ШАРОВОЙ КРАН ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к трубопроводной арматуре, в частности к конструкции шарового крана, и предназначена для использования в области энергетики, нефтегазовой и химической промышленности, например, для перекрытия потока взрывоопасной газообразной среды в магистральных газопроводах транспортирующих природный газ или водород.
Известен промышленный шаровой клапан (кран) двойного действия с уплотнительной системой, содержащий седла с эластомерным и термопластичным уплотнительным элементом, причем эластомерный уплотнительный элемент удерживается в гнезде седла только с помощью термопластичного элемента и особой формы гнезда. Периметр эластомерного уплотнительного элемента находится в контакте только с термопластичным элементом и с внутренними краями гнезда. Гнездо имеет открытое спереди прямоугольное сечение и предназначено для приема термопластичного элемента. Это решение направлено на повышение срока службы уплотнительной системы за счёт стабилизации положения эластомерного уплотнительного элемента (патент на изобретение РФ № 2573092, МПК F16K 5/06, 2016 г.).
Недостатком этого устройства является то, что уплотнительная система не обеспечивает надёжную герметичность при высоких давлениях по причине отсутствия разгрузочных отверстий в седле, предназначенных для исключения вырыва эластомерного уплотнительного элемента из гнезда в начальный момент открытия шарового крана.
Известен также шаровой кран с седлом, содержащий корпус с входным и выходным магистральными патрубками, шаровую поворотную пробку и два подпружиненных седла. Каждое седло содержит уплотнительное полиуретановое или резиновое кольцо, зафиксированное в канавке, образованной контуром седла и запрессованным полимерным кольцом. Также седло содержит каналы для подвода герметизирующей смазки в зону уплотнения между пробкой и седлами и разгрузочные отверстия, предназначенные для исключения вырыва основного уплотнительного кольца из его посадочной канавки в начальный момент открытия шарового крана, а также для обеспечения дополнительного поджатия кольца давлением транспортируемого газа при выходе из строя одного из двух седел шарового крана. По мнению авторов, заявленное техническое решение направлено на повышение герметичности шарового крана, увеличение срока эксплуатации крана до ремонта и исключение деталей кольца прижимного и винтов из сборки седла (Патент на полезную модель РФ №203482, МПК F16K 5/06, 2020 г.).
Данное техническое решение является наиболее близким к предложенному, поэтому принято за прототип.
Недостатком прототипа является то, что разгрузочные отверстия исключают вырыв основного уплотнительного кольца из посадочной канавки в момент открытия шарового крана при подаче рабочей среды в одном направлении: при наличии давления в патрубке и отсутствии в корпусе. При этом заявленное дополнительное поджатие кольца давлением обеспечивается при неподвижной пробке, а в начальный момент открытия крана дополнительное поджатие уплотнения через разгрузочные отверстия наоборот, способствует вырыву уплотнительного кольца из гнезда. Это происходит вследствие того, что в начальный момент открытия крана в образовавшийся зазор из корпуса в патрубок устремляется рабочая среда с большой скоростью, причем в суженном сечении средняя скорость потока повышается, а статическое давление в данном сечении становится меньше статического давления перед суженным сечением. Вследствие возникновения разницы давления рабочей среды, которая подводится через разгрузочные отверстия к тыльной стороне основного уплотнительного кольца, и рабочей среды, перемещающейся с большой скоростью перед рабочей стороной основного уплотнительного кольца, возникает сила, воздействующая на уплотнительное кольцо и стремящаяся вырвать его из гнезда. Таким образом, это известное техническое решение может использоваться в кранах с функцией DBB - шаровых кранов с двумя седлами, каждое из которых однонаправленное и в закрытом положении обеспечивает герметичность при наличии давления только с одной стороны, но не подходит для кранов с функцией DIB - шаровых кранов с двумя седлами, каждое из которых двунаправленное и в закрытом положении обеспечивает герметичность при наличии давления с любой из сторон. В соответствии с требованиями нормативных документов, конструкция седел шаровых кранов для газовой промышленности с пробкой в опорах должна обеспечивать требуемую герметичность затвора в любом направлении подачи рабочей среды, поэтому устройство по прототипу не обеспечит надежную эксплуатацию крана в составе газопровода.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении надежности работы шарового крана за счет увеличения срока его эксплуатации до ремонта и исключения возникновения аварийной ситуации, связанной с вырывом уплотнительного кольца в момент его открытия и потерей герметичности крана при подаче рабочей среды в любом направлении, и обеспечения требуемой герметичности шарового крана с функцией DIB, предназначенного для установки на магистральных газопроводах, транспортирующих природный газ или водород.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в шаровом кране для магистральных газопроводов, содержащем корпус с входным и выходным магистральными патрубками, шаровую поворотную пробку, седла, уплотнительное полиуретановое или резиновое кольцо, зафиксированное в посадочной канавке, образованной контуром седла и запрессованным полимерным кольцом, в седле выполнены разгрузочные отверстия, в каждом разгрузочном отверстии установлен обратный клапан для сброса давления из посадочной канавки, состоящий из запорного органа, поджимаемого пружиной и фиксирующего пружину фиксатора, в котором выполнено сбросное отверстие, сообщенное с разгрузочным отверстием. Причем сбросное отверстие в фиксаторе выполнено соосно разгрузочному отверстию.
