Как работает шаровой кран?

Клапан шарового типа регулирует расход жидкости за счет перемещения диска или заслонки в сторону неподвижного седла или от него. В отличие от задвижки, которая в основном предназначена для работы в полностью открытом или полностью закрытом положении, клапан шарового типа обеспечивает надёжное перекрытие, а также позволяет операторам регулировать расход с большей точностью.

Понимание принципа работы шарового крана имеет важное значение при выборе арматуры для систем подачи пара, воды, нефти, газа, химической переработки, систем охлаждения и промышленных инженерных сетей. Внутренний канал потока, конструкция диска, расположение седла и движение штока — все эти факторы влияют на перепад давления, характеристики регулирования, рабочий крутящий момент и срок службы.

В данном руководстве объясняется принцип действия клапана-глобуса, приводятся описания основных деталей и функций клапана-глобуса, проводится сравнение распространенных конструкций корпуса и тарелки, разъясняется правильное направление потока в клапане-глобусе, а также даются практические рекомендации по монтажу, подбору и техническому обслуживанию.

Краткое описание принципа работы шарового крана

• • Открытие клапана: шток приподнимает тарелку, отрывая её от седла, создавая проход, через который может проходить жидкость.
  • Закрытие клапана: шток прижимает тарелку к седлу до тех пор, пока уплотняющие поверхности не соприкоснутся и не перекроют поток.

• Регулирование расхода: промежуточные положения диска изменяют площадь проходного сечения и позволяют клапану регулировать расход технологической жидкости.
• Основная характеристика: Шаровой кран обеспечивает лучшую регулируемость потока, чем многие запорные клапаны, но, как правило, создает более значительный перепад давления.

Что такое шаровой кран?

Шаровой кран — это клапан с линейным ходом, используемый для запуска, остановки или регулирования потока жидкости, газа или пара. Свое название он получил из-за округлой формы ранних корпусов клапанов, хотя современные шаровые краны могут иметь самые разные внешние формы.

Внутри клапана подвижный диск прижимается к неподвижному седлу. Диск соединен со штоком, привод которого может осуществляться с помощью маховика, редуктора, пневматического, электрического или гидравлического привода. По мере прямолинейного перемещения штока изменяется расстояние между диском и седлом.

Когда тарелка поднимается, жидкость проходит через отверстие в седле и меняет направление движения при прохождении через корпус клапана. Когда тарелка опускается, площадь проходного сечения уменьшается. При соприкосновении тарелки с седлом клапан перекрывает поток.

Именно эта регулируемая взаимосвязь между положением диска и площадью проходного сечения является основной причиной широкого применения шарового клапана для дросселирования и регулирования расхода.

Как работает шаровой кран: пошаговое руководство?

Рабочий цикл шарового крана можно разделить на пять основных этапов.

1. Оператор поворачивает маховик или приводит в действие привод. Вращательное движение маховика преобразуется в линейное движение с помощью резьбового штока и механизма вилки.
2. Шток перемещается вверх или вниз. Во многих конструкциях вращение маховика против часовой стрелки приводит к подъему штока и открытию клапана, а вращение по часовой стрелке — к опусканию штока и закрытию клапана.
3. Диск изменяет своё положение относительно сиденья. При подъёме диска площадь проходного сечения увеличивается, а при опускании — уменьшается.
4. Технологическая жидкость проходит по внутреннему каналу. При входе в корпус клапана жидкость меняет направление, проходит через отверстие седла и выходит через противоположное соединение.
5. Диск прижимается к седлу, перекрывая поток. При полном закрытии маховик или привод передает усилие через шток, в результате чего диск прижимается к седлу и образует герметичное уплотнение.

Как открывается шаровой кран

При повороте маховика для открытия клапана резьбовой шток перемещается вверх. Диск, соединенный со штоком, отрывается от седла клапана. В результате между диском и седлом образуется кольцевое отверстие, через которое может протекать жидкость.

В начале открывающей фазы небольшое изменение положения штока приводит к образованию относительно узкого прохода для потока. По мере дальнейшего подъема диска площадь прохода для потока увеличивается. Точная зависимость между ходом штока и расходом зависит от профиля диска, геометрии седла и условий давления.

