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 содержит корпус с впускным и выпускным участками для прохода среды. Эти участки сообщаются между собой через разделяющую их полость. Шаровой запорный орган со сквозным продольным отверстием установлен с возможностью поворота в вертикальной плоскости на угол 90^o с помощью приводного вала с ручкой. Два подвижных упругонагруженных поджимными устройствами седла-уплотнителя расположены по обеим сторонам запорного органа. Одно седло-уплотнитель размещено в цилиндрической расточке корпуса, другое - во внутренней цилиндрической расточке подвижной соединительной втулки с уплотнительным кольцом на наружной цилиндрической поверхности. Опорная гайка сопряжена с корпусом по резьбовой поверхности и упирается в кольцевой уступ соединительной втулки. Диаметры внутренних цилиндрических расточек для размещения седел-уплотнителей в корпусе и соединительной втулке, диаметры полых чаш в седлах-уплотнителях и диаметр шарового запорного органа выполнены в соответствии с соотношениями: Д_р/Д_ш=0,95...1,1, Д_р/Д_ч=1,12...1,17, где Д_р - диаметры внутренних цилиндрических расточек под седла-уплотнители в корпусе и соединительной втулке, Д_ч - диаметры полых чаш в седлах-уплотнителях, Д_ш - диаметр шарового запорного органа. Глубина расточки под седло-уплотнитель Н=(0,3...0,34)Д_р, мм. Ширина седла-уплотнителя В=Н+(0...0,5) мм. На участке от торца соединительной втулки со стороны установки седла-уплотнителя до начала радиальной кольцевой проточки под уплотнение на наружной цилиндрической поверхности между соответствующими поверхностями проходного канала корпуса и соединительной втулки образован гарантированный кольцевой зазор. Этот зазор превышает в 2-2,2 раза кольцевой зазор между соответствующими уплотняющими поверхностями проходного канала корпуса и соединительной втулки на участке, расположенном по другую сторону радиальной кольцевой проточки. Изобретение направлено на повышение надежности и герметичности шарового крана, а также на исключение контактного "схватывания" деталей из нержавеющей стали для обеспечения ремонтопригодности крана. 3 ил.

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано в качестве запорного устройства в трубопроводах, транспортирующих коррозионно-активные среды или природный газ с высоким давлением.

Известен шаровой кран, содержащий корпус с впускным и выпускным участками для прохода среды, сообщающимися между собой через разделяющую их полость, приводной вал с ручкой, шаровой запорный орган со сквозным продольным отверстием, два подвижных, расположенных по обеим сторонам запорного органа упруго нагруженных 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 RU 2171935, кл. F 16 К 5/06 10.08.2001 г.).

Конструкция поджимного устройства для седел-уплотнителей, выполненная в виде кольцевой плоской прокладки из упругого эластомерного материала, значительно упрощает конструкцию шарового крана и повышает его надежность, но не исключает недостаток, заключающийся в невозможности подрегулировки в условиях эксплуатации поджатия уплотнительных седел к шаровому запорному органу с помощью подвижной резьбовой пробки без расстыковки крана от трубопроводной линии (магистрали).

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство по SU 543802 А, кл. F 16 K 5/06 от 25.01.1977.

Известное устройство содержит наибольшее количество сходных с заявленным признаков, а именно: оба устройства представляют собой шаровой кран, каждый из которых содержит корпус с впускным и выпускным 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 угол 90 градусов, два подвижных, расположенных по обеим сторонам запорного органа седла-уплотнителя, одно из которых установлено в цилиндрической расточке корпуса, другое - во внутренней цилиндрической расточке подвижной резьбовой пробки с уплотнительным кольцом на наружной цилиндрической поверхности, причем подвижная резьбовая пробка выполнена в виде соединительной втулки, установленной в проходном канале корпуса с возможностью осевого перемещения и взаимодействия через размещенное во внутренней расточке поджатое седло с шаровым запорным органом, и опорной гайки, сопряженной с корпусом по резьбовой поверхности и упирающейся в наружный кольцевой уступ соединительной втулки.

Известная конструкция позволяет проводить подрегулировку поджатия уплотнительных седел к шаровому запорному органу без расстыковки крана от трубопроводной линии, но отличается сложностью и нетехнологичностью из-за необходимости обеспечения не только точности изготовления, а и строгой соосности взаимодействующих между собой деталей корпуса, подвижной втулки, дополнительной резьбовой втулки и нажимной гайки.

Кроме этого, данная конструкция шарового крана не обладает необходимой надежностью и герметичностью в связи с тем, что установленные в цилиндрических расточках корпуса и подвижной втулки уплотнительные кольца (седла) со стороны прилегания шаровой пробки имеют значительную площадь открытой поверхности торца. В связи с изготовлением седел из полимерных материалов (например, из фторопласта) часть материала уплотнительного кольца (седла), прилегающего к открытой поверхности торца, под воздействием радиально направленных рабочих нагрузок и высоких температур окружающей среды пластически деформируется и выжимается в разделяющую полость крана, снижая эффективность работы поджимного устройства.

