцевой вставке, состоящую из чередующихся слоев графита и металла.
В описанном шаровом кране уплотнение выполнено по технологии «металл по металлу». Также в качестве одного из слоев использован терморасширенный графит. Уплотнение с вставками из терморасширенного графита применяется в регулирующей арматуре, в которой отсутствуют требования к нулевой протечке (герметичности по классу «А»). Терморасширенный графит имеет хрупкую структуру и не способен противостоять многим жидкостям, в которых он быстро разбухает и теряет свои свойства, что приводит к снижению герметичности крана с подобным уплотнением.
Наиболее близким решением к заявляемой полезной модели является кран, предназначенный для использования в газовых, нефтяных и других магистральных и технологических трубопроводах (патент RU203482, опубл. 07.04.2021). Данное устройство содержит корпус, выполненный из металла с входным и выходным патрубками, шаровую поворотную пробку и два подпружиненных седла. Седло содержит основное уплотнительное полиуретановое или резиновое кольцо, зафиксированное в канавке, образованной контуром седла и запрессованным полимерным кольцом. Седло поджимается к пробке крана шарового под действием давления транспортируемой среды. Данный принцип работы характерен для всех седел кранов шаровых с пробкой в опорах. Также дополнительно добавляются разгрузочные отверстия в седле, для исключения разрушения уплотнительного кольца в момент открытия крана шарового и для обеспечения дополнительного поджатия уплотнительного кольца в закрытом положении.
В представленном техническом решении ограничение уплотнения предусмотрено только с одной стороны. В процессе эксплуатации, при повышении рабочей температуры, мягкое уплотнение будет деформироваться. В данном случае ограничение уплотнения только с одной стороны не приведет к обеспечению должной герметичности. Также представленная конструкция содержит разгрузочные отверстия, в сторону которых может происходить деформация уплотнения, что дополнительно будет нарушать герметичность конструкции.
Технической проблемой является необходимость создания надежного крана с увеличенным сроком службы.
Технический результат заключается в повышении износостойкости и герметичности крана.
Технический результат достигается тем, что в кране, содержащем корпус, шаровую пробку, уплотнительную часть седла, согласно полезной модели уплотнительная часть седла представляет собой комбинированное уплотнение, содержащее уплотнение затвора, кольцо опорное верхнее и кольцо опорное нижнее, при этом твердость уплотнения затвора по Шору типа D 45-55, твердость кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего по Шору типа D 75-90.
Выполнение комбинированного уплотнения из слоев различной твердости позволяет обеспечить стабильную герметичность крана. Герметизация обеспечивается за счет уплотнения затвора, выполненного из температуростойкого, износостойкого и эластичного материала. Заявленный диапазон твердости уплотнения затвора является оптимальным для обеспечения заявленного технического результата. Кольцо опорное верхнее и кольцо опорное нижнее обеспечивают защиту уплотнения затвора от перегрузок прижима, которые могут возникать при пульсации давления в магистрали. Заявленный диапазон твердости является оптимальным, поскольку кольцо опорное верхнее и кольцо опорное нижнее выполняют защитную функцию, и они должны обладать способностью сохранения формы для предотвращения повреждения уплотнения затвора.
Заявленная полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен шаровой кран в разрезе, на фиг. 2 - уплотнительная часть седла в разрезе.
Шаровой кран содержит корпус 1, в полости которого размещено седло 2 с уплотнительной частью и закрепленная на штоке 3 шаровая пробка 4.
2
Уплотнительная часть седла представляет собой комбинированное уплотнение, состоящее из уплотнения затвора 5, кольца опорного верхнего 6 и кольца опорного нижнего 7. Герметизация рабочей среды происходит за счет уплотнения затвора 5, которое прижимается к шаровой пробке 4 с заданным усилием. Уплотнение затвора 5 представляет собой изделие, изготовленное из материала со следующими свойствами и характеристиками: температуростойкостью в диапазоне температур -40 до +80°С, износостойкостью, твердостью 45-55 по Шору типа D, прочностью на разрыв 40-60 Н/мм. Уплотнение затвора 5 изготавливают из материала с указанными физическими и механическими свойствами для обеспечения герметичности на весь срок эксплуатации крана.
