Краны шаровые с присоединением типа «бабочка»: конструкция, применение и технические аспекты

Кран шаровой с присоединением типа «бабочка» (также известный как шаровой кран под приварку встык с фланцем «баттерфляй» или кран шаровой фланцевый с накидной гайкой) представляет собой специализированную арматуру, объединяющую преимущества шарового затвора с удобством монтажа, характерным для межфланцевого соединения. Данный тип конструкции широко востребован в энергетике, нефтегазовой отрасли, химической промышленности и на объектах ЖКХ для трубопроводов среднего и высокого давления.

Конструктивные особенности и принцип действия

Основу крана составляет классический шаровой затвор — сферическая пробка (шар) с сквозным цилиндрическим отверстием. Вращение шара на 90 градусов вокруг оси, перпендикулярной потоку среды, обеспечивает полное открытие или перекрытие прохода. Уникальность модели «бабочка» заключается в способе интеграции корпуса крана в трубопроводную систему.

Корпус крана не имеет собственных полноразмерных фланцев с отверстиями под болты. Вместо этого он оснащен двумя наружными приварными патрубками под стыковую сварку (Butt Weld) и центральным фланцевым элементом — так называемым «крылом» или «бабочкой». Это два выступающих технологических фланца малого диаметра, расположенных по бокам корпуса. Монтаж осуществляется следующим образом: корпус крана приваривается встык к трубопроводу, а затем с обеих сторон к приварным фланцам трубопровода крепятся ответные фланцы, которые стягиваются сквозными шпильками или длинными болтами, проходящими через отверстия в «крыльях» корпуса крана. Таким образом, кран зажимается между фланцами трубопровода, образуя компактное и прочное соединение.

Преимущества и недостатки конструкции

• Компактность и уменьшение веса: Отсутствие собственных массивных фланцев значительно снижает общую массу и строительную длину крана по сравнению с полнофланцевыми моделями. Это упрощает монтаж и снижает нагрузку на трубопровод.
• Герметичность соединения: Приварка встык обеспечивает максимальную надежность и герметичность соединения, исключая риск протечек через уплотнения собственных фланцев крана. Это критически важно для систем с высоким давлением и опасными средами.
• Экономия материалов: Уменьшается количество требуемых крепежных элементов (только один комплект шпилек, гаек и прокладок вместо двух для фланцевого крана).
• Удобство обслуживания: При необходимости демонтажа крана (например, для ремонта или замены) требуется открутить только накидные гайки со шпилек, снять ответные фланцы, не нарушая сварных соединений трубопровода. Кран может быть извлечен без резки труб.
• Недостатки: Более сложный монтаж, требующий квалифицированной сварки. Демонтаж также требует больше времени, чем у межфланцевых кранов без приварных патрубков. Требуется точное совпадение межосевых расстояний фланцев трубопровода.

Материалы исполнения и типы уплотнений

Выбор материалов определяется рабочими параметрами и характеристиками транспортируемой среды.

• Корпус и шар: Углеродистая сталь (A216 WCB, A350 LF2), нержавеющая сталь (A351 CF8/CF8M, A182 F316/F304), дуплексная и супердуплексная сталь (A995 Gr. 4A, 5A). Для энергетики часто применяются краны из углеродистой и легированной стали с соответствующими допусками по температурам и давлениям.
• Уплотнения шара (седельные кольца): Фторопласт (PTFE, RPTFE), усиленный PTFE, нейлон, делон, полиэтилен PEEK. Для высоких температур применяются металл-к-металлу уплотнения или графитовые сальниковые набивки.
• Уплотнение штока: Сальниковое уплотнение с графитовыми или фторопластовыми кольцами, сильфонное уплотнение (для критических сред, исключающих утечки в атмосферу).

Классификация и основные технические параметры

Краны «бабочка» классифицируются по ряду ключевых признаков:

• По типу прохода: Полнопроходные (Full Port) и стандартнопроходные (Reduced Port).
• По типу управления: Ручной (рычаг, маховик), пневматический, электрический, гидравлический привод.
• По конструкции корпуса: Сварной, кованый.
• По стандартам: ГОСТ 28908-91, API 6D, ASME B16.34, DIN 3230.

Таблица 1. Основные технические характеристики шаровых кранов «бабочка»

Параметр	Диапазон значений / Типы	Примечания
Условный диаметр (DN)	DN 15 — DN 600 (1/2″ — 24″)	Наиболее распространены размеры DN 50 — DN 300.
Условное давление (PN)	PN 16, PN 25, PN 40, PN 63, PN 100	Соответствует классам давления ANSI: 150, 300, 600, 900.
Рабочая температура	От -60°C до +450°C	Зависит от материалов корпуса и уплотнений.
Рабочая среда	Вода, пар, нефть, газ, химические продукты, агрессивные среды.	Материальное исполнение подбирается под конкретную среду.
Тип присоединения	Приварка встык + межфланцевое крепление («бабочка»)	Размеры «крыльев» и отверстий под шпильки регламентированы стандартами.
Стандарт на испытания	ГОСТ 33257-2015, API 598, ISO 5208	Испытания на герметичность и прочность.

