Шаровые краны — это механические устройства, которые используются для ограничения или пропускания жидкости (жидкости или газа) в трубопроводной системе. Они известны как четвертьоборотные краны, поскольку для изменения положения крана с полностью открытого на полностью закрытое или наоборот достаточно повернуть рукоятку на 90o. Этот быстрый поворот на четверть оборота шаровых кранов контрастирует с многочисленными поворотами на 360o, необходимыми для других типов арматуры, таких как задвижки или шаровые краны.

Термин «шаровой клапан» означает, что внутренний механизм, используемый для изменения потока через устройство, представляет собой сферический шар с просверленным в нем отверстием, которое служит регулятором потока в клапане. Шаровые краны известны своей общей прочностью и длительным сроком службы, а также надежным уплотнением, поэтому их часто предпочитают использовать в качестве запорных устройств. Они особенно хорошо переносят загрязненные среды, в большей степени, чем другие типы клапанов. В большинстве случаев они не используются для точного регулирования расхода, поскольку существуют другие конструкции клапанов, например, игольчатые клапаны, которые позволяют более тонко регулировать расход. Существуют некоторые специальные конструкции, которые позволяют в некоторой степени регулировать расход.

В этой статье будет представлена информация о шаровых кранах, включая их конструкцию, различные типы, области применения и основные технические характеристики. Чтобы узнать больше о других типах клапанов, обратитесь к нашему соответствующему руководству «Понимание клапанов».

Конструкция шарового крана

Основными компонентами, используемыми в конструкции шарового крана, являются:

• Корпус клапана
• Шаровой регулятор потока
• Седла клапана
• шток клапана
• Набивка
• Крышка
• Привод

Корпус клапана

Корпус клапана — это основной узел, который служит в качестве резервуара давления и в который собираются другие компоненты шарового крана. Корпуса клапанов изготавливаются из нескольких различных материалов, распространенными из которых являются сталь, латунь, бронза, чугун, нержавеющая сталь, алюминий, ПВХ или ХПВХ. Корпус клапана может быть изготовлен в виде одной детали или двух или более деталей, которые собираются с помощью болтов. Конструкции из нескольких частей могут быть разобраны для ремонта, в то время как конструкции из одной части не предназначены для ремонта и требуют замены клапана в случае поломки.

Регулирование потока шариков

Шар является механизмом управления потоком в шаровом кране и представляет собой шар, в котором просверлено отверстие или туннель, позволяющий жидкости проходить через него, когда он ориентирован так, чтобы отверстие совпадало с направлением потока жидкости. Шар прикреплен к штоку, который обеспечивает движение на 90o поворота для открытия или закрытия клапана. Шар может иметь плавающую конструкцию, то есть шар плавает в среде и находится между седлами клапана, которые удерживают его на месте. Шар может перемещаться в полости корпуса клапана под действием естественного давления потока среды в клапане. Это небольшое движение шара приводит к тому, что он прижимается к расположенному ниже по потоку седлу клапана, создавая положительное уплотнение. Другая конструкция, называемая цапфовым шаром или цапфовым креплением, обеспечивает поддержку шара сверху и снизу, тем самым снижая нагрузку на седла клапана. Шаровые краны с цапфой используются для кранов большого диаметра или для условий эксплуатации, связанных с высоким давлением.

Туннель или отверстие в шаре шарового крана характеризуется как один из нескольких типов:

• полное отверстие
• уменьшенное отверстие
• V-образное или щелевое отверстие

В полнопроходных конструкциях диаметр отверстия равен диаметру трубы. Такая конструкция снижает потери на трение и облегчает процесс очистки, называемый скребком. Эти модели имеют более крупные корпуса и поэтому стоят дороже, чем модели с уменьшенным отверстием.

Конструкции с уменьшенным проходом характерны для большинства шаровых кранов и обычно представляют собой цельные корпуса. Поскольку диаметр отверстия в шаре меньше диаметра идентификатора трубы, возникают некоторые потери на трение, но они обычно меньше, чем у других типов кранов.

Шаровые краны с V-образным портом — это краны, в которых шар, традиционно имеющий отверстие с круглым сечением, заменяется шаром с сечением в форме буквы «V». Такие конструкции выпускаются с внутренними углами различной величины, от 15o до 90o, а в некоторых конструкциях шаровой кран может быть переоборудован с круглого отверстия на V-образное. Шары с V-образным портом используются вместо шаров с круглым отверстием в системах с высокой пропускной способностью, где требуется минимальный перепад давления или герметичное перекрытие. Они также используются для обеспечения более высокого уровня регулирования расхода или диапазона регулирования и могут приближаться к линейному профилю расхода в зависимости от положения привода, в отличие от конструкций с круглым отверстием, которые являются сильно нелинейными. При модернизации запорный клапан может быть перепрофилирован в клапан, выполняющий функции регулятора расхода.

