Шаровой кран двухстороннего действия для высоких давлений

 

Изобретение относится к арматуростроению и предназначено для использования в качестве запорного устройства в трубопроводах, транспортирующих коррозионно-активные среды или природный газ с высоким давлением. Шаровой кран двухстороннего действия для высоких давлений содержит корпус с горизонтальными впускным и выпускным участками для прохода среды и вертикальной внутренней расточкой (горловиной). Упомянутые участки сообщаются через разделяющую их полость. В горловине расположен приводной вал с закрепленным на нем основанием ручки управления. В корпусе расположены шаровой запорный орган со сквозным продольным отверстием и два подвижных упруго нагруженных поджимными устройствами седла-уплотнителя. Последние расположены по обеим сторонам запорного органа с центральными вогнутыми участками. Эти участки полностью соприкасаются с поверхностью запорного органа. Запорный орган установлен с возможностью поворота в вертикальной плоскости на угол 90°. Одно седло установлено в цилиндрической расточке корпуса. Другое седло установлено во внутренней цилиндрической расточке соединительной втулки с уплотнительным кольцом на наружной цилиндрической поверхности. Опорная гайка сопряжена с корпусом по резьбовой поверхности и упирается в кольцевой выступ соединительной втулки. Вертикальная внутренняя расточка (горловина) корпуса выполнена ступенчатой. Ее большая ступень расположена со стороны разделяющей полости. В расточке герметично размещена антифрикционная коаксиальная цилиндрическая втулка - вкладыш с наружным кольцевым буртом. Втулка-вкладыш расположена с возможностью одновременного контакта и взаимодействия с соответствующей уплотненной поверхностью приводного вала и установочной внутренней поверхностью основания ручки управления. Втулка снабжена предохраняющим от проворота в корпусе фиксирующим элементом в виде замковой плоской пластины. Сопрягаемая с корпусом опорная торцовая поверхность кольцевого бурта выполнена конической. Вершина конуса конической поверхности направлена в сторону ручки. На внешней открытой периферийной поверхности втулки, граничащей с атмосферой, образован, по меньшей мере, один перпендикулярно расположенный к оси вращения втулки канавочный паз. Замковая пластина жестко закреплена на корпусе с возможностью взаимодействия с указанным пазом втулки. Изобретение направлено на повышение надежности и безопасности работы шарового крана. 3 ил.

Изобретение относится к арматуростроению и предназначено для использования в качестве запорного устройства в трубопроводах, транспортирующих коррозионно-активные среды или природный газ с высоким давлением.

Как показывают испытания и опыт эксплуатации, надежность и ресурс шаровых кранов чаще всего и в основном зависят от надежности работы узла приводного вала.

Известен шаровой кран (кран), содержащий корпус, два подвижных резьбовых патрубка с уплотнительными кольцами-седлами, шаровой затвор с центральным проходным отверстием, приводной вал, входящий в углубление шарового затвора (А.С. №1651003, кл. F 16 K 5/06, 02.08.89).

Известен также шаровой кран, в корпусе которого расположены пробка с уплотнительными кольцами, подвижная в осевом направлении втулка, прижимающая кольца к пробке под действием накидной гайки, и уплотнение, герметизирующее втулку относительно корпуса (шаровой кран по SU №543802 А, кл. F 16 K 5/06, 25.01.1977).

К недостаткам известных конструкций относится то, что компенсация износа пакета уплотнительных элементов, установленных в известных кранах в расточках корпусов приводного вала, производится путем осевой подтяжки вертикально расположенной резьбовой пробки и промежуточной прижимной втулки, сжимающей пакет уплотнительных элементов. Такой достаточно широко распространенный способ обеспечения внешней герметичности крана по приводному валу вызывает большие неудобства в эксплуатации из-за частых регулировок и, кроме этого, отличается характерной для этой конструкции нестабильностью внешней герметичности преимущественно при работе крана в условиях низких температур окружающей среды от минус 30 до минус 60°С.

В соответствии с требованиями действующих государственных стандартов внешняя герметичность шаровых кранов в диапазоне эксплуатационных температур должна быть полной.