Как закрывается шаровой кран

Для закрытия клапана маховик или привод перемещают шток вниз. Диск приближается к седлу, уменьшая доступное сечение потока. По мере уменьшения сечения скорость жидкости, проходящей через суженное сечение, может увеличиваться, в то время как давление на выходе снижается.

Когда диск достигает седла, дополнительное усилие штока сжимает уплотняющие поверхности. При этом правильно подобранный и обслуживаемый клапан шарового типа обеспечивает надежное перекрытие.

Как шаровой кран регулирует расход

Во время работы в режиме дросселирования диск остается частично открытым. Перемещение диска изменяет степень сужения внутри клапана, что приводит к изменению перепада давления и расхода в системе.

По сравнению с задвижкой конструкция клапана с диском и седлом обеспечивает более стабильное регулирование в промежуточных положениях. Благодаря этому клапаны с диском и седлом подходят для применения в тех случаях, когда оператору приходится часто регулировать подачу пара, охлаждающей воды, топлива, конденсата или технологического потока.

Важно: Стандартный ручной клапан-глобус может регулировать расход, однако для сложных задач автоматического регулирования следует использовать регулирующий клапан-глобус соответствующего размера с подходящей характеристикой внутреннего механизма, приводом и позиционером.

Основные детали шарового крана и их функции

Понимание устройства внутренних компонентов помогает объяснить, как работает шаровой кран и почему возникают те или иные неисправности.

Почему в шаровом клапане наблюдается большой перепад давления?

Глобусный клапан, как правило, создает больший перепад давления, чем задвижка или шаровой клапан с полным проходом, поскольку жидкость не проходит по прямому проходу без сужений.

В традиционном шаровом кране Т-образной конструкции жидкость поступает в корпус, меняет направление, проходит через суженное отверстие седла и снова меняет направление перед выходом из крана. Эти изменения направления и площади проходного сечения приводят к возникновению турбулентности и потерям энергии.

Падение давления в шаровом клапане увеличивается в следующих случаях:

• Клапан частично закрыт.
• Отверстие седла небольшое по сравнению с размером трубы.
• Скорость потока высокая.
• Внутренний канал потока имеет резкие изменения направления.
• Диаметр клапана недостаточен для обеспечения необходимого расхода.
• На диске, седле или корпусе клапана имеются отложения или повреждения.

Такая потеря давления не всегда является нежелательной. В системах регулирования шаровой кран специально создает переменный перепад давления для регулирования расхода. Однако в системах, где главным приоритетом является минимальная потеря энергии, шаровой кран может оказаться не самым эффективным запорным клапаном.

Направление потока в шаровом клапане

Правильное направление потока в шаровом клапане имеет важное значение, поскольку оно может влиять на рабочий крутящий момент, характеристики перекрытия, нагрузку на сальниковую прокладку, уровень шума, эрозию и устойчивость клапана.

Многие традиционные шаровые краны устанавливаются таким образом, что поток поступает под диском и выходит над седлом. Такую схему часто называют «открытие под действием потока», поскольку давление в технологическом контуре способствует отрыву диска от седла.

В других конструкциях шаровых кранов поток может направляться сверху диска к седлу. Такой режим иногда называют «поток на закрытие», поскольку давление в технологическом контуре способствует продвижению диска в закрытое положение.

Течение под диском

Поскольку поток поступает под диском, давление в системе действует на диск вверх. Такая конструкция позволяет в некоторых случаях снизить усилие, необходимое для начала открытия. Кроме того, она может уменьшить склонность определенных загрязнений к накоплению над диском.

Однако давление может действовать в противоположном направлении по отношению к усилию закрытия, особенно при высоком перепаде давления. Привод или механизм привода должны обеспечивать усилие, достаточное для прижатия диска к седлу.

Течение над диском

Если поток поступает над диском, давление в системе может способствовать закрытию клапана. Это может быть полезно в определенных случаях при работе с высоким давлением или в системах регулирования. Однако давление, действующее на верхнюю часть диска, может увеличить усилие, необходимое для открытия клапана.

