ШАРОВОЙ КРАН

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, в частности, к шаровым кранам для газовых технологических и магистральных трубопроводов.
y
y
Известны конструкции шаровых кранов с D от 200 до 1400 мм на Р от 6,0 до 20, МПа, включающие корпус, шаровую пробку и седла с уплотнительными кольцами различных конструкций (см. Гуревич Д.Ф., Заринский О.Н., Кузьмин Ю.К. Справочник по арматуре для газо- и нефтепроводов. - Л.: Недра, 1988, табл.3.1, стр.99-105).
Качество шаровых кранов при эксплуатации оценивают пропускной способностью и надежностью по герметичности.
N
тр
Пропускная способность крана зависит от соответствия проходного диаметра крана D внутреннему диаметру трубы d, привариваемой к крану.
Надежность крана по герметичности зависит от жесткости пробки и качества ее сферической поверхности, контактирующей с уплотнительным кольцом;
н
N
материального исполнения уплотнительного кольца; конструкции седла в корпусе крана и оценивается числом циклов поворота пробки за срок эксплуатации крана в зависимости от его размеров по D (D).
Жесткость пробки и качество ее сферической поверхности зависят от конструкции пробки и способа ее изготовления.
y
Пробки шаровых кранов с D до 200 мм изготавливают из поковок со сплошной стенкой, что обеспечивает кранам высокое качество по пропускной
N
тр
способности, D=d; высокую жесткость пробке и кранам - надежность по герметичности.
y
Пробки шаровых кранов с D≥300 мм изготавливают литьем или штампосварными из листового проката. При этом сферическую поверхность пробок шлифуют и хромируют.
Уплотнительные кольца изготавливают из резины, полиуретана, фторопласта, тефлона, капролона с диаметром контакта с шаровой поверхностью пробки при (φ≈45° (см. Быков А.Ф. Арматура с шаровым затвором для гидравлических систем. - М.: Машиностроение, 1971, стр.19).
Известна конструкция шаровых кранов с цельной, литой пробкой по А.С. №1195924 или Справочник по арматуре для газо- и нефтепроводов. - Л.: Недра, 1988,стр.133, рис.3.13.
Недостатком известного крана является:
N
тр
1. Пониженная пропускная способность, D<d. Пропускная способность крана снижается на величину
Г
y
N
тр
где Q - годовая плановая пропускная способность газопровода (участка) (см. Новоселов В.Ф., Гольянов А.И., Муфтаков Е.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации газопроводов. - М.: Недра, 1982, стр.70 и 36-37). У импортных и отечественных кранов D 1000 мм с D=978 мм и d=988 мм, снижение поставки газа ΔQ = 0,227 млрд. кубических метров в год;
2. Сферическая поверхность литой пробки имеет поры (углубления), куда вжимается уплотнительное кольцо (резиновое или полиуретановое). Эти углубления в пробке, при повороте пробки, вырывают частички уплотнительного кольца и снижают надежность крана по герметичности. Срок эксплуатации кранов с резиновыми уплотнительными кольцами не превышал 5 лет.
Известна конструкция шаровых кранов со штампо-сварными пробками по А.С. №1288418 или Справочник по арматуре для газо- и нефтепроводов. - М.: Недра, 1988, стр.139, рис.3.17.
Шаровая пробка в известных кранах содержит сферическую оболочку, опоры и кожух, сваренные между собой.
Преимущество штампо-сварной шаровой пробки в сравнении с литой пробкой заключается в:
N
тр
1. обеспечении проходного диаметра пробки D=d;
2. повышении качества сферической поверхности пробки. Сферическая оболочка, изготовленная из полушаровых днищ, отштампованных из листового проката, не имеет пор (углублений) на сферической поверхности, что исключает вырывы частичек из уплотнительного кольца и повышает надежность по герметичности крана.
Срок эксплуатации отечественных шаровых кранов увеличился с 5 лет до 15-20 лет при замене материала уплотнительного кольца с резины на полиуретан.
