Одной из сложных и приоритетных тем программы ПАО «ГАЗПРОМ» - «РОСАТОМ» по импортозамещению арматуры, работающей на загрязненных рабочих средах при высоких давлениях до 420атм и высоких температурах до 450°С, является шаровой кран.
В 2012-2013 г.г. предприятием ООО «НПЦ «АНОД» в порядке инициативы разработана конструкция крана сегментного шарового типа КС.
Шаровой сегментный кран принципиально новой конструкции предназначен для использования на нефте- и газоперерабатывающих предприятиях, нефтяных и газовых магистралях, комплексах СПГ (сжиженного природного газа) как запорно-регулирующий.
Рис. 1. Положение "Закрыто" крана типа ORBIT
Шаровой сегментный кран новой конструкции предназначен для управления потоком рабочей среды в магистральных трубопроводах высокого давления при больших расходах рабочей среды, содержащих примеси с абразивными включениями, а также может найти широкое применение в технологических процессах нефтехимической переработки с температурой до 500ºС.
Наиболее близким аналогом является конструкция шарового крана типа ORBIT фирмы CAMERON (США) (рис. 1). В настоящее время более чем на 88% газоперерабатывающих предприятий и более чем 85 % комплексов СПГ (сжиженного природного газа) по всему миру используются клапаны типа ORBIT фирмы CAMERON.
Конструкция шарового крана типа ORBIT фирмы CAMERON (рис. 1) 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 возвратно-поступательного перемещения штока, устройства, приводящего к взаимодействию уплотнительных поверхностей шарового затвора и седла корпуса.
Рис. 2. Положение крана типа ORBIT при закрытии.
При закрытии крана (рис. 2) при вращении штурвала по часовой стрелке шток начинает опускаться. При этом спиральные канавки на штоке взаимодействуют с фиксированными направляющими пальцами, вызывая поворот штока и шара. Дальнейшее вращение штурвала поворачивает шар и шток на 90ºС, при этом уплотнительная поверхность шара не касается седла. При последних поворотах штурвала спиральные канавки на штоке переходят в канавки, расположенные параллельно оси штока. Шток в нижнем положении клиновой поверхностью плотно прижимает шар к седлу.
При открытии клапана аналогичной клиновой поверхностью шток отжимает затвор от седла, образуя зазор между уплотнительными поверхностями. Отсутствие трения уплотнительных поверхностей затвора, как в ходе открытия, так и закрытия позволяет работать крану с загрязненными рабочими средами в том числе и при высоких температурах до плюс 427ºС, обеспечивая высокую герметичность уплотнительных поверхностей и его износостойкость.
,
Рис. 3. Положение "Закрыто" крана типа LBX фирмы Log valve
Необходимо отметить, что разработчики крана типа ORBIT заявляют, что кран герметичен при любом направлении потока рабочей среды.
Известна так же конструкция шарового крана типа LBX фирмы Log valve с двумя затворными элементами (рис. 3).
Конструкция шарового крана типа LBX фирмы Log valve гарантирует двухстороннее уплотнение. Кинематика движения штока с затвором аналогична крану типа ORBIT. Только после поворота штока на 90ºС, в конце процесса закрытия клиновидные пазы приводной головки на штоке через цапфы наклоняют подвижные затворные элементы - сегменты, соединенные между собой шарнирно, на уплотнительную поверхность седел, осуществляя тем самым двухстороннее закрытие. Основное отличие данной конструкции от крана типа ORBIT - двухстороннее уплотнение.
Конструкция крана сегментного шарового типа КС с верхним разъемом разработки ООО НПЦ «АНОД» представлена на рис. 4.
Шаровой кран сегментного типа КС с верхним разъемом (рис. 4), содержащий 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 возвратно-поступательного перемещения штока, устройства, приводящего к взаимодействию уплотнительных поверхностей шарового затвора и седла корпуса. Согласно изобретению, корпус снабжен вторым седлом, расположенным напротив первого седла. Шаровой затвор выполнен из двух подвижных сегментов с дисками, на которых выполнены уплотнительные поверхности. Подвижные сегменты соединены между собой шарнирно через ось, установленную в опорной поверхности корпуса. В верхней части каждый сегмент через введенные рычаги с осями соединен шарнирно с нижним концом штока, который после поворота и совмещения уплотнительных поверхностей шарового затвора обеспечивает поджатие уплотнительных поверхностей при дальнейшем поступательном его перемещении. Устройство, преобразующее поступательное движение штока с затвором в поворотное состоит из гайки с несамотормозящей резьбой, установленной неподвижно в ползуне привода и взаимодействующей с соответствующей выполненной резьбой штока. Дальнейшее поступательное движение штока обеспечивают опорные детали устройства, передающие усилие со штока на пакет тарельчатых пружин, установленных с предварительным поджатием в корпусе фонаря.
