В настоящее время шаровые краны, получившие развитие от традиционных конструкций, укомплектованные новыми эластомерами и полимерными материалами для уплотнительных колец, стали полностью герметичными и почти полностью вытеснили с рынка пробковые краны и многие конструкции арматуры других типов.
ГОСТ 24856-2014 содержит следующие определения:
Шаровой кран – кран, запирающий или регулирующий элемент которого имеет сферическую форму.
Шаровой кран с плавающей пробкой – шаровой кран, пробка которого фиксируется уплотнительными седлами.
Шаровой кран с пробкой в опорах – шаровой кран, пробка которого фиксируется цапфами в крышке и корпусе крана.
Изобретенные еще в XIX веке шаровые краны были надолго забыты, так как изготовители не могли обеспечить герметичное уплотнение металл по металлу. Только изобретение нового материала – тефлона перед Второй мировой войной дало мощный толчок для бурного роста производства шаровых кранов, вскоре почти полностью заменивших пробковые краны и другую арматуру небольших размеров.
Характеристиками шаровых кранов являются минимальное гидравлическое сопротивление, низкий крутящий момент, поворот шара на 90 градусов между положениями «закрыто» и «открыто», незначительные эксплуатационные затраты, компактная конструкция и пожаробезопасное исполнение. Краны включают корпус, шаровую пробку, шток и уплотнительные кольца. Краны с корпусами из двух или трех частей имеют преимущество в простоте эксплуатации и ремонта. Краны с верхним разъемом обеспечивают условия для их обслуживания без демонтажа корпуса, что дает им предпочтение с точки зрения безопасности и оперативности. Шаровые краны могут изготавливаться из проката, поковок или литья с резьбовыми или под сварку встык или в раструб патрубками.
Существуют два базовых исполнения шаровых кранов – краны с плавающей пробкой, когда шар поддерживается уплотнительными кольцами, и краны с пробкой в опорах.
Последние более приемлемы для высоких давлений и больших диаметров. Шаровые краны изготавливаются также с твердыми металлическими уплотнительными кольцами для использования на абразивных средах, при высоких температурах, в условиях дросселирования и огнестойкости. Немецкая компания Hartmann valves & Wellheads изготавливает шаровые краны с уплотнениями металл по металлу с герметичностью по классу А при любых давлениях, что позволило их использование для комплектации фонтанной арматуры. Эти краны для устьевого оборудования были введены в эксплуатацию в 2018 году.
Применяются четыре способа установки шара в корпус в обоих базовых исполнениях. Корпус выполнен с одним или двумя разъемами и состоит из двух или трех частей, выполняющих функции фланцев. Корпусные детали соединены болтами, расположенными вокруг них. Эта конструкция называется кранами с корпусами из двух или трех частей. Шар и уплотнительные кольца вставляются через верхний разъем. Эта конструкция называется «кран с верхним разъемом». Шар и уплотнительные кольца вставляются в корпус через разъем, расположенный перпендикулярно или под углом к оси трубопровода. Эта конструкция называется «кран с вертикальным или наклонным разъемом». Корпус крана заварен и не имеет разъемов, такой кран называется цельносварным. Ремонт этих кранов может выполняться только в оснащенных специальным оборудованием мастерских.
Шаровые краны с плавающей (поддерживаемой седлами) пробкой используются при низких давлениях и температурах. В кранах с шаром в опорах нагрузка от перепада давления в закрытом положении воспринимается подшипниками опор, а не уплотнительными седлами. Это позволяет использовать краны при существенно больших давлениях и температурах.
Для уплотнительных колец и уплотнений по штоку в шаровых кранах используется чистый или наполненный фторопласт, как химически стойкий, так и обладающий низким коэффициентом трения (менее 0,1). Однако фторопласт теряет свои свойства при температурах выше 100 °С, а при температуре 230 °С его стойкость падает до нуля.
Полностью футерованные шаровые, как и пробковые, краны изготавливаются для агрессивных рабочих сред. Все соприкасающиеся со средой поверхности в них защищены фторуглеродным покрытием. Шар может также быть полностью футерованным или изготовленным из твердой керамики и обеспечивает меньший крутящий момент по сравнению с футерованными пробковыми кранами. Как и в футерованных пробковых кранах, если покрытие будет повреждено, ресурс незащищенного металлического корпуса существенно снижается.
