6 типов шаровых кранов

Шаровой кран — одно из важнейших устройств для отсечки и регулирования потока, используемых в промышленных трубопроводных системах. Крупные промышленные шаровые краны широко применяются в нефте- и газопроводах, на нефтехимических заводах, химических предприятиях, в системах энергогенерации и других сложных условиях эксплуатации, где требуются надежная отсечка, способность выдерживать высокое давление и длительный срок службы.

Хотя различные шаровые краны работают по одному и тому же основному принципу поворота на четверть оборота, их внутренняя несущая конструкция, конструкция корпуса, геометрия отверстий, конструкция седла и способы технического обслуживания могут значительно различаться. Эти различия напрямую влияют на давление, рабочий крутящий момент, пропускную способность, герметичность и пригодность к эксплуатации в тяжелых условиях.

В данном руководстве описаны 6 типов шаровых кранов, широко используемых в промышленности: шаровой кран с поворотным валом, шаровой кран с верхним входом, шаровой кран с боковым входом, шаровой кран с полным проходом, шаровой кран с металлическим седлом и шаровой кран с V-образным проходом. Понимание особенностей этих конструкций облегчает выбор шарового крана, соответствующего требованиям к давлению, температуре, расходу и технологическим условиям.

Что такое шаровой кран?

Шаровой кран — это кран с поворотом на четверть оборота, в котором для запуска или прекращения потока жидкости используется шарообразный запорный элемент. В центре шара имеется отверстие. Когда это отверстие совпадает с направлением трубопровода, жидкость может проходить через кран. При повороте шара примерно на 90 градусов его сплошная сторона перекрывает поток.

Этот простой принцип действия обеспечивает шаровому крану ряд важных преимуществ. Он способен быстро срабатывать, обеспечивать надежную изоляцию и иметь относительно низкое сопротивление потоку в полностью открытом состоянии. Благодаря этим характеристикам шаровые краны особенно хорошо подходят для изоляции промышленных трубопроводов и автоматизированных систем отключения.

Однако в более крупных или сложных системах внутренняя конструкция приобретает всё большее значение. Высокое давление в трубопроводе создаёт значительные силы, действующие на шарик и седла, а высокая температура, абразивные частицы или частый цикл работы могут существенно повлиять на герметичность и крутящий момент привода.

Краткое сравнение 6 типов шаровых кранов

1. Шаровой кран с цапфовым креплением

Шаровой кран с опорными цапфами — одна из наиболее важных конструкций шаровых кранов для крупных промышленных трубопроводов. Шарик механически поддерживается сверху и снизу с помощью штока и опорных цапф, что предотвращает его значительное смещение в направлении давления в трубопроводе.

Вместо того чтобы полагаться на перемещение шарика для создания уплотняющего усилия, седла сконструированы таким образом, что перемещаются навстречу шарику. Давление в трубопроводе может способствовать прижатию седел и поддержанию контакта с поверхностью шарика.

Благодаря такой конструкции шаровой кран с опорным валом особенно подходит для крупных размеров и систем с высоким давлением. Опора шарика снижает нагрузку, передаваемую непосредственно на седла, и позволяет поддерживать рабочий крутящий момент на приемлемом уровне даже при увеличении диаметра крана.

Клапаны с шаровым затвором на больших опорных цапфах широко применяются в системах транспортировки природного газа, нефтепроводах, на нефтеперерабатывающих заводах, нефтехимических предприятиях, в системах СПГ, на нефтебазах и в других критически важных системах изоляции.

В зависимости от области применения клапаны с поворотным валом могут быть оснащены устройствами двойного перекрытия и слива, системой аварийной подачи уплотнительного вещества на седло, системами уплотнения штока, антистатическими устройствами, пожаробезопасной конструкцией, а также приводом от редуктора или пневмопривода.

Где применяется шаровой кран с поворотным валом?

Шаровые краны с опорным валом обычно выбирают в тех случаях, когда сочетание размера крана, давления в системе и требуемых характеристик перекрытия делает предпочтительной конструкцию с шариком, имеющим усиленную опору. Они особенно широко используются в трубопроводных и технологических системах, где надежность крана имеет решающее значение для работы предприятия или транспортной системы.

