Кран
COCK

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, в частности к шаровым кранам.
Известны шаровые краны для магистральных газопроводов высокого давления (до 10 МПа) и больших диаметров (до 1400 мм), выпускаемые предприятиями Российской Федерации, например АО «Тяжпромарматура», г. Алексин Тульской области. Кран содержит корпус с входным и выходным патрубками, между которыми в уплотнительных седлах установлена пробка, воспринимающая нагрузку от перепада рабочего давления на седлах. Для поворота пробки на открытие такого крана требуются большие усилия на приводном валу.
В соответствии с действующим на газопроводах регламентом открытие крана осуществляют после выравнивания давления рабочей среды в патрубках крана до приемлемой величины перепада давлений. Для этого перед открытием крана в выходной патрубок подают рабочую среду под давлением, равным или близким давлению рабочей среды во входном патрубке. Такая мера позволяет снизить энергозатраты на управление краном за счет снижения крутящего момента, развиваемого приводом крана. Соответственно, снижается металлоемкость устройства и уменьшается влияние скоростного потока среды на уплотнение в затворе.
Недостатком аналога является то, что из-за герметичности седел давление рабочей среды внутри корпуса крана перед его открытием не снижается до приемлемой величины и перепад давления на каждом из седел крана остается высоким. При этом величина крутящего момента на приводе крана остается значительной, а конструкция крепления элементов уплотнения седел требует существенного усиления.
Указанный недостаток устранен в кране, защищенном патентом RU 75230, МПК F16K 5/06, F16K 5/20, дата публикации - 27.07.2008. Кран-аналог включает корпус, входной и выходной патрубки, седла, поворотный запорный элемент, поворотный привод и дренажный трубопровод, соединяющий внутреннюю полость крана с полостью выходного патрубка. На дренажном трубопроводе установлен запорный клапан малого диаметра. При выравнивании давления в патрубках перед открытием крана сброс или слив рабочей среды из полости корпуса через дренажный трубопровод обеспечивает снятие динамической нагрузки со всех элементов затвора крана. В рабочем положении крана дренажный трубопровод перекрыт.
Недостатками аналога являются односторонняя подача рабочей среды и ручное управление перекрытием дренажного трубопровода.
Прототипом заявляемого устройства является кран двухстороннего действия, защищенный патентом RU 2467233, МПК F16K 1/22, F16K 5/06, F16K 39/06, дата публикации - 20.11.2012. Кран-прототип включает корпус, два патрубка, два седла, два поворотных сегментных запорных элемента, поворотный привод и дренажную линию, соединяющую внутреннюю полость корпуса с полостями патрубков. Кран предназначен для двухсторонней подачи рабочей среды. Дренажная линия включает расположенный на выходе из внутренней полости корпуса запорный клапан нормально открытого действия и два противоположно направленных обратных клапана, обеспечивающих обводное соединение полости корпуса крана с выходным патрубком крана (в зависимости от направления потока рабочей среды в кране). Запорный клапан снабжен приводом, срабатывающим по сигналу от автономного источника питания.
Недостатком прототипа является зависимость срабатывания дренажного запорного клапана от автономного источника питания и наличие отдельной системы управления дренажным запорным клапаном.
Заявляемое устройство решает техническую задачу разгрузки крана от рабочего перепада давления в режиме работы существующих систем управления.
