Необходимые условия для обеспечения работоспособности.

1.       Введение.

В данной брошюре мы постараемся кратко описать особенности конструкций, наиболее часто, встречающихся стальных шаровых кранов общепромышленного назначения и наиболее характерные проблемы, возникающие при их эксплуатации.

Мы принципиально не будем рассматривать дефекты изготовления, а остановимся на конструктивных особенностях.

2.       Основные конструкции корпусов шаровых кранов, преимущества и недостатки.

В России наибольшее распространение получили два типа корпусов.

  - Разборный, состоящий из трубной части  №2 , двух фланцев, стянутых к корпусу при помощи шпилек №1 (см. рис. 1).

      Производители: «Маршал» (Украина), «Олбризсервис» (Украина) и т.д.

Рис. 1  Разборный кран в разрезе. 1-Шпилька, 2-Корпус, 3-Горловина, 4-Гайка,

 5-Фторопластовый уплотнитель горловины, 6-Шаровая пробка, 7-Фторопластовое седло, 9-Шток.

Рис. 2 Фото наиболее популярного разборного крана

  - Неразборный – цельносварной  корпус №1, сваренный в одно целое с патруб-ками крана №2 (см. рис.3).  

Производители: «Броен» (Дания), «НАВАЛ» (Финляндия), «ВЭКСВЕ» (Финляндия), «ЛД» (Россия), «МАРШАЛ» (Украина) и т.д.   

Рис.3 Кран со сварным корпусом в разрезе. 1-корпус, 2-патрубок, 3-горловина, 4-шток, 5-ограничитель, 6-шаровая пробка, 7-уплотнитель, 8-опорное кольцо, 9-тарельчатая пружина.

      В последние годы можно заметить тенденцию к вытеснению разборных корпусов с рынка. «Почему?». «И почему западные именитые фирмы не используют данную конструкцию?»

      Ответ в следующем:

      Во-первых, наличие двух разъемных соединений практически исключает использование данных кранов в приварном варианте исполнения – теряется суть «приварки» в отсутствии не сварных соединений.

Во-вторых, ширина уплотнителя в корпусе не более 5 мм, что заведомо повышает риски использования при циклически изменяемых температурах, давлениях и колебаниях трубопровода (рис.4).

Рис.4  Стрелками показаны места уплотнения на разборном корпусе

      В-третьих, бóльшая металлоемкость по сравнению с цельносварными кранами, влечет за собой удорожание себестоимости, транспортировки и складирования.

      В-четвертых, из-за конструктивных особенностей сложно достичь стабильного усилия поворота шаровой пробки.  

При изготовлении необходимо очень точно подбирать линейные размеры всех комплектующих крана. Например, при уменьшении трубной части корпуса на 0,2-0,3 мм, поз.№1 (рис.5) и увеличении диаметра шара на 0,2 мм поз. №2 (рис.5). Происходит пережатие шаровой пробки.

И наоборот, при уменьшении размера шара – ослабление.

А это, во многом, определяет качество и ресурс крана. Почему? При большом усилии обжатия шара возрастают нагрузки на фторопластовый уплотнитель, шар и шток. Это неминуемо приводит к их быстрому износу.

На ослабленном кране возникают проблемы с герметичностью затвора.

Рис.5

      Заметьте, как правило, данные краны изначально сильно тугие. Делается специально – лучше пережать, чем недожать.

      Сварной кран вышеописанных недочетов лишен. Перед финишной сваркой кольцевых швов 1 он ставится в специальный кондуктор и патрубки прижимаются к шару с фиксированным усилием, что позволяет достичь стабильного усилия поворота.

Рис. 6

      Но не все штампосварные краны собираются таким образом.

      Иногда встречаются краны со сварным корпусом, имеющие центральный шов (см. рис.7).

Рис. 7 Стрелкой показан центральный шов на корпусе крана.

Как правило, это делается для упрощения изготовления. Данное соединение делается в последнюю очередь и влечёт за собой следующее: при сжатии двух половинок до смыкания получается опять же нестабильное прижатие уплотнителя к шару, и наоборот, при стабильном усилии обжатия половин получается разный зазор между ними, и при сварки их стягивает, что влечет опять же подклинивание.

