ШАРОВОЙ КРАН

Предлагаемая полезная модель относится к области арматуростроения и может быть использовано на магистральных нефтепроводах, газопроводах, на предприятиях энергетического комплекса, нефтеперерабатывающей химической промышленности.
Анализ существующих видов арматуры позволяет утверждать, что для высоких температур и давлений самым оптимальным является шаровой кран. Его главными преимуществами являются минимальное гидравлическое сопротивление, высокая герметичность, высокое быстродействие, удобный монтаж и эксплуатация, длительный срок безаварийной работы.
Наиболее распространенным является шаровой кран с плавающей пробкой, шарнирное соединение пробки со штоком дает возможность пробке самоустанавливаться в седлах корпуса, что позволяет за счет перепада давления среды плотно прижиматься пробке к седлу со стороны более низкого давления. Недостатком конструкции кранов данного вида является то, что вся сила давления среды передается на седло, что вызывает большое удельное давление на седле и, как следствие, повышенный износ затвора при повороте. (стр.32, Жунев П.А. «Краны для трубопроводов», издательство «Машиностроение», Москва 1967)
Так же известны шаровые краны с плавающими уплотнительными кольцами. В этой конструкции кранов пробка устанавливается в опорах корпуса, а уплотнительные кольца прижимаются к пробке давлением среды и дополнительными элементами, например, пружинами. Уплотнительные кольца разгружены от полного давления среды. В таких конструкциях кранов существует проблема в герметизации уплотнительных колец по корпусу при высоких температурах среды. (стр.32, Жунев П.А. «Краны для трубопроводов», издательство «Машиностроение», Москва 1967).
Известны шаровые краны, в которых герметичность узла седло-запорный орган обеспечивается воздействием на поверхность седла усилия, поджимающего седло к запорному органу, со стороны нажимного элемента, опирающегося на корпус. Необходимое усилие обеспечивается как за счет формы упомянутого элемента, так и упругими свойствами материала, из которого он изготовлен (RU, №2138719, кл. F16К 5/06, 1999 г.; RU, №2098706 кл. F16К 5/06, 1997 г.; PCT/WO 95/20734, кл. F16К 5/06, 1995 г., RU, №2277662, кл F16К 5/06, 2004, стр.34, Жунев П.А. «Краны для трубопроводов», издательство «Машиностроение», Москва 1967).
Недостатком данной конструкции является то, что поворот пробки производится под перепадом давления, существует необходимость периодической ручной регулировки, а также наличие лишнего сальникового уплотнения.
Известны шаровые краны с автоматическим поджимом колец. Опорные плоскости колец в корпусе выполнены с наклоном, а на штоке установлена пружина, которая упирается в крышку и поджимает кольца вместе с пробкой к седлам, обеспечивая постоянство удельных давлений на уплотнительные поверхности. (стр.34, Жунев П.А. «Краны для трубопроводов», издательство «Машиностроение», Москва 1967)
Недостатком таких кранов является высокие контактные усилия на уплотнительных поверхностях запорного органа в момент открытия крана, что приводит к износу уплотнительных колец и потери герметичности.
По наибольшему числу общих признаков и достигаемому техническому результату шаровой кран с клиновым поджимом уплотнительного кольца выбираем за прототип.
Технической задачей является создание конструкции шарового крана, позволяющей исключить высокие контактные усилия на уплотнительных кольцах в момент открытия крана за счет предварительного подъема запорного органа.
Техническим результатом решения поставленной задачи является уменьшение износа уплотнительных поверхностей и увеличение ресурса работы крана в целом при сохранении высокой герметичности.
Достигается технический результат за счет того, что шаровой кран, содержащий корпус с двумя седлами, образующими клиновое гнездо запорного органа, выполненного в виде поворотной шаровой пробки плавающего типа со сквозным отверстием для прохода среды, уплотнительные кольца, шток, соединенный с шаровой пробкой и приводом поворота пробки, дополнительно снабжен корзиной, установленной в корпусе, и приводом подъема запорного органа, а шаровая пробка и уплотнительные кольца размещены в полости корзины, причем корзина соединена со штоком, взаимодействующим с приводом подъема запорного органа, обеспечивающим ее вертикальное перемещение по направляющим, выполненным в корпусе, а шток соединен с корзиной шарнирно, уплотнительные кольца охватывают шаровую пробку и закреплены в корзине с помощью резьбовых элементов. Кроме того, в нижней части шарового крана в зазоре между шаровой пробкой и корзиной установлен фиксирующий элемент, снабженный выступами, взаимодействующими с ответными пазами, выполненными в шаровой пробке и в корпусе.
