Краны шаровые фланцевые запорные

Краны шаровые фланцевые запорные: конструкция, применение и технические аспекты

Кран шаровый фланцевый запорный представляет собой тип трубопроводной арматуры, предназначенный для полного перекрытия потока рабочей среды. Основная функция – запорная, что подразумевает обеспечение герметичности в закрытом положении и минимального гидравлического сопротивления в открытом. Конструктивной особенностью является наличие присоединительных фланцев по ГОСТ, DIN, ANSI или другим стандартам, что позволяет осуществлять монтаж в разрыв трубопровода с использованием ответных фланцев и крепежных элементов.

Конструкция и принцип действия

Основу конструкции составляют следующие ключевые элементы:

• Корпус. Изготавливается литьем или штамповкой из углеродистой, легированной, нержавеющей стали, чугуна (ВЧШГ, КЧ), латуни, титана или специальных сплавов. Чаще всего выполняется разборным: двухсоставным (соединение по оси шара) или трехсоставным (с торцевыми фланцами-крышками, стянутыми шпильками). Трехсоставная конструкция упрощает монтаж, обслуживание и ремонт.
• Шар (затвор). Сферическая деталь с сквозным цилиндрическим отверстием (проходом). В открытом положении отверстие соосно потоку, в закрытом – повернуто перпендикулярно. Для обеспечения герметичности поверхность шара подвергается высокоточной обработке и часто имеет гальванические или напыленные покрытия (хром, никель) для повышения износостойкости и снижения трения.
• Седла (уплотнительные кольца). Расположены между шаром и корпусом, обеспечивают герметизацию в закрытом положении. Изготавливаются из полимерных материалов: PTFE (фторопласт), RPTFE, Nylon, PEEK, металлографитовых композиций или комбинаций материалов. Выбор материала седла критически зависит от температуры и агрессивности среды.
• Шпиндель (шток). Служит для передачи крутящего момента от привода или рукояти к шару. Имеет уплотнения (сальниковые кольца) для предотвращения утечки среды вдоль оси. В конструкциях с фиксированным шаром (плавающая конструкция седел) шпиндель жестко соединен с шаром, в конструкциях с плавающим шаром – шар может иметь некоторую степень свободы.
• Присоединительные фланцы. Интегрированы в корпус крана. Имеют стандартизированные геометрию, диаметры и давление (ряд условных давлений – Ру, PN, классы – Class). Исполнение уплотнительной поверхности фланца (выступ-впадина, шип-паз, гладкая) должно соответствовать ответному фланцу на трубопроводе.
• Привод. Управление может быть ручным (рычаг, редукторная рукоять) или автоматизированным (электрический, пневматический, гидравлический привод).

Принцип действия основан на повороте сферического затвора на 90° (четверть оборота). В открытом состоянии проходное отверстие в шаре полностью совпадает с проходным отверстием корпуса, создавая минимальное сопротивление потоку, близкое к прямой трубе. При повороте на 90° сплошная сторона шара перекрывает проход, а уплотнительные седла, прижатые к поверхности шара давлением среды или пружинами, обеспечивают герметичность.

Классификация и технические характеристики

По типу прохода:

• Полнопроходные (Full Bore, FB). Диаметр проходного отверстия в шаре равен или практически равен внутреннему диаметру присоединительного патрубка (DN). Характеризуются минимальными потерями давления, используются на критичных участках магистралей.
• Стандартнопроходные (Reduced Bore, RB). Диаметр отверстия в шаре на один типоразмер меньше DN присоединения (например, для крана DN50 проход в шаре ~ DN40). Более компактны и экономичны, применяются там, где потери напора не критичны.

По конструкции корпуса и шара:

• С плавающим шаром. Шар не имеет жесткой фиксации по вертикальной оси и под действием давления среды прижимается к седлу со стороны нагнетания, обеспечивая герметизацию. Применяется для средних и малых диаметров (до DN200-300) и давлений.
• С шаром в опорах (фиксированным шаром). Шар жестко зафиксирован на оси между двумя опорными цапфами, что снимает нагрузку с седел. Седла в такой конструкции являются плавающими и прижимаются к шару пружинами или давлением среды. Конструкция более надежна для больших диаметров (DN300 и выше) и высоких давлений.

