Кран шаровой
BALL VALVE

Изобретение относится к области запорной трубопроводной арматуры, а именно, к крану шаровому для использования на трубопроводах с агрессивной средой, эксплуатируемых при высоких температурах и давлениях, а также в условиях термоциклирования и в условиях воздействия низких температур.
Известен кран шаровой, содержащий корпус, в проходном канале которого размещены шар-пробка с каналом для прохождения среды, связанная с приводом ее вращения, и уплотнения, расположенные по обе стороны шара-пробки, (см. описание изобретения к патенту №2 669 056, «Шаровой кран с комбинированным седловым уплотнением», МПК F16K 5/06, F16K 5/20, опубл. 08.10.2018).
Известный кран содержит размещенное в прямой расточке корпуса крана комбинированное уплотнение, состоящее из кольца трапециевидной формы из эластомера (резины) и сегмента, выполненного с поверхностью, контактирующей со сферической поверхностью шара-пробки.
Сегмент выполнен из листового металлофторопластового материала, обращен рабочим фторопластовым слоем к поверхности сферической шара-пробки и откалиброван по радиусу сферической шара-пробки с приклеенным к его тыльной стороне кольцом из эластомера трапециевидной формы. При этом резиновое кольцо выполнено с бортом по цилиндрической поверхности высотой не менее 1-2 мм.
Основным недостатком комбинированного уплотнения является сложность обеспечения герметичности между шаром-пробкой и контактирующей с ним жесткой металлофторопластовой пластиной, являющейся частью комбинированного уплотнения, а также высокая трудоемкость изготовления уплотнения и невозможность применять его при высоких давлениях из-за использования в качестве основного материала резины, обладающей невысокими прочностными характеристиками.
Известен кран шаровой, содержащий корпус, в проходном канале которого размещены шар-пробка с каналом для прохождения среды, связанная с приводом ее вращения, и комбинированные уплотнения, расположенные по обе стороны шара-пробки (см. описание к свидетельству на полезную модель Российской Федерации №21632 МПК F 16К5/04, F16К5/06 от 21.06.2001 г.).
Каждое уплотнение в известном шаровом кране состоит из уплотнительного кольца и резинового кольца, устанавливаемого дополнительно между уплотнительным кольцом и корпусом, или между уплотнительным кольцом и патрубком.
Уплотнительные кольца выполнены из электроизоляционного материала с консольными выступами. Консольный выступ по длине имеет криволинейный профиль, повторяющий сферическую форму охватываемой поверхности шара. В качестве уплотнительного электроизоляционного материала уплотнительных колец использован фторопласт, при этом поверхность шара полирована.
Устройство ненадежно герметизирует проходное сечение, так как применение уплотнений из фторопласта, обладающего текучестью под нагрузкой, особенно при повышенных температурах, не позволяет получить достаточный уровень контактных давлений на контактирующих поверхностях, а наличие дополнительных резиновых колец усложняет сборку крана.
Известен кран шаровой, содержащий корпус, в проходном канале которого размещены шар-пробка с каналом для прохождения среды, связанная с приводом ее вращения, и комбинированные уплотнения, расположенные по обе стороны шара-пробки, (см. описание полезной модели к патенту №181 249,«Запорное устройство», МПК F16K 5/06, F16K 5/20, опубл. 06.07.2018).
Каждое уплотнение выполнено из двух колец: наружного и расположенного в нем внутреннего. Наружное кольцо выполнено из "мягких" полимеров на основе фторопластов для уплотнения разъема по корпусу профилем "выступ-впадина", а внутреннее - из "жестких" полимеров на основе фторопласта Ф4 (АР 200) для герметичного уплотнения по шару-пробке.
На малых давлениях среды герметичность по шару обеспечивается упругостью седла, на больших давлениях среды обеспечивается прижатием шара к седлам потоком среды.