Шаровые краны с мягкими уплотнительными кольцами могут использоваться для регулирования только с малыми перепадами давления. В противном случае высокая скорость среды быстро разрушает уплотнительные кольца. При необходимости использования кранов для регулирования с большими перепадами давления и высокими скоростями рабочих сред применяются металлические уплотнительные кольца и твердые покрытия шаров, а также краны с пробками, выполненными с вырезами в шаре.
В течение последних 65 лет появилось много изготовителей и разнообразных конструкций. Шаровые краны, предназначенные для работы в сантехнических системах, почти полностью вытеснили из обращения арматуру других типов. Другими характеристиками шаровых кранов являются минимальное гидравлическое сопротивление, низкий крутящий момент, поворот шара на 90 градусов между положениями «закрыто» и «открыто», незначительные эксплуатационные затраты, компактная конструкция и пожаробезопасное исполнение. Краны включают корпус, шаровую пробку, шток и уплотнительные кольца. Краны с корпусами из двух или трех частей имеют преимущество в простоте обслуживания и ремонта. Краны с верхним разъемом обеспечивают условия для их обслуживания без демонтажа корпуса, что дает им предпочтение с точки зрения безопасности и оперативности. Установка кранов исключает возможность протечек через разъемы корпуса и их непроизвольного раскрытия при обслуживании.
Шаровые краны бывают полнопроходными или зауженными. В полнопроходных кранах диаметр проходного сечения соответствует внутреннему диаметру трубопровода. Материалы, обычно применяемые при изготовлении шаровых кранов, – углеродистая сталь марок 20Л или 25Л или сортовой прокат аналогичных марок для корпусных деталей и легированные стали марок 20Х13 и14Х17Н2 для пробок и штоков. Для применения на коррозионных или низкотемпературных средах корпуса и пробки кранов изготавливаются из нержавеющих сплавов.
Максимальные температуры, при которых могут работать шаровые краны, определяются стойкостью к высоким температурам уплотнительных материалов. Чистый фторопласт обладает высоким коэффициентом термического расширения, и примеси силикона или графита могут быть использованы для снижения этого коэффициента. Обычные материалы могут использоваться при температуре ниже 240 °С. Для более высоких температур должны применяться другие материалы, например терморасширенный графит, полиамид, РЕЕК или РЕS, которые могут повысить температурный предел до 350 °С.
Графитовые уплотнения, обычно терморасширенный графит, используются для регулирования только с малыми перепадами давления. В противном случае высокая скорость среды быстро разрушает уплотнительные кольца. При необходимости использования кранов для регулирования с большими перепадами давления и высокими скоростями рабочих сред применяются металлические уплотнительные кольца и твердые покрытия шаров. Шаровые краны все чаще используются для низких температур, включая криогенные, сжиженные природный и нефтяной газы, жидкий азот, кислород. Это позволяет легко автоматизировать технологические процессы и расширяет их диапазон применения.
Шаровые краны с металлическими уплотнениями становятся все более популярными в применении как на абразивных средах, так и при высоких температурах вплоть до 1000 °С. Использование шаровых кранов становится таким же широким и разнообразным, как разнообразны технологические процессы в промышленности. Оно распространяется от простых условий эксплуатации, таких как применение на воде, растворителях, кислотах и природном газе, до более трудных и опасных, таких как газообразный кислород, перекись водорода, метан и этилен. Компания Hartmann Valves успешно применяет шаровые краны с уплотнениями металл по металлу и с полной герметичностью для комплектования устьевой фонтанной арматуры. Перспективно применение для уплотнений шаровых кранов фторопласта, подвергнутого радиоактивному облучению.
Для вязких и застывающих и кристаллизующихся сред (парафинистых мазутов, фенолов, смол) применяются краны с паровым обогревом корпуса. Благодаря нагретому паром корпусу сохраняется жидкотекучесть рабочей среды и обеспечивается работоспособность крана на вязкой жидкости. Перспективны шаровые краны с многослойным уплотнением.
