ШАРОВОЙ КРАН
BALL VALVE

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, в частности к узлам уплотнения подвижных соединений, а именно к шаровым кранам с уплотняющими седлами из материала с низким модулем упругости, например, из терморасширенного графита, и предназначено для надежного перекрытия и/или регулирования потоков рабочей среды, транспортируемой по трубопроводу.
Известен шаровой кран, содержащий корпус, в котором в двух седлах установлен сферический запорный орган, связанный с приводом его вращения (см. RU 2115050, F16K 5/06, 10.07.1998). В данной конструкции шарового крана седла выполнены из полимерного материала. Это обеспечивает легкость и плавность поворота сферического запорного органа, однако в процессе эксплуатации при высоких скоростях потока рабочей среды происходит быстрый износ таких седел. При повышенных температурах рабочей среды 200…250°C полимерный материал седел размягчается, снижаются его показатели прочности и твердости, что ограничивает применение шаровых кранов для рабочих сред с температурой более 250°C.
Известен шаровой кран, содержащий корпус, в котором в двух седлах в форме кольца установлен сферический запорный орган, связанный с приводом его вращения, при этом каждое из седел выполнено из терморасширенного графита (ТРГ) (см. RU 2168092, F16K 5/06, 10.01.2001).
Преимущества выполнения седел из терморасширенного графита заключаются в том, что ТРГ обладает низким коэффициентом трения по стали: 0,12 по сухой поверхности и <0,03 при наличии жидкостной пленки. Это свойство практически исключает износ уплотняемых поверхностей и увеличивает ресурс деталей. Седла из ТРГ практически непроницаемы для жидкостей и газов. Отличная прессуемость материала обеспечивает максимально плотный контакт с поверхностью сферического запорного органа, что позволяет обеспечить высокую герметичность узла. Теплопроводность ТРГ 100-150 Вт/м·К значительно выше теплопроводности полимерных материалов, что обеспечивает эффективный отвод тепла из зоны трения и позволяет эксплуатировать шаровые краны без перегрева в широком диапазоне температур (до 650°C на воздухе, до 3000°C - в инертной атмосфере). ТРГ обладает низкой коррозийной активностью.
Однако недостатком данной конструкции является то, что в процессе эксплуатации шарового крана при больших давлениях рабочей среды эластичный материал седла - терморасширенный графит - "течет", что приводит разгерметизации шарового крана. Применение более твердых и прочных материалов не обеспечивает герметичности узла из-за их малой упругости и эластичности.
Задачей изобретения является повышение износостойкости и эрозионной стойкости при высоких рабочих температурах, повышение надежности и долговечности шарового крана.
Технический результат достигается тем, что в шаровом кране, содержащем корпус, в котором в двух седлах в форме кольца установлен сферический запорный орган, связанный с приводом его вращения, каждое из седел сформировано из фольги, содержащей слой терморасширенного графита с равномерно распределенным по его ширине по меньшей мере одним расправленным углеродным жгутом, посредством ее спиральной навивки с последующей подпрессовкой в направлении оси кольца.
Для выполнения каждого из седел использована армированная графитовая фольга, содержащая слой терморасширенного графита и армирующие элементы, придающие ей дополнительную механическую прочность. При этом армирующие элементы выполнены в виде по меньшей мере одного расправленного (англ. - spread) углеродного жгута, волокна которого равномерно распределены по ширине слоя терморасширенного графита и образуют достаточно тонкий армирующий слой, что обеспечивает гибкость армированной графитовой фольги. В зависимости от ширины полотна графитовой фольги для армирования может быть использован один расправленный жгут или более. При выполнении седла в форме кольца посредством спиральной навивки гибкой армированной графитовой фольги с образованием слоистой структуры и последующей подпрессовки в направлении оси кольца слои армированной графитовой фольги сжимаются, при этом равномерно распределенные по ширине фольги волокна по меньшей мере одного расправленного углеродного жгута, представляющие собой тонкий слой армирующих элементов, образуют гофры в направлении оси кольца (см. фиг. 2), препятствующие «вымыванию» терморасширенного графита. Это позволяет повысить износостойкость и эрозионную стойкость седел при высоких рабочих температурах, а, следовательно, повысить надежность и долговечность шарового крана.
Также каждое из седел может быть сформировано из фольги, которая снабжена дополнительным слоем терморасширенного графита, при этом расправленный углеродный жгут содержит клеевое покрытие и расположен между первым и дополнительным слоями терморасширенного графита. Клеевое покрытие нанесено на углеродный жгут для улучшения адгезии расправленных углеродных жгутов к терморасширенному графиту. Это позволяет более надежно закрепить армирующие волокна углеродного жгута и избежать их сдвига при спиральной навивке армированной графитовой фольги. При этом с целью упрощения навивки такой армированной графитовой фольги при изготовлении седла слой расправленных углеродных жгутов с липким клеевым покрытием располагают между двумя (первым и дополнительным) слоями терморасширенного графита.
