Патент на изобретение №2334149

(54) ШАРОВОЙ КРАН

(57) Реферат:

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, в частности к шаровым кранам, и предназначено для использования в газовых и нефтяных магистральных и технологических трубопроводах. Шаровой кран содержит неразъемный корпус с входным и выходным патрубками, шаровую поворотную пробку на опорах и два подпружиненных к пробке седла. Каждое седло содержит уплотнительное полиуретановое кольцо, закрепленное в обойме, и обойму с отверстиями для подвода смазки – герметика в зазор между пробкой и обоймой. Седло снабжено прижимным кольцом и защитным металлическим кольцом. Это кольцо контактирует с шаровой поверхностью пробки и установлено в обойме в глухом кольцевом пазу с отверстиями под пружины и стопорными винтами. Прижимное кольцо выполнено с отверстиями для закрепления в обойме уплотнительного кольца. Обойма выполнена с фланцем и уступом. Во фланце выполнены отверстия под пружины прижима седла к пробке. Защитное металлическое кольцо выполнено замкнутым из листового проката и расположено между проходным отверстием обоймы и отверстиями для подвода герметика к пробке. Изобретение направлено на повышение герметичности крана, на увеличение срока эксплуатации крана до ремонта и на уменьшение расхода герметика при эксплуатации крана. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

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

Качество шаровых кранов при эксплуатации оценивают надежностью по герметичности пробки относительно седел и количеством герметика, вносимого в кран для восстановления герметичности пробки относительно седел.

Надежность крана по герметичности пробки относительно седел зависит от параметров рабочей среды, транспортируемой через кран, конструкции седла и срока эксплуатации крана. Известен стандарт ОАО «Газпром» – ОТС-ЗРА-98 «Общая техническая спецификация. Запорно-регулирующая арматура, DN 100-1400 мм, PN от 6,4 до 42,0 МПа». Данный стандарт рекомендован для неагрессивного природного газа с механическими примесями до 10 мг/нм³, температуре рабочей среды Т°С от -10 до +80 и должен обеспечивать: герметичность пробки седлами от 0,1 МПа до 1,1 PN (п.4.6.5), предварительное поджатие седел посредством пружин (п.4.6.3.), подвод смазки – герметика к пробке (п.п.4.6.14 и 4.6.15), различное материальное исполнение уплотнительных колец (п.п.4.6.17-4.6.19) и срок службы крана не менее 30 лет (п.10.1) при ресурсе в течение срока службы не менее 4000 циклов для DN 100-200 мм, не менее 2000 циклов для DN 300-1000 мм, не менее 500 циклов для DN 1200-1400 мм (п.10.2).

Количество герметика и частота его внесения в кран для восстановления герметичности пробки относительно седла зависит от размеров крана по DN, зазора между пробкой и седлом и режима работы крана (числа поворотов пробки в кране в сутки, месяц, год). По данным ООО « Ямбурггаздобыча » ОАО «Газпром» норма расхода герметика (пасты типа 131-129С марки 2 или САГ- тип 2 по ТУ38.401-58-289-01) составляет на одну запрессовку для кранов DN 50-100 мм – 0.5 кг, DN 150-300 мм – 1,0 кг, DN 400-500 мм – 1,5 кг, DN 700 мм – 2 кг, DN 1000 мм – 3 кг. Средняя частота запрессовки герметика в кран составляет 3,3 раза в год, а годовой расход герметика в ООО « Ямбурггаздобыча » превышает 14400 кг.

Герметик при повороте пробки выдувается потоком газа в газопровод, загрязняет газ и приводит к большим штрафным санкциям при продаже грязного газа.

Известен шаровой кран по патенту Великобритании GB 1414440, F16K 5/06, F16K 5/20, F16K 5/22 F16K 5/00 от 19.11.1975 (1).