Важно: всегда следуйте стрелке, обозначающей направление потока, нанесенной на корпус клапана, а также инструкциям производителя по монтажу. Правильное направление зависит от конструкции клапана, расположения диска, размеров привода и предполагаемого режима эксплуатации.

Распространенные типы шаровых кранов

Глобусный клапан с Т-образным сечением

Глобусный клапан Т-образной конструкции представляет собой наиболее традиционную конструкцию. Входное и выходное соединения расположены на одной линии, а седло находится между ними. При прохождении через корпус клапана жидкость меняет направление движения.

Данная конструкция обеспечивает эффективное регулирование расхода и полное перекрытие, однако, как правило, характеризуется наибольшим падением давления среди распространенных типов корпусов клапанов глобусного типа.

Глобусный клапан Y-образной конструкции

В клапане с Y-образным корпусом шток и седло расположены под углом к магистральному трубопроводу. Это обеспечивает более плавный внутренний тракт потока по сравнению с традиционным T-образным корпусом.

Данная конструкция позволяет снизить потери давления и может быть предпочтительной в условиях высокого давления, высокой температуры или при непрерывном потоке, когда клапан остается открытым в течение длительного времени.

Угловой шаровой кран

Угловой шаровой кран изменяет направление трубопровода, как правило, на 90 градусов, одновременно регулируя поток. Он сочетает в себе функции клапана и колена, что позволяет сократить количество отдельных элементов трубопровода.

Угловые шаровые краны обычно применяются в котельных системах, дренажных системах, конденсатопроводах и на объектах, где вблизи крана требуется изменение направления трубопровода.

Игольчатый шаровой кран

В игольчатом шаровом клапане используется длинный конический диск или игла, которая входит в небольшое отверстие седла. Постепенное изменение площади проходного сечения позволяет более точно регулировать малые расходы.

Игольчатые клапаны, как правило, применяются в приборостроении с малым диаметром, в линиях отбора проб и регулирования давления, а не в крупных технологических трубопроводах.

Глобусный клапан с сильфонным уплотнением

Глобусный клапан с сильфонным уплотнением оснащён гибким металлическим сильфоном, расположенным вокруг штока. Сильфон создаёт дополнительную барьерную поверхность, которая снижает вероятность утечки технологической жидкости через зону уплотнения штока.

Данная конструкция часто применяется для работы с опасными, токсичными, высокочистыми или высокотемпературными средами, когда необходимо свести к минимуму внешнюю утечку.

Глобусный клапан с герметизацией под давлением

В шаровом кране с уплотнением под давлением давление внутри системы используется для улучшения герметичности соединения между корпусом и крышкой. Конструкция с уплотнением под давлением широко применяется в системах высокого давления и высоких температур на электростанциях и в паровых установках.

Типы дисков шаровых кранов

Профиль диска шарового клапана влияет на характеристики дросселирования, утечки, стойкость к эрозии и чувствительность к загрязнениям.

Преимущества и недостатки шаровых кранов

Преимущества шарового крана

• Хорошие возможности по регулированию расхода и потока
• Предсказуемое управление при промежуточных положениях штока
• Надежное перекрытие при исправном состоянии диска и седла
• Подходит для частого использования
• Предлагается с различными вариантами корпуса, отделки и привода
• Сиденье и диск зачастую можно отремонтировать или заменить
• Совместимость с системами автоматического управления технологическими процессами
• Подходит для применения в условиях высокого давления и высокой температуры

Недостатки шарового крана

• Более высокий перепад давления по сравнению с задвижками и шаровыми кранами с полным проходом
• Более значительные потери энергии при непрерывной работе в открытом режиме
• Более высокое рабочее усилие при больших размерах или высоком перепаде давления
• Более сложный внутренний тракт потока
• Возможность возникновения шума, кавитации, перелива или эрозии при резком перекрытии дроссельной заслонки
• Как правило, не подходит для прочистки трубопроводов с помощью скребков
• Могут быть тяжелее и дороже, чем простые запорные клапаны

Поворотный клапан и задвижка

Различие между шаровым клапаном и задвижкой — один из наиболее часто задаваемых вопросов при подборе промышленных клапанов.

