Сегментный кран НПЦ «АНОД» разработан в рамках программы импортозамещения. Анализируя рынок арматуры, которая сегодня используется в установках, мы приходим к выводу, что арматура с поджимными седлами и цельными шаровыми запорами далеко не совершенна, особенно если она используется на абразивосодержащих средах. Основной недостаток, конечно же – абразивный износ уплотнительных поверхностей. Есть арматура, где уплотнительные поверхности при повороте шаровой пробки не контактируют с седлами, и износ там практически отсутствует. А поджатие происходит в момент, когда ось сферической уплотнительной поверхности шара встает соосно с конической уплотнительной поверхностью седла.
Одной из таких конструкций, довольно широко распространенной, которая используется в различных технологических операциях, особенно при переработке нефти и газа, является конструкция марки ORBIT компании Cameron (рис.1).
Данная конструкция шарового крана содержит корпус с входным и выходным отверстием и опорной поверхностью, выполненной в его нижней части, седло с конической уплотнительной поверхностью, выемную часть, состоящую из шарового затвора со сферической поверхностью, фонаря с сальником, привода с возвратно-поступательным движением штока, устройством, приводящим к взаимодействию уплотнительных поверхностей шарового затвора и седла корпуса.
Для закрытия крана, по ходу вращения ручного штурвала, шток начинает опускаться, при этом спиральные канавки в штоке взаимодействуют с фиксированными направляющими пальцами, вызывая поворот штока и шара. Дальнейшее вращение штурвала (рис.2) поворачивает шток и шар на 90º, при этом уплотнительная поверхность шара не касается седла. При последних поворотах штурвала спиральные канавки переходят в канавки, расположенные параллельно оси штока. Шток в нижнем положении плотно прижимает шар к седлу клиновой поверхностью. При открытии клапана аналогичной клиновой поверхностью шток отжимает затвор от седла, образуя зазор между уплотнительными поверхностями. Отсутствие трения уплотнительных поверхностей затвора при открытии и закрытии позволяет крану работать с загрязненными рабочими средами, в том числе и при высоких температурах до +427ºС, обеспечивая высокую герметичность уплотнительных поверхностей и износостойкость. Однако и эта конструкция не исключает следующих недостатков:
1. При повороте шарового затвора на закрытие и открытие при большой скорости движения рабочей среды возникают высокие контактные напряжения между поверхностью спиральных канавок и направляющими пальцами, что приводит к повышенному износу трущихся поверхностей.
2. При поджатии шарового затвора между трущимися клиновыми поверхностями возникают высокие контактные напряжения, также отрицательно влияющие на работоспособность. Все это в итоге сказывается на сокращении ресурса работы. Практическое применение крана марки ORBIT доказывает справедливость этих выводов. Из-за указанных недостатков арматуру приходится часто ремонтировать, особенно если рабочая среда содержит абразивные составляющие.
3. Конструкция с односторонним уплотнением затвора ограничивает применение крана марки ORBIT на нефтяных и газовых магистралях, где требуется двухстороннее уплотнение в аварийных ситуациях.
Основной задачей при разработке нового шарового крана явилось расширение функциональных возможностей крана, работающего на загрязненных рабочих средах, повышение герметичности затвора и повышение ресурса арматуры в целом.
Новый сегментный кран 100КС1, разработанный НПЦ «АНОД» (рис.3), состоит из фланцев с седлами, затвора из двух сегментов, корпуса, фонаря, привода с маховиком. В корпусе установлен шток, уплотненный сальником.
В нижней части корпуса установлена опорная ось с возможностью регулировки положения затвора относительно седел вдоль оси крана. На опорной оси установлена шарнирная ось, соединяющая два сегмента. В верхней части затвора сегменты соединены со штоком тягами. В фонаре установлен пакет тарельчатых пружин и корпус привода. В корпусе привода размещен винтовой механизм поступательного перемещения плунжера с гайкой с несамотормозящей резьбой, которая соединена с верхним концом штока.
Работа крана поясняется двумя рисунками.
На рис. 4 показано перемещение затвора в кране. При вращении маховика по часовой стрелке шток, перемещаясь вниз, поворачивает затвор из положения «открыто» в положение «закрыто» и при дальнейшем движении поджимает уплотнительные поверхности сегментов затвора при помощи тяг к седлам.
