ЗАТВОР ШАРОВОЙ

Полезная модель относится к трубопроводной арматуре, конкретно к шаровым затворам, которые могут применяться в шаровых кранах и шаровых задвижках в нефтяной, газовой, химической и других отраслях народного хозяйства, где применяется запорная арматура.
Известны два основных типа шаровых кранов (задвижек): с "плавающим" шаровым затвором и с "плавающими" кольцами. По своей технической сути эти шаровые краны (задвижки) отличаются устройством шаровых затворов. Корпуса кранов (задвижек) лишь выполняют роль несущей жесткой оболочки, объединяющей детали шаровых затворов в одну целую конструкцию и тип соединения с трубопроводом (фланцевый, резьбовой или полухомутами).
К первому типу относятся шаровые затворы, у которых сферический запорный элемент выполнен отдельной деталью от шпинделя и может свободно перемещаться (в небольших пределах) относительно шпинделя, который только поворачивается относительно своей продольной оси и вращает сферический запорный элемент.
Ко второму типу относятся шаровые затворы, у которых шпиндель выполнен заодно со сферическим запорным элементом, а кольца могут перемещаться вдоль оси потока и прижиматься к сферическому запорному элементу за счет пружинных элементов или давления передаваемой трубопроводом среды.
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемой полезной модели является конструкция шарового затвора, описанная в справочном пособии " Современные конструкции трубопроводной арматуры для нефти и газа". Изд. 2-е, перераб. и доп. М., "Недра" 1976 г. Авт. Котелевский Ю.М., Мамонов Г.В., Нисман Л.Н. и др., стр142-144., рис.V 10. стр.144. В указанном источнике описан шаровой кран, состоящий из корпуса, в
который встроен "плавающий" шаровой затвор, шпинделя, уплотнительных колец, накидной гайки, крышки, нажимной втулки и элементов уплотнения шпинделя.
Указанный шаровой кран, а, фактически - шаровой затвор, при его относительной простоте, имеет следующие недостатки.
1. Повышенная трудоемкость из-за особых требований к точности изготовления - уплотнительные кольца и затвор должны быть соосными.
2. Уплотнение затвора обеспечивается накидной гайкой.
В конструкции затвора проникающим усилиям жидкости (газа) через уплотнения противостоят только сжимающие усилия от предварительной затяжки резьбового соединения. Таким образом, корпус затвора фактически подвергается двойной нагрузке и соответственно получается более массивным.
Несимметричность элементов корпуса относительно горизонтальной оси приводит к повышенным затратам по материалам и трудоемкости при изготовлении такого шарового затвора.
После нескольких поворотов затвора из положения "открыто" в "закрыто" и наоборот уплотнительные полимерные кольца изнашиваются и необходимо получить доступ к нажимной гайке и завернуть ее снова до упора. Особенно большой износ будет происходить при высоких давлениях и наличии абразивных частиц в растворах, которые применяются при обработке скважин нефти и газа.
Целью заявляемой полезной модели шарового затвора, является увеличение ресурса уплотнительных колец, снижение производственных затрат как за счет уменьшения требований к точности изготовления, так и снижение массы затвора за счет уменьшения напряжений в его корпусе от предварительной затяжки уплотнительных колец накидной гайкой.
В заявляемой полезной модели сферического запорного элемента существенно уменьшена его масса, габариты и трудоемкость. Исключена необходимость подтяжки уплотнительных полимерных колец, примыкающих к поверхности сферического запорного элемента в течение всего срока их службы.