Кран предназначен для обеспечения уплотнения между корпусом и шаровой поверхностью поворотной на опорах пробки. Кран содержит неразъемный (сварной) корпус с входным и выходным патрубками 10, имеющими каналы 66 для подвода жидкостного герметического уплотнения к седлам 56 или 56 и 56а и к поверхности шаровой пробки 13. Для обеспечения уплотнения пробки относительно корпуса седла содержат обойму 56 целую или из двух частей 56 и 56а, уплотнительное 72 и защитное 81 нейлоновые кольца, уплотнитель 73 из синтетического каучука, каналы 77 для подвода жидкостного герметического уплотнения в зону 76 к шаровой поверхности пробки 13. Седла 56 прижимаются к пробке 13 пружинами 64.

Недостатками известной конструкции шарового крана являются:

– при повороте пробки механические примеси проходящего газа удерживаются уплотнителем 73 из синтетического каучука, разрушают при повороте пробки уплотнительное кольцо 72 и защитное кольцо 81, что приводит к нарушению герметичности седел относительно пробки;

– краны этой конструкции не нашли практического применения в СССР до 1988 года (см. Д.Ф.Гуревич, О.Н.Заринский, Ю.К.Кузьмин Справочник по арматуре для газо- и нефтепроводов. – Л., Недра, 1988, табл.3.3, стр.114).

Известен шаровой кран по А.С. №1654622 A1, F16K 5/06 от 07.06.1991 (2). Кран предназначен для повышения надежности за счет обеспечения постоянного прилегания защитного кольца к поверхности шаровой пробки.

Шаровой кран содержит корпус 1 со сферической пробкой 2 и двухкамерное седло (камеры А и Б) в виде двух коаксиально установленных втулок 3 и 4 с уплотнительным кольцом 5 в наружной втулке 3 и защитным кольцом 6, размещенным в кольцевой проточке 7 внутренней втулки 4. Уплотнительное полиуритановое кольцо 5 прижимается к пробке 2 и защищено от механических примесей проходящего газа защитным металлическим кольцом 6. Кольцо 6 жестко закреплено от осевого перемещения относительно кольца 4 стопорным кольцом 8, но имеет возможность радиального перемещения на величину относительно пробки 2 за счет упругих деформаций стенки в зоне кольцевой проточки 14 или разрезанных колец: защитного 6, стопорного 8 и прижимного 9. Каналы под смазку уплотнительного кольца 5 отсутствуют.

Известный шаровой кран устранил из предыдущего крана уплотнитель 73 из синтетического каучука, смазку жидкостного герметического уплотнителя и каналы под смазку 66 и 77, защитную ленту 68, пружину 64 и заменил материал защитного кольца 6 (81) с нейлона на металл, что снизило количество осевших механических примесей в зоне пробки и седла между уплотнительным кольцом 5 и защитным кольцом 6 при повороте пробки. Коэффициент трения механических примесей о металл (пробку 2 и защитное кольцо 6) значительно меньше, чем о синтетический каучук и нейлон.

Недостатками известной конструкции шарового крана является следующее:

– отсутствуют пружины для прижима уплотнительного кольца 5 к пробке, не обеспечивается пункт 4.6.3 ОТС – ЗРА-98;

– отсутствуют каналы для подвода смазки к уплотнительному кольцу 5 при его разрушении механическими примесями в проходящем газе при повороте пробки, не обеспечиваются пункты 4.6.14, 4.6.15 ОТС – ЗРА-98;

– защитное кольцо 6 закреплено во внутренней втулке 4 неподвижно стопорным кольцом 8 и отходит от пробки вместе с внутренней втулкой 4;

– при закрытом положении крана в выходном патрубке, в камере Б, давление газа отсутствует, защитное кольцо 6 радиально сжимается, отходит от пробки и надежность шарового крана нарушается;

– выполнение защитного кольца 6 разрезанным увеличивает накопление механических примесей проходящего газа в зазоре между пробкой 2 и кольцами 5 и 6 при открытом положении крана;

– кран этой конструкции не нашел практического применения в России (см. Трубопроводная арматура для газовой промышленности. Каталог, ЦИИНТИХИМНЕФТЕМАШ, M., 1987, стр.2 и 4, где стр.2 – Ю.Л.Рухлов – автор патента, стр.4 – конструкция седла, отличная от патента).