По материалу исполнения:

• Углеродистая сталь (25Л, 35Л, A216 WCB)
• Нержавеющая сталь (12Х18Н10Т, 08Х18Н10, A351 CF8/CF8M)
• Легированная сталь (хромомолибденовая, 15Х5М, A217 WC6/WC9)
• Чугун (СЧ20, ЧШГ EN-GJS-400-18, EN-GJL-250)
• Цветные металлы и сплавы (латунь, титан, хастеллой)

По типу уплотнений:

• Седла: PTFE (стандарт, до 200°C), RPTFE (усиленный), PEEK (высокотемпературный, химически стойкий), металлографит (для высоких температур).
• Уплотнение штока: набор колец из PTFE, графита, комбинированные.

Основные параметры выбора

Выбор шарового фланцевого крана осуществляется на основе анализа следующих параметров:

• Условный диаметр (DN, Ду). Определяет присоединительные размеры.
• Условное давление (PN, Ру) или класс давления (Class). Максимальное избыточное давление при температуре 20°C, при котором кран может эксплуатироваться.
• Рабочая среда. Тип (вода, пар, газ, нефтепродукты, химические реагенты), агрессивность, наличие абразивных частиц.
• Температурный диапазон. Определяется материалами корпуса, шара и, в первую очередь, уплотнительных седел.
• Климатическое исполнение и место установки. Для наружной установки требуются краны в соответствующем исполнении (например, с обогревом штока) и защитой от атмосферных воздействий для привода.
• Нормативная база. Требования отраслевых стандартов (ГОСТ, ТР ТС, API, ASME).

Области применения в энергетике и промышленности

Шаровые фланцевые краны являются универсальной арматурой и применяются в системах:

• Тепловые и атомные электростанции: Вспомогательные трубопроводы питательной воды, конденсата, систем химводоочистки, топливного хозяйства (мазут, газ). Для сред с высокими параметрами (высокотемпературный пар) применяются специальные исполнения с металлическими седлами.
• Нефтегазовая отрасль: Технологические линии, установки подготовки и перекачки нефти и газа, системы пожаротушения.
• Химическая и нефтехимическая промышленность: Трубопроводы с агрессивными средами (кислоты, щелочи) из коррозионностойких сталей или с футеровкой.
• Коммунальное хозяйство: Магистральные и распределительные сети теплоснабжения (как правило, с антистатическим и пожаробезопасным исполнением), водоснабжения.
• Промышленные предприятия: Системы сжатого воздуха, технологические линии, вентиляция и кондиционирование.

Сравнительная таблица материалов уплотнительных седел

Материал седла	Температурный диапазон, °C	Рабочие среды	Особенности
PTFE (тефлон)	-50 … +200	Универсальный (кроме расплавленных щелочных металлов и фтора)	Низкий коэффициент трения, химическая инертность, склонность к ползучести (холодному течению)
RPTFE (усиленный тефлон)	-50 … +200	Аналогично PTFE, включая среды с абразивами	Повышенная износостойкость и стойкость к ползучести за счет наполнителей (стекловолокно, углерод)
PEEK (полиэфирэфиркетон)	-50 … +250 (кратко до 300)	Высокотемпературный пар, химически агрессивные среды	Высокая механическая прочность, стойкость к гидролизу, низкая газопроницаемость
Металлографит	-196 … +450 (в инертной среде)	Высокотемпературный пар, углеводороды, некоторые химикаты	Требует высокой чистоты поверхности шара, не для абразивных сред
Металл-металл	До +600 и выше	Высокотемпературные газы, пар	Высокая герметичность достигается при значительном усилии прижатия, повышенный износ

Монтаж и эксплуатация

Монтаж фланцевых кранов должен производиться в соответствии с проектной документацией и правилами безопасности. Ключевые требования:

