КРАН ШАРОВОЙ КРИОГЕННЫЙ

Область техники
Заявляемая полезная модель относится к арматуростроению, а именно к криогенной технике, и может быть использована в конструкциях поворотных шаровых кранов с дистанционным или ручным управлением при эксплуатации в условиях криогенных (ниже -153°С) температур. Устройство предназначено для управления потоком криогенной жидкости, например потоком сжиженного продукта разделения воздуха, сжиженного природного газа (СПГ) и др.
Уровень техники
В области криогенной техники известен шаровой клапан по патенту RU 2551711, содержащий корпус с входным и выходным переходниками с центральным отверстием, шаровой затвор со шлицевым отверстием и проточкой, вал, уплотнение вала и нижнюю опору, при этом во входном переходнике выполнена проточка, в которую установлено уплотнение в виде манжеты, взаимодействующее с поверхностью проточки входного переходника и кромкой манжеты с шаровым затвором, вал установлен в шарикоподшипники, в проточку шарового затвора установлен шарикоподшипник, взаимодействующий с нижней опорой, при этом на внутренней поверхности кромки манжеты выполнен уступ с конической поверхностью, параллельной касательной к окружности шарового затвора.
Из патента CN 203322354 известно техническое решение, раскрывающее конструкцию криогенного шарового клапана с верхним входом. Клапан содержит корпус и шаровой затвор, расположенный во внутренней полости корпуса клапана. Седла клапана расположены на шаровом затворе с двух осевых сторон корпуса клапана, при этом на каждом седле клапана выполнены две ступенчатые грани (I и II), пружины предварительной затяжки расположены между ступенчатыми гранями I и корпусом клапана, уплотнительные детали расположены между ступенчатыми гранями II и корпусом клапана, регулировочные стержни расположены в корпусе клапана с двух осевых сторон седел клапана, тела штоков регулировочных стержней расположены в корпусе клапана. Шестигранные выступы на концах регулировочных стержней расположены снаружи корпуса клапана, седла клапанов расположены между осесимметричными регулировочными стержнями и дополнительно встроены в клиновидные канавки.
Из публикации KR 100693935 известен шаровой криогенный клапан, содержащий седло клапана, выполненное на основе тефлона PCTFE (полихлортрифторэтилена), имеющее наклонную секцию, запорный орган в виде шара и герметизирующие уплотнения. Седло прикреплено к держателю с обеспечением эластичности и прочности на растяжение при криогенной температуре.
Известно техническое решение по патенту US 4258900, раскрывающее шаровой кран в сборе, при этом в корпусе клапана, прилегающем к шаровому затвору, образована кольцевая выемка, а в выемке расположено кольцевое седло клапана из жесткого материала. Обращенные поверхности корпуса клапана, определяющие углубление, и седло клапана имеют форму, определяющую область между ними, имеющую больший объем (и площадь поперечного сечения) со стороны высокого давления, чем со стороны низкого давления, с переходом между ними. Кольцевое тело из твердого эластичного материала, такое как тело из губчатого графита, расположено в углублении.
Все вышеперечисленные решения представляют собой неразборные конструкции, которые характеризуется основным недостатком - эксплуатация запорной арматуры известных конструкций в криогенной среде приводит к быстрому износу комплектующих клапана и, особенно, уплотнений. Таким образом, в результате износа уплотнений возникает необходимость замены всего устройства в целом.
Известен криогенный клапан, раскрытый в публикации US 6019118, содержащий, по меньшей мере, одну пару уплотнительных элементов, посадочные поверхности которых находятся в уплотнительном контакте друг с другом в положении отключения, при этом по меньшей мере, один из указанных уплотнительных элементов пары выполнен из линейно сверхэластичного сплава с памятью формы, который стабилизируется посредством холодной обработки пластиком в мартенситном текстурном состоянии и больше не проявляет зависящее от температуры структурное превращение в аустенит и поэтому не обладает эффектом памяти формы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является шаровой криогенный клапан, раскрытый в публикации CN 206001103, содержащий входной и выходной патрубки, запорный орган в виде шара, седло, уплотнение, которое осуществляет герметизацию запорного шара с внутренней стороны, а с внешней стороны взаимодействует с опорой по плоскости, что при низких температурах ведет к сжатию уплотнения, при котором возможно образование негерметичности.
Таким образом, техническая проблема, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих аналогам и прототипу, за счет создания конструкции криогенного шарового крана, обладающего высокой степенью надежности при эксплуатации в условиях криогенных температур транспортируемого продукта.
