Кран шаровой запорный (КШ) – это трубопроводная арматура, запорный или регулирующий элемент которой имеет сферическую форму (пробку) с сквозным отверстием. Управление осуществляется поворотом пробки вокруг оси, перпендикулярной оси трубопровода. Основная функция – полное перекрытие потока рабочей среды (запорная арматура), а в некоторых конструкциях – его регулирование. В энергетике, включая тепловые и атомные электростанции, магистральные тепловые сети, объекты нефтегазовой инфраструктуры, они являются ключевым элементом для обеспечения безопасной и надежной эксплуатации систем.
Конструктивно шаровой кран состоит из корпуса, шаровой пробки, штока (шпинделя), седел (уплотнительных колец) и управляющего устройства (рукоятки, редуктора, электропривода). Шаровая пробка имеет сквозное цилиндрическое отверстие, диаметр которого, как правило, соответствует условному проходу (DN) крана – это т.н. полнопроходной кран. Существуют и редуцированные (стандартнопроходные) краны, где диаметр отверстия меньше DN, что приводит к дополнительным гидравлическим потерям, но требует меньшего крутящего момента для управления.
Принцип работы основан на повороте шара на 90° (от полного открытия до полного закрытия). В открытом положении отверстие в шаре соосно потоку, обеспечивая минимальное сопротивление. В закрытом – шар развернут глухой стороной к потоку, а уплотнительные кольца (седла), прижатые к поверхности шара под действием давления среды или специальных пружин, обеспечивают герметичность.
Выбор материалов критически важен для коррозионной стойкости, прочности и стоимости.
| Компонент | Материалы | Область применения / Примечания |
|---|---|---|
| Корпус, крышка | Углеродистая сталь (25Л, WCB), Нержавеющая сталь (CF8/304, CF8M/316), Легированная сталь (WC6, WC9), Титан, Дуктильный чугун | WCB – стандарт для нефти, газа, пара до +425°C. CF8M – для агрессивных сред. Чугун не используется для пара и опасных сред. |
| Шар | Нержавеющая сталь с хромированием или наплавлением (Stellite, Ni-P), Карбид хрома | Хромирование повышает твердость (до 65-72 HRC) и коррозионную стойкость. Наплавка твердыми сплавами – для абразивных сред. |
| Седла (уплотнения) | PTFE (тефлон), Углеродистый наполнитель, PEEK, Деформируемый металл (Inconel) | PTFE – стандарт до +200°C. PEEK – до +300°C, высокая стойкость. Металлические седла – для высоких температур (свыше +450°C) и пожароопасных сред. |
| Уплотнение штока | PTFE, Графит, Эластомеры (NBR, EPDM, Viton) | Графитовые сальники – для высоких температур (до +600°C в инертной среде). Эластомеры – для ограниченных температурных диапазонов. |
Определяет максимальное избыточное рабочее давление при температуре 20°C. Для энергетики типичны краны класса PN 16, PN 25, PN 40, PN 63, PN 100, что соответствует ASME Class 150, 300, 400, 600. Выбор зависит от параметров системы (давление, температура).
Диапазон температур, в котором кран сохраняет работоспособность и герметичность. Определяется материалами седел и уплотнений. Для систем с перегретым паром требуются краны с металлическими седлами и графитовыми уплотнениями.
Применяются на трубопроводах горячей воды и пара. Для сетевой воды (до +150°C, PN 16-25) используются краны с уплотнениями из PTFE или PEEK. Для пара среднего и высокого давления (свыше +200°C) обязательны краны в опорах с металлическими седлами и графитовым сальниковым уплотнением. Критично наличие системы смазки (шприцевание) для штатных седел на высоких параметрах.
Требования к материалам (радиационная стойкость, чистота металла), документации (прослеживаемость каждой отливки) и контролю (ультразвуковой, рентгенографический) максимально строгие. Применяются краны из нержавеющих сталей марок 08Х18Н10Т, Z2 CN 18-10 (аустенитный класс). Уплотнения – графитовые или из специальных композитов.
Используются цельносварные краны с противопожарным исполнением (Fire Safe) и электроприводом, оснащенным системой взрывозащиты (Ex d, Ex e). Материал корпуса – углеродистая или легированная сталь.
Для агрессивных химических сред (кислоты, щелочи) применяются краны из нержавеющей стали AISI 316/316L или даже сплавов Hastelloy. Для инертных сред (сжатый воздух) возможно применение кранов из углеродистой стали с стандартными уплотнениями.
Монтаж должен исключать возникновение напряжений в корпусе крана. Фланцевые соединения стягиваются крест-накрест с контролем момента затяжки. Запрещено использование крана в качестве регулирующей арматуры в частично открытом положении, если это не предусмотрено его конструкцией (специальные V-образные шары для регулирования), так как это приводит к кавитационному износу седел и шара.
Техническое обслуживание включает периодическую проверку герметичности, смазку подшипников и штока через пресс-масленки (если предусмотрено), проверку легкости хода. Приводная часть (редуктор, электропривод) обслуживается согласно инструкции производителя.
Шаровые краны обеспечивают более быстрое и легкое управление (поворот на 90°), более высокую герметичность в закрытом положении (класс А), компактность конструкции (малая строительная длина и высота). Задвижки, однако, могут иметь меньшее гидравлическое сопротивление в полностью открытом положении и лучше подходят для некоторых сред с высоким содержанием твердых частиц.
Стандартные полнопроходные шаровые краны с круглым отверстием не предназначены для регулирования. Для дросселирования пара применяются специальные регулирующие шаровые краны с V-образным или профилированным отверстием в шаре, либо седлом специальной формы, которые обеспечивают линейную или равнопроцентную расходную характеристику.
Это модифицированный PTFE (политетрафторэтилен), армированный стекловолокном, графитом, углеродом или коксом (RPTFE – reinforced). Такое армирование повышает механическую прочность, износостойкость и сопротивление ползучести (холодной текучести) материала, что особенно важно для высоких давлений и температур.
Выбор зависит от диаметра, рабочего давления, требуемого времени срабатывания и степени автоматизации. Для кранов малых диаметров (до DN 100) при ручном управлении достаточно рычага. Для DN 150 и выше, а также при дистанционном управлении обязательна установка редуктора (механического многооборотного привода) или электропривода. Пневмоприводы применяются при наличии источника сжатого воздуха и требований к взрывобезопасности.
Это конструктивный элемент (обычно пружина и шарик), обеспечивающий электрический контакт между штоком и шаром, а через них – между корпусными деталями. Это предотвращает накопление статического электричества от трения при повороте шара, что критически важно при перекачке легковоспламеняющихся жидкостей, углеводородов, газов. Требуется по умолчанию для кранов по API 6D, ISO 14313.
Шаровой запорный кран является высокотехнологичным изделием, правильный выбор и эксплуатация которого напрямую влияют на надежность и безопасность энергетических объектов. Ключевыми факторами выбора являются соответствие параметрам среды (давление, температура, агрессивность), требованиям стандартов, а также корректный расчет на прочность и цикловую долговечность. Современные тенденции направлены на увеличение ресурса, применение новых композитных материалов для седел, интеграцию с системами АСУ ТП через интеллектуальные приводы с обратной связью. Понимание конструкции, материалов и нормативной базы позволяет инженерно-техническому персоналу принимать обоснованные решения при проектировании и модернизации трубопроводных систем.