Этот недостаток характерен и для конструкций шаровых кранов с применением упругонагруженных поджимными устройствами седел.

Из-за объективной необходимости применения в шаровом кране деталей из нержавеющей стали при работе крана под нагрузкой происходит контактное "схватывание" сопряженных поверхностей пары "подвижная втулка - корпус" с последующим заклиниванием по наиболее нагруженному участку направляющей поверхности со стороны установки уплотнительного кольца (седла), в результате чего кран становится неразборным, а конструкция в целом неремонтопригодной.

Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности и герметичности крана путем исключения пластических деформаций седел-уплотнителей под нагрузкой за счет сведения до минимума площади открытых поверхностей седел со стороны прилегания запорного шарового органа и установления рационального соотношения геометрических параметров седел-уплотнителей, гнезд под их установку и запорного шарового органа с учетом работы крана в условиях высоких давлений и температур рабочей среды.

Эта задача решается тем, что в шаровом кране, содержащем корпус с впускным и выпускным 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 угол 90^o, два подвижных, расположенных по обеим сторонам запорного органа, упруго нагруженных поджимными устройствами седел-уплотнителей, одно из которых установлено в цилиндрической расточке корпуса, другое - во внутренней цилиндрической расточке подвижной соединительной втулки с уплотнительным кольцом на наружной цилиндрической поверхности и опорной гайки, сопряженной с корпусом по резьбовой поверхности и упирающейся в кольцевой уступ соединительной втулки, согласно изобретению диаметры внутренних цилиндрических расточек для размещения седел-уплотнителей в корпусе и соединительной втулке, диаметры полых чаш в седлах-уплотнителях и диаметр шарового запорного органа выполнены в соответствии с соотношениями Д_р/Д_ш=0,95...1,1, Д_р/Д_ч=1,12...1,17, где Д_р - диаметры внутренних цилиндрических расточек под седла-уплотнители в корпусе и соединительной втулке, Д_ч - диаметры полых чаш в седлах-уплотнителях, Д_ш - диаметр шарового запорного органа, при этом глубина расточки под седло-уплотнитель Н=(0,3...0,34)Д_р, мм, а ширина седла-уплотнителя В=Н+(0...0,5), мм, причем на участке от торца соединительной втулки со стороны установки седла-уплотнителя до начала радиальной кольцевой проточки под уплотнение на наружной цилиндрической поверхности между соответствующими поверхностями проходного канала корпуса и соединительной втулки образован гарантированный кольцевой зазор, превышающий в 2...2,2 раза кольцевой зазор между соответствующими уплотняющими поверхностями проходного канала корпуса и соединительной втулки на участке, расположенном по другую сторону радиальной кольцевой проточки.

Выполнение в корпусе и соединительной втулке установочных гнезд под седла-уплотнители с указанными выше соотношениями существенно снижают площадь открытой поверхности седла в зоне действия нагрузок до оптимальных значений, при которых исключаются пластические деформации седла при работе шарового крана и, соответственно, сохраняется эффективность работы поджимного устройства и необходимая герметичность шарового крана в течение всего ресурса
Установление на участке от торца соединительной втулки со стороны установки седла до начала радиальной кольцевой проточки между соответствующими поверхностями корпуса и соединительной втулки гарантированного кольцевого зазора, превышающего в 2...2,2 раза кольцевой зазор между соответствующими уплотняющими поверхностями корпуса и соединительной втулки, расположенными по другую сторону кольцевой проточки, исключает "схватывание" и заклинивание указанных деталей из нержавеющей стали и обеспечивает демонтаж соединительной втулки при проведении регламентных работ.

На фиг. 1 показан шаровой кран двухстороннего действия в закрытом положении, общий вид, разрез. На фиг.2 показан общий вид, разрез шарового крана в открытом положении. На фиг.3 - продольный разрез уплотнительного узла с обозначением его основных размеров.

Шаровой кран (фиг.1) содержит корпус 1 с отверстием 2 для прохода рабочей среды с одной стороны и установленную в корпусе 1 аксиально-подвижную соединительную втулку 3 с отверстием 4 для прохода рабочей среды с другой стороны. Участки шарового крана, соединенные с отверстиями 2 и 4, сообщаются между собой через разделяющую их цилиндрическую полость 5, в которой размещен шаровой запорный орган 6 с продольным сквозным отверстием 7 для прохода рабочей среды, с возможностью поворота в вертикальной плоскости на угол 90^o с помощью приводного вала 8 с ручкой 9 через нижний профильный кулачок 10, плотно входящий в диаметральное углубление (паз) 11 запорного органа 6. По обеим сторонам запорного органа 6 расположены два аксиально-подвижных седла-уплотнителя 12 с вогнутыми участками, соприкасающимися с шаровой поверхностью запорного органа 6.

