Краны шаровые запорные
Краны шаровые запорные: конструкция, материалы, стандарты и применение в энергетике
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.
Конструкция и принцип действия
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.
Классификация шаровых кранов
По типу корпуса
- Цельносварные (сварные): Неразборная конструкция, корпус формируется сваркой. Применяются на ответственных высоконапорных магистралях (например, магистральный газопровод). Обслуживанию не подлежат, максимальная надежность.
- Разборные (фланцевые, муфтовые): Корпус состоит из двух или более частей, соединенных болтами (фланцевые) или резьбой (муфтовые). Позволяют проводить ревизию и замену внутренних компонентов.
- С плавающим шаром: Шар не имеет жесткой связи со штоком и может смещаться под давлением среды, прижимаясь к седлу со стороны выходного патрубка. Наиболее распространенная конструкция для средних и малых диаметров (до DN 200) и давлений (до PN 40/Class 300).
- С шаром в опорах (с вращающимися опорами): Шар жестко зафиксирован на оси вращения в опорных подшипниках. Давление среды не вызывает смещения шара, что значительно снижает требуемый крутящий момент для управления. Применяется для крупных диаметров (DN 200 и выше) и высоких давлений.
- Фланцевое (ГОСТ 33259, ГОСТ 12815, ASME B16.5, EN 1092-1): Основной тип для энергетики и промышленности на трубопроводах DN 15 и выше.
- Приварное (встык): Присоединение сваркой встык. Обеспечивает абсолютную герметичность, используется на критичных участках.
- Муфтовое (резьбовое): Для малых диаметров (до DN 50). В энергетике применяется реже, в основном на вспомогательных линиях.
- ГОСТы: ГОСТ 28343-89 (КШ для нефтегазовой промышленности), ГОСТ 21345-2005 (общие ТУ), серия ГОСТ 33259 (на фланцы).
- Международные: API 6D, API 608, ASME B16.34, ISO 17292, ISO 14313.
- По пожаробезопасности: API 607 / ISO 10497 (испытание на пожаростойкость). Краны с противопожарным исполнением (Fire Safe) сохраняют герметичность при пожаре.
- По герметичности: Классы герметичности по ГОСТ 9544 (А, Б, В) или ISO 5208 (Class A – D). Для энергетики обычно требуется класс А (нулевая протечка).
По типу присоединения
По материалу исполнения
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. |
Ключевые параметры выбора для энергетики
Условное давление (PN, Class)
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).
Рабочая 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.
Стандарты и нормативы
Особенности применения в энергетических системах
Тепловые сети (ТЭЦ, котельные, магистральные сети)
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.
Атомная энергетика
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.
Трубопроводы топливного газа на ТЭС
Используются цельносварные краны с противопожарным исполнением (Fire Safe) и электроприводом, оснащенным системой взрывозащиты (Ex d, Ex e). Материал корпуса – углеродистая или легированная сталь.
Вспомогательные системы (химводоочистка, воздух, маслосистемы)
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, эксплуатация и обслуживание
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.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем шаровой кран предпочтительнее задвижки в энергетике?
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.
Можно ли использовать шаровой кран для регулирования расхода пара?
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.
Что означает маркировка «RTFE» или «RPTFE» на седлах крана?
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.
Как правильно выбрать тип привода для шарового крана на магистрали?
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.
Что такое «антистатическое устройство» в шаровом кране и когда оно необходимо?
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.
Заключение
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.