Рис. 4. Положение "Закрыто" шарового крана сегментного типа КС с верхним разъемом
Испытания шарового крана сегментного типа КС DN 100 PN 40 (рис. 4) в ОАО «КУРГАНСПЕЦАРМАТУРА» доказали ее эффективность по сравнению с шаровым краном типа ORBIT фирмы CAMERON и полностью подтвердили ее повышенный ресурс благодаря высокой износостойкости силовых элементов в виде многозаходной несамотормозящей резьбы. Кран показал герметичность затвора в обоих направлениях по классу А ГОСТ Р 54808-2011 на пробном веществе воздух при давлении Рисп.=4 МПа.
Двухсторонняя герметичность крана существенно расширяет функциональные возможности данной конструкции и является полноценной альтернативой существующим шаровым кранам на загрязненных рабочих средах, так как обладает более высоким ресурсом по цикличности и высокой герметичностью двухстороннего затвора на всем протяжении эксплуатации.
При испытаниях так же был доказан способ разгрузки крана при сбросе давления из внутренней полости. Крутящий момент при открытии крана при давлении 4,4 МПа уменьшился в 1,5 раза, а при давлении 6 МПа – в 12 раз.
Конструкция шарового крана сегментного защищена патентом РФ №2521701 от 05.03.2013г
Рис. 5. Положение "Закрыто" шарового крана сегментного типа КС с боковыми фланцами
В описанной выше конструкции шарового крана сегментного (рис. 4) затвор хорошо работает в средах, содержащие абразивные включения. Для этого пришлось несколько усложнить механизм разжима сегментов через введенные рычаги. Если использовать сегментный клапан на относительно чистых средах, таких как пар и вода, то нет необходимости усложнять этот механизм, и тогда конструкция поворота и разжима существенно упрощается и становится компактнее. Также нет необходимости использования в компоновке крана только сложного литого корпуса с извлечением выемной части через верхний разъём. На рабочие давления PN≤6,3 и DN≤200 мм иногда целесообразно выполнить корпус с боковыми фланцами, соединенные шпильками (рис. 5), или с одним боковым разъемом (рис. 6).
Рис. 6. Положение "Закрыто" шарового крана сегментного типа КС с боковым разъемом
При использовании шарового крана сегментного типа КС на чистых рабочих средах конструкция крана становится более компактной (рис. 7).
В этом варианте конструкции шарового крана сегментного типа КС с клиновым разжимом (рис. 7) поджатие и отжатие подвижных сегментов производится клиновыми поверхностями канавок приводной головки через цапфы.
Корпус шарового крана сегментного типа КС может быть выполнен как с боковыми фланцами на шпильках (рис. 7) для изделий DN до 200 мм при PN не более 6,3 МПа, так и с верхним и с боковыми разъемами.
В описанных выше конструкциях шарового крана сегментного типа КС уплотнение затвора обеспечивалось для высокотемпературных рабочих сред (выше 200ºС). Естественно, эти конструкции применимы и для низкотемпературных сред (ниже 200ºС), где можно использовать более эффективное уплотнение затвора – металл-эластомер.
При использовании шарового крана сегментного типа КС, особенно на высокотемпературных средах, необходимо принимать во внимание двухстороннюю герметичность затвора, которая может вызвать переопрессовку корпуса крана в его закрытом положении. Для предохранения от этого нежелательного явления на корпусе крана необходимо устанавливать предохранительный клапан.
Описанные конструкции служат основой для разработки технической документации и изготовления типоразмерного ряда шаровых кранов сегментных типа КС для нефте- и газоперерабатывающих предприятий, газовых магистралей и комплексов СПГ на различные номинальные диаметры и
Рис. 7. Положение "Закрыто" шарового крана сегментного типа КС с боковыми фланцами с клиновым разжимом