Известен шаровой кран по патенту России №2059137 С1, F16K 5/06, 5/22 от 07.04.1996 (3). Кран содержит корпус, поворотную пробку с проходным каналом, два седла с уплотнительными элементами и кольцо, установленное в корпусе, контактирующее с пробкой и образующее полость для смазки и обеспечения дополнительной герметизации при подаче смазки.

Кран по патенту №2059137 является прототипом предлагаемого крана.

Существенными недостатками известной конструкции являются:

– в конструкции седла отсутствует защитное кольцо, что приводит к накоплению механических примесей в зазоре между пробкой и седлом при открытом положении крана и при повороте пробки, разрушению уплотнительного полиуретанового кольца и потере герметичности крана;

– при повороте пробки смазка из зазора между пробкой 3, седлом 6 и кольцом 8 выше уплотнительного кольца 7 выдувается газом в корпус 1 и эффект дополнительной герметизации крана смазкой пропадает;

– пружины для прижима седла к пробке при запрессовке в кран смазки-герметика с давлением Р>Р_у перестают работать, что подтверждает отсутствие выноски на пружину на фиг.2 и ссылка для ее назначения в описании патента;

– техническое решение применяют только в необходимых случаях (авариях и других ситуациях), а не при эксплуатации крана до ремонта;

– объем камеры А с зазорами и каналами от уплотнительного кольца 7 до кольца 5 для заполнения смазкой-герметиком существенно превышает объем зоны 76 патента – аналога (1).

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение качества крана по герметичности пробки в корпусе крана, увеличение срока эксплуатации крана до ремонта и уменьшение расхода герметика при 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 и два седла, прижатых пружинами к пробке, каждое из которых содержит уплотнительное полиуретановое кольцо, закрепленное в обойме, обойму с отверстиями для подвода герметика в зазор между пробкой и обоймой, седло снабжено прижимным кольцом и защитным металлическим кольцом, контактирующим с шаровой поверхностью пробки и установленным в обойме в глухом кольцевом пазу с отверстиями под пружины и стопорными винтами, прижимное кольцо выполнено с отверстиями для закрепления в обойме уплотнительного кольца, а обойма выполнена с фланцем и уступом, причем во фланце выполнены отверстия под пружины прижима седла к пробке, а защитное металлическое кольцо выполнено замкнутым из листового проката и расположено между проходным отверстием обоймы и отверстиями для подвода герметика к пробке, а защитное металлическое кольцо изготовлено из листового проката латуни, или сплавов алюминия, или нержавеющей стали и содержит плоскоовальные пазы под стопорные винты и торцы различной формы, из которых один торец, контактирующий с пробкой, выполнен коническим с углом 45° от наружного диаметра к внутреннему, а другой торец, прижимающий посредством пружин защитное кольцо к пробке, выполнен прямым и с заходными пазами, расположенными в зоне отверстий обоймы для подвода герметика, при этом в обойме отверстия для подвода герметика на длине кольцевого паза выполнены увеличенного диаметра при сохранении площади сечения отверстий для прохода герметика.

Предлагаемый шаровой кран и седло схематично представлены на чертежах.

На фиг.1 показан общий вид крана в открытом положении, где

DN – проходной диаметр крана,

D_тр – внутренний (проходной) диаметр привариваемой трубы,

Р_у – условное давление в МПа и направление движения газа.

На фиг.2 показана конструкция седла по сечению I фиг.1 в кранах на Р_у свыше 10 МПа, где

Z – зазор между пробкой и седлом,

D_упл– расчетный диаметр контакта уплотнительного полиуретанового кольца с пробкой,

l_упл – ширина уплотнения пробки герметиком,

d – диаметр отверстия в обойме для подвода смазки- герметика к пробке,

DN – проходной диаметр крана (обоймы седла).

На фиг.3 – конструкция седла по сечению II фиг.1 по удержанию защитного кольца в обойме стопорными винтами.

На фиг.4 – конструкция седла по сечению I фиг.1 для кранов на Р_у до 10 МПа.

На фиг.5 – форма одного и другого торцов защитного подпружиненного металлического кольца, на фиг.2.

На фиг.6 – конструкция защитного подпружиненного металлического кольца на фиг.3 с закрытым плоскоовальным пазом под стопорные винты.