Вышеизложенные особенности и преимущества изобретения будут понятны из последующего описания предпочтительного примера осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых для представления одинаковых элементов используются одинаковые позиции:
на фиг.1 изображена схема шарового крана (в открытом положении) в разрезе, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.2 изображена схема седла в разрезе с чередующимися слоями терморасширенного графита и армирующего расправленного углеродного жгута, образующего гофры, в соответствии с настоящим изобретением.
Шаровой кран содержит корпус 1, в котором в двух седлах 2 в форме кольца установлен сферический запорный орган 3, выполняющий роль запирающего и/или регулирующего элемента шарового крана. Сферический запорный орган 3 выполнен со сквозным отверстием 4 для прохода рабочей среды и связан с приводом 5 его вращения с возможностью поворота сферического запорного органа 3 вокруг вертикальной оси: при повороте сферического запорного органа 3 на 90° осуществляется полное перекрытие хода рабочей среды, при повороте на меньшие углы - частичное, что позволяет применять кран в качестве регулирующего устройства.
Каждое из седел 2 выполнено в форме кольца из армированной графитовой фольги, которая содержит слой терморасширенного графита с равномерно распределенным по ее ширине по меньшей мере одним расправленным (так называемым площеным) углеродным жгутом. Расправленный (площеный) углеродный жгут - жгут из непрерывных углеродных волокон, которые расправлены до плоского состояния и расположены в плоскости, по существу, параллельно друг другу. Наличие армирующих волокон придает фольге гибкость, повышает прочность и упругость, обеспечивает стойкость к вымыванию при высоких давлениях и температурах, а также стойкость к вибрационным нагрузкам.
Расправленный (площеный) углеродный жгут может быть может быть получен различными способами, например, в жидкой среде (например, WO 02/31242, D02J 1/18, 2002), посредством изогнутых направляющих (например, US 3874030, D01D 11/02, 1975), акустических вибраций (например, US 5042122, D01D 11/02, 1991), электростатических сил, чесанием (например, WO 99/55943, D02J 1/18, 1999), посредством валков со специальной насечкой (US 7305739, D01G 37/00, 2007), а также посредством раздува углеродного жгута (например, US 3798095, B32B 31/16, 1974; US 6836939, D01D 11/02, 2005).
Для улучшения адгезии углеродных волокон к терморасширенному графиту армирующие элементы (по меньшей мере один расправленный углеродный жгут) могут содержать клеевое покрытие, которое позволяет более надежно закрепить армирующие элементы на слое терморасширенного графита и избежать их сдвига при совместном обжатии. Клеевое покрытие может быть нанесено на углеродный жгут как до его расправления, так и после. При этом армирующие элементы с нанесенным на них клеевым покрытием могут быть расположены между двумя (первым и дополнительным) слоями терморасширенного графита, что позволяет избежать налипания клеевого покрытия при формировании седел 2 и тем самым упростить их изготовление.
Каждое из седел 2 выполнено в форме кольца посредством спиральной навивки полосы из армированной графитовой фольги с последующей ее подпрессовкой в направлении оси кольца. Расправленные углеродные жгуты могут быть ориентированы как вдоль фольги, так и поперек, а также в любом заданном направлении.
При сборке шарового крана происходит поджатие седла из ТРГ, армированного площеным углеродным жгутом, к сферическому запорному органу 3, в результате чего достигается герметичность соединения сферического запорного органа 3 с седлами 2. При этом для лучшего контакта со сферическим запорным органом 3 с внутренней стороны каждого из кольцеобразных седел, обращенной к сферическому запорному органу 3, может быть сформирована вогнутая фаска.
Седла шаровых кранов, сформированные из фольги, содержащей слой терморасширенного графита с равномерно распределенным по его ширине по меньшей мере одним расправленным углеродным жгутом, посредством ее спиральной навивки с последующей подпрессовкой в направлении оси кольца, обеспечивают герметичность соединения седло - сферический запорный орган, т.к. седла практически не изнашивают контактирующий с ними сферический запорный орган, способствуют снижению потерь рабочей среды, имеют широкий температурный диапазон применения (до 650°C на воздухе, до 3000°C - в инертной атмосфере), обеспечивают надежность уплотнения при значительных колебаниях температуры и давления в уплотняемом узле. Кроме того, они просты в установке, при замене не требуют много времени на подготовку контактируемых уплотняемых поверхностей, не повреждая их.
Благодаря прочности, теплостойкости, упругости и стойкости к «вымыванию» ТРГ, армированного расправленным углеродным жгутом, появилась возможность в шаровых кранах, работающих на высоких параметрах рабочей среды, применять «мягкие» уплотнения. Применение мягких уплотнений приводит к повышению надежности, уменьшению требований к качеству изготовления, расширению рабочего диапазона температур, удешевлению ремонта.
Описанные выше примеры осуществления следует во всех аспектах рассматривать лишь как иллюстративные и не обуславливающие никаких ограничений. Следовательно, могут быть использованы другие примеры осуществления настоящего изобретения и примеры внедрения, которые не выходят за пределы описанных здесь существенных признаков.