Шаровой кран

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, в частности, к шаровым кранам для газовых технологических и магистральных трубопроводов. Известные конструкции шаровых кранов имеют недостаточное качество при эксплуатации по пропускной способности и по герметичности пробки, изготовленной методом литья или штампо-сварным способом, больших затрат при изготовлении пробок и эксплуатации крана. Так, при изготовлении литых пробок с уменьшенным проходным диаметром D_N в сравнении с внутренним диаметром привариваемых труб d_тр, краны имеют пониженную пропускную способность, ускоренный износ уплотнительного кольца, контактирующего с пробкой, снижение качества крана по герметичности и повышение затрат на пасту-герметик для восстановления герметичности пробки в кране. При изготовлении штампо-сварных пробок, содержащих шаровую оболочку, опоры, кожух и ребра жесткости, краны имеют пробку с недостаточной жесткостью, снижающей герметичность крана при эксплуатации в закрытом положении, большими затратами при изготовлении пробки и эксплуатации крана по восстановлению герметичности пробки в кране. Технической задачей данного 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, шаровая пробка на опорах выполнены со сферической оболочкой в форме целой штампованной плоско-шаровой оболочки с проходным диаметром dn, 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 _упл, до S₁ - в середине оболочки и до S₂ - на торцах проходного отверстия в горизонтальной плоскости пробки на длине L, и от S до S ₁ и S₂ - 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; а кожух выполнен из двух полуобечаек с внутренним диаметром dn; приварен к оболочке и опорам усиленным швом и выполняет дополнительную функцию ребра жесткости пробки. Данная конструкция пробки, например, для крана с D_y 1000 мм на Р _у 8,0 МПа, содержащая целую плоско-шаровую оболочку с увеличенными толщинами S₁ и S₂ , имеет проходной диаметр D_N=d _тр -, повышение жесткости в зоне =0° в 6,2 раза, а в зоне =45° - более чем в 3,8 раза за счет увеличения толщины стенки с S до S₂ и дополнительной жесткости пробки от жесткости кожуха и снижение затрат при изготовлении пробки за счет уменьшения размеров опор и исключения ребер жесткости.

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, в частности, к шаровым кранам для газовых технологических и магистральных трубопроводов.

Известны конструкции шаровых кранов с D _y от 200 до 1400 мм на Р_y 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.

Пропускная способность крана зависит от соответствия проходного диаметра крана D_N внутреннему диаметру трубы d_тр, привариваемой к крану.

Надежность крана по герметичности зависит от жесткости пробки и качества ее сферической поверхности, контактирующей с уплотнительным кольцом;

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_н (D _N).

Жесткость пробки и качество ее сферической поверхности зависят от конструкции пробки и способа ее изготовления.

Пробки шаровых кранов с D_y до 200 мм изготавливают из поковок со сплошной стенкой, что обеспечивает кранам высокое качество по пропускной

способности, D_N =d_тр; высокую жесткость пробке и кранам - надежность по герметичности.

Пробки шаровых кранов с D_y300 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 (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:

1. Пониженная пропускная способность, D _N<d_тр. Пропускная способность крана снижается на величину

где Q_Г - 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_y 1000 мм с D_N=978 мм и d_тр =988 мм, снижение поставки газа Q = 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:

1. обеспечении проходного диаметра пробки D_N=d _тр;

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 =45°, в месте максимальных изгибающих моментов в оболочке,

- шаровая оболочка имеет постоянную толщину стенки от =45° до =0° - зоны максимальных изгибающих моментов в оболочке от действия внешней силы Р_у (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,

- шаровая пробка на опорах выполнена со сферической оболочкой в форме целой штампованной плоско-шаровой оболочки с проходным диаметром D_N, 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 _упл, до S₁ - в середине оболочки и до S₂ - на торцах проходного отверстия в горизонтальной плоскости пробки на длине L и от S до S ₁ и S₂ - 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;

- кожух выполнен из двух полуобечаек с внутренним диаметром D_N, 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.

Так, в предлагаемой пробке сферическая оболочка 1 выполнена в форме целой штампованной плоско-шаровой оболочки с проходным диаметром D_N, 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 _упл, до S₁ в середине оболочки и до S₂ на торцах проходного отверстия в горизонтальной плоскости пробки на длине L и от S до S ₁ и S₂ - в вертикальной плоскости пробки на высоте Н. Следует отметить, что толщина стенки оболочки 82 постоянная во всех сечениях пробки на диаметре D _упл (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.

Кожух 4 выполнен из двух полуобечаек с внутренним диаметром D _N (см. фиг.2, 3 и 4), приварен к оболочке и опорам (см. фиг.4) усиленным швом и выполняет дополнительную функцию ребра жесткости пробки.

Пробка с цельноштампованной плоско-шаровой оболочкой с увеличенными толщинами стенок S₁ и S₂, опорами, приваренными вдали от угла (р-действия наружного давления Р_у на пробку, и кожуха, приваренного к опорам и оболочке по длине пробки, имеет жесткую конструкцию, обеспечивающую герметичность крана, и сравнительно низкие затраты при изготовлении.

Пример. Шаровой кран на D_y 1000 мм и Р_у 8,0 МПа, согласно условиям эксплуатации должен иметь проходной диаметр D_N=988 мм и привариваться к трубам 11с наружным диаметром 1020 мм, толщиной стенки 16 мм и внутренним диаметром d_тр=988 мм.

Шаровая пробка в кране должна иметь проходной диаметр D_N =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 ₁=97 мм, S₂=73 мм, рассчитанных с учетом изгибающих моментов и нормальных сил в зонах с =0° и =45° и толщину S=62 мм. Толщины стенок S ₁, S₂ 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.

Предложенная конструкция пробки для крана D_y 1000 мм, Р_у 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 S₂=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^х деталей (см. фиг.2) со сварными швами опор вдали от уплотнительного кольца 6 или угла =45°.

Предложенное изобретение может найти применение при изготовлении полнопроходных шаровых кранов с D _y от 200 до 1400 мм на Р_у от 6,0 до 20,0 МПа.

1. Шаровой кран, содержащий 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, отличающийся тем, что шаровая пробка на опорах выполнена со сферической оболочкой в форме целой штампованной плоско-шаровой оболочки с проходным диаметром D_N, 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 _упл, до S₁ в середине оболочки и до S₂ на торцах проходного отверстия в горизонтальной плоскости пробки на длине L и от S до S ₁ и S₂ в вертикальной плоскости пробки на высоте Н.

2. Шаровой кран по п.1, отличающийся тем, что 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.

3. Шаровой кран по пп.1 и 2, отличающийся тем, что кожух выполнен из двух полуобечаек с внутренним диаметром D_N , приварен к оболочке и опорам усиленным швом и выполняет дополнительную функцию ребра жесткости пробки.