На фиг.7 – форма другого торца защитного подпружиненного металлического кольца, на фиг.4.

Шаровой кран (см. фиг.1) содержит неразъемный корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками; шаровую поворотную пробку 4 на опорах, два седла 5, прижатых пружинами к пробке и установленных в патрубках 2 и 3 с возможностью взаимодействия с поверхностью шаровой пробки 4 для ее уплотнения; шпиндель 6 для соединения пробки 4 с приводом поворота пробки (не показано), опору 7 для установки крана и приварки к трубам 8.

Кран имеет проходной диаметр DN, равный внутреннему (проходному) диаметру привариваемой трубы d_тр, что исключает гидропотери при прохождении газа через кран под давлением Р_у и обеспечивает возможность прохода через кран очистного и диагностического оборудования.

Каждое седло (см. фиг.2 и 3) содержит уплотнительное полиуретановое кольцо 9, прижимное кольцо 10, обойму 11, пружины 12 для прижима седла к пробке 4, поршневое кольцо 15, защитное резиновое кольцо 16, подвижное защитное металлическое кольцо 17, пружины 18, винты 19 и стопорные винты 20.

Прижимное кольцо 10 выполнено с отверстиями для закрепления уплотнительного полиуретанового кольца 9 в обойме 11 винтами 19 и обеспечивает зазор Z между пробкой 4 и прижимным кольцом 10.

Обойма 11 выполнена с фланцем 13 и с уступом 14 под ограничитель обратного хода седла; со сквозными отверстиями во фланце выше уступа 14 под пружины 12 прижима седла к пробке; с отверстиями диаметром «d» для подвода герметика в зазор между пробкой и седлом на ширине уплотнения l_упл.; с глухим кольцевым пазом с отверстиями, для защитного металлического кольца 17 и пружин 18, расположенным между проходным отверстием обоймы DN и отверстиями диаметром «d» для подвода герметика в кранах на Р_у свыше 10 МПа (см. фиг.2) и по отверстиям увеличенного диаметром «d₁» для подвода герметика в кранах на Р_у до 10 МПа (см. фиг.4) и с радиальными резьбовыми отверстиями под стопорные винты 20 (см. фиг.3).

Защитное металлическое замкнутое подвижное относительно обоймы кольцо 17 (см. фиг.2 и фиг.3) изготовлено из листового проката материалов в зависимости от назначения кранов по агрессивности рабочей среды: из латуни, или сплавов алюминия, или нержавеющей стали и содержит торцы различной формы. Один торец 23 (см. фиг.5), контактирующий с пробкой, выполнен коническим с углом 45° от наружного диаметра к внутреннему, а другой торец 24, прижимающий посредством пружин 18 защитное кольцо 17 или 22 к пробке 4 (см. фиг.2 и фиг.4), выполнен прямым (см. фиг.5) и с заходными уклонными пазами 26 (см. фиг.7) на участках отверстий для подвода герметика в кранах на Р_у до 10 МПа (см. фиг.4). Для удержания защитного кольца 17 или 22 в обойме стопорными винтами 20 (см. фиг.3) в защитных кольцах выполнены глухие плоскоовальные пазы 25 (см. фиг.5).

Шаровой кран работает следующим образом.

Шаровой кран в открытом положении (см. фиг.1) выполняет функцию, аналогичную приваренным трубам 8 при прохождении транспортируемого газа по внутреннему диаметру DN патрубков 2 и 3, седел 5 и пробки 4 с давлением Р_у. Герметичность пробки 4 в патрубках 2 и 3 обеспечивают седла 5, прижатые к пробке 4 пружинами 12 и силами давления Р_у на площади кольца 15 относительно D_упл уплотнительного полиуретанового кольца 9 (см. фиг.2). Герметичность пробки 4 обеспечивают уплотнительное полиуретановое кольцо 9, частично герметик на ширине l_упл и защитное подпружиненное металлическое кольцо 17 или 22, прижатое к пробке 4 пружинами 18. Защитное подпружиненное металлическое кольцо 17 или 22 защищает зазор Z между пробкой 4 и седлом 5 от попадания в него различных предметов из трубопровода.