Поставленная задача решена в кране двухстороннего действия, содержащем корпус с седлами для пробки и два патрубка. Патрубки сообщены с полостью корпуса дренажным трубопроводом, который укомплектован управляемым запорным клапаном и разнонаправленными обратными клапанами. Поршневой привод запорного клапана включает нечетное количество поршневых цилиндров одностороннего действия, один из которых предназначен для закрытия запорного клапана и установлен соосно с его выходным звеном, а остальные предназначены для открытия запорного клапана, выполнены одинаковыми и равноудаленными от выходного звена запорного клапана. Выходные звенья всех поршневых цилиндров и запорного клапана связаны между собой и с выходным звеном запорного клапана через общее передаточное звено в виде толкателя. Поршневые цилиндры открытия запорного клапана расположены по отношению к толкателю со стороны запорного клапана. Поршневой цилиндр закрытия запорного клапана расположен с противоположной стороны от толкателя. Рабочие полости половины цилиндров открытия запорного клапана сообщены с одним из патрубков крана, рабочие полости второй половины цилиндров открытия запорного клапана сообщены с другим патрубком крана. Рабочая полость цилиндра закрытия запорного клапана сообщена с обоими патрубками крана через соответствующий обратный клапан либо через элемент «ИЛИ». Поршень цилиндра закрытия запорного клапана нагружен упругим элементом, усилие которого не превышает усилия, развиваемого одним цилиндром открытия запорного клапана. Площадь поршня цилиндра закрытия запорного клапана равняется половине суммарной площади поршней цилиндров открытия запорного клапана. Между корпусом крана и запорным клапаном установлен трехходовой кран, третий патрубок которого соединен со сбросом либо сливом.
Существо заявляемого крана поясняется чертежами, на фиг. 1 которого изображен заявляемый кран в закрытом положении; на фиг. 2 - то же, положение перед открытием крана; на фиг. 3 - то же, положение при проверке герметичности уплотнения седел.
Заявляемый кран двухстороннего действия включает корпус 1 с седлами 2 и 3 для пробки 4 и два патрубка 5 и 6, сообщенных с полостью корпуса 1 дренажным трубопроводом 7. Дренажный трубопровод 7 укомплектован приводным запорным клапаном 8 нормально закрытого действия и обратными клапанами либо элементами «ИЛИ» 9 и 10 для соединения внутренней полости корпуса 1 с одним из патрубков 5 или 6. Запорный клапан 8 включает запорный элемент 11, соединенный штоком 12 с поршневым приводом. Поршневой привод запорного клапана 8 включает нечетное количество (например, три) поршневых цилиндров 13, 14 и 15 одностороннего действия. Поршневой цилиндр 13 включает поршень 16 с выходным звеном (штоком) 17, образующий в цилиндре рабочую полость «А», которая сообщена трубопроводами 18 и 7 с патрубком 5. Поршневой цилиндр 14 включает поршень 19 с выходным звеном (штоком) 20, образующий в цилиндре рабочую полость «Б», которая сообщена трубопроводами 21 и 7 с патрубком 6. Поршневой цилиндр 15 включает поршень 22 с выходным звеном (штоком) 23, образующий в цилиндре рабочую полость «В», которая сообщена трубопроводами 24 и 7 через обратный клапан 9 либо элемент «ИЛИ» с патрубком 5, а через обратный клапан 10 либо элемент «ИЛИ» с патрубком 6. Выходные звенья (штоки) 17, 20 и 23 поршневых цилиндров 13, 14 и 15 связаны со штоком 12 запорного элемента 11 запорного клапана 8 через толкатель 25. Поршневые цилиндры 13 и 14 открытия запорного клапана расположены по отношению к толкателю 25 со стороны запорного клапана 8, а поршневой цилиндр 15 закрытия запорного клапана 8 расположен с противоположной стороны от толкателя 25. Площадь поршня 22 равняется половине суммарной площади поршней 16 и 19 цилиндров открытия 13 и 14 запорного клапана 8.
Поршень 22 нагружен упругим элементом, например пружиной 26. Усилие пружины 26 меньше суммарного усилия, развиваемого поршнями 16, 19 и 22.
Четное количество поршневых цилиндров 13 и 14 с одной стороны от толкателя 25 может быть увеличено с сохранением приведенного выше соотношения площадей поршней в поршневом приводе запорного клапана 8. Между корпусом 1 крана и запорным клапаном 8 может быть установлен трехходовой кран 27, третий патрубок которого соединен со сбросом или сливом.
