В ГОСТ 24856-2024 приведены следующие термины и определения.
Кран – тип арматуры, у которой запирающий или регулирующий элемент, имеющий форму тела вращения или его части, поворачивается вокруг собственной оси, произвольно расположенной по отношению к направлению потока рабочей среды. Примечание: повороту запирающего или регулирующего элемента может предшествовать его возвратно-поступательное движение.
Познакомимся с самыми древними из серийно выпускаемых разновидностями типов арматуры – цилиндрическими и конусными кранами.
Цилиндрический кран (Нрк. пробковый кран) – кран, запирающий или регулирующий элемент которого имеет форму цилиндра.
Конусный кран (Нрк. пробковый кран; конический кран) – кран, запирающий или регулирующий элемент которого имеет форму конуса.
Краны могут использоваться в качестве запорных, регулирующих или распределительных устройств. Основными деталями крана являются корпус и запирающий или регулирующий элемент (пробка) в виде конуса, цилиндра или шара.
Для прохода среды в пробке предусмотрено сквозное отверстие или канал различной формы, чем обеспечивается требуемая пропускная характеристика при применении крана в качестве запорного или регулирующего устройства, положение отверстия в пробке относительно проходных отверстий в корпусе определяет степень открытия и расхода среды через кран. Положения пробки, отличающиеся от 90°, определяют степень открытия или закрытия для потока среды.
Запорные краны получили наибольшее применение. Краны, как и другие поворотные конструкции арматуры, требуют минимальных трудозатрат для монтажа, просты в управлении, обладают быстрым срабатыванием и создают относительно небольшие искажения конфигурации потока. Они используются на магистральных трубопроводах, транспортирующих природный газ и нефть, а также в системах городского газоснабжения, на резервуарах и котлах для определения уровня жидкости, дренажа систем, взятия проб.
Достоинства крана как запорного устройства заключаются в следующем: простота конструкции, малое гидравлическое сопротивление, небольшая высота (без учета размеров привода), возможность установки в любом рабочем положении на трубопроводе, простая форма проточной части корпуса, отсутствие застойных зон, полнопроходность, допускающая возможность механизированной очистки трубопровода, простое управление, малое время, затрачиваемое на поворот, хорошая защита и возможность смазки уплотнительных поверхностей деталей затвора, применимость для вязких или загрязненных сред, суспензий, пульп и шламов.
Вместе с тем краны имеют следующие недостатки: для управления кранами с большими диаметрами прохода требуются большие крутящие моменты, необходимо тщательное обслуживание и смазка уплотнительных поверхностей конической пробки и корпуса во избежание «прикипания» пробки к корпусу, усложнена пригонка (притирка) конической пробки к корпусу, неравномерный по высоте износ конусных пробок, что в процессе их эксплуатации приводит к снижению герметичности. Существенным недостатком является необходимость применения значительных крутящих моментов для управления при высоких давлениях рабочей среды, так как на конусной поверхности корпуса из-за гидравлической неуравновешенности пробки возникают большие силы трения.
Падение давления в кране небольшое, и краны легко выполняются многоходовыми. Эти краны используются во всех отраслях промышленности в условиях, где закрытие при низких температурах допустимо и полости в арматуре незначительны. В трех-, четырех- и многоходовых кранах число ходов определяется количеством присоединяемых к крану линий. Эти краны используются для переключения потока рабочей среды с одной линии на другую (распределительные краны) и для смешения различных сред, поступающих по различным линиям, и направления смеси в общую линию (смесительные краны).
Многоходовая арматура – распределительно-смесительная арматура, у которой рабочая среда входит одновременно или попеременно в один или несколько патрубков и выходит одновременно или попеременно в один или несколько патрубков при суммарном количестве патрубков более двух.
Конусный кран с подъемом пробки – конусный кран, в котором перед открытием или закрытием пробка поднимается на некоторую высоту для уменьшения крутящего момента для управления и износа уплотнительных поверхностей.
