2.1.2. Арматура с вращающимся движением штока

ПРОБКОВЫЕ КРАНЫ

Название кран пробковый или просто кран дано старейшему виду арматуры, состоящему из корпуса с коническим или, много реже, цилиндрическим посадочным отверстием, в котором установлена пробка. Термин «пробковый кран» относится и к шаровым кранам. Обычно пробковыми кранами называют только конусные и цилиндрические краны.

В пробке имеется сквозное отверстие, положение которого относительно проходных отверстий в корпусе определяет степень открытия и расхода среды через кран. Положения пробки, отличающиеся на 90^о, определяют полное открытие или закрытие потока среды. Краны, как и другие поворотные конструкции арматуры, требуют минимального объема для монтажа, просты в управлении, обладают быстрым срабатыванием и создают относительно небольшие искажения потока (турбулентность).

Падение давления в кране небольшое, и краны легко выполняются многоходовыми. Краны используются во всех отраслях промышленности в условиях, где закрытие при низких температурах допустимо, и полости в арматуре незначительны.

Существует много модификаций и конструкций кранов:

1. Краны без смазки, в которых можно конструктивно обеспечить низкое усилие трения между поверхностями пробки и корпуса.

2. Краны со смазкой, в которых специальная смазка-уплотнитель может вводиться при периодическом обслуживании под давлением между уплотнительными поверхностями пробки и корпуса.

Они могут быть далее классифицированы по конфигурации пробки и патрубков как:

1. Полнопроходные цилиндрические – с полной площадью круглого отверстия как в пробке, так и в корпусе.

2. Прямоугольные – с прямоугольными отверстиями в корпусе и пробке.

3. Зауженные – когда площадь отверстия в пробке меньше площади стандартных трубопроводов.

4. Ромбовидные – когда отверстие в пробке выполнено ромбовидной формы.

5. Многоходовые – с тремя или более патрубками, используемые главным образом для отвода или перемещения среды.

6. Эксцентриковые – объединяющие половину пробки для прямого пропуска среды с высокой пропускной способностью и односторонним герметичным закрытием.

Краны изготавливаются из различных материалов, а именно: бронза, латунь, углеродистая и нержавеющая стали, наряду со сплавами и полимерами. Существуют также полно проходные краны, где все контактирующие со средой поверхности покрыты фторопластом или плавким графитом для высококоррозионных и токсичных сред.

Несмазываемые краны

Это наиболее простая конструкция кранов, широко используемая в химической и нефтехимической промышленности, где смазки неприменимы. Подтягиваемый сальник или подпружиненная пробка уменьшают износ и облегчают управление. Конические или параллельные пробки гарантируют управление без заеданий с обеспеченным посадочным усилием и требуют меньшего технического обслуживания. Самосмазывающиеся свойства пластиков, например, фторопласта, делают краны особо привлекательными для применений, где обычные смазки для арматуры недопустимы (рис. 2.23.).

Вариант крана без смазки изображен на рис. 2.24., где пробка имеет форму двух сегментов, соединенных в нескольких местах и образующих упругую уплотнительную конструкцию, которая прижимается к корпусу крана.

Пробка выполнена заодно со штоком крана и может подниматься и опускаться при повороте на 90^о с использованием специального управляющего устройства. Эта конструкция устраняет износ уплотнения, является полностью пожаростойкой и герметичной во входном и выходном патрубках, таким образом, обеспечивая «двойной» дренаж в закрытом положении.

Краны со смазкой

Это конструкция широко используется в области нефтепродуктов, распределительных и очистных установках до давления 4,2 МПа бывают с конусными или цилиндрическими патрубками (рис. 2.25.).

Уплотнительная смазка выпрыскивается под давлением в зазор между уплотнительными поверхностями корпуса и пробки. Она продавливается через невозвратный клапан посредством винтовой пресс-масленки для консистентной смазки и достигает уплотнительных поверхностей через систему трубок или канавок в пробке и корпусе. Смазка устраняет негерметичность между пробкой и корпусом и защищает уплотнительные поверхности от коррозии и эрозии. Уплотнительные поверхности могут также покрываться фторопластом для обеспечения заданных технических характеристик.

Уравновешенные конусные краны

Давление среды в обычных конусных кранах в открытом положении может распространиться в полость под пробкой. При этих условиях результирующая сила будет действовать на пробку в сторону камеры, вызывая заклинивание крана. Уравновешенные конусные краны спроектированы так, чтобы использовать давление в трубопроводе для уравновешивания сил в кране (рис. 2.26.).