2
2
Кольцо опорное верхнее 6 и кольцо опорное нижнее 7 обеспечивают защиту уплотнения затвора 5 от перегрузок прижима, которые могут возникать при пульсации давления в магистрали. Кольцо опорное верхнее 6 и кольцо опорное нижнее 7 изготавливают из материала со следующими свойствами и характеристиками: температуростойкостью диапазоне температур -40 до +80°С, износостойкостью, высокой способностью сохранения формы, высоким поверхностным сопротивлением, твердостью 75-90 по Шору типа D, натяжением при вытягивании 55-60 Н/мм, жёсткостью при шаровом давлении 120-140 Н/мм, коэффициентом трения (на сухую против стали, динамический) (М) 0,17-0,43. Данный материал выбран из-за его свойств, а именно высокой твёрдости и низкого трения. Так как кольца опорные 6, 7 выполняют защитную функцию, они должны обладать способностью сохранения формы для предотвращения повреждения уплотнения затвора 5.
Шайба поджимная 8 выполняет функцию поджатия уплотнительной части в самом седле 2, для предотвращения перетечек через тело седла 2, а также для предотвращения скручивания уплотнения затвора 5 при сборке самого седла 2. Шайба поджимная 8 предпочтительно выполнена из металла, имеющего низкий коэффициент трения.
Уплотнение торцевое 9 служит дополнительным (страховочным) уплотнением, предотвращающим перетечки рабочей среды через тело седла 2. Уплотнение торцевое 9 предпочтительно изготавливают из эластичного, износостойкого и температуростойкого материала.
Шаровой кран также содержит кольцо прижимное 10, выполняющее функцию поджатия уплотнительной части седла через шайбу поджимную 8.
Устройство работает следующим образом.
В исходном положении «открыто» шаровая пробка 4 развернута таким образом, что ее отверстие обеспечивает проход рабочей среды (жидкой или газообразной) по трубопроводу. Поджатие уплотнительной части в седле 2 происходит за счет кольца прижимного 10 и шайбы поджимной 8. Кольцо прижимное 10 закручивается по резьбовой поверхности на обойму седла 2 с определённым усилием. Далее кольцо прижимное 10 поджимает уплотнительную часть седла через шайбу поджимную 8. Кольцо опорное верхнее 6 и кольцо опорное нижнее 7 с двух сторон дополнительно поджимают уплотнение затвора 5 и предотвращают его выдавливание. Контролируемое поджатие уплотнительной части в седле 2 обеспечивает надежную фиксацию уплотнительной части седла и герметичность самого седла 2.
В рабочем положении «закрыто» шаровая пробка 4 развернута таким образом, что ее положение обеспечивает перекрытие прохода рабочей среды (жидкой или газообразной) по трубопроводу. В начальный момент времени (до роста рабочего давления) герметичность в затворе обеспечивается за счет прижатия седла 2 к шаровой пробке 4 при помощи пружин. Далее, когда давление рабочей среды достигает номинальных значений, герметичность в затворе обеспечивается за счет прижатия седла 2 к шаровой пробке 4 посредством давления и пружин. Во время возникновения пульсаций давления выше номинальных значений происходит упругая деформация уплотнения затвора 5, за счет деформации уплотнения затвора 5 часть нагрузки распределяется на кольца опорные 6, 7, тем самым кольца опорные 6, 7 не дают передавить уплотнение затвора 5 (т.е. предотвращают повреждение уплотнения затвора 5).
В трубопроводной арматуре для перекрытия протекающей по трубопроводу технической воды с рабочей температурой 25±15ºС и давлением 16 (±5%) МПа использовался шаровой кран. Для проведения испытаний проводился подбор по твердости уплотнения затвора, кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего.