Если требуется регулировка расхода, следует выбрать шаровой кран. Если же основным требованием является изоляция с минимальными потерями давления и клапан обычно находится в полностью открытом или полностью закрытом положении, следует выбрать задвижку.

Поворотный клапан и шаровой клапан

В шаровом кране используется вращающийся шарик с центральным отверстием, тогда как в клапанном кране — линейно перемещающийся диск и седло.

Шариковый кран с полным проходом, как правило, обеспечивает меньшие потери давления и открывается или закрывается за четверть оборота. Клапан-глобус требует нескольких оборотов или линейного хода привода, но обычно обеспечивает более стабильные характеристики дросселирования.

Шаровые краны часто выбирают для быстрого отключения. Клапанные краны часто используют для регулирования расхода, регулирования давления пара и в условиях, требующих частой настройки.

Как работает шаровой регулирующий клапан?

Регулирующий клапан шарового типа работает по тому же основному принципу «диск-седло», что и ручной шаровой клапан, однако привод автоматически устанавливает затвор в нужное положение в ответ на управляющий сигнал.

Типичный контур регулирующего клапана с глобусным механизмом работает следующим образом:

1. Датчик измеряет давление, температуру, уровень или расход.
2. Контроллер сравнивает измеренное значение с заданным значением.
3. Контроллер посылает сигнал на позиционер клапана.
4. Позиционер регулирует работу пневматического или электрического привода.
5. Привод перемещает шток клапана и заслонку.
6. Изменение расхода приближает процесс к заданному значению.

Внутренняя конструкция регулирующего клапана может быть рассчитана на обеспечение линейной, равнопроцентной или быстродействующей характеристики расхода. Правильный подбор размера клапана имеет решающее значение, поскольку клапан слишком большого размера может работать слишком близко к седлу, а клапан слишком малого размера может не обеспечивать требуемый максимальный расход.

Почему для паровых систем используются шаровые краны?

Поворотный клапан для пара широко используется, поскольку конструкция его диска и седла обеспечивает плавное открытие, надёжное перекрытие и устойчивость к частым циклам работы.

В паровых системах часто возникает необходимость постепенной регулировки расхода при запуске, прогреве, снижении давления или отключении оборудования. Клапан-глобус позволяет оператору постепенно увеличивать расход, а не сразу выпускать полный поток пара.

При выборе парового шарового клапана следует учитывать следующее:

• Давление и температура пара
• Условия перегретого или насыщенного пара
• Классификация материалов кузова и отделки
• Твёрдость металлического седла и его стойкость к эрозии
• Конструкция с герметичным уплотнением или болтовым креплением крышки
• Пригодность стержневой набивки
• Риск образования конденсата и гидравлического удара
• Требуемое усилие открытия и закрытия

Безопасность паровых систем: не следует резко открывать шаровой кран в холодном паропроводе. Для снижения риска термического удара и гидравлического удара необходимо обеспечить надлежащую прогревку, слив конденсата и соблюдение рабочих процедур.

Как выбрать шаровой кран

Для правильного выбора шарового крана недостаточно просто соотнести его с номинальным размером трубы. Кран необходимо оценивать в контексте всей трубопроводной и технологической системы.

1. Определить технологическую жидкость

Определите, будет ли клапан работать с водой, паром, маслом, газом, химическими веществами, конденсатом или другой средой. Уточните предельные значения концентрации, содержания твердых частиц, коррозионной активности, токсичности и загрязнения.

2. Проверить давление и температуру

Зафиксируйте нормальные, минимальные, максимальные и расчетные условия. Материалы корпуса, крышки, седла, уплотнения и прокладки должны сохранять свои эксплуатационные характеристики в течение всего диапазона рабочих условий.

3. Определите функцию клапана

Определите, предназначен ли шаровой кран для отсечки, ручного регулирования расхода, автоматического управления, понижения давления, работы в режиме байпаса или аварийного отключения. Требуемая функция влияет на конструкцию корпуса, профиль диска и выбор привода.