Принцип работы кранов с подъемом пробки заключается в том, что при открывании и закрывании прохода предварительно производится подъем пробки на некоторую высоту, необходимую для того, чтобы между уплотнительными поверхностями пробки и корпуса образовался зазор, а во время поворота пробки устранялись трение и износ уплотнительных поверхностей. После поворота пробки на 90° она снова «садится» на свое место. Для подъема пробки в целях регулирования усилия снизу на корпусе устанавливается отжимной винт. В натяжных кранах продольное усилие на пробке создается затяжкой гайкой, установленной на хвостовик пробки. В этих кранах верхний и нижний торцы пробки не герметизируются и в случае протечки рабочая среда может просочиться наружу.
Натяжной кран – конусный кран, в котором пробка прижимается к уплотнительной поверхности корпуса посредством гайки, навинчиваемой на резьбовой хвостовик или другими способами.
Для управления краном пробка крана обычно снабжается квадратом, на который надевается ключ или рукоятка, в некоторых случаях рукоятка управления закрепляется на пробке. Конусность в кранах обычно составляет от 1:6 до 1:7 в зависимости от материала деталей. При меньшей конусности снижается осевое усилие, требуемое для герметизации, но при этом повышается вероятность заклинивания пробки в корпусе. В связи с этим конусность 1:7 принимается в кранах из чугуна, бронзы и латуни общепромышленного назначения с PN ≤ 10, т. е. для материалов, не склонных к задиранию и обладающих антифрикционными свойствами. Конусность 1:6 принимается для материалов, более склонных к схватыванию и образованию надиров. Общим правилом для любой арматуры является направление перемещения ЗЭл/РЭл в сторону закрытия по часовой, а открытия – против часовой стрелки.
Проходное отверстие (окно) в конусной пробке имеет обычно трапецеидальную форму с отношением высоты к средней линии 2,5:1. Размеры и форма окна должны обеспечивать в закрытом положении перекрытие уплотнительных поверхностей, достаточное для герметизации затвора. Направление проходного отверстия указывается риской на торце пробки (для трехходовых на торце – г-образный знак), направлением рукоятки крана или стрелкой-указателем.
Существует много модификаций и конструкций кранов, различаемых по форме отверстия в пробке:
• полнопроходные цилиндрические – с полной площадью круглого отверстия как в пробке, так и в корпусе;
• неполнопроходные – когда площадь круглого отверстия в пробке меньше площади стандартных трубопроводов;
• прямоугольные – с прямоугольными отверстиями в корпусе и пробке, которое занимает не менее 70 % площади поперечного сечения соответствующего трубопровода;
• ромбовидные – когда отверстие в пробке выполнено ромбовидной формы;
• многоходовые – с тремя или более патрубками, используемые главным образом для отвода или перемещения среды. Один многоходовой кран может быть установлен вместо трех или четырех задвижек, или других типов запорных кранов. Его недостатком является то, что многие конфигурации многоходовых кранов не полностью перекрывают поток;
• эксцентриковые – объединяющие половину пробки для прямого пропуска среды с высокой пропускной способностью и односторонним герметичным закрытием.
Различают краны без смазки, в которых можно конструктивно обеспечить низкое усилие трения между поверхностями пробки и корпуса и краны со смазкой, в которых специальная смазка-уплотнитель может вводиться при периодическом обслуживании под давлением между уплотнительными поверхностями пробки и корпуса.
Несмазываемые краны. Это наиболее простая конструкция кранов, широко используемая в химической и нефтехимической промышленности, где смазки неприменимы. Подтягиваемый сальник или подпружиненная пробка уменьшают износ и облегчают управление. Конические или параллельные пробки гарантируют управление без заеданий с обеспеченным посадочным усилием и требуют меньшего технического обслуживания. Самосмазывающиеся свойства пластиков, например, фторопласта, делают краны особо привлекательными для применений, где обычные смазки для арматуры недопустимы.
Краны со смазкой широко используется в трубопроводах для нефтепродуктов, распределительных и очистных установках до давления 4 МПа, бывают с конусными или цилиндрическими патрубками. Уплотнительная смазка впрыскивается под давлением в зазор между уплотнительными поверхностями корпуса и пробки. Она продавливается через обратный клапан посредством винтовой пресс-масленки для консистентной смазки и достигает уплотнительных поверхностей через систему трубок или канавок в пробке и корпусе. Смазка устраняет негерметичность между пробкой и корпусом и защищает уплотнительные поверхности от коррозии и эрозии. Чтобы обеспечить нормальную работу крана, должна быть выдержана толщина смазочного слоя. При слишком большой толщине смазка может выжиматься давлением среды, при слишком малой – могут иметь место задиры металла пробки и корпуса. Установлено, например, что при рабочем давлении Pp =16 слой смазки должен иметь толщину около 0,01 мм. Для обеспечения подачи густой смазки во все каналы на кранах с большим диаметром применяются пресс-масленки.