Известен шаровой кран (кран), содержащий корпус с впускным и выпускным горизонтальными участками для прохода среды, сообщающимися между собой через разделяющую их полость, приводной вал с ручкой, шаровой запорный орган со сквозным продольным отверстием и с возможностью поворота в вертикальной плоскости на 90°, два подвижных, расположенных по обеим сторонам запорного органа, упруго подпружиненных поджимными устройствами седла-уплотнителя, одно из которых установлено в цилиндрической расточке корпуса, другое - в цилиндрической расточке подвижной резьбовой пробки с уплотнительным кольцом на наружной цилиндрической поверхности (патент РФ RU 2171935, кл. А 16 К 5/06, 10.08.2001).

Недостатком данной конструкции является то, что из-за объективной необходимости применения в кране деталей из нержавеющей коррозионностойкой стали при работе крана под нагрузкой происходит характерное для таких сталей контактное (молекулярное) схватывание сопряженных поверхностей приводного вала и корпуса, в результате чего наблюдаются сильные надиры и, как следствие, усиленный износ этих поверхностей, неизменно сопровождающийся увеличением момента, необходимого для поворота ручки управления, или, в худшем случае, заклиниванием ее.

Другим общим недостатком известных технических решений, в том числе и рассмотренных выше конструкций кранов-аналогов, является то, что они не обладают достаточной надежностью и безопасностью в течение длительного периода эксплуатации. Так, в случаях возможного ослабления или потери наружными крепежными деталями, фиксирующими осевое положение приводного вала в корпусе, установленных моментов затяжки (например, из-за наличия вибраций или автоколебаний элементов системы проводки рабочей среды) приводной вал крана под воздействием давления этой среды выжимается из посадочного гнезда, чем вызывается вначале частичная, а затем и полная разгерметизация запорного крана со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому изобретению является газовый шаровой клапан (US №5082246, кл. F 16 K 5/06, 1991). Известный шаровой клапан содержит наибольшее количество сходных с заявляемым краном признаков, а именно: оба устройства представляют собой шаровой кран, каждый из которых содержит корпус с горизонтальными впускным и выпускным участками для прохода среды, сообщающимися через разделяющую их полость, и вертикальной внутренней расточкой (горловиной), в которой расположен приводной вал с закрепленным на нем основанием ручки управления, шаровой запорный орган со сквозным продольным отверстием и возможностью поворота в вертикальной плоскости на угол 90°, два подвижных седла-уплотнителя, расположенных по обеим сторонам запорного органа с центральными вогнутыми участками, полностью соприкасающимися с поверхностью запорного органа, одно седло установлено в цилиндрической расточке корпуса, другое - в цилиндрической расточке подвижной втулки с уплотнительным кольцом на наружной цилиндрической поверхности.

Достоинством известного крана является то, что в нем не предусмотрено применение наружных крепежных элементов для уравновешивания приводного вала от сил давления рабочей среды. Приводной вал в отличие от кранов-аналогов устанавливается в вертикальную расточку корпуса изнутри через разделяющую полость и упирается в торцовую стенку вертикальной расточки своим наружным кольцевым буртом, воспринимающим основную нагрузку от действия сил давления рабочей среды. Конструкция отличается безопасностью и гарантированной внешней герметичностью по приводному валу, но не исключает недостаток, присущий описанному выше аналогу по патенту РФ RU 2171935.

Большая вероятность “затяжеления” или заклинивания управления в процессе работы, приводящие к отказу, существенно снижает надежность крана и делает его неремонтопригодным.

Технической задачей заявляемого изобретения является решение следующих задач:

- уменьшение трения и исключение молекулярного схватывания контактирующих между собой поверхностей приводного вала и корпуса в условиях недостаточного смазывания,

- повышение износостойкости контактирующих поверхностей привода и, следовательно, повышение ресурса и внешней герметичности крана в широком эксплуатационном диапазоне давлений и температур рабочей среды,