2. Шаровой кран с верхним входом

Шаровой кран с верхним входом сконструирован таким образом, что доступ к шарику, седлам и другим важным внутренним компонентам осуществляется через верхнюю часть корпуса крана.

Главным преимуществом данной конструкции является удобство технического обслуживания. На многих объектах технические специалисты могут проводить осмотр или замену внутренних компонентов, при этом основной корпус клапана остается установленным между фланцами трубопровода или сварными соединениями.

Это может оказаться особенно ценным на крупных промышленных объектах, где для демонтажа тяжелого шарового крана из трубопровода потребовались бы краны, модификация опор трубопровода и значительное время простоя.

Шаровые краны с верхним входом широко применяются в критически важных системах переработки нефти и газа, на морских объектах, нефтеперерабатывающих заводах, компрессорных станциях и в других сферах, где простои, связанные с техническим обслуживанием, сопряжены с высокими эксплуатационными затратами.

В крупных клапанах с верхним входом часто применяется конструкция с шаровым шарниром, что позволяет совместить преимущества опоры шарика с улучшенным доступом к внутренним элементам клапана.

3. Шаровой кран с боковым входом

Шаровой кран с боковым входом имеет корпус, собранный из двух или более основных секций, окружающих узел шара и седла. Такая конструкция чрезвычайно распространена в крупных промышленных и трубопроводных шаровых кранах.

В зависимости от конструкции, предусмотренной производителем, корпус клапана может состоять из двух, трёх или нескольких частей. Эти части корпуса соединяются болтами, образуя герметичную камеру вокруг шарика.

Конструкция с боковым входом представляет собой практичное производственное решение для шаровых кранов большого диаметра с цапфовым креплением. Кроме того, она позволяет осуществлять сборку и проверку внутренних компонентов до полного соединения секций корпуса клапана.

Эти клапаны широко используются в нефтепроводах, системах транспортировки природного газа, на нефтехимических предприятиях, на терминалах хранения и в других отраслях промышленности, где требуются крупные фланцевые или сварные шаровые краны.

В отличие от конструкции с верхним входом, для проведения крупных внутренних работ по техническому обслуживанию шарового крана с боковым входом может потребоваться демонтаж крана из трубопровода или более значительная разборка подключенного оборудования. Поэтому стратегия технического обслуживания должна быть учтена еще на этапе проектирования.

Шаровой кран с верхним входом и шаровой кран с боковым входом

Основное отличие заключается в способе обеспечения доступа для технического обслуживания. Шаровой кран с верхним входом позволяет получить доступ к внутренним деталям через верхнее отверстие корпуса, тогда как конструкция с боковым входом собирается из секций корпуса, окружающих внутренние детали.

Конструкции с боковым входом широко применяются в трубопроводной отрасли и могут быть весьма экономичными при больших объемах производства. Конструкции с верхним входом часто выбирают в тех случаях, когда важными факторами проекта являются возможность технического обслуживания без снятия с линии и минимизация демонтажа трубопровода.

4. Шаровой кран с полнопроходным седелом

Шаровой кран с полным проходом, также известный как шаровой кран с полным проходом, имеет отверстие в шарике, размер которого приблизительно равен внутреннему диаметру подсоединяемого трубопровода.

Когда клапан полностью открыт, жидкость проходит по относительно прямому и беспрепятственному пути. Это способствует снижению постоянных потерь давления по сравнению с клапаном, внутренний проход которого значительно меньше.

Конструкция с полным проходом имеет особое значение для длинных трубопроводов, систем с высоким расходом и в тех случаях, когда важна энергоэффективность. Она также часто требуется, когда через клапан должны проходить трубопроводные скребки, очистные инструменты или контрольно-измерительные приборы.

Поскольку шарик и корпус клапана должны соответствовать большему проходу, шаровой кран с полным проходом, как правило, имеет большие габариты и вес, чем конструкция с уменьшенным проходом при том же номинальном размере трубы.