Уравновешивающая система содержит два отверстия в пробке для соединения полостей над и под пробкой с давлением в системе. Через соединительную линию давление под малым торцом пробки уравновешивается возникающим усилием и предотвращает блокировку пробки, но необходимо регулярно подавать смазку для обеспечения полного поворота пробки.

Эксцентриковые краны

Эти краны используются во многих системах промышленных трубопроводов, включая системы водоподачи и отвода сточных вод, и способны изменять упругость пробки для обеспечения герметичного закрытия без использования уплотнительной смазки. Когда проход закрывается, уплотнительная поверхность пробки перемещается без трения об уплотнительную поверхность корпуса. Это устраняет заедание и износ, и краны используются на неочищенных сточных водах, воздухе, в водоснабжении, на газопроводах, мелкозернистых фракциях и всех других видах пульпы (рис 2.27.).

Футерованные краны

Для исключения высоколегированных сплавов и повышения стойкости к коррозии, краны могут изготавливаться из относительно недорого чугуна, при этом внутренние поверхности корпуса и пробки, полностью выполняются покрытыми тефлоном. Это делает краны применимыми на всех агрессивных средах с незначительными затратами (рис. 2.28.).

Футеровка удерживается в канавках корпуса для ее фиксации и выполняется толщиной, обычно, 3 мм по всей площади для устойчивости к абразивному износу. Если футеровка повреждена, корпус подвергается коррозии.

Эти краны обычно используются в системах, где трубы футерованы, что оказывается много экономичнее, чем в системах трубопроводов из высоколегированных сплавов, и полностью пластмассовых, которые труднее обслуживать.

Преимуществами пробковых кранов являются: поворот на 90^о между положениями «открыто» и «закрыто», защищенность уплотнительных поверхностей, простота монтажа в системе, минимальное гидравлическое сопротивление, простая и прочная конструкция, длительный срок службы. Пробковые краны являются арматурой с верхним разъемом, и пробка может быть введена в корпус без снятия крана с трубопровода.

Управление пробковыми кранами

Пробковые краны могут управляться вручную гаечным ключом, рукояткой, через редуктор или неполноповоротным приводом, приводимым в действие пневматикой, гидравликой или электричеством.

ШАРОВЫЕ КРАНЫ

В настоящее время шаровые краны, получившие развитие от традиционных кранов, укомплектованные новыми эластомерами и полимерными материалами для уплотнительных колец, стали полностью герметичными.

Другими характеристиками шаровых кранов являются минимальное гидравлическое сопротивление, низкий крутящий момент, поворот на 90⁰ между положениями «закрыто» и «открыто», низкие эксплуатационные затраты, компактная конструкция и пожаробезопасное исполнение, предусматривающее закрытие крана в случае возникновения пожара на заводе.

Краны включают корпус, шаровую пробку, шток и уплотнительные кольца (рис 2.29.).

Рис 2.29. Шаровой кран

Существуют два базовых исполнения шаровых кранов – краны с плавающей пробкой, когда шар поддерживается уплотнительными кольцами, и краны с пробкой в опорах.

Последние более приемлемы для высоких давлений и больших диаметров (рис 2.30.).

Шаровые краны изготавливаются также с твёрдыми металлическими уплотнительными кольцами для использования на абразивных средах, при высоких температурах, в условиях дросселирования и огнестойкости.

Применяются четыре способа установки шара в корпус в обоих базовых исполнениях.

1. Корпус выполнен с одним или двумя разъёмами и состоит из двух или трёх частей, выполняющих функции фланцев. Корпусные детали соединены болтами, расположенными вокруг них. Эта конструкция называется кранами с корпусами из двух или трёх частей.

2. Шар и уплотнительные кольца вставляются через верхний разъём. Эта конструкция называется «кран с верхним разъёмом» (top entry valve).

3. Шар и уплотнительные кольца вставляются в корпус через разъём, расположенный перпендикулярно или под углом к оси трубопровода. Эта конструкция называется «кран с вертикальным или наклонным разъёмом» (end entry valve).

4. Корпус крана заварен и не имеет разъёмов. Ремонт этих кранов может выполняться только в оснащённых специальным оборудованием мастерских (рис. 2.31).

Краны с корпусами из двух или трёх частей имеют преимущество в простоте обслуживания и ремонта. Краны с верхним разъёмом обеспечивают условия для их обслуживания без демонтажа корпуса, что даёт им предпочтение с точки зрения безопасности и оперативности. Установка кранов исключает возможность протечек через разъёмы корпуса и их непроизвольного раскрытия при обслуживании.