При вращении маховика против часовой стрелки шток, перемещаясь вверх, отжимает уплотнительные поверхности сегментов затвора от седел с помощью тяг и при дальнейшем движении вверх поворачивает затвор из положения «закрыто» в положение «открыто».
На рис. 5 показана работа привода, обеспечивающего последовательное перемещение затвора. При вращении маховика по часовой стрелке происходит поступательное перемещение плунжера с несамотормозящей резьбой вниз, при этом шток с затвором поворачивается на 90º до соприкосновения торца плунжера с кольцом подшипника, предварительно поджатого усилием пакета тарельчатых пружин. При этом уплотнительные поверхности сегментов затвора встают напротив уплотнительных поверхностей седел с гарантированным зазором. Вращательное движение штока прекращается, но поступательное перемещение плунжера и штока продолжается. При этом шток, опускаясь вниз, разводит тяги, поджимая уплотнительные поверхности сегментов затвора к конусным уплотнительным поверхностям седел. Кран закрыт.
При вращении маховика против часовой стрелки происходит поступательное перемещение плунжера с несамотормозящей резьбой вверх до соприкосновения кольца подшипника с верхним упором. При этом шток посредством тяг отводит уплотнительные поверхности сегментов от уплотнительных поверхностей седел, обеспечивая гарантированный зазор. При дальнейшем вращении маховика поступательное движение штока прекращается, но перемещение плунжера продолжается. Через несамотормозящую резьбу шток совместно с затвором разворачивается на 90º в положение «открыто». Положение «открыто» обеспечивается специальным упором.
В конструкции предусмотрены указатели положения «открыто» и «закрыто».
Основными достоинствами сегментного крана разработки НПЦ «АНОД» являются:
- двухстороннее уплотнение затвора с высокой герметичностью в обоих направлениях потока рабочей среды при различных сочетаниях материалов уплотнительных поверхностей (металл-металл, металл-эластомер);
- отсутствие износа уплотнительных поверхностей затвора и седел, в том числе, при работе на загрязненной среде с абразивными включениями;
- увеличение общего ресурса крана.
В данной конструкции поворот штока с затвором происходит с помощью многозаходной несамотормозящей пары трения. Осевая нагрузка на штоке и поворот воспринимаются подшипниковым узлом. При этом винтовой механизм, преобразующий поступательное перемещение в поворотное, вынесен из загрязненной зоны рабочей среды и работает со смазкой. Соединение тяг и сегментов, находясь в загрязненной среде, достаточно герметично закрыто от абразивных включений. Удельные давления в шарнирной оси намного меньше, чем на клиновых поверхностях в шаровом кране типа ORBIT. Эти особенности привода крана позволяют:
- существенно увеличить износостойкость трущихся поверхностей ввиду низких контактных напряжений;
- применять сегментный кран на магистральных трубопроводах больших диаметров и на высоких давлениях с малыми усилиями приводов при использовании разгрузки крана байпасной линией (рис.6).
Если обычные шаровые краны открывают и закрывают с помощью мощных приводов, преодолевая трение от усилия перепада давления по плоскостям уплотнительных поверхностей, то в нашей конструкции движение происходит с зазором, а при открытии мы можем сбросить давление из внутренней полости крана через байпасный клапан. Тогда затвор, на который действует перепад давления, полностью разгружается, поэтому открыть его будет легко. Другой затвор, находясь при этом под перепадом давления с одной стороны и под разжатием тяг с другой стороны, удерживается в положении «закрыто», создавая составляющую усилия на шток, которая выталкивает его вверх. Поэтому усилие на приводе при открытии, благодаря этим двум явлениям, падает в десятки раз. Открытие со сбросом давления будет происходить быстро, а при закрытии обеспечивается высокая герметичность на большом диаметре, поскольку происходит уплотнение сразу по двум седлам двумя дисками, при сопряжении металлических поверхностей с наплавками.
Итак, представленный кран, на наш взгляд, очень перспективен, особенно на больших диаметрах и давлениях. Опытный образец изготовлен и испытан на предприятии НПЦ «АНОД» в Нижнем Новгороде. Кран показал высокую герметичность затвора по классу «А» в обоих направлениях потока рабочей среды.
Конструкция крана сегментного защищена патентом РФ №2521701 с приоритетом от 05.03.2013.
Опубликовано в "Вестнике арматурщика" № 5 (25) 2015