Устройство ненадежно герметизирует сопряжения проходного сечения, так как наружное и внутреннее седла выполнены из фторопласта, который подвержен ползучести, в то же время в нем отсутствуют механизмы компенсации текучести фторопласта под давлением рабочей среды. Кроме того, применяя жесткие полимеры, контактирующие с шаром-пробкой, трудно обеспечить надежную герметичность в сопряжении.
Известен кран шаровой, содержащий корпус, в проходном канале которого размещены шар-пробка с каналом для прохождения среды, связанная с приводом ее вращения, и уплотнения, расположенные по обе стороны шара-пробки, (см. описание полезной модели к патенту №143 996, «Узел уплотнения шарового запорного элемента», МПК F16K 5/06, опубл. 10. 08.2014).
Корпус крана шарового снабжен с двух сторон ввинчивающимися втулками. Корпус крана и втулки образуют канал для установки уплотнительных элементов, в котором уплотнительные элементы плотно зажимаются и деформируются, чем и достигается герметичность крана шарового. Уплотнительные элементы имеют сложное поперечное сечение (в виде многоугольника), которое обеспечивает герметичность крана шарового в результате его деформации и зажима.
Недостатком известного уплотнения является отсутствие механизма компенсации пластической деформации уплотнения, которая возникает при неконтролируемом ввинчивании втулок, а также под нагрузкой. В результате происходит разгерметизация сопряжения шара-пробки и уплотнения узла.
Известен кран шаровой, принятый в качестве прототипа,
содержащий корпус, в проходном канале которого размещены связанная с приводом ее вращения сферическая шар-пробка с каналом для прохождения среды и комбинированные уплотнения, расположенные по обе стороны шара-пробки, состоящие из корпуса, выполненного в виде кольца с поперечным сечением в виде многоугольника, и с пазом для установки кольцевого упругого элемента, (см. описание изобретения к патенту №2 730 199, «Кран шаровой», МПК F16K 5/06, F16K 27/06, опубл. 19. 08.2020).
Уплотнение известного крана шарового состоит из седла, выполненного из фторопласта или иной пластмассы, и уплотнения в виде кольцевого упругого элемента, расположенного в канавке со стороны корпуса крана шарового.
Кольцевой упругий элемент выполнен с сечением в форме круга, с сердечником из резины, покрытого фторопластовой оболочкой из сополимеров фторопласта Ф4МБ или Ф-50.
Недостатком известного уплотнения является малая площадь контакта упругого элемента с седлом, что снижает герметизирующую способность уплотнения и упругое воздействие упругого элемента на седло.
Кроме того наличие нескольких элементов усложняет сборку и снижает надежность герметизации узла.
изобретения
обеспечение надежной герметичности
Технической задачей  является , а также улучшение технических характеристик шарового крана путем расширения функциональных возможностей, за счет обеспечения уплотнения между седлом и корпусом крана, постоянного поджатия седла к шару-пробке и поддержание таким образом контактного давления даже при пониженных температурах, компенсируя разницу линейного расширения шара-пробки и седла при термоциклировании, и обеспечивая эффект самоуплотнения с ростом давления рабочей среды.
при этом
Техническая задача решается тем, что кран шаровой содержит корпус, в проходном канале которого размещены шар-пробка со сквозным каналом для прохождения среды, связанная с приводом ее вращения, и расположенные по обе стороны шара-пробки комбинированные уплотнения, состоящие из седла, выполненного в виде кольца с поперечным сечением в виде многоугольника, и упругим элементом, расположенным в пазу, выполненном со стороны корпуса крана шарового,  поверхность седла со стороны шара-пробки выполнена под углом α=25-35° внутрь седла от его торца, поверхность седла со стороны противоположного торца седла выполнена под углом β=10-20° внутрь седла от его торца, а наружная поверхность седла от прямоугольного паза до торца со стороны шара-пробки выполнена под углом γ=10-20° наружу к корпусу крана.
Седло выполнено из термопластичного полимера или композиционного материала на основе термопластичных полимеров с антифрикционными и усиливающими наполнителями. Упругий элемент выполнен из резины, полиуретана или термоэластопласта. Упругий элемент  прикреплен к седлу в прямоугольном пазу методом прессования или литья под давлением.
