ШАРОВОЙ КРАН
BALL VALVE

Шаровой кран (далее кран) относится к области арматуростроения и может быть использован при выполнении работ по созданию ядерных энергетических установок для подводного энергетического комплекса, в установках с водо-водяными энергетическими реакторами в качестве локализующей арматуры второго контура, а также в кранах на магистральных нефтепроводах, газопроводах, на предприятиях энергетического комплекса, нефтеперерабатывающей и химической промышленности.
Известна конструкция шарового крана, патент №45495. Шаровой кран содержит корпус с входным и выходным патрубками, проходной канал, сферическую поворотную пробку на опорах, подпружиненные седла, управляющий узел, установленный на шпиндель шарового крана, а также канал, соединяющий входной патрубок с полостью между корпусом, сферической поворотной пробкой и седлами, и снабженный средством его перекрытия при закрытом положении шарового крана, причем канал, соединяющий входной патрубок с полостью между корпусом, сферической поворотной пробкой и седлами, расположен внутри корпуса шарового крана, а средством его перекрытия служит расположенный также внутри корпуса шарового крана запорный клапан, шток которого имеет в верхнем окончании завальцованный шар, выступающий над поверхностью корпуса шарового крана, причем управляющий узел, установленный на шпиндель шарового крана, содержит специальную пластину с двумя отверстиями, в которых закреплены два штыря, и клиновой фаской, которая контактирует с завальцованным шаром запорного клапана, а на квадратном конце шпинделя шарового крана установлена пластина с двумя кольцевыми пазами, в которые диаметрально противоположно друг другу входят штыри специальной пластины так, что при повороте управляющего узла они обеспечивают его перемещение без поворота сферической поворотной пробки на угол, при котором перемещение завальцованного шара запорного клапана по клиновой фаске специальной пластины обеспечивает открытие запорного клапана на заданную величину хода. Данная известная конструкция имеет ряд недостатков:
- отсечной клапан, прерывающий гидравлическую связь полости входного патрубка с межседельной полостью, выполнен в виде единой сборки, интегрированной в корпус крана, усложняет конструкцию и снижает надежность крана;
- в конечный момент закрытия крана запорный клапан начинает закрываться раньше закрытия шаровой пробки, что приводит к повороту пробки под полным перепадом давления среды и износу седел;
- применение для передачи крутящего момента двух пластин, взаимодействующих между собой с помощью штырей, приводит к невозможности передачи большого крутящего момента и возможности заклинивания. Наиболее близким техническим решением является вентиль со сферической поворотной заглушкой, патент №2417336. Вентиль содержит корпус, в котором выполнен канал с осью и который предназначен для размещения между впускной трубой и выпускной трубой; сферическую поворотную заглушку, установленную в корпусе с возможностью поворота между закрытым положением и открытым положением вокруг оси, перпендикулярной оси канала, и имеющую сквозное отверстие с осью, которое при нахождении заглушки в открытом положении обеспечивает проход текучей среды из впускной трубы к выпускной трубе; седло, расположенное со стороны впуска, имеющее центральный проход и установленное в канале корпуса перед заглушкой с возможностью поступательного перемещения оси указанного канала; средства выравнивания давления текучей среды между впускным и выпускным концами седла перед открытием вентиля; упругое средство, предназначенное для поджатая указанного седла к заглушке, при этом вентиль дополнительно содержит по меньшей мере один выступ, выполненный на седле и выступающий параллельно оси канала корпуса в направлении заглушки и по меньшей мере один первый паз, выполненный в заглушке и предназначенный для взаимодействия с выступом при нахождении заглушки в закрытом положении; второй паз, выполненный в заглушке с возможностью взаимодействия с выступом при нахождении заглушки в открытом положении и расположенный на таком же расстоянии, что и первый паз, от плоскости, которая ортогональна оси поворота заглушки и которая проходит через ось сквозного отверстия, причем указанный второй паз расположен в плоскости, образованной осью поворота заглушки и осью сквозного отверстия заглушки, при этом первый паз в угловом измерении отстоит от второго паза на угол, составляющий от 70 до 80 градусов.