Снижение усилия на контактные поверхности уплотнительных колец в момент открытия крана происходит за счет предварительного подъема запорного органа, а это позволяет выравнивать давление во входном и выходном патрубках крана. Поворот шаровой пробки происходит с существенно низким трением уплотнительных колец с запорным органом и корпусом, что снижет их износ.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где показан общий вид шарового крана.
Шаровой кран состоит из корпуса 1 с двумя седлами 2, образующими клиновое гнездо запорного органа 3, и крышки 4, закрепленной на корпусе.
Запорный орган выполнен в виде шаровой пробки 5 со сквозным отверстием для прохода среды. Шаровая пробка 5 размещена в корзине 6, имеющей возможность перемещения в вертикальном направлении по направляющим 7, выполненным в корпусе 1. Сферические поверхности шара являются уплотнительными поверхностями, взаимодействующими с уплотнительными кольцами 8. Уплотнительные кольца 8 установлены в корзине 6 с возможностью уплотнения конусной поверхностью по сферической поверхности шаровой пробки 5, а плоским торцом по плоскости седла. Корзина 6 шарнирно соединена с штоком 9, который соединен с шаровой пробкой 5 с помощью промежуточного элемента 10, размещенного в пазу 11, выполненному в ее верхней части. Шток 9 предназначен для вертикального перемещения корзины 6 и поворота шаровой пробки 5, а также для создания предварительных усилий на уплотнительных поверхностях. Шарнирным соединением корзины 6, уплотнительных колец 8 и шаровой пробки 5 обеспечена самоустановка и надежная посадка запорного органа 3 на уплотнительные поверхности седел 2 и герметичность по всем уплотнительным поверхностям. Шаровая пробка 5 и уплотнительные кольца 8 закреплены в корзине 6 резьбовыми элементами 12. В зазоре между шаровой пробкой 5 и корзиной 6 размещен фиксирующей элемент 13, снабженный выступами 14, взаимодействующими с пазом 15, выполненным в нижней части шаровой пробки 5, и пазом 16, выполненным в нижней части корпуса 1.
Шток 9 связан с приводом поворота 17 и приводом подъема 18 запорного органа.
Работает шаровой кран следующим образом.
При работе крана на открытие, усилие от привода 18 через шток 9 передается на корзину 6, перемещает ее по направляющим корпуса 1 вверх и отрывает запорный орган от седел 2. Давление в полостях до запорного органа и после запорного органа выравнивается. Затем привод поворота 17 осуществляет поворот шаровой пробки 5 относительно уплотнительных колец 8 без перепада давления среды, происходит бесконтактное скольжение поверхностей шаровой пробки 5 и уплотнительных колец 8. Вращаясь, шаровая пробка 5 взаимодействует пазом 15 с фиксирующим элементом 13 и поворачивает его выступ перпендикулярно пазу 16. После чего под действием привода подъема 17 запорный орган перемещается вниз до упора фиксирующего элемента 13 в корпус 1, и занимает положение открыто, при этом достигается совпадение проходных отверстий корпуса 1 и пробки 5.
При работе крана на закрытие усилие от привода подъема 18 через шток 9 передается на корзину 6, перемещает ее по направляющим корпуса 1 вверх и отрывает запорный орган от седел 2. Затем привод поворота 17 осуществляет поворот шаровой пробки 5 относительно уплотнительных колец 8. Вращаясь, шаровая пробка 5 взаимодействует пазом 15 с фиксирующим элементом 13 и поворачивает его выступ в плоскость паза 16. Совпадение выступа 14 фиксирующего элемента 13 с пазом 15 позволяет беспрепятственно обеспечить поджим затвора к седлам. После чего под действием привода подъема 17 запорный орган перемещается вниз, происходит закрытие крана и поджим затвора к седлам 2.
Предложенная конструкция шарового крана позволяет исключить высокие контактные усилия на уплотнительных поверхностях запорного органа в момент открытия крана, снижается их износ, ресурс работы уплотнительных поверхностей продляется, что продляет ресурс работы крана в целом. Усилия контакта уплотнительных поверхностей седел и уплотнительных колец распределяется по диаметру, совпадающему с диаметром распределения усилий в контакте конических поверхностей уплотнительных колец и поверхности шаровой пробки, что исключает изгибающие моменты и деформацию уплотнительных элементов, обеспечивая герметичность крана под перепадом давления среды.