Предлагаемое комбинированное уплотнение, состоящее из седла и упругого элемента, при сборке обеспечивает упругое воздействие седла на шар-пробку, поддерживая таким образом контактное давление, и позволяет сохранять в процессе эксплуатации крана шарового надежную герметичность в любом положении шара-пробки.
Возможность осуществления технического решения подтверждается конкретным примером выполнения крана шарового с двумя уплотнениями шара-пробки, который иллюстрирован чертежами: на фиг.1 изображен общий вид крана шарового; на фиг.2 - фрагмент сечения уплотнения и шара-пробки до сборки; на фиг.3 - то же после сборки; на фиг.4 - расположение углов «альфа» (α), «бета» (β) и «гамма» (γ) в сечении седла.
Кран шаровой (фиг.1) состоит из корпуса 1, в проходном канале которого размещена шар-пробка 2, выполненная с каналом для прохождения среды, соединенная с приводом ее вращения, и уплотнения, расположенные по обе стороны от шара-пробки 2 (канал и привод на чертеже не показаны).
Уплотнения выполнены комбинированные, состоящие из седла 3, выполненного из термопластичного полимера или композиционного материала на основе термопластичных полимеров с антифрикционными и усиливающими наполнителями, и упругого элемента 4 из эластомерного материала. Конфигурация и размеры входящего в состав седла 3 упругого элемента 4 подбирают таким образом, чтобы создавалось максимальное дополнительное давление на седло 3, прижимающее его к шару-пробке 2 и к корпусу 1 крана шарового.
Сечение седла 3 представляет собой многогранник с прямоугольным пазом с внешней стороны (со стороны корпуса крана шарового) в нижней части седла 3, в котором расположен упругий элемент 4 (прямоугольный паз на чертеже не показан).
Поверхность 5 седла со стороны шара-пробки 2 выполнена под углом α=25-35° внутрь седла 3 от его торца, поверхность 6 седла 3 со стороны противоположного торца седла 3 выполнена под углом β=10-20° внутрь седла от его торца, а наружная поверхность 7 седла от прямоугольного паза до торца со стороны шара-пробки 2 выполнена под углом γ=10-20° наружу к корпусу крана.
Величина углов α, β, γ подбирается в зависимости от свойств материала седла3 и диаметра шара-пробки 2 таким образом, чтобы обеспечивалось два условия:
- максимальное усилие прижатия седла3 к шару-пробке 2;
- максимальная площадь контакта шара-пробки 2 и контактирующей с ней поверхности седла 3.
При сборке крана шарового седло 3 совместно с упругим элементом 4 комбинированного уплотнения сжимаются и деформируются, выполняя при этом сразу несколько функций:
- обеспечивают начальное контактное давление на сопрягаемых поверхностях;
- поддерживают его в течение всего срока службы, не смотря на температуру (пониженная или повышенная);
- обеспечивают герметичность не только в сопряжении седло - шар-пробка, но и между корпусом крана шарового и седлом.
Упругий элемент 4 выполнен с сечением шириной равной ширине одной грани прямоугольного паза седла 3 и не менее длины второй грани прямоугольного паза седла 3.
Упругий элемент 4 может быть изготовлен из полиуретана или термоэластопласта и привулканизован посредством прессования или литья под давлением к седлу 3 в пазу, выполненном по наружной поверхности седла 3, в нижней его части. Седло 3 и упругий элемент 4 при эксплуатации не отделимы друг от друга и работают совместно.
Применение предлагаемого комбинированного уплотнения шара-пробки 2 позволяет увеличить надежность функционирования за счет поддержания постоянного контактного давления на сопрягаемых поверхностях, увеличить ресурс эксплуатации крана и одновременно увеличить рабочие параметры перекачиваемой среды, а именно, температуру и давление, а также перекачивать среды любой агрессивности. При этом существенно упрощается конструкция крана шарового и снижается стоимость изготовления.