ШАРОВОЙ КРАН

Полезная модель относится к трубопроводной запорной арматуре, применяемой для отсечки или регулирования потоков агрессивных жидкостей и газов в системах холодного и горячего водоснабжения промышленного и жилищно-коммунального хозяйства, химической, нефтяной и металлургической промышленности. Специфической особенностью модели является возможность использования ее для аварийных, следовательно после длительного бездействия и вероятности отсутствия профилактических работ, гарантированной отсечки или открытия трубопровода.
Известен шаровой кран (патент РФ на полезную модель №86691 МПК F16K 5/20, опубл. 10.09.2009 г, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, проходной канал, сферическую поворотную пробку, уплотнительные седла, прижимающую их подвижную подпружиненную втулку, соединенную с корпусом герметичным соединением, управляющий узел, установленный на шпиндель шарового крана, подвижная подпружиненная втулка поджата пакетом тарельчатых пружин при этом герметичное соединение втулки с корпусом выполнено в виде подвижной кольцевой металлической мембраны.
Недостатками технического решения являются невысокая надежность, связанная с наличием уплотнений, между сферической поворотной пробкой проходным каналом, проходным каналом и атмосферой, выполненных из неметаллических материалов, нестабильных в агрессивных средах и с рабочими телами, следовательно ненадежных, в особенности, при высоких температурах или частых перепадах температур. Разборный характер конструкции, сопряженный с использованием уплотнительных прокладок из неметаллических материалов и болтовых соединений, склонных соответственно к старению и коррозии снижают надежность шарового крана при его использовании в качестве аварийного, который длительное время находится или в открытом или закрытом положении, причем без проведения регламентных работ, но при возникновении аварийной ситуации должен исключать возможность отказа, например по причине деструкции уплотнительных прокладок и уплотнений, коррозии элементов управляющего узла или заклинивания шаровой пробки при гуммировании рабочего тела между ней и седлом. Данное техническое решение, в связи с перечисленными причинами, предполагает обязательное и систематическое проведение регламентных работ. Отличительные особенности существенно усложняют конструкцию шарового крана.
Известен узел уплотнения подвижного соединения (патент РФ №2273781 МПК F16K 5/06, опубл. 10.04.2006 г.), содержащий кольцевой блок, одна часть которого установлена в кольцевую канавку корпуса а другая выполнена по форме и с возможностью контакта с поверхностью контр детали, а кольцевой блок включает в себя два уплотнительных кольцевых тела из которых первое выполнено из материала с более высокими показателями твердости и прочности, второе из более мягкого и эластичного уплотнительного термостойкого - терморасширенного графита, причем первое и второе уплотнительные тела монолитно связаны друг с другом. Недостатками технического решения являются невысокая надежность, связанная с наличием соединений неметаллических уплотнительных кольцевых тел между собой и с металлическим корпусом, при герметизации проходного канала, стабильностью физических и механических свойств материалов из которых выполнены кольцевые блоки, в особенности при высоких температурах или частых перепадах температур.
Наиболее близким техническим решением является шаровой кран (патент РФ на полезную модель №139949 МПК F16K 5/06, F16K 31/44, опубл. 26.11.2013), содержащий корпус с соосными входным и выходным патрубками, шаровую поворотную пробку, сопряженную с валом, и рукоятку привода, оснащенную двухсторонним храповым механизмом с обеспечением возвратно-вращательного движения с фиксацией шаровой пробки через 90°, отличающийся тем, что двухсторонний храповой механизм, содержащий сдвоенное храповое колесо, собачки, расположенные на внутреннем конце рукоятки привода, и шарнир, заключен в корпус, при этом между рукояткой привода и корпусом двухстороннего храпового механизма установлено уплотнение в виде сильфона для герметизации проходного канала, а корпус шарового крана, корпус двухстороннего храпового механизма и сильфон выполнены цельносварными.
Недостатком данного технического решения является недостаточная герметичность проходного канала в закрытом состоянии.
Задачей является создание новой конструкции шарового крана, обеспечивающей герметичность проходного канала как в открытом, так и закрытом состоянии, работающей при значительных давлениях и температурах в сети.