Краткое раскрытие сущности заявляемой полезной модели
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в повышении надежности криогенного шарового крана за счет повышения герметичности уплотнений шарового крана, снижения протечек при использовании в составе трубопроводов для прокачки криогенных сред, в том числе, и в результате выбора оптимальных материалов уплотнений и снижения уровня шероховатости шаровой пробки.
Устройство также характеризуется такими техническими преимуществами, как ремонтопригодность в результате разборности, что повышает его эксплуатационные характеристики.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в криогенном шаровом кране, включающем входной и выходной патрубки, между которыми расположен корпус, внутри которого на седле с уплотнением установлена шаровая пробка, имеющая сквозные отверстия для транспортировки криогенной жидкости, соединенная со штоком, обеспечивающим возможность поворота пробки в корпусе, согласно техническому решению соединение пробки со штоком выполнено шлицевым, при этом уплотнение шаровой пробки в корпусе выполнено в виде уплотнительных колец, поджатых пружинами, выполненными из инконеля, а шаровая пробка имеет шероховатость не более 0,1 Ra. Уплотнительные кольца могут быть выполнены из фторопласта с графитом.
Краткое описание чертежей
Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами и иными изображениями, где
на фиг. 1 представлен чертеж заявляемого крана,
на фиг.2 представлен вид сбоку штока крана,
на фиг.3 представлен вид сверху на шаровую пробку,
на фиг.4 представлен график изменения коэффициента расширения различных металлов в зависимости от их размеров при температуре (-196°С).
Позициями на чертежах обозначены:
1. корпус
2. удлинение штока
3. уплотнение удлинения штока
4. болтовое соединение
5. шаровая пробка
6. уплотнение шаровой пробки
7. пружина опоры шара
8. фланец корпуса
9. присоединительный фланец
10. уплотнение между корпусом и фланцем корпуса
11. шпилька
12. гайка
13. втулка упорная
14. втулка уплотняющая
15. шток
16. крышка нижняя
17. втулка
18. болт
19. крышка штока
20. уплотнение сальника
21. винт
Осуществление полезной модели
Известно, что при изменении температуры металлы меняют свою форму.
Так, например, повышение температуры цилиндрических образцов металла ведет к увеличению диаметров цилиндров, но при этом торцевые отверстия в цилиндрах остаются круглыми. Наоборот, при понижении температуры металла отверстия в цилиндрических заготовках станут меньше в диаметре и деформируются до неправильной формы.
Теоретически известно, что изменение размеров различных металлов при изменении температуры имеет линейную зависимость от перепада температур. Физическая величина, характеризующая изменение линейных размеров твердого тела при изменении температуры - это коэффициент линейного расширения. Существует общепринятое мнение, что коэффициент линейного расширения - величина постоянная для каждого конкретного металла и не зависит от размеров сечения стенок материала (https://alucom.ru/articles/zarubej_opit/temperaturnye_vozdejstviya_na_konstrukcii_chast_2_termomehanika). Однако в результате проведения эмпирических исследований был сделан вывод о нелинейном коэффициенте термического расширения металлов при криогенных температурах (-196°С). Так, на графике (фиг.4) показано изменение коэффициента расширения различных металлов в зависимости от их размеров при температуре (-196°С). Тем самым, ввиду выявления нелинейного коэффициента расширения металлов при криогенных температурах, а следовательно, неплотного прилегания уплотнения к пробке, велика вероятность потери герметичности устройства, появления протечек.
Заявляемый кран характеризуется высокой надежностью в процессе эксплуатации с одновременной возможностью автономного использования его в криогенных коммуникациях.
Шаровой кран имеет составной корпус, сформированный непосредственно корпусной деталью 1 и присоединенными к ней фланцами корпуса 8. Между корпусом и фланцами размещены уплотнительные кольца 10. Корпусные детали стянуты шпильками 11. В корпусе в качестве запорного органа на седле размещена шаровая пробка 5, имеющая боковые сквозные отверстия для транспортировки продукта и углубление в верхней части для размещения штока 15. Пробка соединена со штоком посредством шлицевого соединения, обеспечивающего передачу крутящего момента от штока к шаровой пробке. Такое соединение исключает люфт штока при открытии/закрытии шарового крана и способствует повышению его надежности в целом. Шток установлен в удлинении 2, жестко соединенном с корпусом крана и соединен с приводом (не показан), обеспечивающим его вращение и, соответственно, вращение шаровой пробки.