Посредством крана осуществлялось регулярное перекрытие и открытие трубопровода (около 20-30 раз в сутки). Степень износа крана измерялась троекратно через 1 мес., 3мес. и 6 мес. эксплуатации путем анализа состояния уплотняющих и соприкасающихся поверхностей. Для этого кран снимался с трубопровода и уплотнение затвора, кольцо опорное верхнее и кольцо опорное нижнее анализировались под микроскопом (металлографический портативный микроскоп Altami USB 3150R6 1/2CMOS) с увеличением в 80 раз (и при необходимости увеличение 10Х, 20Х, 50Х, 100Х).
В Таблице 1 представлены результаты проводимых испытаний для выбранного диапазона и для значений твердости, не вошедших в него.
Таблица 1. Результаты проведения испытаний на твердость
№ образца
Твердость уплотнения затвора по Шору типа D
Твердость кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего по Шору D
Прочность на разрыв уплотнения затвора, H/мм<sup>2</sup>
Натяжение при вытягивании кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего, H/мм<sup>2</sup>
Жесткость при шаровом давлении кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего, H/мм<sup>2</sup>
Коэффициент трения кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего
1
40,0
65,0
40
55
120
0,17
2
42,0
70,0
40
55
120
0,17
3
43,0
74,0
40
55
120
0,17
4
45,0
75,0
40
55
120
0,17
5
46,0
77,5
40
55
120
0,17
6
48,0
80,0
40
55
130
0,30
7
50,0
82,5
50
60
130
0,30
8
52,0
85,0
50
60
130
0,30
9
54,0
87,5
50
60
130
0,43
10
55,0
90,0
60
60
140
0,43
11
56,0
90,0
60
60
140
0,43
12
58,0
90,0
60
60
140
0,43
13
60,0
90,0
60
60
140
0,43
Результаты исследований под микроскопом показали, что степень износа при диапазоне твердости уплотнения затвора 45-55 по Шору типа D была незначительной, например:
1) при значении твердости 45 по Шору типа D: шероховатость поверхности после 1 мес. составляла Ra 2,5 мкм, после 3 мес. составляла Ra 2,8 мкм и после 6 мес. составляла Ra 3,6 мкм.
2) при значении твердости 48 по Шору типа D: шероховатость поверхности после 1 мес. составляла Ra 2,5 мкм, после 3 мес. составляла Ra 2,7 мкм и после 6 мес. составляла Ra 3,0 мкм.
3) при значении твердости 52 по Шору типа D: шероховатость поверхности после 1 мес. составляла Ra 2,5 мкм, после 3 мес. составляла Ra 2,9 мкм и после 6 мес. составляла Ra 3,1 мкм.
4) при значении твердости 55 по Шору типа D: шероховатость поверхности после 1 мес. составляла Ra 2,5 мкм, после 3 мес. составляла Ra 2,6 мкм и после 6 мес. составляла Ra 3,2 мкм.
Результаты исследований под микроскопом показали, что степень износа при диапазоне твердости кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего 75-90 по Шору типа D была незначительной, например:
1) при значении твердости 75 по Шору типа D: шероховатость поверхности после 1 мес. составляла Ra 1,6 мкм, после 3 мес. составляла Ra 2,3 мкм и после 6 мес. составляла Ra 2,9 мкм.
2) при значении твердости 80 по Шору типа D: шероховатость поверхности после 1 мес. составляла Ra 1,6 мкм, после 3 мес. составляла Ra 2,0 мкм и после 6 мес. составляла Ra 2,4 мкм.
3) при значении твердости 85 по Шору типа D: шероховатость поверхности после 1 мес. составляла Ra 1,6 мкм, после 3 мес. составляла Ra 2,1 мкм и после 6 мес. составляла Ra 2,7 мкм.
4) при значении твердости 90 по Шору типа D: шероховатость поверхности после 1 мес. составляла Ra 1,6 мкм, после 3 мес. составляла Ra 2,1 мкм и после 6 мес. составляла Ra 2,8 мкм.
Выявленная степень износа поверхностей является незначительной, что позволяет достигать поставленную задачу – увеличение срока службы за счет снижения фрикционного износа контактирующих поверхностей.