Дополнительный материал и увеличенный размер запорного элемента могут привести к увеличению стоимости клапана и момента вращения привода, однако эти недостатки могут быть приемлемы в случаях, когда требуется полное сечение трубопровода.

Типичные области применения шаровых кранов с полным проходом

Шариковые краны с полным проходом широко используются в нефте- и газотранспортных трубопроводах, трубопроводных системах, пригодных для прочистки скребками, технологических линиях с высоким расходом, на компрессорных станциях, терминалах и объектах, где снижение потерь давления является важной задачей при проектировании.

5. Шаровой кран с металлическим седлом

В шаровом кране с металлическими седлами вместо мягких полимерных седел, таких как ПТФЭ, используются металлические уплотнительные поверхности между шариком и седлами.

Данная конструкция предназначена для условий эксплуатации, при которых температура, эрозия, присутствие твердых частиц или воздействие химических веществ могут привести к быстрому износу традиционных мягких уплотнительных материалов.

Шаровые краны с металлическим седлом широко применяются для работы с высокотемпературными жидкостями, паром, абразивными суспензиями, катализаторами, порошками, средами, содержащими твердые частицы, а также в других сложных промышленных условиях.

Поскольку обе уплотняющие поверхности имеют металлическую основу, особое значение приобретают точность изготовления и обработка поверхности. Шарик и седло могут иметь твердое покрытие или специальный слой для повышения стойкости к износу, эрозии и задиру.

Шаровые краны с металлическим седлом могут требовать большего рабочего крутящего момента, чем аналогичные краны с мягким седлом. Поэтому при выборе привода следует руководствоваться указанными производителем значениями пускового и рабочего крутящих моментов в реальных технологических условиях.

Также следует четко определить требования к герметичности при перекрытии. Клапаны с металлическими седлами предназначены для эксплуатации в сложных условиях, однако необходимо подтвердить требуемые показатели герметичности, а не исходить из предположения, что все типы седел обеспечивают одинаковую герметичность.

В каких случаях следует использовать шаровой кран с металлическим седлом?

Металлические седла обычно рассматриваются в тех случаях, когда температура технологического процесса выходит за пределы диапазона, в котором могут эксплуатироваться полимерные седла, когда рабочая среда содержит абразивные частицы, при наличии явлений обдувания или эрозии, а также когда частая эксплуатация может привести к быстрому износу седла, изготовленного из более мягкого материала.

6. Шаровой кран с V-образным пазом

Шаровой кран с V-образным проходом предназначен специально для регулирования расхода и управления технологическими процессами. Вместо традиционного круглого прохода, используемого в запорных шаровых кранах, шарик или его сегмент имеет V-образное отверстие, которое постепенно изменяет эффективное сечение прохода по мере вращения крана.

Такая геометрия позволяет клапану обеспечивать более предсказуемое регулирование расхода во всем диапазоне рабочих режимов. V-образное сечение создает характерную зависимость между положением клапана и пропускной способностью, благодаря чему данная конструкция подходит для применения в системах с модулирующим управлением.

Шаровые краны с V-образным седлом часто устанавливаются с пневматическими или электрическими приводами и позиционерами в составе контуров автоматического регулирования. Их можно использовать для регулирования расхода, давления, температуры или других технологических параметров.

По сравнению с традиционными шаровыми регулирующими клапанами шаровой клапан с V-образным проходом представляет собой относительно компактное поворотное решение с высокой пропускной способностью. Благодаря поворотному механизму такой клапан также может быть предпочтительным выбором для систем, в которых присутствуют взвешенные твердые частицы или технологические среды, представляющие сложность для некоторых типов традиционных регулирующих клапанов.

Правильный подбор размера по-прежнему имеет решающее значение. Шаровой кран с V-образным патрубком, размер которого значительно превышает необходимый, в нормальных условиях может работать в положении, близком к закрытому, что снижает стабильность регулирования и повышает чувствительность к небольшим изменениям положения клапана.

Типичные области применения шаровых кранов с V-образным седелом

Шаровые краны с V-образным седлом широко используются в химической промышленности, водоподготовке, системах управления паром и инженерными сетями, автоматизации промышленных процессов, регулировании расхода, а также в системах, где требуется модулирующее, а не простое открытие-закрытие.