Эксцентриковые краны способны изменять упругость пробки для обеспечения герметичного закрытия без использования уплотнительной смазки. Когда проход закрывается, уплотнительная поверхность пробки перемещается без трения об уплотнительную поверхность корпуса. Это устраняет заедание и износ, и краны используются на неочищенных сточных водах, воздухе, в водоснабжении, на газопроводах, мелкозернистых фракциях и всех других видах пульпы.
Для исключения высоколегированных сплавов и повышения стойкости к коррозии, краны могут изготавливаться из относительно недорого чугуна, при этом внутренние поверхности корпуса и пробки, полностью покрытыми тефлоном. Такое покрытие называют футеровкой, оно делает краны применимыми на всех агрессивных средах с незначительными затратами. Футеровка удерживается в проточках корпуса для ее фиксации и выполняется толщиной, обычно, около 3 мм по всей площади для устойчивости к абразивному износу. Если футеровка повреждена, корпус подвергается коррозии.
Для разгрузки пробки, прижимаемой давлением среды к корпусу, в пробке выполняются отверстия, соединяющие полости над и под ней. Подобные краны называются уравновешенными.
Цилиндрические краны применяются для регулирования расхода воды и давления пара. Регулирование осуществляется путем поворота цилиндрической полой пробки (золотника) с окнами относительно окна в корпусе. Требуемая пропускная характеристика обеспечивается соответствующими размерами и формой окон в корпусе и пробке.
Чтобы обеспечить герметичность крана, набивка сальника должна быть достаточно плотной, чтобы предотвратить откручивание пробки и попадание на посадочные поверхности засорений. Следует соблюдать осторожность, чтобы не перегружать сальник, что приведет к контакту металла с металлом между корпусом и пробкой. Такой контакт металла с металлом создает дополнительную силу, которая потребует экстремальных усилий для работы крана.
Из воспоминаний
В Ленинградском научно-производственном объединении «Знамя Труда им. И. И. Лепсе» был организован опытно-экспериментальный и испытательный участок, укомплектованный лучшими рабочими – специалистами высшей квалификации. Им поручались работы по подготовке к испытаниям и сдаче представителям заказчиков самых сложных изделий, изготавливаемых, как правило, по индивидуальным заказам. Они выполняли работы любой степени сложности. Все работники объединения справедливо считали, что для этих специалистов не существует невыполнимых работ. Удовлетворялись самые строгие требования представителей заказчиков различных ведомств Министерства обороны – флота, ракетных инженерных войск, одним словом, самых придирчивых и строгих приемщиков.
Поскольку ЦКБА было головным в арматуростроении, им всегда оказывалась срочная помощь всем арматурным предприятиям. Однажды к генеральному директору С. И. Косых обратился директор одного из украинских арматурных заводов с просьбой решить проблему сдачи заказчику партии конусных кранов, не обеспечивающих нужной степени герметичности. Серафим Иванович, зная о мастерстве опытных слесарей, предложил прислать эту арматуру в Ленинград и поручил начальнику опытного участка привести краны в полностью работоспособное состояние. Опытнейшие слесари занялись притиркой конических поверхностей пробок к корпусу. В процессе работы выяснилось, что углы конусности деталей кранов были изготовлены не одинаковыми у пробок и корпусов, кроме того, форма поперечных сечений пробок также отличалась от идеально круглой. В процессе притирки образовывалась сначала чистая зона, расположенная ниже отверстия в пробке, и лишь после длительной притирки с использованием своих навыков и секретов получалось герметичное сочленение. Испытания показали, что вся партия кранов не может обеспечить стабильной герметичности более чем пятьдесят циклов «закрыто – открыто». Если детали изготавливаются недостаточно точно, мастерство рабочих не способно компенсировать этот недостаток.
Размещено в номере: Вестник арматуростроителя, №4 (91)
