English 
简体中文
Люди, которые имеют дело с шаровыми кранами в реальных промышленных условиях, вскоре обнаруживают, что рабочий крутящий момент может превратиться в серьезную головную боль, когда клапаны становятся большими или давление возрастает. Клапан диаметром 24 дюйма или 36 дюймов, установленный в газопроводе с давлением 1500 фунтов на квадратный дюйм, может потребовать такого большого усилия при повороте, что плавающие конструкции быстро становятся непрактичными. Заводские конструкции шаровых кранов с цапфой решают эту проблему простым механическим способом, позволяющим контролировать крутящий момент. В то же время выбор места не менее важен. Мягкие седла из полимеров очень хорошо справляются со многими повседневными задачами, но существует множество сложных условий эксплуатации, где только седла «металл по металлу» могут обеспечить долговременную надежность, необходимую для работы.
Принцип работы шарового крана прост. Внутри корпуса находится сферический шар со сквозным отверстием. Поворот шара на девяносто градусов выравнивает отверстие с трубопроводом для обеспечения полного потока или поворачивает его перпендикулярно, чтобы полностью остановить поток. Седла на входной и выходной сторонах уплотняют шар, а шток передает вращение от маховика, коробки передач или привода.
Самым важным различием между типами шаровых кранов является способ крепления шара. В кранах с плавающим шаром шар имеет некоторый осевой люфт. Когда клапан закрывается, давление на входе прижимает шар вниз по потоку к седлу, создавая уплотнение. Эта простая конструкция позволяет снизить производственные затраты и отлично работает при небольших размерах и умеренном давлении.
Клапаны, установленные на цапфе, идут по другому пути. Короткие валы, называемые цапфами, проходят сверху и снизу шара и входят в подшипники в корпусе клапана. Шарик свободно вращается, но остается неподвижным в осевом направлении. Это небольшое изменение конструкции полностью меняет способ управления силами давления внутри клапана.
В клапане с плавающим шаром под давлением полный перепад давления действует на площадь отверстия, создавая большую осевую силу, которая сильно прижимает шар к выходному седлу. Такое высокое контактное давление создает серьезное трение, и трение приходится преодолевать каждый раз, когда клапан работает. Поскольку осевая сила увеличивается прямо пропорционально давлению и квадрату диаметра, крутящий момент возрастает очень быстро по мере увеличения размера и давления.
12-дюймовому плавающему клапану класса 900 обычно требуется крутящий момент, который может обеспечить только большой гидравлический привод, и даже в этом случае шток, подшипники и коробка передач со временем подвергаются тяжелым нагрузкам.
Монтаж цапфы меняет правила игры, перенося осевую нагрузку через цапфы и подшипники, а не через интерфейс шар-седло. Шар остается на месте в осевом направлении. Седла - обычно подпружиненные или с помощью давления - затем движутся к шару, чтобы войти в контакт и установить уплотнение. Уплотняющее усилие теперь возникает главным образом за счет пружин плюс давление, действующее на относительно небольшую кольцевую площадь седельных колец, а не на все отверстие.
При значительном уменьшении трения рабочий крутящий момент обычно падает на 60–80 процентов по сравнению с поплавковым клапаном того же размера и класса. Подшипники с низким коэффициентом трения на цапфах и упорные шайбы на штоке делают вращение еще более плавным. Фиксированное положение шара также предотвращает взведение или заедание, что может привести к дополнительному сопротивлению в плавающих конструкциях при сильном перепаде давления.
Преимущества легко увидеть на практике. Операторы газотранспортных линий большого диаметра могут использовать вместо массивных гидравлических приводов стандартные пневматические или электрические приводы. Морские платформы экономят вес и пространство на палубе. На нефтеперерабатывающих и химических заводах срок службы приводов, редукторов и штоков увеличивается, поскольку нагрузки значительно ниже. Хотя изготовление цапфовых клапанов обходится дороже из-за дополнительной обработки и компонентов, экономия на исполнительном оборудовании и сокращение затрат на техническое обслуживание обычно делают их экономичным выбором в тяжелых условиях эксплуатации.
Седла — это элементы, которые фактически предотвращают утечку при закрытом клапане, поэтому материал, из которого они изготовлены, напрямую влияет на характеристики уплотнения, срок службы и пригодность для различных условий эксплуатации.
В большинстве шаровых кранов используются мягкие седла, изготовленные из полимеров: ПТФЭ, стеклонаполненного ПТФЭ, PEEK, нейлона или аналогичных материалов. Эти полимеры хорошо прилегают к поверхности шара, прощают небольшие царапины и неровности и обеспечивают отличную герметичность в чистых жидкостях при умеренных температурах. Они также снижают трение и относительно недороги.