При повороте пробки 4 шпинделем 6 защитное подпружиненное металлическое кольцо 17 или 22 прижимается пружинами 18 к пробке 4, удерживается стопорными винтами 20 в обойме 11 при потере контакта с пробкой 4 и удерживает герметик на обойме 11 на ширине l_упл до поворота пробки 4 на 90°.

Транспортируемый газ при повороте пробки 4 выдувает герметик с участка l_упл половины длины уплотнения D_упл седла 5 входного патрубка 2 вихревым потоком при ударе о шаровую поверхность пробки. Масса (объем) выдуваемого герметика составляет для седла 5 входного патрубка 2:

где G – масса (объем) выдуваемого герметика, кг;

D_упл – диаметр, длина уплотнения пробки, мм;

l_упл – ширина уплотнения пробки, мм;

Z – зазор между седлом и пробкой, мм;

– удельный вес смазки (герметика), кг/мм³.

Пополнение герметика, выдуваемого газом при повороте пробки 4 по объему, ограничивается защитным подпружиненным металлическим кольцом 17 или 22, определяется по формуле (1) и значительно меньше существующих норм расхода герметика. Объем герметика, выдуваемого из выходного патрубка, значительно меньше, чем из входного патрубка.

Пример конкретного исполнения.

В условиях ОАО «Волгограднефтемаш» был изготовлен и испытан на прочность и герметичность шаровой кран DN 300 мм на Р_у 8,0 МПа для неагрессивного газа.

В серийно выпускаемом кране седло 5 уплотняет пробку 4 по D_упл=327 мм, отверстия для подвода герметика диаметром d=4 мм расположены на окружности диаметром 308 мм, а 18 пружин сжатия 12 для поджима седла 5 к пробке 4 расположены в глухих отверстиях глубиной 14+0,43 мм патрубков 2 и 3. Пружины применены 2 класса, 2 разряда по ГОСТ 13764-86 с допуском по длине свободного состояния ±1,1 мм.

В предлагаемом кране в обойме 11 седла 5 по диаметру 308 мм проточили глухой кольцевой паз шириной 3,8 мм и глубиной 14 мм (см. фиг.4). В торце кольцевого паза просверлили 12 отверстий диаметром 3,8 мм и глубиной 5 мм под пружины 18 (см. фиг.2). Защитное кольцо 22 изготовили из листовой латуни толщиной 3,0 мм, вставили в кольцевой паз (см. фиг.4) и зафиксировали его от выпадания из кольцевого паза обоймы 11 тремя стопорными винтами 20 (см. фиг.3). В обойме 11 предварительно рассверлили отверстия d с диаметра 4 мм на d₁ диаметром 6 мм на глубину 17 мм, обеспечив равенство площадей для прохода герметика к пробке 4 (см. фиг.4). При этом защитное кольцо 22 имело форму одного торца 23 – коническую с углом 45° от наружного диаметра к внутреннему, а другого торца 24 – прямую (см. фиг.5). Под стопорные винты 20 диаметром 5 мм были изготовлены три глухих плоскоовальных паза 25 шириной 5 мм и длиной 1=8 мм (см. фиг.6), при зазоре Z=2 мм между седлом 5 и пробкой 4 (см. фиг.2). На втором торце защитного кольца 22, в зоне отверстий d₁=6 мм, были изготовлены заходные уклонные пазы 26 шириной 8 мм (см. фиг.7) для захода герметика из отверстий d₁ к пробке 4 на участок l_упл (см. фиг.4).