Шаровые краны могут изготавливаться из проката, поковок или литья в исполнениях с одним, двумя или тремя разъёмами с резьбовыми или сварными встык или в раструб патрубками.

Шаровые краны с плавающей (поддерживаемой сёдлами) пробкой используются при низких давлениях и температурах. В кранах с пробкой в опорах нагрузка от перепада давления в закрытом положении воспринимается подшипниками опор, а не уплотнительными сёдлами. Это позволяет использовать их при существенно больших давлениях и температурах.

Шаровые краны могут изготавливаться полнопроходными или зауженными. В полнопроходных кранах диаметр проходного сечения соответствует внутреннему диаметру трубопровода. Максимальное заужение прохода (минимальное сечение) регламентировано, например, BS 5351 и приведено в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Размеры зауженных проходов, дюймы

Материалы, обычно применяемые при изготовлении шаровых кранов, – углеродистая сталь 20Л или 25Л или сортовой прокат аналогичных марок для корпусных деталей и легированные стали марок 20Х13 и14Х17Н2 для пробок и штоков. Для применения на коррозионных или низкотемпературных средах корпуса и пробки кранов изготавливаются из нержавеющих сплавов.

Для уплотнительных колец и уплотнений по штоку используется чистый или наполненный фторопласт как химически стойкий, так и обладающий низким коэффициентом трения (менее 0,1). Однако, фторопласт теряет свои свойства при температурах выше 100 °С, а при температуре 230 °С его стойкость падает до 0. Это вынудило использовать графики зависимости рабочего давления от температуры для мягких уплотнений кранов. Указанная зависимость для чистого фторопласта регламентирована BS 5351 (рис. 2.32.)

Нейлоны, полиэстер – кетоны (РЕЕК), флубон, и другие модификации фторопласта, графитовые уплотнения, обычно терморасширенный графит, – используются для повышения стойкости при высоких давлениях и температурах.

Полностью футерованные шаровые краны, как и пробковые краны, изготавливаются для сильноагрессивных рабочих сред. Все соприкасающиеся со средой поверхности защищены фторуглеродным покрытием.

Шар может также быть полностью футерованным или изготовленным из твёрдой керамики. При этом он обеспечивает меньший крутящий момент по сравнению с футерованными пробковыми кранами. Как и в футерованных пробковых кранах, если покрытие будет повреждено, ресурс незащищённого металлического корпуса существенно снижается.

Шаровые краны с мягкими уплотнительными кольцами могут использоваться для регулирования только с малыми перепадами давления. В противном случае высокая скорость среды быстро разрушает уплотнительные кольца. При необходимости использования кранов для регулирования с большими перепадами давления и высокими скоростями рабочих сред применяются металлические уплотнительные кольца и твёрдые покрытия шаров.

Шаровые краны для низких температур

Шаровые краны широко используются для низких температур, включая криогенные, сжиженных природного и нефтяного газа, жидкого азота, кислорода. Это позволяет легко автоматизировать технологические процессы и расширять диапазон применения шаровых кранов.

Краны для низких температур до – 50 °С изготавливают из углеродистых, а для температур до –196 °С – из нержавеющих сталей.

Фторопластовые уплотнения при низких температурах становятся жёсткими, и это является причиной резкого увеличения крутящего момента.

Удлинённая крышка предохраняет уплотнительные кольца штока от действия криогенных температур и образования льда вокруг неё.

Особенностью испытаний таких кранов является необходимость проверки всех элементов на герметичность и работу с легковскипающими жидкостями, часто по требованию инжиниринговых компаний необходимыми являются криогенный тест, включая тест на «холодовой» шок, проводимый при захолаживании арматуры.

Шаровые краны для высоких температур

Максимальные температуры, при которых могут работать шаровые краны, определяются стойкостью к высоким температурам уплотнительных материалов.

Чистый фторопласт обладает высоким коэффициентом термического расширения. Для снижения этого коэффициента могут быть применены примеси силикона или графита.

Обычные материалы могут использоваться при температуре ниже 240 °С.

Для более высоких температур должны применяться другие материалы, например, терморасширенный графит, полиамид, РЕЕК или РЕS, которые могут повысить температурный предел до 350 °С.

Шаровые краны с металлическими уплотнениями становятся всё более популярными в применении как на абразивных средах, так и при высоких температурах вплоть до 1000 °С, вытесняя клиновые задвижки.