3.       Основные конструкции горловин шаровых кранов, преимущества и недостатки.

Выделяются два основных типа горловин:

  - горловина с уплотнителем из фторопластовых колец №1, поджатых прижимной гайкой №2 (рис.8)

Рис.8 Устройство горловины с фторопластовым уплотнителем и поджимной гайкой

  - горловины с уплотнениями из эластомеров  круглого сечения № 1 (см. рис. 9)

Рис.9 Конструкция горловины с уплотнением из эластомеров. 1-уплотнительное кольцо из эластомера, 2-фторопластовый подшипник скольжения.

Очевидным плюсом первого варианта горловины является то, что при возникновении протечки прижимную гайку можно подтянуть, тем самым, восстановив герметичность. Однако, фторопласт – текучий материал и даже на новом кране, находясь под напряжением, он через несколько месяцев частично утекает в зазор между горловиной и штоком (см. рис.10). Происходит ослабление уплотнения.

А хуже то, что в процессе эксплуатации при циклическом изменении температур рабочей среды происходит опять же утекание фторопласта. Данное обстоятельство чревато протечкой горловины, особенно если используются газовые среды. Поэтому мы рекомендуем не ставить подобные краны на газ, а перед установкой кранов на жидкие среды обязательно протянуть горловину и не забывать контролировать ее герметичность в процессе эксплуатации, особенно при изменении рабочей в меньшую сторону.

Рис.10 У нового крана уже видны следы утекания фторопласта в корпус.

Из-за этого, большую популярность набирают горловины с уплотнениями из эластомеров:  фторсилоксановый эластомер, фторкаучук (IPDM – европейское обозначение), витон. Такая конструкция работает стабильно во всем диапазоне температур и не требует специального обслуживания.

4.       Основные конструкции уплотнений шаровых пробок, преимущества и недостатки.

      ГОСТ говорит об испытании на герметичность при температуре +20 град С, но нигде нет испытаний при циклически меняющихся отрицательных температурах и температурах выше 100 град С. И что не менее важно, об усилиях поворота шаровой пробки при вышеописанных условиях. А ведь кран должен  быть работоспособным не только при температуре + 20 град С.

То есть, Вы можете получить кран соответствующий нормативам, но абсолютно не пригодный к эксплуатации.

      Наиболее часто встречающиеся случаи:

-кран при получении с завода герметичен и хорошо проворачивается. При установке на теплотрассу с температурой среды около +100 град. С, он внезапно клинит, или усилие поворота возрастает в разы. При охлаждении все встает на свои места.

-кран герметичен при +20 град С, при нагреве до +100 – 150  град С тоже, но при охлаждении до +20 град С течет.

-на газовых средах. При проверке  на заводе все работает, при установке на улице, с температурой окружающей среды ниже нуля кран течет, а усилие поворота шаровой пробки резко падает.

      Во-первых, необходимо устанавливать под уплотнение шаровой пробки компенсаторы линейных температурных расширений деталей крана (см. рис. 11-12). Это либо тарельчатые пружины (рис. 11) или система витых пружин (рис. 12)

Рис.11 и 12. Уплотнения шаровой пробки с компенсаторами линейных расширений. 1 – витая пружина. 2 – тарельчатая пружина. 3 уплотнительное кольцо , 4 опорная шайба, 5 уплотнитель шаровой пробки.

Рис.13 Фото крана с тарельчатыми пружинами.

      Принцип работы. При нагреве детали крана расширяются, пружина, сжимаясь, компенсирует увеличение размеров. И наоборот, при охлаждении пружина поджимает уплотнитель к шару, сохраняя герметичность и стабильное усилие поворота.

      Но, далеко не все производители используют данную конструкцию (рис.14).

Рис14. Фото кранов с уплотнением шаровой пробки без пружин и горловиной с поджимной гайкой

      Что происходит без нее? При нагреве составляющие крана увеличиваются – шар сильнее прижимается к уплотнителю – усилие поворота возрастает, либо вообще происходит заклинивание и кран теряет работоспособность. Фторопластовый уплотнитель, находясь, в нагретом и сильно сжатом состоянии начинает течь. Поэтому после охлаждения изделие теряет герметичность.

