Автор: А.И. Удалов (ООО НПЦ «АНОД).
Опубликовано в журнале Химическая техника №12/2015
Одной из сложных и приоритетных тем программы ПАО «Газпром»–«Росатом» по импортозамещению арматуры, работающей на загрязненных рабочих средах при высоких давлениях (до 42 МПа) и высоких температурах (до 450°С), является создание шарового крана отечественной разработки.
В 2012–2013 гг. ООО «НПЦ «АНОД» в порядке инициативы разработана конструкция сегментного шарового крана типа КС. Шаровой сегментный кран принципиально новой конструкции предназначен для использования на нефтеи газоперерабатывающих предприятиях, нефтяных и газовых магистралях, комплексах сжиженного природного газа в качестве запорно-регулирующего элемента.
Шаровой сегментный кран новой конструкции предназначен для управления потоком рабочей среды в магистральных трубопроводах высокого давления при больших расходах рабочей среды, содержащей примеси абразивных включений, кроме того, он может найти широкое применение в технологических процессах нефтехимической промышленности при температуре до 500°С.
Наиболее близким аналогом данного крана является шаровой кран типа ORBIT фирмы CAMERON (США).
Конструкция шарового крана типа ORBIT фирмы CAMERON содержит корпус с входным и выходным отверстием и опорной поверхностью в его нижней части; седло с конической уплотнительной поверхностью; выемную часть, состоящую из шарового затвора со сферической поверхностью; фонаря с сальником; привода возвратно-поступательного перемещения штока; устройства, осуществляющего взаимодействие уплотнительных поверхностей шарового затвора и седла корпуса.
При закрытии крана при вращении штурвала по часовой стрелке шток начинает опускаться. При этом спиральные канавки на штоке взаимодействуют с фиксированными направляющими пальцами, вызывая поворот штока и шара. При дальнейшем вращении штурвала шар и шток поворачиваются на 90°, при этом уплотнительная поверхность шара не касается седла. При последних поворотах штурвала спиральные канавки на штоке переходят в канавки, расположенные параллельно оси штока.
Шток в нижнем положении клиновой поверхностью плотно прижимает шар к седлу.
При открытии клапана шток аналогичной клиновой поверхностью отжимает затвор от седла, образуя зазор между уплотнительными поверхностями. Отсутствие трения уплотнительных поверхностей затвора (как при открытии, так и при закрытии) позволяет крану работать с загрязненными рабочими средами, в том числе и при высоких температурах (до 425°С), обеспечивая при этом высокую герметичность уплотнительных поверхностей и износостойкость.
Необходимо отметить, что разработчики крана типа ORBIT заявляют, что кран герметичен при любом направлении потока рабочей среды.
Известна также конструкция шарового крана типа LBX фирмы Log Valve с двумя затворными элементами.
Конструкция шарового крана типа LBX фирмы Log Valve гарантирует двухстороннее уплотнение. Кинематика движения штока с затвором аналогична кинематике крана типа ORBIT. Только после поворота штока на 90° в конце процесса закрытия клиновидные пазы приводной головки на штоке через цапфы наклоняют подвижные затворные элементы (сегменты, соединенные между собой шарнирно) на уплотнительную поверхность седел, осуществляя тем самым двухстороннее закрытие.
Основное отличие данного крана от крана типа ORBIT – двухстороннее уплотнение.
шарового сегментного крана типа КС с верхним разъемом
Конструкция сегментного шарового крана типа КС с верхним разъемом разработки ООО НПЦ «АНОД» представлена на рис. 1. Кран содержит корпус с входным и выходным отверстиями и опорной поверхностью, выполненной в его нижней части; седло с конической уплотнительной поверхностью; выемную часть, состоящую из шарового затвора со сферической поверхностью; фонаря с сальником; привода возвратно-поступательного перемещения штока; устройства, осуществляющего взаимодействие уплотнительных поверхностей шарового затвора и седла корпуса.