Недостатком известной конструкции пробки являются:
1. Недостаточная жесткость пробки при эксплуатации крана в закрытом
положении, что снижает надежность крана по герметичности. Это объясняется тем, что:
- плиты с опорами вварены в оболочку в зоне φ=45°, в месте максимальных изгибающих моментов в оболочке,
у
- шаровая оболочка имеет постоянную толщину стенки от φ=45° до φ=0° - зоны максимальных изгибающих моментов в оболочке от действия внешней силы Р (см., например. Расчеты на прочность в машиностроении. Том II, под редакцией С.Д.Пономарева. - М.: Машгиз, 1958, стр.234-236, фиг.159 и 160).
2. Высокая трудоемкость и металлоемкость при изготовлении пробки с ребрами жесткости для обеспечения требуемой жесткости пробки и герметичности крана.
3. Низкий коэффициент использования металла при изготовлении шаровой оболочки из полушаровых днищ, не более 35%.
4. Требует вводить в кран герметик после поворота пробки в кране. Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение качества крана по герметичности за счет повышения жесткости пробки и снижение затрат при изготовлении пробки и эксплуатации крана.
Техническая задача решается за счет того, что в шаровом кране, содержащем неразъемный корпус с входным и выходным патрубками; шаровую поворотную пробку на опорах, размещенную в корпусе и содержащую сферическую оболочку, опоры и кожух, сваренные между собой; седла с уплотнительными кольцами, установленными в патрубках с возможностью
взаимодействия с поверхностью шаровой пробки, и пружины, поджимающие седла к пробке,
N
упл
1
2
1
2
- шаровая пробка на опорах выполнена со сферической оболочкой в форме целой штампованной плоско-шаровой оболочки с проходным диаметром D, шаровыми участками на длине пробки L и плоскими участками на высоте пробки Н с переменной толщиной стенки, увеличивающейся на шаровых участках от толщины стенки S, в зоне половины диаметра уплотнительного кольца D, до S - в середине оболочки и до S - на торцах проходного отверстия в горизонтальной плоскости пробки на длине L и от S до S и S - в вертикальной плоскости пробки на высоте Н;
- опоры выполнены из круглого проката или поковок с диаметром d, увеличенным на припуск под мехобработку для сборки и сварки с оболочкой, и длиной, обеспечивающей приварку кожуха к опорам;
N
- кожух выполнен из двух полуобечаек с внутренним диаметром D, приварен к оболочке и опорам усиленным швом и выполняет дополнительную функцию ребра жесткости пробки.
Предлагаемые шаровой кран и пробка на опорах схематично представлены на фиг.1-4.
На фиг.1 показан общий вид крана в закрытом положении.
На фиг.2 - вид на конструкцию пробки в закрытом положении крана.
На фиг.3 - вид на конструкцию пробки по А-А, фиг.2.
На фиг.4 - вид на конструкцию пробки по Б-Б, фиг.2, вид пробки в открытом положении крана.
Шаровой кран (см. фиг.1) содержит корпус 1, входной 2 и выходной 3 патрубки; шаровую поворотную пробку 4, размещенную в корпусе; седла 5, установленные в патрубках и содержащие кольца 6, уплотняющие пробку, кольца 7, уплотняющие седла относительно патрубков и пружины 8, поджимающие седла к пробке; шпиндель 9 для соединения пробки 4 с приводом поворота пробки (не показано); опору 10 для установки крана и приварки к трубам 11.
Пробка 4 с седлами 5, уплотнительными кольцами 6 и 7 пружины 8 обеспечивает надежность крана по герметичности при его эксплуатации.
Шаровая пробка (см. фиг.2, 3 и 4) содержит сферическую оболочку 1, верхнюю опору 2, нижнюю опору 3 и кожух 4. Жесткость пробки зависит от формы и размеров оболочки, опор и кожуха и их сварки между собой.