Области применения в энергетике и смежных отраслях

В энергетическом секторе краны данного типа находят применение в следующих системах:

• Тепловые электростанции (ТЭС): Трубопроводы питательной воды, пара среднего и высокого давления, систем регенеративного подогрева, мазутного хозяйства. Герметичность сварных соединений критична для безопасной работы.
• Атомные электростанции (АЭС): Вспомогательные системы, не относящиеся к первому контуру. Требуется строгое соответствие материала корпуса и сварных швов нормам радиационной стойкости и коррозионной устойчивости.
• Сети теплоснабжения (котельные, магистральные теплотрассы): В качестве запорной арматуры на подающих и обратных трубопроводах горячей воды и пара. Компактность позволяет экономить пространство в камерах.
• Промышленные технологические трубопроводы: В химических и нефтеперерабатывающих производствах для агрессивных и пожароопасных сред.

Особенности монтажа и эксплуатации

Монтаж крана шарового «бабочка» требует строгого соблюдения технологической последовательности:

1. Подготовка: Проверка крана на отсутствие повреждений, совместимость материалов с рабочей средой. Подготовка торцов трубопровода под стыковую сварку (скос кромок, зачистка).
2. Прихватка и центровка: Кран устанавливается между концами труб, выравнивается по осям. Осуществляется предварительная прихватка сваркой в нескольких точках для фиксации.
3. Сварка основного шва: Выполняется квалифицированным сварщиком сплошной круговой сварной шов с обеих сторон крана. Тип и метод сварки (РДС, АДС, TIG) выбираются в соответствии с материалом и технологической картой.
4. Контроль качества сварки: Визуальный контроль, неразрушающий контроль (УЗК, рентгенография) для ответственных объектов.
5. Установка фланцев и крепежа: На приварные фланцы трубопровода устанавливаются прокладки (спирально-навитые, графитовые), затем ответные фланцы. Через отверстия в «крыльях» крана пропускаются шпильки, которые равномерно затягиваются динамометрическим ключом крест-накрест для обеспечения равномерного прижима.

Эксплуатация требует периодического технического обслуживания: проверка герметичности, состояние антикоррозионного покрытия, работа привода, смазка подшипников шара (при наличии пресс-масленки).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем принципиальное отличие крана «бабочка» от стандартного фланцевого шарового крана?

Стандартный фланцевый кран имеет собственные полноразмерные фланцы, которые болтовым соединением стыкуются с фланцами трубопровода. Кран «бабочка» лишен таких фланцев, его корпус приваривается встык к трубам, а боковые выступы («крылья») служат лишь для фиксации и стяжки ответных фланцев трубопровода. Это делает конструкцию легче и компактнее, а основное соединение (сварное) — более надежным.

Можно ли заменить кран «бабочка» без резки трубопровода?

Да, это одно из ключевых преимуществ. При демонтаже откручиваются гайки со шпилек, снимаются ответные фланцы трубопровода, и кран извлекается, так как его корпус не приварен к фланцам, а непосредственно к трубам. После этого может быть установлен новый кран с аналогичными присоединительными размерами.

Какие прокладки рекомендуется использовать при монтаже с фланцами?

Для систем с высокими температурами и давлениями в энергетике наиболее распространены спирально-навитые прокладки (Spiral Wound Gasket) с наполнителем из графита или PTFE и наружными ограничительными кольцами. Выбор конкретного типа прокладки регламентируется стандартом на фланцевое соединение (например, ASME B16.20) и параметрами среды.

Как подобрать длину шпилек для монтажа?

Длина шпилек рассчитывается как сумма толщины двух ответных фланцев, толщины «крыла» крана, толщины двух прокладок, высоты двух гаек и необходимого резервного резьбового запаса (обычно 1.5-2 шага резьбы). Поставщик арматуры, как правило, предоставляет рекомендуемый крепеж или его спецификацию.

Допустимо ли использование кранов «бабочка» для работы в качестве регулирующей арматуры?

Нет, шаровые краны, включая тип «бабочка», являются запорной арматурой и не предназначены для регулирования расхода или давления. Длительная работа в частично открытом положении приводит к кавитационному износу седла и шара, эрозии поверхности, вибрации и преждевременному выходу из строя. Для регулирования применяются специализированные регулирующие клапаны.

Каковы требования к сварке таких кранов на объектах энергетики?

Сварка относится к категории ответственных монтажных операций. Требуется наличие утвержденных технологических карт, квалифицированного персонала (сварщики, имеющие допуски НАКС или аналоги), процедуры контроля (ВИК, УЗК/РК). Материал присадочного металла должен соответствовать материалу корпуса крана и трубы. После сварки может требоваться термообработка швов для снятия остаточных напряжений.