4.2.2. Краны

Кран — запорное устройство, в котором подвижная деталь затвора (пробка) имеет форму тела вращения с отверстием для пропуска потока. Перекрытие потока осуществляя-ется вращением вокруг своей оси подвижной детали затвора. В зависимости от геомет-рической формы уплотнительных поверхностей пробки и корпу­са краны разделяют на два основных типа: конические и шаровые.

Шаровой кран с ручным управлением и пневмогидроприводом

Краны можно классифицировать и по другим конструктив­ным признакам: по спо-собу создания удельного давления на уп­лотнительных поверхностях, по форме окна про-хода пробки, по числу проходов, по наличию или отсутствию сужения прохода, по типу управления и привода, по материалу уплотнительных поверхностей и т. д.

Наибольшее распространение на магистральных трубопроводах получили шаровые краны.

В конструкции шаровых кранов сохранены основные преиму­щества конических кранов (простота конструкции, прямоточность и низкое гидравлическое сопротивление, постоянство вза­имного контакта уплотнительных поверхностей), но есть и отличия.

Во-первых, пробка и корпус крана благодаря сферической форме имеют меньшие габаритные размеры и массу, а также большую прочность и жесткость (им не нужны реб-ра жесткости, усложняющие технологию отливки).

Во-вторых, при изготовлении кранов с коническим затвором технологически труд-но получить одинаковую геометрию конусов корпуса и пробки. Даже при незначительном различии углов при вершине конусов корпуса и пробки последние будут только теорети-чески касаться корпуса по окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной к оси конуса. Между тем такое различие в конусности неизбежно при обработке уплотнитель-ных поверх­ностей корпуса и пробки с разных технологических установок (обычно при изготовлении кранов больших проходов). Практиче­ски, даже после притирки контакт уплотнительных поверхностей неравномерен по высоте конуса. При этом достаточно плохого контакта вверху или внизу конуса для того, чтобы герметичность крана была нарушена, так как при этом отсутствует замкнутая об­ласть контакта уплотнительных поверхностей вокруг прохода. У шаровых кранов имеется принципиальное преимущество перед коническими: даже при небольшом несовпадении радиусов сфе­ры пробки и уплотнительного кольца теоретический контакт меж­ду ними происходит по окружности вокруг прохода. Это означает, что даже при неточном изготовлении поверхность контакта уплот-нительных поверхностей корпуса и пробки полностью окружает проход и герметизирует затвор крана. Таким образом, конструк­ция кранов со сферическим затвором менее чувствительна к не­точностям изготовления, что обеспечивает гораздо лучшую герме­тичность.

В-третьих, изготовление шаровых кранов менее трудоемко (при наличии необходи-мого оборудования). Это объясняется тем, что наиболее трудоемкие операции при изго-товлении кранов — механическая обработка и притирка уплотнительных поверхно­стей корпуса и пробки. В шаровых кранах, в отличие от кониче­ских, уплотнительных поверх-ностей в корпусе нет, они есть толь­ко на уплотнительных кольцах, размеры которых во много раз меньше, чем размеры корпусов конических кранов (отсюда и рез­кое снижение трудоемкости). Кроме того, в шаровых кранах с кольцами из пластмассы вообще отпадает необходимость в при­тирке уплотнительных поверхностей. Здесь пробку обычно хроми-руют или полируют.

Для создания необходимого при герметичности удельного дав­ления на металли-ческих поверхностях в шаровых кранах преду­смотрено два направления.

Первое — применение шаровых кранов со смазкой на высо­кие давления среды и большие проходы. При этом усилие, созда­ваемое перепадом давления среды на большой площади, позволяет надежно герметизировать затвор, а применение смазки — умень­шить необходимые усилия для управления краном.

Второе — применение в шаровых кранах пластмассовых уп­лотнительных колец, что позволило снизить необходимые для гер­метичности затвора усилия. Изготовляют краны с плавающим ша­ром (рис. 4.6) и с шаром на опорах (рис. 4.7).