Техническим результатом является повышение надежности шарового крана при сохранение работоспособности и при исключении необходимости выполнения технического обслуживания крана а также упрощение конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что шаровой кран, состоящий из цельносварных корпуса с соосными входным и выходным патрубками, корпуса двухстороннего храпового механизма и сильфона, установленного между рукояткой привода и корпусом двухстороннего храпового механизма, содержит шаровую поворотную пробку, сопряженную с валом, и рукоятку привода, при этом проходной канал крана дополнительно снабжен уплотнением в виде сильфона, приваренного к входному патрубку и установленного с поджатием к шаровой поворотной пробке, причем, контактирующая с шаровой поворотной пробкой поверхность сильфона выполнена в виде седла.
Двухсторонний храповой механизм, содержащий сдвоенное храповое колесо, собачки, расположенные на внутреннем конце рукоятки привода, и шарнир и заключенный в корпус, обеспечивает реверсирование поворота шаровой пробки, а соотношение плеч рукоятки привода и собачек храповика позволяет создать на валу шаровой пробки момент, достаточный для ее проворота при открывании или закрывании крана в случае гуммирования рабочего тела.
Уплотнение в виде сильфона, установленное между рукояткой привода и корпусом двухстороннего храпового механизма, значительно повышает надежность работы шарового крана, так как обеспечивается абсолютная герметичность трубопровода по отношению к внешней среде, исключается применение неметаллических материалов и вероятность отказов в работе, связанных с их старением, закоксовыванием, схватыванием, а также позволяет уменьшить частоту проведения технического обслуживания в процессе эксплуатации, а малая жесткость сильфона и значительная допустимая деформация в угловом направлении позволяют уменьшить габариты шарового крана и повысить долговечность за счет снижения напряжений в материале сильфона.
Уплотнение в виде сильфона, установленное между впускным патрубком и шаровой пробкой обеспечивает прижим седла проходного канала к шаровой пробке в открытом положении шарового крана, усиленный прижим в закрытом положении за счет использования давления рабочего тела в трубопроводе, наличие зазора между сильфоном проходного канала и корпусом шарового крана при транспортировке вязких и гуммирующихся рабочих тел способствует снижению усилия отрыва седла проходного канала от шаровой пробки после длительного бездействия крана.
Выполнение седла сильфона проходного канала упруго податливым в поперечной плоскости и использование давления рабочего тела для дополнительного прижима седла сильфона проходного канала к шаровой пробке обеспечивают высокую герметичность проходного канала.
Выполнение корпуса крана, корпуса двухстороннего храпового механизма, сильфона храпового механизма и сильфона проходного канала цельносварными обеспечивает абсолютную герметичность трубопровода по отношению к внешней среде и сохранение работоспособности шарового крана после длительного бездействия при исключении необходимости обслуживания, повышая надежность работы шарового крана.
На рисунке изображено профильное сечение шарового крана.
Шаровой кран содержит цельно сварной корпус с соосными входным 1 и выходным 2 патрубками, между которыми расположена шаровая поворотная пробка 3, перекрывающая проходной канал. На валу 4 шаровой поворотной пробки 3 закреплено сдвоенное храповое колесо 5 со встречным наклоном зубьев с возможностью зацепления с подпружиненными собачками 6 и 7 двустороннего храпового механизма, на внутренних концах рукоятки привода 8, шарнирно, посредством пальца 9, зафиксированным в осевом направлении фланцем 10 приваренным к корпусу 11 двустороннего храпового механизма. Наружный конец рукоятки привода 8 для поворота двустороннего храпового колеса 5 снабжен шайбой 12, а к ней и к фланцу 10 приварен сильфон 13, обеспечивающий герметизацию проходного канала от атмосферы в зоне шарнира рукоятки привода 8, обеспечивая возможность ее поворота относительно корпуса 11 двустороннего храпового механизма за счет упругой деформации сильфона 13, а усилие от сдвоенного храпового колеса 5 для поворота шаровой пробки 3 передается посредством вала 4. Для герметичного перекрытия проходного канала в цилиндрической расточке впускного патрубка 1, с поджатием к шаровой поворотной пробке 3 установлен упругий и предварительно напряженный в осевом направлении, с целью обеспечения поджатая к сферической поверхности шаровой поворотной пробки 3 сильфон проходного канала 14, соединенный посредством сварки с торцевой поверхностью расточки входного патрубка 1. Торец сильфона проходного канала 14 контактирующий с шаровой поворотной пробкой 3 выполнен в виде седла 15 с заостренными, в зоне прилегания к шаровой поворотной пробке 3, кромками. При этом, седло 15 может быть выполненным как заодно с сильфоном проходного канала 14, так и в виде отдельной детали, типа тарельчатой пружины, соединенной также посредством сварки с сильфоном проходного канала 14.