4. Рассчитать требуемую пропускную способность

При проектировании систем регулирования следует использовать фактические данные о расходе, давлении и свойствах рабочей среды для расчета требуемого коэффициента пропускной способности клапана. Не следует выбирать регулирующий клапан «глобус» исключительно исходя из соответствия его диаметра диаметру трубы.

5. Выберите выкройку корпуса

• Для общего регулирования расхода и перекрытия потока используйте шаровой кран Т-образной конструкции.
• Если важно снизить потери давления, рекомендуется использовать шаровой кран Y-образной конструкции.
• Используйте угловой шаровой кран в тех случаях, когда трубопровод должен изменить направление.
• Для эксплуатации в условиях с низким уровнем выбросов следует рассмотреть конструкцию с сильфонным уплотнением.
• Для систем с паром под высоким давлением следует рассмотреть возможность применения герметичных соединений.

6. Выберите материалы для корпуса и отделки

К числу распространенных материалов корпуса шарового крана относятся чугун, высокопрочный чугун, углеродистая сталь, нержавеющая сталь, легированная сталь и специальные коррозионно-стойкие сплавы. Материалы внутренних деталей должны обладать стойкостью к износу, коррозии, задиру и эрозии в области седла и штока.

7. Определить тип концевого соединения

Поворотные клапаны поставляются с резьбовыми, приварными (вставными), стыковыми и фланцевыми соединениями. Тип соединения должен соответствовать классу труб, номинальному давлению, требованиям к техническому обслуживанию и применимым проектным стандартам.

8. Выберите ручной или автоматический режим работы

В ручных клапанах типа «глобус» может использоваться маховик или редуктор. В автоматизированных клапанах типа «глобус» могут применяться пневматические, электрические или гидравлические приводы. Привод должен создавать усилие, достаточное для перемещения и плотного прижатия диска при максимальном ожидаемом перепаде давления.

Контрольный список для выбора шарового клапана

• Технологическая жидкость и концентрация
• Нормальный и максимальный расход
• Давление на входе и выходе
• Минимальная и максимальная температура
• Размер трубы и стандарт соединения
• Требуемый класс давления
• Материалы кузова и отделки
• Требования к утечке при отключении
• Ручной или автоматический режим работы
• Положение «открыто при сбое», «закрыто при сбое» или «остается в исходном положении при сбое»
• Риск возникновения шума, кавитации и эрозии
• Необходимые документы о проверке и сертификации

Руководство по монтажу шарового клапана

Правильная установка обеспечивает защиту седла, штока, уплотнения, корпуса клапана и подсоединённых трубопроводов. Неправильное центрирование или неверное направление потока могут сократить срок службы клапана даже в том случае, если сам клапан подобран правильно.

Перед установкой

• Уточните размер клапана, класс давления, материал изготовления и идентификационную бирку.
• Обратите внимание на стрелку, указывающую направление потока, и на требуемое направление монтажа.
• Проверьте клапан на наличие повреждений, полученных при транспортировке, или загрязнений.
• Удалите из трубопровода шлак от стыковых сварных швов, ржавчину, песок и мусор.
• Убедитесь, что соединяемые детали выровнены правильно.
• Обеспечьте надлежащую опору труб.
• Убедитесь, что имеется достаточно места для перемещения маховика или привода.

Во время установки

1. Установите клапан в соответствии с указанным направлением потока.
2. Не допускайте воздействия чрезмерных нагрузок на корпус клапана со стороны трубопровода.
3. Используйте совместимые прокладки, болты и материалы для соединений.
4. Затягивайте болты фланца постепенно, попеременно по кругу.
5. При необходимости защитите клапан от тепла сварки и образовавшихся при этом отходов.
6. Не используйте маховик или привод в качестве точки подъема.

После установки

• Проведите клапан через весь ход.
• Убедитесь в плавности движения штока.
• Проверьте корпус, крышку, фланцы и уплотнение на предмет утечек.
• Проверьте ход привода и настройки ограничителей.
• Провести необходимые испытания под давлением и функциональные испытания.
• Зафиксируйте результаты установки и тестирования.