Сиденья «металл по металлу» работают по-другому. Они используют закаленные металлические поверхности — обычно нержавеющую сталь с износостойкими накладками, такими как стеллит, карбид вольфрама или карбид хрома, — которые подвергаются очень точной притирке. Уплотнение основано на прямом контакте металла с металлом, а не на деформации материала седла. Эти сиденья отказываются от легкого прилегания и низкого трения полимеров, но приобретают исключительную устойчивость к условиям, которые быстро портят мягкие сиденья.
Мягкие седла охватывают очень большой процент применений, но определенные условия эксплуатации выводят полимеры за безопасные пределы, в результате чего практичным решением становятся седла «металл по металлу».
На первое место выходят высокие и низкие температуры. Большинство мягких седел начинают размягчаться и выдавливаться при температуре выше 250–300 °C, при этом стандартный ПТФЭ достигает максимальной температуры около 260 °C. В условиях криогенной среды многие полимеры становятся хрупкими при температуре от –50 до –100 °C. Металлические седла надежно работают при температуре от –196 °C при работе с СПГ до 650 °C и выше в соответствующих сплавах.
Абразивные жидкости быстро разрушают мягкие седла. Песок, пыль катализатора, коксовая мелочь, минеральные суспензии и подобные твердые вещества проникают в полимер и царапают уплотнительную поверхность, что приводит к утечкам после относительно небольшого количества циклов. Металлические седла с твердым покрытием гораздо дольше противостоят эрозии.
Очень высокое давление — обычно от 5000 до 10 000 фунтов на квадратный дюйм в зависимости от размера и температуры — может выдавливать мягкие материалы в зазоры кузова или вызывать необратимую деформацию. Металлические седла сохраняют свою геометрию и целостность уплотнения в глубоководных подводных елках и в системах закачки газа под высоким давлением.
Некоторые агрессивные химикаты разъедают органические материалы сидений. Влажный хлор, дымящие кислоты, сильные окислители и некоторые растворители при повышенной температуре требуют, чтобы седла были изготовлены из коррозионностойких сплавов, таких как Хастеллой, Инконель или титан.
Пожарная безопасность – еще один важный момент. На нефтеперерабатывающих заводах, морских платформах и складских терминалах клапаны должны оставаться закрытыми во время и после пожара. Мягкие седла плавятся или сгорают, но конструкции «металл по металлу» соответствуют спецификациям испытаний на огнестойкость, таким как API 607.
Металлические седла также отдают предпочтение высокоцикличным работам и приложениям, обслуживание которых затруднено или дорого. Мягкие материалы подвергаются деформации ползучести и сжатию после тысяч операций, в то время как твердые седла сохраняют рабочие характеристики гораздо дольше.
Металлические седла имеют свои недостатки: более высокая стоимость, более точное изготовление и меньшая устойчивость к крупному мусору. Многие производители предлагают гибридные сиденья — металлические кольца с тонкими мягкими вставками — для услуг, находящихся между двумя крайностями.
В наиболее сложных условиях применения — большой диаметр отверстия, высокое давление, абразивные или коррозийные среды, экстремальные температуры — цапфовое крепление и седла «металл по металлу» часто используются вместе. Фиксированное положение шара обеспечивает идеальное выравнивание жестких седел, а низкая сила контакта, присущая конструкции цапфы, снижает вероятность истирания и сохраняет приемлемый крутящий момент даже при использовании металлических посадочных поверхностей. Эта комбинация стала отраслевым стандартом для критической изоляции трубопроводов, подводных манифольдов и тяжелых условий эксплуатации на нефтеперерабатывающих заводах.
Крепление с цапфой снижает крутящий момент, воспринимая осевые нагрузки давления на специальные подшипники вместо того, чтобы проталкивать их через уплотнительную поверхность, что делает большие клапаны высокого давления практичными для работы с приводами нормального размера. Седла металл-металл становятся необходимыми всякий раз, когда экстремальные температуры, истирание, очень высокое давление, агрессивные химические вещества, воздействие огня или необходимость длительного срока службы без обслуживания выводят полимерные седла за рамки их возможностей.
Когда материал опоры шара и седла правильно подобран к реальным условиям эксплуатации, в результате получается клапан, который работает плавно, надежно уплотняется и продолжает работать с минимальным вниманием в течение многих лет — именно то, что нужно операторам для безопасного, эффективного и экономичного производства.
Связаться с нами