Работает шаровой кран следующим образом:
В начальный момент открывания или закрывания шарового крана рукоятка 8 находится под действием сил упругости сильфона 13 в нейтральном положении.
Для перекрытия проходного канала рукоятку 8 циклично поворачивают от нейтрального положения до упора в сторону от продольной оси трубопровода. При этом верхняя собачка 6 входит в зацепление с верхним венцом сдвоенного храпового колеса 5, вращает его, а с ним посредством вала 4 поворачивается шаровая пробка 3 в направлении закрытия проходного канала. Нижняя собачка 7 с момента начала движения рукоятки 8 выходит из зацепления. При возврате рукоятки 8 в нейтральное положение верхняя собачка 6 скользит по зубьям верхнего венца храпового колеса 5, поджимая пружину собачки двустороннего храпового механизма при неподвижном сдвоенном храповом колесе 5 и шаровой пробке 3. По окончании прохождения зубчатого венца храпового колеса 5 в пределах от открытого состояния шаровой поворотной пробки 3 до закрытого, сопротивление движению на рукоятке 8 привода снижается, поскольку при этом заканчивается верхний зубчатый венец на сдвоенном храповом колесе 5, что свидетельствует о закрытом положении шаровой пробки 3.
На начальной стадии поворота шаровой пробки, по прошествии значительного времени с момента предшествующего использования шарового крана, седло 15 сильфона проходного канала 14 вследствии залипания, гуммирования рабочего тела или его закоксовывания, увлекается шаровой пробкой 3 в радиальном направлении до соприкосновения наружной радиальной поверхности сильфона проходного канала 14 с внутренней поверхностью расточки впускного патрубка 1, при котором происходит упругая деформация сильфона проходного канала 14 вблизи седла 15, разрушение отвердевших отложений и отрыв седла от шаровой пробки 3. При этом, заостренные наружная и внутренняя кромки седла 15 зачищают поверхность шаровой пробки 3 от отложений рабочего тела. Поскольку при сборке шарового крана сильфон проходного канала 14 устанавливается с поджатием седла 15 к шаровой пробке 3, то в момент завершения стадии перекрытия проходного канала усилие поджатия определяет степень уплотнения. По завершении перекрытия проходного канала, разность давления между впускным 1 и выпускным 2 патрубками приводит к возникновению в сильфоне проходного канала 14 осевого усилия, пропорционального этой разности давлений и обеспечивающего герметизацию проходного канала.
Соотношение плеч, одно из которых представляется рукояткой привода 8, а второе - собачками 6 и 7, определяет усилие поворота шаровой пробки 3, повышая надежность шарового крана после периода длительного неиспользования.
Для открывания проходного канала рукоятку привода 8 необходимо циклично поворачивать от нейтрального положения до упора, в противоположную сторону от продольной оси трубопровода до прекращения сопротивления движения шаровой пробки 3. При этом в зацеплении будут находиться нижний венец храпового колеса 5 и собачка 7 храпового механизма.
Шаровая поворотная пробка 3 с седлом 15 на начальной стадии открывания поворачиваются совместно при упругом деформировании сильфона проходного канала 14 до соприкосновения наружной радиальной поверхности сильфона проходного канала 14 с внутренней поверхностью расточки впускного патрубка 1, при котором происходит отрыв седла 15 от шаровой пробки 3, и выравнивание давления в магистрали.
Шаровой кран обеспечивает высокую надежность отсечки рабочего тела в проходном канале и абсолютную герметизацию рабочего тела от внешней среды, при высоких значениях давления и температуры, сохранение работоспособности с вязкими и агрессивными рабочими телами, агрессивной внешней средой, обеспечивает сохранение работоспособности после длительного бездействия при полном исключении необходимости выполнения технического обслуживания в процессе эксплуатации.