Дополнительно проводились испытания при значениях, выходящих за вышеуказанный диапазон. Например, для уплотнения затвора были получены следующие результаты:
1) при значении твердости 40 по Шору типа D: шероховатость поверхности после 1 мес. составляла Ra 3,0 мкм, после 3 мес. составляла Ra 3,4 мкм и после 6 мес. составляла Ra 5,6 мкм.
2) при значении твердости 42 по Шору типа D: шероховатость поверхности после 1 мес. составляла Ra 2,8 мкм, после 3 мес. составляла Ra 3,1 мкм и после 6 мес. составляла Ra 4,7 мкм.
3) при значении твердости 58 по Шору типа D: шероховатость поверхности после 1 мес. составляла Ra 2,9 мкм, после 3 мес. составляла Ra 3,7 мкм и после 6 мес. составляла Ra 5,9 мкм.
Для кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего были получены следующие результаты:
1) при значении твердости 65 по Шору типа D: шероховатость поверхности после 1 мес. составляла Ra 1,9 мкм, после 3 мес. составляла Ra 2,7 мкм и после 6 мес. составляла Ra 3,8 мкм.
2) при значении твердости 70 по Шору типа D: шероховатость поверхности после 1 мес. составляла Ra 1,6 мкм, после 3 мес. составляла Ra 2,5 мкм и после 6 мес. составляла Ra 3,6 мкм.
3) при значении твердости 95 по Шору типа D: шероховатость поверхности после 1 мес. составляла Ra 1,8 мкм, после 3 мес. составляла Ra 3,1 мкм и после 6 мес. составляла Ra 4,3 мкм.
Выявленная степень износа поверхностей является износом средней степени, при этом наблюдалось просачивание жидкой среды, выделение металлической пыли, что сокращало срок службы крана.
Использование более мягкого уплотнения не позволит обеспечить должную износостойкость, что приведет к скорейшему повреждению и потери герметичности. При использовании более твердого уплотнения не будет обеспечена заданная герметичность, так как в процессе эксплуатации поверхность шаровой пробки будет подвергаться износу (попадание абразива, агрессивная среда, высокое давление и большой расход рабочей среды). На поверхности, отвечающей за герметичность, будут образовываться микронеровности. Более твердый материал не будет обладать достаточной эластичностью для компенсации всех неровностей поверхности, отвечающей за герметичность.
Несмотря на то, что при выборе материала для изготовления уплотнений основным критерием, благодаря которому удается обеспечить надлежащую герметичность, является твердость, существуют дополнительные параметры материала, такие как: прочность на разрыв, коэффициент трения, натяжение при вытягивании и жесткость при шаровом давлении. При правильном совокупном подборе вышеуказанных параметров удается обеспечить как надлежащую герметичность уплотнительной части седла, так и в случае кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего сохранение формы для предотвращения повреждения уплотнения затвора. Данные улучшения также благоприятно влияют на герметичность и позволяют повысить качество используемых материалов. Исходя из этого, были проведены дополнительные испытания с целью подбора оптимальной прочности на разрыв уплотнения затвора, натяжения при вытягивании кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего, жесткости при шаровом давлении кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего, коэффициента трения кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего.
В Таблицах 2-5 представлены экспериментальные данные проводимых испытаний.