Шарновый кран с поворотным валом, с верхним входом и с боковым входом

Эти термины часто путают, поскольку они описывают разные аспекты конструкции клапана. Термин «шаровой клапан с опорой на цапфу» относится к способу крепления шарика, тогда как термины «с верхним входом» и «с боковым входом» описывают конструкцию корпуса, находящегося под давлением, и способ доступа к внутренним деталям.

Таким образом, в крупногабаритном шаровом кране с верхним входом может использоваться шарик, установленный на цапфе, а в крупногабаритном шаровом кране с боковым входом также может применяться шарик, установленный на цапфе. Эти классификации не обязательно являются взаимоисключающими.

Шаровой кран с мягким седлом и шаровой кран с металлическим седлом

Конструкция седла — один из важнейших факторов при выборе шарового крана. В кранах с мягким седлом используются полимерные материалы, такие как ПТФЭ, армированный ПТФЭ или ПИК, тогда как в конструкциях с металлическим седлом применяются металлические уплотняющие поверхности.

Мягкие седла широко используются в тех случаях, когда требуется очень плотное перекрытие, относительно низкий крутящий момент и соответствующие температурные условия. Они часто применяются в системах, работающих с чистыми жидкостями и газами.

Металлические седла выбирают в тех случаях, когда температура, абразивные частицы, твердые включения или суровые условия эксплуатации выходят за пределы практической работоспособности обычных мягких седел.

Ни один из этих вариантов не является универсально лучшим. Правильный выбор конструкции седла зависит от рабочей среды, температуры, давления, требований к герметичности и частоты эксплуатации.

Материалы корпуса шарового крана

Крупные промышленные шаровые краны выпускаются с корпусами и внутренними узлами из самых разных материалов. Углеродистая сталь широко применяется в нефтегазовой, нефтехимической отраслях и в общепромышленном производстве благодаря своим высоким механическим характеристикам и широкой доступности.

Шаровые краны из нержавеющей стали обычно выбирают в тех случаях, когда требуется повышенная коррозионная стойкость. Для более агрессивных хлоридсодержащих сред, эксплуатации на морских платформах и отдельных химических применений можно рассмотреть возможность использования дуплексных и супердуплексных нержавеющих сталей.

Для специальных технологических условий также предлагаются низкотемпературная углеродистая сталь, легированная сталь и сплавы на основе никеля.

При выборе материала ни в коем случае нельзя ориентироваться исключительно на корпус клапана. Шарик, шток, седло, сальник, прокладка, пружины и крепеж также должны быть пригодны для данной рабочей среды и рабочей температуры.

Ручное, пневматическое и электрическое управление шаровым краном

Малые или средние шаровые краны могут приводиться в действие вручную с помощью рычага, тогда как в крупных промышленных шаровых кранах обычно используются редукторные приводы, позволяющие снизить усилие, требуемое от оператора.

Пневматические приводы широко используются на нефтегазовых, химических и нефтехимических объектах, где требуются быстрое срабатывание и отказоустойчивость. Конструкции с пружинным возвратом могут переместить клапан в заданное положение в случае потери подачи приборного воздуха.

Электрические приводы часто выбирают в тех случаях, когда имеется доступ к электроэнергии, а инфраструктура сжатого воздуха ограничена. Они также широко используются в водопроводных системах, на удаленных объектах и на автоматизированных промышленных предприятиях.

Расчет размеров привода должен основываться на фактическом требуемом моменте вращения шарового крана при максимальном перепаде давления. Также следует учитывать коэффициенты безопасности, минимальное давление воздуха, цикл работы электропривода и требуемую рабочую скорость.

Как правильно выбрать шаровой кран

Правильный шаровой кран следует выбирать с учетом реальных условий технологического процесса, а не исходя исключительно из диаметра трубопровода. Размер клапана — лишь одна из составляющих технических характеристик.