- выполнение требований по ремонтопригодности крана,

- обеспечение безопасности в процессе эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что в шаровом кране, содержащем корпус с горизонтальными впускным и выпускным участками для прохода среды, сообщающимися через разделяющую их полость, и вертикальной внутренней расточкой (горловиной), в которой расположен приводной вал с закрепленным на нем основанием ручки управления, шаровой запорный орган со сквозным продольным отверстием и возможностью поворота в вертикальной плоскости на угол 90°, два подвижных упруго нагруженных поджимными устройствами седла-уплотнителя, расположенные по обеим сторонам запорного органа с центральными вогнутыми участками, полностью соприкасающимися с поверхностью запорного органа, одно седло установлено в цилиндрической расточке корпуса, другое - во внутренней цилиндрической расточке соединительной втулки с уплотнительным кольцом на наружной цилиндрической поверхности, и опорную гайку, сопряженную с корпусом по резьбовой поверхности и упирающуюся в кольцевой уступ соединительной втулки, согласно изобретению вертикальная внутренняя расточка (горловина) корпуса выполнена ступенчатой и ее большая ступень расположена со стороны разделяющей полости, в расточке герметично размещена антифрикционная коаксиальная цилиндрическая втулка - вкладыш с наружным кольцевым буртом и возможностью одновременного контакта и взаимодействия с соответствующей уплотненной поверхностью приводного вала и установочной внутренней поверхностью основания ручки управления, при этом втулка снабжена предохраняющим от проворота в корпусе фиксирующим элементом в виде замковой плоской пластины, а сопрягаемая с корпусом опорная торцовая поверхность кольцевого бурта выполнена конической, с вершиной конуса, направленной в сторону ручки, причем на внешней открытой периферийной поверхности втулки, граничащей с атмосферой, образован по меньшей мере один перпендикулярно расположенный к оси вращения втулки канавочный паз, а замковая пластина жестко закреплена на корпусе с возможностью взаимодействия с указанным пазом втулки.

Установка в кране между корпусом и приводным валом антифрикционной (например, из бронзы) коаксиальной втулки с упорным наружным кольцевым буртом со стороны разделяющей внутренней полости и с возможностью ее фиксации от проворота исключает схватывание и заклинивание сочленяемых деталей, повышает надежность и ресурс крана, обеспечивает легкий монтаж и демонтаж деталей узла при проведении регламентных и ремонтно-восстановительных работ.

Возможность осуществления изобретения обеспечивается конструкцией крана, показанной на чертежах.

На фиг.1 показан шаровой кран двухстороннего действия для высоких давлений в открытом положении, общий вид, разрез.

На фиг.2 показан общий вид, разрез шарового крана в закрытом положении.

На фиг.3 показан разрез А - А фиг.1.

Шаровой кран (фиг.1) содержит корпус 1 с горизонтальными впускным (условно) 2 и выпускным (условно) 3 участками для прохода среды, сообщающимися через разделяющую их полость 4, и вертикальной внутренней расточкой (горловиной) 5, в которой расположен приводной вал 6 с закрепленным на нем основанием 7 ручки управления 8, шаровой запорный орган 9 со сквозным продольным отверстием 10, два подвижных упруго нагруженных поджимными устройствами 11 седла-уплотнителя 12, расположенные по обеим сторонам запорного органа 9, одно седло установлено в цилиндрической расточке 13 корпуса 1, другое - во внутренней цилиндрической расточке подвижной соединительной втулки 14 с уплотнительным кольцом 15 на наружной цилиндрической поверхности. В торец соединительной втулки 14 упирается опорная гайка 16, сопряженная с корпусом 1 по резьбовой поверхности.

Вертикальная внутренняя расточка (горловина) 5 корпуса выполнена ступенчатой, ее большая ступень 17 расположена со стороны разделяющей полости 4, в расточке 5 герметично размещена антифрикционная коаксиальная цилиндрическая втулка-вкладыш 18 с наружным кольцевым буртом 19. Со втулкой-вкладышем 18 по внутренней поверхности контактирует приводной вал 6, а по наружной поверхности - основание 7 ручки управления 8. Втулка-вкладыш 18 снабжена фиксирующим элементом в виде замковой плоской пластины 20, взаимодействующей с канавочным пазом 21 (фиг.3), выполненным на открытой периферийной поверхности втулки перпендикулярно к ее оси. Замковая пластина 20 жестко соединена с корпусом 1 с помощью двух крепежных винтов 22. Опорная торцовая поверхность кольцевого бурта 19 (фиг.1) выполнена конической. Основание 7 с ручкой управления 8 жестко соединено с приводным валом 6 с помощью гайки 23.