 При установке на газовых средах, при понижении температуры, детали уменьшаются в размерах. Поджим уплотнителя уменьшается – кран течет.

      Такие особенности изделия видны сразу при покупке. Они, либо, сильно тугие, либо, излишне легкие. Или в партии все краны вращаются по разному.

      Вышеизложенное, наиболее актуально на кранах размером более DN65. На маленьких размерах линейные изменения не так ощутимы.

      При использовании кранов на отрицательные температуры помимо пружин необходимы компенсаторы диаметрального изменения линейных размеров уплотнителя (рис.14).

Рис.14 Вариант уплотнителя с тарельчатой пружиной 1 и диаметральным компенсатором линейных расширений 3

      Для чего нужен диаметральный компенсатор уплотнителя? При применении пружин, уплотнение корпуса происходит только по торцу кольца (см. рис.14). Соответственно при охлаждении, особенно на газовых средах, фторопластовое кольцо 2 (рис.14) ужимается в размерах и без дополнительного эластомерного кольца 3 происходит протечка.

      Кстати, именно наличием этого кольца у многих западных производителей отличаются газовые краны от кранов на теплоснабжение. На теплоснабжение оно не обязательно.

      О самом уплотнителе шаровой пробки. В России принято применять фторопласт 4. Его легко отличить по белому цвету. Чем он хорош? Тем, что обладает меньшим трением и более пластичен. На кранах без пружин он частично компенсирует изменения размеров деталей. Однако, он текучий и при циклических изменениях температуры, даже при применении пружин, кран может потечь. Поэтому западные производители и ряд Российских применяют граффито-наполненный фторопласт черного цвета (PТFЕ+С европейское обозначение). Он более жесткий и менее текучий, что обеспечивает стабильную работу крана при изменении температур. Но это актуально только при использовании пружин. Без них усилие поворота будет изначально высоким.

5.       Шаровая пробка.

      Бывают следующие случаи. Простояв 2 – 3 месяца, краны отказываются проворачиваться даже без каких-либо изменений температуры. Секрет кроется в изготовлении шаровой пробки. На  подавляющем большинстве кранов DN>40мм, шаровая пробка, штампуется из трубной заготовки.  Данная  заготовка получается из трубы или путем вальцевания листа с последующей проваркой шва. В месте сварки образуются концентраторы напряжения, которые исчезают в процессе штамповки (заготовка получает форму шара).

Некоторые производители, не имея мощного прессового оборудования, делают иначе. Сначала, штампуют половину шара, а иногда, и четверть, а потом полученные сегменты сваривают. Получается шар. В данном изделии присутствуют концентраторы напряжений, которые в процессе эксплуатации деформируют шаровую пробку. А это и приводит к заклиниванию крана. Поэтому, при покупке посмотрите на конструкцию шара (на больших кранах все видно), он должен иметь максимум один сварочной шов.

6. Заключение.

      При соблюдении в производстве вышеописанных правил, кран должен исправно работать. Но опять же, это возможно только при доведенной технологии и высококачественном оборудовании и сырье.

      Поэтому, не стесняйтесь посещать производства, смотреть технологии и оборудование. Если производитель ничего не показывает, мотивируя, наличием какого-то «НОУ-ХАУ» скорее всего, ничего не имеет. Все давно уже придумано.  В Европе дни открытых дверей – норма, а не исключение.

Желаем Вам покупать и эксплуатировать, только качественную и актуальную по цене арматуру. Удачи!

Об авторе.

Левин Дмитрий Олегович 13.04.1978 г. р. в 2000 году окончил Южно-Уральский  Государственный Университет по специальности «Промышленное и Гражданское строительство». С 2003 года возглавляет ООО «ЧелябинскСпецГражданСтрой» - завод по производству шаровых кранов «LD».

Помимо управления предприятием принимает активное участие в совершенствовании конструкции и  технологического процесса выпускаемой продукции. Провел испытания большинства шаровых кранов представленных на Российском рынке.

Автор пяти патентов на полезную модель и одного изобретения в разделе «Трубопроводная арматура».