Таблица 2. Результаты проведения испытаний для выбора подходящих значений прочности на разрыв
№ образца
Твердость уплотнения затвора по Шору типа D
Твердость кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего по Шору D
Прочность на разрыв уплотнения затвора, H/мм<sup>2</sup>
Натяжение при вытягивании кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего, H/мм<sup>2</sup>
Жесткость при шаровом давлении кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего, H/мм<sup>2</sup>
Коэффициент трения кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего
1
45,0
75,0
37
55
120
0,17
2
50,0
82,5
38
55
120
0,17
3
55,0
90,0
39
55
120
0,17
4
45,0
75,0
40
55
120
0,17
5
50,0
82,5
50
55
130
0,30
6
55,0
90,0
60
60
130
0,30
<b>7</b>
45,0
75,0
61
60
130
0,30
8
50,0
82,5
62
60
130
0,43
9
55,0
90,0
63
60
140
0,43
10
45,0
75,0
64
60
140
0,43
Таблица 3. Результаты проведения испытаний для выбора подходящих значений натяжения при вытягивании
№ образца
Твердость уплотнения затвора по Шору типа D
Твердость кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего по Шору D
Прочность на разрыв уплотнения затвора, H/мм<sup>2</sup>
Натяжение при вытягивании кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего, H/мм<sup>2</sup>
Жесткость при шаровом давлении кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего, H/мм<sup>2</sup>
Коэффициент трения кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего
1
45,0
75,0
40
52
120
0,17
2
50,0
82,5
40
53
120
0,17
3
55,0
90,0
40
54
120
0,17
4
45,0
75,0
40
55
120
0,17
5
50,0
82,5
50
57
130
0,30
6
55,0
90,0
50
58
130
0,30
<b>7</b>
45,0
75,0
50
60
130
0,30
8
50,0
82,5
60
61
130
0,43
9
55,0
90,0
60
62
140
0,43
Таблица 4. Результаты проведения испытаний для выбора подходящих значений жесткости при шаровом давлении
№ образца
Твердость уплотнения затвора по Шору типа D
Твердость кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего по Шору D
Прочность на разрыв уплотнения затвора, H/мм<sup>2</sup>
Натяжение при вытягивании кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего, H/мм<sup>2</sup>
Жесткость при шаровом давлении кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего, H/мм<sup>2</sup>
Коэффициент трения кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего
1
45,0
75,0
40
55
117
0,17
2
50,0
82,5
40
55
118
0,17
3
55,0
90,0
40
55
119
0,17
4
45,0
75,0
40
55
120
0,17
5
50,0
82,5
50
55
123
0,30
6
55,0
90,0
50
60
127
0,30
<b>7</b>
45,0
75,0
50
60
130
0,30
8
50,0
82,5
60
60
131
0,43
9
55,0
90,0
60
60
132
0,43
10
45,0
75,0
60
60
133
0,43
11
50,0
82,5
60
60
134
0,43
Таблица 5. Результаты проведения испытаний для выбора подходящих значений коэффициента трения
№ образца
Твердость уплотнения затвора по Шору типа D
Твердость кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего по Шору D
Прочность на разрыв уплотнения затвора, H/мм<sup>2</sup>
Натяжение при вытягивании кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего, H/мм<sup>2</sup>
Жесткость при шаровом давлении кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего, H/мм<sup>2</sup>
Коэффициент трения кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего
1
45,0
75,0
40
55
120
0,14
2
50,0
82,5
40
55
120
0,15
3
55,0
90,0
40
55
120
0,16
4
45,0
75,0
40
55
120
0,17
5
50,0
82,5
50
55
130
0,30
6
55,0
90,0
50
60
130
0,30
<b>7</b>
45,0
75,0
50
60
130
0,43
8
50,0
82,5
60
60
130
0,44
9
55,0
90,0
60
60
140
0,45
Подобранные диапазоны значений позволяют дополнительно повысить герметичность уплотнительной части седла, обеспечить ее износостойкость и соответственно увеличить срок службы шарового крана.
По итогам испытаний, был выбран оптимальный диапазон параметров материала:
2
1) прочность на разрыв уплотнения затвора составляет 40-60 Н/мм;
2
2) натяжение при вытягивании кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего составляет 55-60 Н/мм;
2
3) жёсткость при шаровом давлении кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего составляет 120-140 Н/мм;
4) коэффициент трения кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего составляет 0,17-0,43.
Наличие кольца опорного верхнего и кольца опорного нижнего позволяет предотвратить повреждение уплотнения затвора и защитить его от возможных перегрузок прижима. Это также дополнительно способствует снижению износа такой поверхности.
Таким образом, заявленная полезная модель обеспечивает создание надежного шарового крана за счет повышения его износостойкости и герметичности.