Седла установлены в цилиндрических внутренних расточках корпуса 1 и аксиально-подвижной соединительной втулки 3 и упруго поджаты к запорному органу 6 поджимными устройствами 13, выполненными в виде уплотнительных прокладок из жесткого упругого эластомерного материала.

Во внутренние цилиндрические расточки корпуса 1 и соединительной втулки 3 установлены седла-уплотнители 12 с минимальной площадью открытой поверхности торца 14.

На участке от торца соединительной втулки 3 со стороны установки седла-уплотнителя 12 до начала радиальной кольцевой проточки под уплотнение на наружной цилиндрической поверхности между соответствующими поверхностями проходного канала 15 корпуса 1 и соединительной втулки 3 образован гарантированный кольцевой зазор 16. В наружный кольцевой уступ 17 соединительной втулки 3 упирается рабочим торцом опорная гайка 18.

Осевое положение опорной гайки 18 фиксируется контргайкой 19. Шаровой кран подсоединяется к трубопроводной линии (магистрали) с помощью штуцеров (патрубков) 20, один из которых устанавливается в корпус 1, а другой - в соединительную втулку 3.

Шаровой кран работает следующим образом.

Шаровой кран перекрывает (см. фиг.1) или открывает (см. фиг.2) поток рабочей среды посредством поворота шарового запорного органа 6, что осуществляется поворотом приводного вала 8 с помощью ручки 9 на угол 90 градусов. В положении "открыто" проходные отверстия 2 и 4 корпуса 1 и соединительной втулки 3 соответственно совмещаются с проходным отверстием 7 запорного органа 6 и рабочая среда проходит через кран. В положении "закрыто" запорный орган 6 перекрывает путь рабочей среде, а упругодеформированная система, состоящая из поджимного устройства 13 и шарового запорного органа 6 препятствует вытеканию рабочей среды за пределы крана.

Наиболее тяжелым режимом работы для шарового крана является режим перекрывания рабочей среды под высоким давлением. Рабочая нагрузка в этом случае, воспринимаемая шаровым запорным органом 6, передается через радиально направленные силы на сферическую поверхность седла-уплотнителя 12 и его наружный контур, заделанный в гнездо корпусной детали. Сведение до минимума площади открытой поверхности торца седла 12 со стороны прилегания запорного органа 6 за счет установления оптимального соотношения геометрических параметров, взаимодействующих между собой деталей шарового крана "седло 12 - шаровой запорный орган 6 - седло 12", исключает пластические деформации седел 12 при их работе и поддерживает установленную герметичность шарового крана в течение всего периода эксплуатации.

Шаровой кран позволяет упростить конструкцию, повысить надежность его работы, обеспечивает проведение ремонтно-восстановительных работ и, в необходимых случаях, допускает подрегулировку поджима седел-уплотнителей к шаровому запорному органу без проведения расстыковки шарового крана от трубопроводной магистрали, что подтверждается результатами заводских испытаний и опытом эксплуатации.

Формула изобретения

Шаровой кран двухстороннего действия для высоких давлений, содержащий корпус с впускным и выпускным 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 угол 90°, два подвижных, расположенных по обеим сторонам запорного органа, упруго нагруженных поджимными устройствами седел-уплотнителей, одно из которых размещено в цилиндрической расточке корпуса, другое - во внутренней цилиндрической расточке подвижной 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, отличающийся тем, что диаметры внутренних цилиндрических расточек для размещения седел-уплотнителей в корпусе и соединительной втулке, диаметры полых чаш в седлах-уплотнителях и диаметр шарового запорного органа выполнены в соответствии с соотношениями

Др/Дш=0,95...1,1,

Др/Дч=1,12...1,17,

где Др - диаметры внутренних цилиндрических расточек под седла-уплотнители в корпусе и соединительной втулке;

Дч - диаметры полых чаш в седлах-уплотнителях;

Дш - диаметр шарового запорного органа, при этом глубина расточки под седло-уплотнитель Н=(0,3...0,34)Др, мм, а ширина седла-уплотнителя В=Н+(0...0,5), мм,

причем на участке от торца соединительной втулки со стороны установки седла-уплотнителя до начала радиальной кольцевой проточки под уплотнение на наружной цилиндрической поверхности между соответствующими поверхностями проходного канала корпуса и соединительной втулки образован гарантированный кольцевой зазор, превышающий в 2 - 2,2 раза кольцевой зазор между соответствующими уплотняющими поверхностями проходного канала корпуса и соединительной втулки на участке, расположенном по другую сторону радиальной кольцевой проточки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3