Оригинальность конструкции крана, защищенной патентом РФ №2521701 от 05.03.2013 г., состоит в том, что корпус снабжен вторым седлом, расположенным напротив первого седла. Шаровой затвор выполнен из двух подвижных сегментов с дисками, на которых выполнены уплотнительные поверхности. Подвижные сегменты соединены между собой шарнирно через ось, установленную в опорной поверхности корпуса. В верхней части каждый сегмент через введенные рычаги с осями соединен шарнирно с нижним концом штока, который после поворота и совмещения уплотнительных поверхностей шарового затвора обеспечивает поджатие уплотнительных поверхностей при дальнейшем поступательном его перемещении. Устройство, преобразующее поступательное движение штока с затвором в поворотное состоит из гайки с несамотормозящей резьбой, установленной неподвижно в ползуне привода и взаимодействующей с соответствующе выполненной резьбой штока. Дальнейшее поступательное движение штока обеспечивают опорные детали устройства, передающие усилие от штока пакету тарельчатых пружин, установленных с предварительным поджатием в корпусе фонаря.
Испытания шарового сегментного крана типа КС DN100 PN40 (см. рис. 1) в ОАО «КУРГАНСПЕЦАР-МАТУРА» доказали ее эффективность по сравнению с шаровым краном типаORBIT фирмы CAMERON и полностью подтвердили ее повышенный (благодаря высокой износостойкости силовых элементов в виде многозаходной несамотормозящей резьбы) ресурс. Герметичность затвора крана в обоих направлениях – по классу А ГОСТ Р 54808–2011 на пробной среде – воздух при давлении pисп = 4 МПа.
Двухсторонняя герметичность крана существенно расширяет функциональные возможности данной конструкции и является полноценной альтернативой существующим шаровым кранам для работы на загрязненных рабочих средах, так как обладает более высоким ресурсом по цикличности и высокой герметичностью двухстороннего затвора в продолжение всей эксплуатации.
При испытаниях также был продемонстрирован способ разгрузки крана при сбросе давления из внутренней полости. Крутящий момент при открытии крана при давлении 4,4 МПа уменьшился в 1,5 раза, а при давлении 6 МПа – в 12 раз.
В описанной конструкции шарового сегментного крана затвор хорошо работает в средах, содержащих абразивные включения. Для этого пришлось несколько усложнить механизм разжима сегментов через введенные рычаги. Если использовать сегментный клапан на относительно чистых средах, таких, как пар и вода, то нет необходимости усложнять этот механизм, и тогда конструкция поворота и разжима существенно упрощается и становится компактнее. Также нет необходимости использовать в компоновке крана только сложного литого корпуса с извлечением выемной части через верхний разъем. На рабочие давления PN ≤ 6,3 МПа при DN ≤ 200 мм иногда целесообразно выполнить корпус с боковыми фланцами, соединенными шпильками (рис. 2), или с одним боковым разъемом (рис. 3).
1 – плунжер; 2 – гайка;
3 – подшипник; 4 – пакет тарельчатых пружин;
5 – сальник; 6 – корпус; 7 – затвор; 8 – шарнирная ось; 9 – опорная ось; 10 – сегмент с твердой наплавкой; 11 – седло; 12 – фланец; 13 – тяга;
14 – шток; 15 – фонарь; 16 – кольцо подшипника; 17 – верхний упор;
18 – корпус привода; 19 – маховик
При использовании шарового сегментного крана типа КС на чистых рабочих средах конструкция крана становится более компактной (рис. 4). В этом варианте конструкции с клиновым разжимом поджатие и отжатие подвижных сегментов производится клиновыми поверхностями канавок приводной головки через цапфы.
Корпус шарового крана сегментного типа КС может быть выполнен как с боковыми фланцами на шпильках (см. рис. 4) для изделий DN до 200 мм при PN не более 6,3 МПа, так и с верхним и с боковыми разъемами.
«закрыто» шарового сегментного крана типа КС с боковыми фланцами с клиновым разжимом
В описанных конструкциях шарового сегментного крана типа КС уплотнение затвора обеспечивалось для высокотемпературных рабочих сред (выше 200°С). Естественно, эти конструкции применимы и для низкотемпературных сред (ниже 200°С), где можно использовать более эффективное уплотнение затвора – металл–эластомер.
При использовании шарового сегментного крана типа КС, особенно на высокотемпературных средах, необходимо принимать во внимание двухстороннюю герметичность затвора, которая может вызвать переопрессовку корпуса крана в его закрытом положении. Для предохранения от этого нежелательного явления на корпусе крана необходимо устанавливать предохранительный клапан.
Описанные конструкции служат основой для разработки технической документации и изготовления типоразмерного ряда шаровых сегментных кранов типа КС для нефтеи газоперерабатывающих предприятий, газовых магистралей и комплексов сжиженного природного газа на различные номинальные диаметры и давления.