Гнезда клапанов

Гнезда клапана уплотняют шар и обеспечивают бесперебойную работу клапана. Варианты материалов седел включают металлы и фторполимеры, а выбор подходящего материала седла клапана определяется условиями эксплуатации (т.е. температурой, давлением, характером жидкости, проходящей через шаровой клапан, и желаемым рабочим моментом, например). Некоторые распространенные варианты материала седла клапана включают:

• ПТФЭ (политетрафторэтилен)
• ПТФЭ, наполненный углеродным волокном
• Углерод
• Металлы
• Керамика
• ПЭЭК (полиэфирэфиркетон)
• Ацеталь (полиоксиметилен — POM)
• UHMW (полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы)

Шаровые краны, в которых используются гибкие материалы седла, называются шаровыми кранами с мягким седлом в отличие от шаровых кранов с металлическим седлом. Существуют также шаровые краны с графитовым седлом.

Шток клапана, сальник и крышка клапана

Шток клапана — это стержень, который соединяется с шаром и выходит через корпус клапана, где он соединен с исполнительным механизмом клапана. Вокруг штока клапана находится уплотнительный материал, который герметизирует шток клапана и предотвращает просачивание жидкости или среды через отверстие в корпусе клапана. Для уплотнения клапана и предотвращения утечек также используются уплотнительные кольца. В некоторых конструкциях используется система смазочных уплотнений. Часть корпуса клапана, в которой находится шток и уплотнительный материал, иногда называют верхней частью клапана.

Соленоид

Привод (соленоид) клапана — это механизм, который управляет положением клапана от открытого до закрытого положения. Шаровые краны могут приводиться в действие вручную с помощью ручного рычага, а могут приводиться в действие механически или электрически. Механический привод может включать пневматику или гидравлику. Электрический привод обычно включает в себя двигатель и механизм понижающей передачи для замедления скорости вращения привода и, таким образом, предотвращения гидроудара.

Типы шаровых кранов

Существует несколько способов, с помощью которых можно охарактеризовать шаровые краны. К ним относятся материал, используемый при их изготовлении (чаще всего материал корпуса клапана), конструкция корпуса клапана, конфигурация клапана или некоторые другие параметры, такие как перемещаемая жидкость или характер внутренних конструктивных особенностей.

Типы шаровых кранов, характеризующиеся материалом корпуса крана, включают:

• Латунные шаровые краны
• Шаровые краны из нержавеющей стали
• Пластиковые шаровые краны (включают ПВХ и другие полимеры, такие как полипропилен и PVDF)
• Бронзовые шаровые краны
• Чугунные шаровые краны
• Стальные шаровые краны

С точки зрения конструкции корпуса крана, типы шаровых кранов включают:

• Шаровые краны с разъемным корпусом
• Шаровые краны с верхним входом
• Шаровые краны с торцевым входом
• Цельные шаровые краны
• Двухкомпонентные шаровые краны
• Трехкомпонентные шаровые краны

Конфигурация клапана также является методом характеристики шаровых кранов. Наиболее распространенной конфигурацией крана является конфигурация inline, когда корпус крана располагается непосредственно на пути трубопроводной системы и имеет 2 порта, что называется 2-ходовым шаровым краном. Такие краны используются для запорной арматуры.

Существуют также трехходовые и четырехходовые шаровые краны. Трехходовые конструкции имеют конфигурацию «L» или «T» и могут использоваться для распределения потока жидкости на два разных порта или для смешивания, смешивания или перенаправления потоков. На рисунке 1 ниже показаны некоторые возможные конфигурации потока для 3-ходового шарового крана.

Четырехходовой шаровой клапан имеет 4 отверстия, расположенные на корпусе клапана, и обладает аналогичными возможностями, что и трехходовой шаровой клапан. В некоторых конструкциях используются болты на концах, что позволяет изменять конфигурацию портов клапана для работы в качестве впускных и/или перекрывающих поток отверстий.

Некоторые другие методы определения характеристик шаровых кранов включают в себя характеристики жидкости, для работы с которой они предназначены, или некоторые специфические особенности конструкции. В качестве примера можно привести гидравлические шаровые краны, которые подходят для использования в гидравлических контурах и подобных приложениях, требующих высокого давления.

Шаровые краны с футеровкой имеют нереактивное покрытие или футеровку, нанесенную на внутренние поверхности корпуса крана. Такое покрытие защищает клапан от воздействия едких или коррозийных химикатов, повышает коэффициент расхода клапана за счет снижения трения и предотвращает возможное загрязнение жидкости, проходящей через клапан.