• Перед установкой необходимо проверить кран на отсутствие внешних повреждений, чистоту внутренней полости и легкость хода шпинделя.
• Фланцевые соединения должны быть соосными. Запрещается использовать краны для компенсации несоосности трубопровода.
• Уплотнение фланцевого соединения осуществляется прокладкой, соответствующей рабочей среде и параметрам. Болтовое соединение затягивается крест-накрест с рекомендуемым моментом.
• Кран должен быть установлен в доступном для обслуживания и управления положении. Предпочтительно положение шпинделем вертикально вверх или под углом, но не вниз (для облегчения обслуживания уплотнения штока).
• При эксплуатации не допускается использование дополнительных рычагов для увеличения момента на рукояти. Полное открытие/закрытие – поворот на 90°.
• Для кранов, длительное находящихся в одном положении, рекомендуется периодическая (раз в квартал) работа на полный ход для предотвращения «прикипания» седел и шара.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается кран шаровый фланцевый от задвижки?

Шаровой кран – арматура проходного типа с поворотным затвором на 90°. Имеет малую строительную длину, высокую герметичность, простое управление (четверть оборота), но, как правило, не предназначен для регулирования потока и работы в промежуточных положениях. Задвижка – арматура с поступательным движением затвора перпендикулярно потоку. Имеет большую строительную длину и высоту, требует больше времени на открытие/закрытие, но создает меньшее гидравлическое сопротивление в полностью открытом состоянии и может использоваться на более высокие параметры среды в крупных диаметрах.

Можно ли использовать шаровой кран для регулирования расхода?

Стандартные шаровые краны, особенно полнопроходные, не предназначены для регулирования. Работа в частично открытом положении приводит к кавитационным явлениям, эрозии поверхности шара и седла, вибрации и быстрому износу. Для регулирования применяются специальные шаровые краны с V-образным отверстием в шаре или иные типы арматуры (заслонки, регулирующие клапаны).

Что означают исполнения «А» и «Б» по пожаробезопасности?

Это требования стандартов (API 607, ISO 10497) к испытаниям на пожаробезопасность. Исполнение «А» (мягкое седло) подразумевает, что после воздействия пламени и охлаждения кран сохраняет внешнюю и внутреннюю герметичность. Исполнение «Б» (металлическое седло) – только внешнюю герметичность. Для опасных производств (нефтегаз, химия) обычно требуется исполнение с пожаробезопасным дизайном.

Что такое антистатическое устройство (АСУ) в шаровом кране?

При трении полимерного седла о шар (особенно при сухих газах) возникает статическое электричество. Для его отвода и предотвращения искрообразования в конструкцию вводят пружинящий контакт, обеспечивающий электрическую непрерывность между шаром, шпинделем и корпусом. Это обязательное требование для работы с горючими и взрывоопасными средами.

Как правильно выбрать материал седла для паровой линии?

Для насыщенного пара низкого и среднего давления (до 16-25 бар, до 200°C) подходят седла из RPTFE или PEEK. Для перегретого пара с температурой свыше 250°C необходимо применять краны с металлографитовыми или полностью металлическими седлами. При этом важно учитывать рекомендации производителя по конкретному температурному диапазону для выбранного материала.

Почему кран с ручным управлением иногда невозможно закрыть/открыть после длительного простоя?

Наиболее вероятная причина – «прикипание» шара к седлам из-за отложений рабочей среды или коррозии. Не рекомендуется прикладывать чрезмерное усилие. Следует попытаться несколько раз слегка пошевелить шар, подать в полость крана промывочную жидкость или, при наличии конструкции, использовать функцию сброса давления через дренажный клапан. Профилактика – регулярная обкатка крана.

Заключение

Краны шаровые фланцевые запорные являются высокоэффективным и надежным решением для изоляции участков трубопроводов в широком спектре отраслей, включая энергетику. Их правильный выбор, учитывающий все параметры среды, условия эксплуатации и нормативные требования, определяет долговечность и безопасность работы системы. Ключевыми аспектами при выборе остаются материал корпуса и уплотнений, тип конструкции (плавающий/в опорах) и соответствие международным или национальным стандартам. Регулярное техническое обслуживание и соблюдение правил монтажа и эксплуатации являются обязательными условиями для обеспечения заявленного производителем ресурса.