У первых шар в закрытом положении крана давлением рабо­чей среды поджимается к уплотнительной поверхности седла, при этом он сам занимает то положение, которое определяется седлом. У вторых усилие от давления рабочей среды на шар воспринима­ется опорами, а соосность шара и уплотнительной поверхности седла обеспечивается не авто-матически, как в предыдущем случае, а при сборке изделия — регулировкой положения шара по вы­соте. Краны с плавающим шаром имеют более простую конструк­цию и более низкую трудоемкость изготовления, чем краны с ша­ром на опорах. По мере повышения рабочего давления и размеров крана с плавающим шаром возрастает контактное давление на уплотнительных поверхностях седла и шара. Чтобы контактное дав­ление не превысило допустимого значения, контактную площадь сопрягаемых деталей увеличивают, однако наступает момент, ког­да это увеличение становится неэффективным, так как фактиче­ская площадь контакта не возрастает пропорционально увеличе­нию размеров на уплотнительных поверхностях кольца и шара, при их взаимном скольжении образуются задиры. Это обстоятель­ство ограничивает возможность расширения параметров шаро­вых кранов с плавающим шаром.

Существенными недостатками этих изделий являются:

значительные крутящие моменты, требуемые для управления, необходимость применения в связи с этим мощных приводов, имеющих большую массу и размеры;

нестабильность крутящих моментов.

Рис. 4.6. Шаровой кран с плавающим шаром:

а — внешний вид; б — основные элементы шарового крана: 1 — корпус; 2 — шар; 3 — поворотная цапфа; 4 — присоединительные фланцы; 5 — уплотнительный элемент; 6, 7, 8, 9 — уплотнения типа "о" кольца; 10 — болт; 11 — гайка

I

Рис. 4.7. Шаровой кран на опорах:

а — внешний вид; б — основные элементы шарового крана: 1 — корпус; 2 — шар; 3 — поворотная цапфа; 4 — присоединительные фланцы; 5 — уплотнительное кольцо; 6 — уплотнительный элемент; 7,8,9 — уплотнения типа "о" кольца

С понижением температуры требуемый крутящий момент обычно возрастает в связи с увеличением вязкости герметика и присутствием воды в газе. Влияние того и другого фактора весь­ма существенно из-за большой площади взаимного контакта седла и шара. Кроме того, в кранах с седлом из полимерного материала на усилии, необходимом для трогания (перемешения) шара с места (если кран зак­рыт и находится под давлением), сказывается их взаимное сцепле­ние, вызванное микронеровностями поверхности шара, в которую седло вдавливается. Увеличение крутящего момента на валу крана по указанной причине зависит от величины неровностей и их на­правления (от шероховатости поверхности шара и глубины рисок, возникших на нем при эксплуатации изделия, и их направления), температуры, материала седла, контактных давлений и времени нахождения седла и шара в контакте. Имеются данные, что прира­щение усилия на валу крана по указанной причине снижается в 2 — 2,5 раза при понижении шероховатости поверхности шара (с Ra 0,06 до 0,024). К таким же последствиям ведет и нарушение макрогеометрии шара. Наконец, во всех кранах с плавающим ша­ром (с металлическим седлом или седлом из полимерного материа­ла) в закрытом положении одно из седел, а в открытом — два не поджаты к шару. Более того, между седлами (или седлом) и ша­ром имеется зазор — удобное место для образования гидратов. В тех случаях, когда они образуются, стронуть шар с места еще труд­нее, иногда для этого долго приходится разогревать корпус крана. Не исключено, что в этих же кранах (т. е. с седлом из полимерных материалов) усилие управления возрастает и при значительном повышении температуры крана. Такое возможно в том случае, если при сборке был создан малый осевой люфт шара. С повыше­нием температуры из-за значи-тельного коэффициента объемного расширения полимерных колец этот люфт выбирается и повер­нуть шар удается с трудом; увеличиваются эксплуатационные зат­раты в связи со значительным расходом герметика.