Технические характеристики и атрибуты

Шаровые краны определяются несколькими ключевыми параметрами и характеристиками, которые обобщены ниже. Эти характеристики могут отличаться у разных производителей или поставщиков, поэтому данную информацию следует использовать как общие сведения, которые помогут подготовиться к взаимодействию с поставщиками.

• Материал корпуса клапана — материал, из которого изготовлен корпус клапана, например, нержавеющая сталь, ПВХ, ПВДФ, латунь или бронза.
• Количество портов — конструкция клапана, например, 2-, 3- или 4-ходовой.
• Материал шара — материал, из которого изготовлен шар регулятора расхода. Распространенные варианты материала включают латунь, нержавеющую сталь, хромированную сталь или пластик.
• Стиль или тип корпуса — отражает стиль конструкции корпуса как цельного или многокомпонентного.
• Форма клапана — отражает форму клапана: рядная, L, T или Y.
• Размер трубы — диаметр трубы, в которую устанавливается клапан. Обычные размеры шаровых кранов соответствуют размерам труб для облегчения определения размеров и установки.
• Тип порта — отражает конструкцию порта и проход шара, например, полный проход, уменьшенный проход или V-образный порт.
• Тип соединения — представляет собой желаемый тип присоединения порта к клапану. Общие варианты включают резьбовое, фланцевое, паяное соединение, муфтовую сварку или муфтовое соединение.
• Пол — определяет, является ли тип соединения наружным или внутренним.
• Тип резьбы — для резьбовых соединений клапана отражает тип резьбы на порте клапана, например NPT, UNF, NPTF, BSPT и т. д.
• Материал седла — материал, из которого изготовлено седло клапана, например, металл, керамика или мягкое седло, например, фторполимер.
• Материал уплотнения — материалы, используемые в уплотнении клапана.
• Расход или коэффициент расхода — мера способности клапана пропускать жидкость в единицах объема за единицу времени. Иногда расход выражается как коэффициент расхода, Cv, который определяется как количество американских галлонов воды при температуре 60oF, которое может пройти через клапан в минуту при перепаде давления в 1 фунт на квадратный дюйм.
• Максимальное номинальное давление или диапазон давления — устанавливает безопасный диапазон рабочего давления для клапана. Это значение может также отражать рабочую температуру.
• Применение среды или жидкости — указывает тип жидкости или газа, с которым будет взаимодействовать клапан, например, вода, природный газ, мазут, воздух, гидравлическое масло, пищевые продукты, растворители и т.д. Характер среды и ее свойства определяют подходящие материалы для корпуса клапана, уплотнений, седел, шара и других компонентов.
• Тип привода — описывает способ приведения шарового крана в действие, например, ручной (рукоятка или рычаг), гидравлический, пневматический или электрический.
• Рабочий момент — величина крутящего момента, необходимая для поворота крана между открытым и закрытым положениями, измеряется в Н-м или фунт-фут.

Применение, преимущества и ограничения шаровых кранов

Шаровые краны используются во многих различных отраслях промышленности. Некоторые из них включают химическую, нефтегазовую, фармацевтическую, пищевую промышленность, HVAC, санитарные приложения и другие, такие как коррозионные среды и криогенная техника. Во многих производственных процессах используются шаровые краны, они широко применяются и в жилых помещениях. Они могут эффективно работать с полным спектром сред, включая жидкости, газы, химикаты, питьевую воду, топливо, продукты питания и напитки, при условии, что выбор материала для компонентов крана был сделан с учетом типа среды.

Шаровые краны имеют множество преимуществ. Они очень просты в использовании, быстро открываются и закрываются, доступны в многопортовых конструкциях в отличие от некоторых других типов арматуры, таких как шаровые краны или задвижки. Они также меньше и легче, чем другие типы клапанов, и могут иметь более низкую цену. Они являются надежными устройствами и имеют длительный срок службы. Кроме того, они могут иметь более низкий рабочий момент, чем другие клапаны.

Дополнительным плюсом является то, что конструкция регулирующего элемента позволяет шаровому крану работать без боковых нагрузок, которые часто возникают у шаровых или поворотных клапанов. Некоторые конструкции также позволяют легко ремонтировать или модернизировать клапан в случае возникновения проблем с седлами или уплотнениями, не снимая корпус клапана с установки.

Одним из ограничений шаровых кранов является то, что при использовании в шламовых средах возможно застревание взвешенных частиц в полости корпуса крана, что может привести к преждевременному износу, утечкам или выходу крана из строя с необходимостью замены. Как было сказано в начале статьи, в большинстве случаев они лучше всего подходят для применения в запорных системах, хотя некоторые конструкции, например, шаровой кран с V-образным портом, имеют возможность регулирования расхода.

Заключение

В этой статье приводится краткое описание шаровых кранов, включая их конструкцию, различные типы, основные технические характеристики, а также преимущества и ограничения.