N
упл
1
2
1
2
упл
Так, в предлагаемой пробке сферическая оболочка 1 выполнена в форме целой штампованной плоско-шаровой оболочки с проходным диаметром D, шаровыми участками на длине пробки L и плоскими участками на высоте пробки Н с переменной толщиной стенки, увеличивающейся на шаровых участках от толщины стенки S, в зоне половины диаметра уплотнительного кольца D, до S в середине оболочки и до S на торцах проходного отверстия в горизонтальной плоскости пробки на длине L и от S до S и S - в вертикальной плоскости пробки на высоте Н. Следует отметить, что толщина стенки оболочки 82 постоянная во всех сечениях пробки на диаметре D (см. фиг.3 и 4).
Опоры 2 и 3 выполнены из круглого проката или поковок с диаметром d (см. фиг.2 и 4), увеличенным на припуск под мехобработку для сборки и сварки с
оболочкой и с длиной, обеспечивающей приварку кожуха к опорам.
N
Кожух 4 выполнен из двух полуобечаек с внутренним диаметром D (см. фиг.2, 3 и 4), приварен к оболочке и опорам (см. фиг.4) усиленным швом и выполняет дополнительную функцию ребра жесткости пробки.
1
2
у
Пробка с цельноштампованной плоско-шаровой оболочкой с увеличенными толщинами стенок S и S, опорами, приваренными вдали от угла (р-действия наружного давления Р на пробку, и кожуха, приваренного к опорам и оболочке по длине пробки, имеет жесткую конструкцию, обеспечивающую герметичность крана, и сравнительно низкие затраты при изготовлении.
y
у
N
тр
Пример. Шаровой кран на D 1000 мм и Р 8,0 МПа, согласно условиям эксплуатации должен иметь проходной диаметр D=988 мм и привариваться к трубам 11с наружным диаметром 1020 мм, толщиной стенки 16 мм и внутренним диаметром d=988 мм.
N
1
2
1
2
Шаровая пробка в кране должна иметь проходной диаметр D=988 мм, диаметр сферы D=1480 мм, длину L=1085 мм, высоту Н=1230 мм, диаметр опор d=260 мм и иметь толщину стенок S=97 мм, S=73 мм, рассчитанных с учетом изгибающих моментов и нормальных сил в зонах с φ=0° и φ=45° и толщину S=62 мм. Толщины стенок S, S и S получены после мехобработки припуска плоско-шаровой оболочки, отштампованной обжимом из обечайки с наружным диаметром 1270 мм и толщиной стенки 70 мм. Толщина стенки обечайки принята в зависимости от продольной устойчивости обечайки при штамповке. Опоры изготовлены из поковок диаметром 300 мм и длиной 240 мм, а кожух изготовлен из листа толщиной 8 мм и длиной 940 мм.
y
у
2
х
Предложенная конструкция пробки для крана D 1000 мм, Р 8,0 МПа рекомендована для внедрения в ОАО «Волгограднефтемаш». Увеличение толщины стенки с 50 мм в существующей пробке, до 97 мм в предлагаемой пробке, увеличивает жесткость оболочки в 6,2 раза, см. фиг.1 и фиг.2. А увеличение толщины стенки с 50 мм в существующей пробке, до S=73 мм в предлагаемой пробке, увеличивает жесткость оболочки в 3,8 раза, а продольная сварка половинок кожуха с оболочкой и опорами дополнительно повышает жесткость пробки (см. фиг.3 и 4). Необходимость приварки 16-ти ребер жесткости к внутренней поверхности оболочки отпала. Пробка изготовлена из 4 деталей (см. фиг.2) со сварными швами опор вдали от уплотнительного кольца 6 или угла φ=45°.
y
у
Предложенное изобретение может найти применение при изготовлении полнопроходных шаровых кранов с D от 200 до 1400 мм на Р от 6,0 до 20,0 МПа.