Данная известная конструкция имеет ряд недостатков:
- запорный клапан, прерывающий гидравлическую связь полости входного патрубка с межседельной полостью, выполнен в виде единой сборки, интегрированной в корпус крана, усложняет конструкцию и снижает надежность;
- уплотнительный узел, состоящий из обоймы и седла, герметизируется мембранами одного диаметра, при этом седла разгружаются только от гидравлического давления среды и остаются в контакте с шаровой пробкой под действием сжатия пружин, таким образом, контакт остается.
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности и срока службы.
Техническим результатом является разработка шарового крана с уменьшенным крутящим моментом, который позволяет осуществить поворот шаровой пробки относительно седел без износа при открытии и закрытии и, следовательно, сохранить герметичность по рабочей среде.
Технический результат достигается тем, что вторичные уплотнения седел выполнены в виде гофрированных мембран различных диаметров, при этом запорное устройство представляет собой клапан, который образуется при контакте уплотнительной поверхности, расположенной на штоке, и ответной уплотнительной поверхности на крышке корпуса, причем клапан перекрывает канал гидравлической связи входного патрубка с полостью, образованной корпусом, шаровой пробкой и седлами, в закрытом положении крана, кроме того, одно из седел может быть выполнено в виде дросселя.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
на фиг. 1 - общий вид шарового крана;
на фиг. 2 - увеличенный разрез шарового крана;
на фиг. 3 - вид А;
на фиг. 4 - разрез шарового крана (одно из седел выполнено в виде дросселя).
Кран содержит корпус 1, представляющий собой сосуд, выполненный из коррозионностойкой стали, имеющий входной 2 и выходной 3 патрубки с разделкой кромок под приварку трубопровода (см. фиг. 1).
Кран содержит шаровую пробку 4, установленную на подшипниках 5, которые позволяют ей вращаться, воспринимают осевые и радиальные нагрузки, действующие на нее (см. фиг. 1, 2).
Корпус 1 выполнен с верхним разъемом крышки 6. Соединение корпуса 1 с крышкой 6 обеспечивается шпилечным соединением. Герметизация разъема между крышкой 6 и корпусом 1 осуществляется спирально-навитой прокладкой 7 и усиковым сварным швом 8 (см. фиг. 2).
В крышке 6 установлен механизм преобразования поступательного движения штока 9 во вращательное движение шаровой пробки 4 посредством несамотормозящей резьбовой пары, образованной гайкой 10 и резьбовой втулкой 11. Гайка 10 резьбовой пары вращается в упорных подшипниках 12 и передает вращательный момент шаровой пробке 4 посредством шлицевого соединения Б. Резьбовая втулка 11 резьбовой пары установлена на шток 9 в нижней его части и связана с ним шлицевым соединением В. Резьбовая втулка 11 фиксируется гайкой 13 на штоке 9 с обеспечением конструктивного торцевого зазора Г в осевом направлении (см. фиг. 2).
Относительно внешней среды шток 9 герметизируется сильфоном 14 и дублирующим сальником 15 (см. фиг. 1).
На штоке 9 выполнена уплотнительная поверхность Д, которая контактирует с ответной уплотнительной поверхностью Е на крышке 6 корпуса 1 и образует клапан (см. фиг. 2).
В корпусе 1 и крышке 6 имеется канал гидравлической связи 16, соединяющий полость входного патрубка 2 с полостью 17 крышки 6, а при открытом клапане с межседельной полостью 18, образованной корпусом 1, шаровой пробкой 4 и седлами 19 (см. фиг. 2).
Во внутренней полости корпуса 1 соосно с осью выполнены проточки, в которые установлены уплотнительные узлы 20. Уплотнительный узел 20 состоит из обоймы 21, седла 19, мембран 22 и 23, отжимных винтов 24, полуколец 25 и пружин 26 (см. фиг. 1, 3).