Надежность крана определяется также малыми отклонениями от сферичности пробки и отсутствием микронеровностей. Пробка заявляемого крана имеет идеальную сферичность и шероховатость поверхности сферы не более 0,1 Ra, что исключает приобретение ей неправильной формы при криогенных температурах, а, следовательно, способствует снижению протечек при ее прижиме к уплотнениям. Шаровая пробка установлена в корпусе через уплотнение 6, снабженное пружинами 7. Стандартные уплотнения, используемые в шаровых кранах, не выдерживают криогенных температур и деформируются в процессе эксплуатации. Уплотнительные кольца 6 в заявляемом решении выполнены из фторопласта с графитом в качестве наполнителя. Такие кольца известны, например, из https://www.constanta-2.ru/uplotneniya-iz-kompozitsionnykh-materialov.
Уплотнения из фторопласта (ПТФЭ) используются в тех случаях, когда условия их эксплуатации по химической стойкости не позволяют выбрать уплотнения из других материалов. Графит в качестве наполнителя фторопластового уплотнения способствует получению крайне низкого коэффициента трения, обеспечивает возможность использования его в агрессивных средах. Таким образом, материал выполнения уплотнительных колец выбран с обеспечением возможности их использования без потери качества уплотнения в криогенных температурах. В известных конструкциях кранов для герметизации используют подпружиненные кольца, расположенные на определенном расстоянии по окружности уплотнения. Ввиду невозможности изготовления подобных идеальных пружин прижатие уплотнения к шаровой пробке происходит неравномерно. Во избежание этого в заявляемом устройстве использованы два подпружиненных О-образных кольца 7 из инконеля, что позволяет достичь полной герметичности устройства. Данный металл не теряет своих свойств при криогенных температурах и, в сочетании с материалом уплотнительных колец, даже в таких условиях эксплуатации обеспечивает плотное прилегание уплотнения к идеально гладкой поверхности шаровой пробки, не допуская протечек.
Уплотнительный узел крана выполнен в виде контактирующей с шаром втулки уплотняющей, на которую оперта втулка упорная.
Таким образом, для предотвращения потери герметичности в результате деформации как отдельных узлов крана, эксплуатационные условия которого предполагают воздействие криогенных температур, так и всего крана в целом, предложены следующие модификации, способствующие повышению надежности эксплуатации криогенного шарового крана:
1) шаровая пробка идеальной сферичности с шероховатостью не более 0,1 Ra;
2) пружины, прижимающие уплотнение шаровой пробки, выполненные из инконеля, при этом рабочая поверхность уплотнения также предпочтительно должна иметь идеальную сферичность;
3) шлицевое соединение пробки со штоком.
Указанные модификации конструкции выявлены эмпирическим путем, при этом влияние их на повышение герметичности и надежности установлено в результате многочисленных экспериментов.
Заявляемый кран работает следующим образом.
Кран устанавливают в трубопровод транспортировки криогенной жидкости, подключают к приводу через редуктор. При работе крана на открытие усилие от привода через шток передается на шаровую пробку, соединенную со штоком посредством шлицевого соединения. Пробка проворачивается до положения «открыто», при этом достигается совпадение проходных отверстий фланцев корпуса и пробки. Под действием криогенных температур, в общем случае, происходит нелинейное изменение коэффициента расширения металла, в результате чего при протекании через устройство криогенного продукта возможно неплотное прилегание пробки к уплотнению, нарушение герметичности устройства. Использование инконеля в качестве материала выполнения пружин уплотнения обеспечивает неизменность свойств пружины даже при криогенных температурах. Идеальная сферичность шаровой пробки с минимальным значением шероховатости также способствует тому, что при сжатии металла от воздействия криогенных температур, изменяется только диаметр сферы, а не ее форма. Поэтому нарушения прилегания пробки к уплотнению, выполненному из фторопласта с графитом, не происходит.
Пример конкретного выполнения
В качестве опытного образца был изготовлен шаровой кран заявляемой конструкции на диаметр Dn=50 мм, на давление 10,0 МПа. Кран включает трехсоставной корпус, выполненный из 12Х18Н10Т, шаровую пробку диаметром 88 мм, выполненную из 12Х18Н10Т и имеющую значение шероховатости 0,1 Ra. Идеальная сферичность шаровой пробки достигнута в результате обработки на сферотокарном станке с последующей галтовкой. Уплотнительное кольцо представляет собой подпружиненное кольцо, выполненное из сплава инконеля 625.
Таким образом, внесенные в конструкцию криогенного крана модификации позволят повысить надежность его работы за счет исключения протечек и повышения герметичности уплотнительных соединений.