Техническое обслуживание шаровых кранов

Проверка шарового клапана должна проводиться с учетом степени нагрузки, частоты эксплуатации и последствий возможной неисправности. Клапаны, эксплуатируемые в условиях высоких температур, коррозионной среды или с высокой частотой циклов работы, как правило, требуют большего внимания, чем клапаны, установленные в чистых и стабильных инженерных сетях.

Пункты планового осмотра

• Утечка из сальниковой набивки
• Негерметичность в месте соединения капота и кузова
• Утечка в месте фланцевого или резьбового соединения
• Изменения крутящего момента маховика
• Неполное открытие или закрытие
• Внутренняя утечка в сиденье
• Коррозия или повреждение штока
• Состояние пневматического, гидравлического или электрического привода
• Ненормальная вибрация, шум или температура

Регулировка сальниковой набивки

Если вокруг штока появляется утечка, возможно, потребуется отрегулировать сальник. Степень сжатия сальника следует увеличивать постепенно и равномерно. Чрезмерная затяжка может увеличить трение штока, повредить сальник и помешать плавной работе клапана.

Если регулировка не устраняет утечку, возможно, потребуется замена сальника. Перед проведением работ по обслуживанию сальника необходимо надежно изолировать трубопровод, сбросить давление, слить жидкость и охладить его.

Проверка диска и сиденья

Внутренняя утечка может быть вызвана эрозией, коррозией, попаданием посторонних предметов, несоосностью или повреждением уплотняющих поверхностей. После безопасного демонтажа осмотрите диск и седло на наличие царапин, следов от проволоки, точечной коррозии, деформаций или отложений.

В зависимости от конструкции клапана и степени повреждения уплотнительные поверхности могут быть очищены, притерты, обработаны на станке или заменены.

Распространенные проблемы с шаровыми кранами и способы их устранения

Когда следует использовать шаровой кран?

Поворотный клапан — оптимальный выбор в тех случаях, когда требуется регулируемый расход, частые циклы работы или надёжное перекрытие с помощью конструкции с линейным ходом.

К типичным областям применения шаровых кранов относятся:

• Подача и распределение пара
• Системы подачи питательной воды в котлы
• Регулирование охлаждающей воды
• Трубопроводы для конденсата и слива
• Системы подачи мазута
• Системы сжатого воздуха
• Линии химических технологических процессов
• Линии байпаса и рециркуляции
• Станции понижения давления
• Автоматические контуры регулирования расхода
• Электрогенерирующие объекты
• Нефте- и газоперерабатывающие заводы

В каких случаях шаровой кран не является оптимальным выбором?

Поворотный клапан может оказаться не самым оптимальным выбором, если система требует минимальных потерь давления, свободного прохождения потока, очистки трубопровода с помощью скребка или очень быстрого перекрытия с поворотом на четверть оборота.

Использование альтернативных типов клапанов может быть более целесообразным в следующих случаях:

• Требуется проходной канал полного сечения.
• Клапан будет оставаться полностью открытым в течение большей части своего срока службы.
• Система очень чувствительна к падению давления.
• Рабочая среда содержит крупные твердые частицы или волокнистый материал.
• Требуется очень быстрое открытие или закрытие.
• Компактные размеры и небольшой вес являются основными требованиями.

В таких условиях задвижка, шаровой кран, дроссельная заслонка или другой специализированный клапан могут обеспечить более высокую общую эффективность.

Часто задаваемые вопросы о шаровых кранах

Заключение

A globe valve works by using linear stem movement to position a disc relative to a fixed seat. This operating principle allows the valve to start, stop and regulate fluid flow with greater control than many valves designed only for isolation.

The best globe valve performance depends on correct sizing, body pattern, flow direction, disc design, material selection and actuator capacity. Engineers should review the complete process conditions rather than selecting a valve only by pipe size or pressure class.

When properly selected and maintained, a globe valve can provide dependable throttling, frequent operation and effective shutoff in steam, water, oil, gas and industrial process systems.