Перечисленные преимущества заявляемой полезной модели, обеспечиваются:
- введением гарантированных зазоров в соединениях корпус - уплотнительные полимерные кольца, обеспечивающих ограниченное перемещение сферического запорного элемента не только вдоль продольной оси затвора, но и в плоскости перпендикулярной к продольной оси затвора, что существенно снижает требования к точности оборудования и удешевляет производство корпуса затвора;
- введением между корпусом затвора и уплотнительными полимерными кольцами эластичных манжет из упругого материала (резина, полиуретан);
- изменением функции нажимной гайки, которая обеспечивает только предварительное сжатие эластичных манжет и ограничивает величину перемещения уплотнительных полимерных колец вместе со сферическим запорным элементом вдоль оси затвора;
- и тем, что основное уплотняющее усилие производится давлением жидкости (газа), взаимодействующей с одной или двумя эластичными манжетами (в зависимости от закрытого или открытого положения сферического запорного элемента).
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 схематично изображен шаровой затвор. Затвор состоит из корпуса - 1, сферического запорного элемента - 2, шпинделя - 3, эластичных манжет - 4, уплотнительных полимерных колец - 5, поджимной гайки - 6 и герметизирующих колец - 7.
Как видно из чертежа сферический запорный элемент - 2 с зазором входит в выступ шпинделя - 3. Уплотнительные полимерные кольца - 5 также с зазором по торцу и по боковой поверхности в корпус - 1. Эластичные манжеты - 4 обеспечивают предварительный
прижим колец - 5 к поверхности сферического запорного элемента - 2. Нажимная гайка - 6 закручена до упора в корпус - 1 так, что у сферического запорного элемента - 2 остается возможность ограниченно "плавать" вместе с уплотнительными полимерными кольцами - 5 в образовавшейся замкнутой полости в корпусе - 1.
На фиг.2 показана конструкция затвора для высоких давлений с уплотнительными полимерными кольцами - 5 в тонкостенной металлической обойме - 8, необходимой для восприятия нагрузки от высокого давления жидкости (газа) при закрытом затворе.
Затвор работает следующим образом. В закрытом положении проходное отверстие сферического запорного элемента повернуто перпендикулярно продольной оси затвора и давлением жидкости (газа) через эластичную манжету уплотнительное полимерное кольцо, с силой, пропорциональной величине давления, прижимается к поверхности сферического запорного элемента и перемещает его вместе со вторым уплотнительным кольцом, сжимая вторую эластичную манжету, до тех пор пока не выберется небольшой зазор между вторым уплотнительным кольцом и выступом корпуса, обеспечивая надежное уплотнение соединений (см. фиг.1 слева - направо). При повороте на 90° шпиндель выступом на торце, входящим с зазором в паз сферического запорного элемента, поворачивает его проходное отверстие до совмещения с проходными отверстиями уплотнительных колец, что обеспечивает перетекание жидкости (газа) по трубопроводу В этом положении затвора давление жидкости (газа) воздействует одновременно на обе эластичные манжеты и прижимает уплотнительные полимерные кольца к поверхности сферического запорного элемента, обеспечивая надежное уплотнение соединений.
В процессе эксплуатации затвора происходит неравномерный износ полимерных колец (в горизонтальном сечении больше, чем в вертикальном), но за счет некоторой податливости уплотнительных полимерных колец усилие от давления рабочей среды через эластичные манжеты прижимает и изношенные кольца к изношенной сферической поверхности запорного элемента надежно уплотняя это соединение. Тем самым ресурс уплотнительных
полимерных колец увеличивается. При высоких давлениях рабочей среды (более 100 атм.) применение тонкостенных обойм не препятствует небольшой деформации уплотнительных колец, возникающей при износе их рабочих поверхностей, что также продляет их ресурс.
Шаровой затвор собирается следующим образом. В проточки на деталях поочередно вкладываются резиновые герметизирующие кольца. В корпус вкладываются:
шпиндель (гребень которого устанавливается параллельно продольной оси корпуса), эластичная манжета, уплотнительное полимерное кольцо, сферический запорный элемент, второе уплотнительное полимерное кольцо, вторая эластичная манжета и завинчивается до упора нажимная гайка.
Опытный образец заявляемого шарового затвора с д.у 46 мм изготовлен на обычном оборудовании с износом более 20%, испытан в диапазоне от 10 до 700 атм и подтвердил заявляемые преимущества в части снижения массы и упрощения технологии.