Шаровой кран работает следующим образом.

Шаровой кран открывает (см. фиг.1) или перекрывает (см. фиг.2) поток рабочей среды посредством поворота шарового запорного органа 9, что осуществляется поворотом приводного вала 6 с помощью ручки 8 на угол 90 градусов. В положении “открыто” проходные отверстия участков 2 и 3 корпуса 1 соответственно совмещаются с проходным отверстием 10 запорного органа 9, и рабочая среда проходит через кран. В положении “закрыто” запорный орган 9 перекрывает путь рабочей среде, а упруго деформированная система, состоящая из поджимного устройства 11 и шарового запорного органа 9, препятствует утечке рабочей среды.

Наиболее тяжелыми режимами работы для шарового крана является режим перекрывания рабочей среды под высоким давлением и режим “стоянки”, когда перекрытый на длительное время кран находится под воздействием высокого давления и температуры окружающей среды. Рабочая нагрузка в этом случае, воспринимаемая шаровым запорным органом 9, передается через радиально направленные силы на сферическую поверхность седла-уплотнителя 12. В связи с тем, что материалами для изготовления седел-уплотнителей преимущественно являются полиамидные материалы с высокими значениями коэффициентов трения, значительно возрастают величины моментов, необходимых для поворота управляющего вала, а вместе с этим - радиальные нагрузки приводного вала на установочную поверхность корпуса. В конечном итоге увеличивается износ взаимодействующих поверхностей, во многом определяющий ресурс крана.

В предлагаемой конструкции шарового крана за счет установки в корпусе антифрикционной (например, из бронзы) коаксиальной втулки 18 удалось исключить “схватывание” и заклинивание приводного вала 6, значительно уменьшить усилие поворота ручки управления 8, а стопорение от проворота в корпусе втулки 18 с помощью замковой пластины 20 гарантированно обеспечивает скольжение приводного вала и его уплотнителя относительно втулки с меньшими угловыми скоростями и износом.

Таким образом, шаровой кран, выполненный согласно изобретению, позволяет создать кран с повышенным сроком службы и высокой надежностью, с практически неограниченной возможностью проведения высокотехнологичных ремонтно-восстановительных работ в течение назначенного ресурса, что подтверждается результатами проведенных заводских испытаний и эксплуатации.

Формула изобретения

Шаровой кран двустороннего действия для высоких давлений, содержащий корпус с горизонтальными впускным и выпускным участками для прохода среды, сообщающимися через разделяющую их полость, и вертикальной внутренней расточкой (горловиной), в которой расположен приводной вал с закрепленным на нем основанием ручки управления, шаровой запорный орган со сквозным продольным отверстием и возможностью поворота в вертикальной плоскости на угол 90°, два подвижных упругонагруженных поджимными устройствами седла-уплотнителя, расположенные по обеим сторонам запорного органа с центральными вогнутыми участками, полностью соприкасающимися с поверхностью запорного органа, одно седло установлено в цилиндрической расточке корпуса, другое - во внутренней цилиндрической расточке соединительной втулки с уплотнительным кольцом на наружной цилиндрической поверхности, и опорную гайку, сопряженную с корпусом по резьбовой поверхности и упирающуюся в кольцевой выступ соединительной втулки, отличающийся тем, что вертикальная внутренняя расточка (горловина) корпуса выполнена ступенчатой и ее большая ступень расположена со стороны разделяющей полости, в расточке герметично размещена антифрикционная коаксиальная цилиндрическая втулка-вкладыш с наружным кольцевым буртом с возможностью одновременного контакта и взаимодействия с соответствующей уплотненной поверхностью приводного вала и установочной внутренней поверхностью основания ручки управления, при этом втулка снабжена предохраняющим от проворота в корпусе фиксирующим элементом в виде замковой плоской пластины, а сопрягаемая с корпусом опорная торцовая поверхность кольцевого бурта выполнена конической с вершиной конуса, направленной в сторону ручки, причем на внешней открытой периферийной поверхности втулки, граничащей с атмосферой, образован по меньшей мере один перпендикулярно расположенный к оси вращения втулки канавочный паз, а замковая пластина жестко закреплена на корпусе с возможностью взаимодействия с указанным пазом втулки.

РИСУНКИ