Первым шагом является определение назначения клапана. Если требуется обеспечить герметичное отключение трубопровода большого диаметра, целесообразно использовать шаровой клапан с цапфовым креплением. Если приоритетом является возможность технического обслуживания без снятия с трубопровода, преимуществом может стать конструкция с верхним доступом. В случаях, когда важны низкие потери давления и возможность прочистки с помощью скребков, следует рассмотреть вариант использования шарового клапана с полным проходом.

Для работы в условиях высоких температур или при абразивных нагрузках может потребоваться шаровой кран с металлическим седлом, тогда как для задач регулирования расхода лучше подходит шаровой кран с V-образным седлом.

Затем необходимо определить рабочее давление, температуру, состав среды и максимальный перепад давления. Корпус клапана, внутренние детали, седла и уплотнения должны быть пригодны для работы в этих условиях.

Наконец, в техническое задание на закупку следует включить требуемые параметры концевых соединений, класс давления, способ эксплуатации, характеристики перекрытия, требования пожарной безопасности, требования к предотвращению неконтролируемых выбросов, а также объем проверок.

Области применения шаровых кранов

Шаровой кран широко применяется во всей нефтегазовой отрасли. Крупногабаритные шаровые краны с цапфой устанавливаются на магистральных трубопроводах, в системах сбора, на компрессорных станциях, терминалах, нефтеперерабатывающих заводах и в системах хранения.

На нефтехимических и химических заводах шаровые краны используются для изоляции технологических контуров, в системах инженерных сетей, при транспортировке углеводородов и газов, а также в системах автоматического отключения. Выбор материала и седла в значительной степени зависит от химического состава и рабочей температуры.

На электростанциях и в промышленных инженерных системах шаровые краны используются в системах подачи воды, топливного газа, а также в отдельных системах, работающих с паром или при высоких температурах. В условиях экстремальных температурных режимов целесообразно выбирать конструкции с металлическим седлом.

В системах водоснабжения и водоотведения используются крупные шаровые краны с приводом там, где требуется надежное отключение, автоматизация и относительно небольшие потери давления. Конструкции с V-образным проходом также могут применяться в случаях, когда необходимо точное регулирование расхода.

Что нужно проверить перед заказом шарового крана

При сравнении предложений по промышленным шаровым кранам следует в первую очередь обращать внимание на соответствие техническим требованиям, а уже потом — на цену. Два крана с одинаковым номинальным размером могут иметь совершенно разные внутренние конструкции, материалы седла, размеры прохода и пределы рабочего давления.

Покупатели должны указать требуемый тип шарового крана, номинальный размер, класс давления, материал корпуса, материал шарика и штока, конструкцию седла, тип торцевого соединения и требования к внутреннему проходу.

Также необходимо указать рабочую среду, рабочее давление, расчетное давление, минимальную и максимальную температуру, а также максимальный перепад давления.

В случае клапанов с приводом необходимо четко указать тип привода, положение клапана в случае отказа, доступное давление воздуха или напряжение питания, требуемое время срабатывания, а также вспомогательное оборудование для управления.

Для важных проектов могут также потребоваться испытания на пожарную безопасность, антистатическая конструкция, подтверждение соответствия требованиям по летучим выбросам, неразрушающий контроль, сертификаты на материалы и достоверная идентификация материалов.

Техническое обслуживание шаровых кранов

Правильное техническое обслуживание зависит от конструкции шарового крана и условий эксплуатации. Операторы должны следить за утечками из штока, утечками в местах соединений корпуса, увеличением рабочего момента, сигналами тревоги привода и ухудшением герметичности при перекрытии.

Крупные трубопроводные арматурные узлы также могут требовать периодической проверки состояния редуктора, работоспособности привода, систем аварийного уплотнения и индикации положения арматуры.

В случае шаровых кранов с верхним входом техническое обслуживание внутренних частей можно проводить через верхнее отверстие корпуса при условии надлежащей изоляции системы и сброса давления. Конструкции с боковым входом могут потребовать более значительного разборки в зависимости от их конструкции.

На критически важных установках следует обеспечить наличие необходимых запасных седел, уплотнений, сальниковых набивок и деталей привода в соответствии с перечнем запасных частей, рекомендованным производителем.

Часто задаваемые вопросы