Устройство иллюстрируется чертежами, где
на фиг. 1 изображен шаровой кран, продольный разрез;
на фиг. 2 - представлено седло в разрезе с обратным клапаном;
на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1, увеличено, шаровая пробка показана в начальный момент открытия крана при наличии давления в патрубке и отсутствии давления в корпусе;
на фиг. 4 - сечение А-А на фиг. 1, увеличено, шаровая пробка показана в начальный момент открытия крана при наличии давления в корпусе и отсутствии давления в патрубке.
Шаровой кран содержит корпус 1, выполненный из металла, с магистральными патрубками 2, шаровую поворотную пробку 3, установленную в опорах, подпружиненное седло 4, полиуретановое или резиновое уплотнительное кольцо 5, (материал кольца выбирают в зависимости от температуры транспортируемой среды), зафиксированное в посадочной канавке 6, образованной контуром седла 4, и запрессованное полимерным кольцом 7. Полимерное кольцо 7 также служит скребком, исключающим непосредственный контакт металла седла 4 с шаровой поворотной пробкой 3 шарового крана, что обеспечивает сохранение целостности и долгого срока службы износостойкого покрытия, нанесенного на сферическую поверхность шаровой поворотной пробки 3. Седло 4 содержит каналы 8 для подвода герметизирующей смазки в зону уплотнения между шаровой поворотной пробкой 3 и седлом 4, и разгрузочные отверстия 9 для исключения вырыва основного уплотнительного кольца 5 из посадочной канавки 6 в момент открытия шарового крана, когда давление рабочей среды в патрубке 2 больше, чем в корпусе 1. В разгрузочных отверстиях 9 установлен обратный клапан 10, который содержит запорный орган 11, поджимаемый пружиной 12, и фиксатор 13, фиксирующий пружину 12. В фиксаторе 13 выполнено сбросное отверстие 14, соосное оси разгрузочного отверстия 9.
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники, известным из научно-технической и патентной документации на дату приоритета, не выявило средство, которому присущи признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в заявленной формуле полезной модели, т.е., совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна и не тождественна каким-либо известным техническим решениям, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".
Данное техническое решение промышленно применимо, поскольку в описании к заявке и названии полезной модели указано его назначение, оно может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".
Принцип работы шарового крана с функцией DIB.
Седло 4 поджимается к шаровой поворотной пробке 3 шарового крана под действием давления транспортируемой среды.
В начальный момент открытия крана (фиг. 3), при наличии давления Р3=PN в патрубке 2 и отсутствии давления (Р1=0) в корпусе 1, высвобождается сегмент уплотнительного кольца 5. В этом месте кольцо деформируется и под действием соотношения давлений Р3>Р2>Р1, выдвигается из седла, а в посадочную канавку 6 под уплотнительное кольцо 5 попадает рабочая среда из патрубка 2 с давлением Р3=PN. При последующем повороте пробки 3 рабочая среда приподнимает запорный орган 11 обратного клапана 10, сжимая пружину 12, и сбрасывается из посадочной канавки 6 через сбросное отверстие 14 фиксатора 13 в корпус 1, после чего уплотнительное кольцо 5 возвращается обратно в посадочную канавку 6.
При наличии давления Р1=PN в корпусе 1 и отсутствии давления (Р3=0) в патрубке 2 в начальный момент открытия крана (фиг. 4), когда возникает соотношение давлений Р3<Р2<Р1, обратный клапан 10 перекрывает подвод рабочей среды давлением Р1=PN из корпуса 1 в посадочную канавку 6 под уплотнительное кольцо 5 через разгрузочное отверстие 9, т.е. клапан герметичен и не позволяет рабочей среде с давлением Р1=PN при движении из корпуса 1 в патрубок 2 вырвать уплотнительное кольцо 5 из посадочной канавки 6 седла 4 в сторону зазора между шаровой поворотной пробкой 3 и седлом 4 с перемещающейся с большой скоростью рабочей средой с более низким давления Р2.
Р1 - давление в корпусе;
Р2 - давление в зазоре между шаровой поворотной пробкой и седлом в начальный момент открытия крана;
Р3 - давление в патрубке;
PN - давление транспортируемой среды.
Таким образом, обеспечивается требуемая герметичность шарового крана в любом направлении подачи рабочей среды. Шаровой кран с функцией DIB соответствует требованиям нормативных документов и может применяться в газовой промышленности в магистральных газопроводах транспортирующих природный газ или водород.
Использование заявленной полезной модели позволит повысить надежность работы шарового крана за счет увеличения срока его эксплуатации до ремонта и исключения возникновения аварийной ситуации, связанной с вырывом уплотнительного кольца в момент открытия и потерей герметичности крана при подаче рабочей среды в любом направлении, и обеспечить требуемую герметичность шарового крана с функцией DIB, предназначенного для установки на магистральных газопроводах, транспортирующих природный газ или водород.
Кроме того, расширяется арсенал средств определенного назначения, альтернативного известному из прототипа решению.