Обойма 21 и седло 19 уплотняются относительно друг друга посредством вваренных гофрированных мембран 22 и 23, причем диаметральные размеры мембран различны. Седло 19 имеет возможность осевого и углового смещения относительно обоймы 21 в допустимых пределах (см. фиг. 2, 3).
Уплотнительный узел 20 герметизируется относительно корпуса 1 прокладкой 27. Обжатие прокладки 27 осуществляется отжимными винтами 24 (см. фиг. 3).
Кран работает следующим образом: в положении «закрыто» существует перепад давлений в полостях входного 2 и выходного 3 патрубков. При этом клапан, который образуется при контакте уплотнительных поверхностей Д и Е, закрыт, и гидравлическая связь через канал 16 между полостью входного патрубка 2 с межседельной полостью 18 отсутствует. Во входном патрубке 2 высокое давление рабочей среды осуществляет гидравлическое прижатие седла 19 со стороны входного патрубка 2 к уплотнительной поверхности шаровой пробки 4. Усилие поджатая пружин 26 добавляет величину прижатия седла 19 к шаровой пробке 4. В межседельной полости 18 устанавливается давление, которое уравновешивается гидравлическим давлением среды в выходном патрубке 3 и усилием пружин 26 выходного патрубка 3. В межседельной полости 18 создается давление среды, существенно ниже давления среды во входном патрубке 2.
В момент начала срабатывания крана на открытие привод 28 начинает перемещать шток 9 в верхнее положение, причем, за счет зазора Г в начальный момент времени открывается клапан, образованный контактом уплотнительных поверхностей Д и Е, в результате чего происходит гидравлическое соединение полости входного патрубка 2 с межседельной полостью 18 через канал гидравлической связи 16, то есть в начальный момент времени в межседельной полости 18 создается давление, равное давлению во входном патрубке 2. За счет разности площадей мембран 22 и 23 (со стороны межседельной полости 18 площадь мембран 22 больше, чем мембран 23 со стороны входного 2 и выходного 3 патрубков - величина расчетная) сначала давлением отжимается седло 19 со стороны выходного патрубка 3 на величину зазора Ж, заложенного конструктивно между обоймой 21 и седлом 19, а через образующийся зазор между уплотнительными поверхностями шаровой пробки 4 и седла 19 часть жидкости дросселлируется в выходной патрубок 3, при этом через канал гидравлической связи 16 жидкость постоянно пополняет межседельную полость 18. Давление в межседельной полости 18 снижается, но его величины достаточно, чтобы отжать седло 19 со стороны входного патрубка 2 либо существенно снизить усилие прижатия седла 19 к шаровой пробке 4 со стороны входного патрубка 2.
При появлении сигнала на приводе 28 на закрытие крана шаровая пробка 4 «безызносно» поворачивается в положение «закрыто», при этом в конце рабочего хода клапан, образованный контактом уплотнительных поверхностей Д и Е, перекрывает канал гидравлической связи 16. За счет разности площадей мембран 22 и 23 давление в межседельной полости 18 падает, а седло 19 со стороны входного патрубка 2 нагружается гидравлическим давлением. Дальнейшее падение давления в межседельной полости 18 приводит к уплотнению седла 19 со стороны выходного патрубка 3.
При использовании крана только с односторонним направлением рабочей среды обойму 21, седло 19, мембраны 22 и 23 и пружины 26 выходного патрубка 3 заменяются дросселем 29, который установлен относительно шаровой пробки 4 с минимальным постоянным зазором (см. фиг. 4).
Такое техническое решение повышает надежность работы и увеличивает срок службы крана.
Такое техническое решение уменьшает крутящий момент привода, который позволяет осуществить поворот шаровой пробки относительно седел без износа при открытии и закрытии и, следовательно, сохранить герметичность по рабочей среде.