Использование шаровых кранов становится таким же широким и разнообразным, как разнообразны технологические процессы в промышленности. Оно распространяется от простых условий эксплуатации, таких как использование на воде, растворителях, кислотах и природном газе, до более трудных и опасных, таких как газообразный кислород, перекись водорода, метан и этилен.

Ограничения использования по температурным характеристикам и свойствам материалов уплотнений уменьшаются в результате исследований и появления новых материалов, что делает возможным расширение применения шаровых кранов в будущем.

Управление шаровыми кранами

Шаровые краны могут управляться вручную рукоятью или маховиком, через редуктор или неполноповоротным приводом, управляемым от электричества, гидравлики или пневматики.

Специальные исполнения:

для пыльных или абразивных сред, низких или высоких температур, ядерных установок, морских условий, применений на хлоре, кислороде, перекиси водорода, фторе, в табачной промышленности, при глубоком вакууме, большом количестве циклов, для космических целей.

ДИСКОВЫЕ ЗАТВОРЫ

Поворотный дисковый затвор состоит из диска, вращающегося на валу с полным углом поворота 90 градусов в корпусе, выполненном в форме трубы. В открытом положении диск устанавливается вдоль оси корпуса, создавая минимальное сопротивление потоку. В закрытом положении кромки диска соприкасаются с уплотнительными кольцами, которые могут располагаться в корпусе или на диске.

Дисковые затворы изготавливаются с размерами от 25 до 1800 мм (1“ – 72“). Они вставляются между фланцами трубопровода, стягиваемыми шпильками, что экономит пространство и массу. Такая конструкция известна как межфланцевая (вафельная) (рис. 2.33.).

Затворы бесфланцевого типа могут быть изготовлены с проушинами, в этом случае, при установке в качестве концевого затвора, второй фланец не требуется.

Затворы обычно применяются в объектах энергетики, пивоварении, водоснабжении и пищевой промышленности, где используются чистые среды. Обычно для корпусов затворов используется чугун, но применяются и другие материалы – углеродистая и нержавеющая стали, бронза и алюминий.

Диски также обычно выполняются из чугуна, но могут изготавливаться из углеродистой или нержавеющей стали или алюминиевой бронзы. Все изготовители стремятся сконструировать профиль диска гладким и обтекаемым, чтобы минимизировать гидравлические потери.

Изготавливаются полностью футерованные конструкции, когда корпус и диск покрыты фторопластом или резиной. Корпус разделён на две части, соединяемые под углом 90° для установки уплотнительного кольца, а вал и диск выполняются как одна деталь, с минимальным количеством неровностей, чтобы обеспечить хорошие гидравлические и гигиенические характеристики.

Уплотнительные кольца также выполняются разными у многих компаний, но всегда изготавливаются из химически стойких эластичных материалов, например, химстойкой резины, нитрила или фторопласта.

Затворы отличаются герметичностью, малыми утечками, и/или возможностью регулировать потоки. Компактная конструкция и девяностоградусный (четвертьповоротный) цикл работы делают их привлекательными как для ручного, так и для приводного управления.

Некоторые из характеристик, которые определяют популярность дисковых затворов:

1) Лёгкость управления;

2) Отсутствие трущихся частей;

3) Низкие гидравлические потери;

4) Низкий вес и стоимость по сравнению с другими видами арматуры;

5) Ход в четверть оборота.

Управление

Для управления дисковыми затворами используются все виды управления – ручное рычагом или маховиком, через редуктор, электрический, пневматический или гидравлический привод в зависимости от размеров или проекта установки.

Дисковые затворы с эксцентрично установленными дисками

Дисковые затворы с эксцентрично установленными дисками используются для тяжёлых условий работы и являются усовершенствованной модификацией обычных конструкций. Такое расположение диска создаёт ему более благоприятные условия взаимодействия с уплотнительными кольцами. Их конструкция может быть уподоблена шаровым кранам, в которых используется часть сферы, контактирующей с уплотнительными кольцами только на нескольких последних градусах закрытия. Это обеспечивает улучшенную герметичность, даёт возможность осуществлять дросселирование, полностью отвечать требованиям к арматуре с PN 2…10 МПа, а конструкция является пожаробезопасной.

В более совершенной конструкции вал диска расположен с двойным эксцентриситетом относительно оси затвора. Он установлен вне диска и смещён относительно оси трубопровода. Уплотнительные кромки диска контактируют с кольцами при закрывании и открывании затвора практически без проскальзывания, то есть без трения.