Заявляемый кран работает следующим образом.
Режим №1 (фиг. 1).
Патрубок 5 - входной, патрубок 6 - выходной. Кран закрыт.
р
р
Давление рабочей среды в патрубке 5 равно Р, давление в патрубке 6 равно нулю. Седло 2 обеспечивает герметичное уплотнение в затворе крана. Рабочая среда под давлением Р поступает через дренажный трубопровод 7 в рабочую полость «А» поршневого цилиндра 13 и через обратный клапан 9 - в рабочую полость «В» поршневого цилиндра 15. Так как площадь поршня 22 цилиндра 15 превышает площадь поршня 16 цилиндра 13, результирующее усилие от штоков 17 и 23 передается через толкатель 25 на шток 12 запорного клапана 8 и закрывает клапан 8.
Таким образом, в закрытом положении крана дренажный трубопровод 7 перекрыт запорным клапаном 8 и перетекание рабочей среды из патрубка 5 в полость корпуса 1 крана не допускается.
Режим №2 (фиг. 2).
Патрубок 5 - входной, патрубок 6 - выходной. Кран закрыт.
р
р
р
Перед открытием крана в выходной патрубок 6 подается рабочее давление Р. Давление в патрубках 5 и 6 выравнивается, а давление в полости корпуса 1 крана остается равным нулю. В этом режиме рабочая среда под давлением Р поступает из патрубков 5 и 6 в рабочие полости «А», «Б» и «В» поршневых цилиндров 13, 14 и 15. Так как суммарная площадь поршней 16 и 19 поршневых цилиндров 13, 14 превышает площадь поршня 22 поршневого цилиндра 15, шток 12 запорного элемента 11 клапана 8 через толкатель 25 преодолевает усилие, развиваемое поршнем 22 цилиндра 15, и усилие пружины 26 и открывает запорный клапан 8. После открытия клапана 8 рабочая среда из дренажного трубопровода 7 под давлением Р поступает в полость корпуса 1 и уравновешивает седла 2 и 3 крана. Нагрузка на шаровую пробку 4 со стороны седел 2 и 3 снимается, энергозатраты на открытие крана снижаются.
Режим №3 (фиг. 3).
Патрубок 5 - входной, патрубок 6 - выходной. Кран закрыт.
р
Давление рабочей среды в патрубках 5 и 6 равно Р. Для подтверждения герметичности уплотнения седел 2 и 3 крана давление в полости корпуса 1 должно быть равно нулю. Для проверки герметичности уплотнения седел 2 и 3 трехходовым краном 27 перекрывают сообщение полости корпуса 1 крана и запорного клапана 8, соединяя полость корпуса 1 со сбросом либо сливом рабочей среды. После сброса давления из полости корпуса 1 по натеканию рабочей среды через седла 2 и 3 определяют фактическую герметичность крана в процессе эксплуатации.
Режим №4.
Патрубок 6 - входной, патрубок 5 - выходной. Кран закрыт.
р
р
Давление рабочей среды в патрубке 6 равно Р, давление в патрубке 5 равно нулю. Седло 3 обеспечивает герметичное уплотнение в затворе крана. Рабочая среда под давлением Р поступает в рабочую полость «Б» поршневого цилиндра 14 и через обратный клапан либо элемент «ИЛИ» 10 - в рабочую полость «В» поршневого цилиндра 15. Так как площадь поршня 22 цилиндра 15 превышает площадь поршня 19 цилиндра 14, нормально открытый запорный клапан 8 закрывается суммарным усилием, развивающимся на штоках 20 и 23, которые связаны со штоком 12 запорного элемента 11 толкателем 25.
Таким образом, как и в режиме №1, дренажный трубопровод 7 перекрыт запорным клапаном 8 и перетекания рабочей среды в полость корпуса 1 крана не происходит.