Обойму 11 выполнили с фланцем 13 и уступом 14 для упора в торец 21 патрубка 2 или 3 (см. фиг.2 и 3). Во фланце 13 выше уступа 14 просверлили сквозные отверстия под пружины сжатия 12, которые перенесли из патрубков 2 и 3 в седло 5. Существующие пружины сжатия 12 со свободной длиной 28±1,1 мм рассортировали по допуску на свободную длину и прошлифовали с допуском ±0,2 мм. Установили и сцентрировали пружины сжатия 12 с параллельными шлифованными торцами в сквозных отверстиях обоймы 11 с упором в прижимное кольцо 10 седла 5 и торец 21 патрубка 2 (см. фиг.2 и 3). Пружины 12 сжали со свободной длины 28±0,2 мм до рабочей длины 23 мм, обеспечив равное усилие каждой пружине 12 для прижима седла 5 к пробке 4. При сборке крана дополнительно сжали пружины 12 на 3 мм, с 23 мм до 20 мм, исключив сжатие пружин 12 до соприкосновения витков. Это было обеспечено за счет отвода седла 5 от пробки 4 до упора торцом 14 обоймы 11 в торец 21 патрубка 2 (см. фиг.3). Длина пружин сжатия 12 до соприкосновения витков составляет 17,6 мм. Предложенная установка и работа пружин сжатия 12 обеспечила равномерный прижим уплотнительного полиуретанового кольца 9 седла 5 к пробке 4 при низком давлении, до 0,1 МПа.

Изготовленные краны зав. №2305 и №2796 были испытаны в заводских условиях на прочность и герметичность и обеспечили герметичность пробки в кране по классу А ГОСТ9544-93, а кран зав. №2305 был испытан 09.11.2006 г. на стенде ОАО «Газпром» в ООО «Саратоворгдиагностика» на цикличность, расход герметика и рекомендован к распространению на все типоразмеры кранов, выпускаемых в ОАО «Волгограднефтемаш».

Положительный эффект предложенной конструкции седла шарового крана.

Защитное подпружиненное металлическое кольцо:

– защищает зазор Z между пробкой и седлом от попадания в него твердых предметов из трубопровода при эксплуатации крана и досрочного износа уплотнительного кольца;

– увеличивает срок эксплуатации крана до полного износа уплотнительного кольца на величину Z;

– защищает от попадания герметика из зазора Z между пробкой и седлом в кран при запрессовке герметика нормированного объема;

– снижает объем герметика при запрессовке в кран до рассчитанного объема по формуле (1), в предложенном кране с 1 кг до 0,1 кг;

– снижает загрязнение газа герметиком до 10 раз.

Седло обеспечивает герметичность пробки при низком давлении до 0,1 МПа за счет размещения пружин в сквозных отверстиях фланца обоймы, применения их с высокой точностью по длине, что обеспечивает равномерное сжатие всех пружин для прижима седла к пробке.

Предложенная конструкция седла простая в реализации, при эксплуатации и может найти применение в кранах DN 200-1400 мм на Р_у от 6,4 до 20,0 МПа по ОТС-ЗРА-98 ОАО «Газпром».

Формула изобретения

1. Шаровой кран, содержащий неразъемный корпус с входным и выходным патрубками, шаровую поворотную пробку на опорах и два седла, прижатых пружинами к пробке, каждое из которых содержит уплотнительное полиуретановое кольцо, закрепленное в обойме, обойму с отверстиями для подвода смазки – герметика в зазор между пробкой и обоймой, отличающийся тем, что седло снабжено прижимным кольцом и защитным металлическим кольцом, контактирующим с шаровой поверхностью пробки и установленным в обойме в глухом кольцевом пазу с отверстиями под пружины и стопорными винтами, прижимное кольцо выполнено с отверстиями для закрепления в обойме уплотнительного кольца, а обойма выполнена с фланцем и уступом, причем во фланце выполнены отверстия под пружины прижима седла к пробке, а защитное металлическое кольцо выполнено замкнутым из листового проката и расположено между проходным отверстием обоймы и отверстиями для подвода герметика к пробке.

2. Шаровой кран по п.1, отличающийся тем, что защитное металлическое кольцо изготовлено из листового проката латуни, или сплавов алюминия, или нержавеющей стали и содержит плоскоовальные пазы под стопорные винты и торцы различной формы, из которых один торец, контактирующий с пробкой, выполнен коническим с углом 45° от наружного диаметра к внутреннему, а другой торец, прижимающий посредством пружин защитное кольцо к пробке, выполнен прямым и с заходными пазами, расположенными в зоне отверстий обоймы для подвода герметика, при этом в обойме отверстия для подвода герметика на длине кольцевого паза выполнены увеличенного диаметра при сохранении площади сечения отверстий для прохода герметика.

РИСУНКИ