В кранах с шаром на опорах эти недостатки практически отсут­ствуют. Контактное давление на уплотнительных поверхностях здесь мало зависит от силы, возникающей от давления рабочей среды, а радиус трения равен радиусу опор. Явление нестабильно­сти усилия, требуемого для управления в них, выражено не так за­метно. Кран в любом случае остается управляемым. Площадь кон­такта седла с шаром невелика, контактное давление также ниже, а герметик при нормальной эксплуатации крана не используется, наконец, седла постоянно поджаты к шару, т. е. мест, удобных для образования гидратов, нет. Существенно также то, что уменьшен­ный момент сопротивления на валу крана с пробкой в опорах по сравнению с моментом сопротивления на валу крана с плавающей пробкой позволяет комплектовать первые краны приводами, име­ющими больший запас по мощ-ности.

В промышленности изготавливают краны с корпусами двух видов: разборными и неразборными (сварными). Параллельный выпуск тех и других объясняется тем, что разборные, хотя и доро­же в изготовлении, но ремонтопригодны при минимальном коли­честве подъемных средств и инструмента. В то же время они име­ют большую массу, чем неразборные краны, и разъем (фланцевый или бесфланцевый), надежность работы кото-рого по мере повы­шения рабочих параметров газа снижается. Сварные экономиче­ски более выгодны за счет экономии материала на изготовление, снижения затрат на транс-портировку и монтаж, повышения на­дежности (в связи с отсутствием разъемного соеди-нения), сниже­ния трудозатрат на изготовление. Однако их ремонт возможен только на специально оборудованных производствах. Поэтому неразборные краны предпочтительно использовать там, где режимы работы ненапряженные, а технический ресурс достаточно велик. Если краны не используются в качестве регулирующих устройств, то они в ряде случаев совершают 2 — 3 цикла в год.

Разборные краны целесообразно использовать там, где они должны работать с большой цикловой нагрузкой или при значительных перепадах давления.

Конструкция корпуса разборных кранов бывает различной. Разъем может быть с одной стороны, с двух сторон, по вертикаль­ной плоскости, перпендикулярной к оси патрубков, по наклонной плоскости, под углом к оси трубопровода. В последнем случае кор­пус состоит из двух почти одинаковых половин. Изготавливают краны и с целым корпусом, но со съемной крышкой. Конструкция разъемного соединения корпуса с крышкой может быть бесфлан­цевой и фланцевой.

Наиболее удобен для ремонта кран с целым корпусом со съем­ной крышкой. Его ремонт можно выполнять без вырезки крана из трубопровода. Некоторое преимущество, с точки зрения ремонта (повышенную ремонтопригодность), имеют краны, корпус кото­рых изготовлен с разъемом с двух сторон. Средняя часть такого крана может быть снята со своего места и заменена запасной без вырезки патрубков. При этом с помощью приспо-собления необхо­димо несколько раздвинуть трубы, подводимые к крану.

Конструкция корпуса неразборных кранов различна. Прива­ривать можно один либо два патрубка. Среднюю часть корпуса можно также сваривать из двух полусфер, соединяя их по верти­кали или под углом 45 °. Каких-либо эксплуатационных преиму­ществ друг перед другом разные конструкции неразборных кор­пусов не имеют. Шар крана выполняют сплошным литым (когда это допустимо, такой шар отливают из чугуна). В целях снижения массы кранов больших размеров и экономии металла шар изготавливают с выемками. И наконец, для снижения трудоемкости изго­товления и облегчения гальванопокрытия его делают фигурным. В этом случае обрабатывают и хромируют только кольцевую по­верхность, контактирующую в работе с уплотнительными кольца­ми в корпусе. Иногда эти кольцевые поверхности образуют на от­дельных от шара кольцах, которые к нему приваривают.

Эксплуатационные качества кранов с шарами различных кон­струкций примерно равноценны.