Шаровые краны могут управляться вручную рукоятью или маховиком, через редуктор или неполноповоротным электрическим, гидравлическим или пневматическим приводом путем поворота пробки на 90°. Рукоять показывает положение шара. Когда она расположена вдоль оси, кран открыт. Когда рукоять повернута на 90о, кран закрыт.
Из воспоминаний
В конце шестидесятых президент Украинской академии наук, директор Института сварки академик Б. Е. Патон выдвинул идею строительства магистральных газопроводов с диаметром 2500 миллиметров. Это предложение понравилось председателю Совета Министров СССР А. Н. Косыгину, и всем министерствам было дано поручение основательно проработать этот вопрос. Западные фирмы увидели возможность хорошо заработать, и ассоциация французских арматуростроителей предложила поставить шаровые краны для этого газопровода.
Было решено, чтобы советские арматуростроители ознакомились с производственными возможностями французских фирм, а французские специалисты – советских. Договорились, что делегации специалистов посетят соответствующие предприятия за счет принимающей стороны. Во главе советской делегации был назначен главный инженер ЦКБА О. Н. Заринский, он предложил включить в делегацию меня, тогда начальника отдела приводов, а министерство рекомендовало кандидатуру заместителя главного инженера Пензенского завода «Тяжпромарматура» М. А. Неврюзина. В качестве переводчицы по рекомендации ЦК ВЛКСМ в делегацию была включена аспирантка МГИМО Наташа. Темой ее диссертации была «Молодежное движение во Франции».
Перед вылетом в Париж делегация в полном составе прибыла на Старую площадь в Москве. Сотрудник ЦК КПСС инструктировал нас что можно, а чего нельзя делать командированным за рубеж. Из инструктажа запомнилось, что не стоит запирать чемодан в гостинице. Все равно спецслужбы сорвут замок и перетряхнут весь багаж. Нельзя было также появляться на Плас Пигаль, чтобы не уронить свой престиж.
В качестве сувениров мы купили столичную водку, пластинки с записью ростовских колокольных звонов и много значков с видами Ленинграда, Москвы, символикой СССР.
Самолет ИЛ-62, выполнивший рейс Москва – Париж, в аэропорту Орли встречал представитель фирмы, ответственной за прием, мсье Роже. Он доставил нас в скромную гостиницу в центре Парижа на улице Георга V, сказав, что места нам заказало торгпредство СССР. Мы с О. Н. Заринским разместились в большом номере вдвоем, а М. А. Неврюзин и Наташа – в небольших комнатах. Мсье Роже вручил нам программу пребывания, а мы ему – сувениры.
На следующий день Роже сказал, что вчера он с друзьями провел прекрасный вечер. Они слушали пластинку с ростовскими колокольными звонами и пили русскую водку. Роже ознакомил нас с программой пребывания. Французы выбрали для посещения мощные заводы в Лионе и Сент-Этьене, на реке Луаре, располагающие хорошими возможностями по изготовлению стальных отливок весом более ста тонн, а также завод на севере Франции неподалеку от Дюнкерка, специализирующийся на изготовлении толстостенных сварных емкостей для химии и нефтепереработки из штампованных заготовок. По нашей просьбе в список были включены фирмы АМРИ и ПОРЕЙ в Париже, НАЙРПИК в Гренобле и некоторые другие арматурные компании. Но прежде всего нам необходимо было посетить посольство СССР. Там нас зарегистрировали и потребовали, чтобы мы перед убытием сдали им отчет о выполнении программы и получили от них подтверждение правильности расходования валюты.
Программа начала осуществляться. Все, что мы видели на предприятиях, записывалось вечером в блокноты для составления отчета посольству и министерству.
Сначала наша делегация отправилась на север Франции, в город Велансьон. Там нас приняла компания по производству сферических резервуаров для химических и нефтеперерабатывающих производств.
Резервуары сваривались из лепестковых заготовок. Лепестки из довольно толстого металла, подвешенные в горизонтальном положении на цепях, заводились вручную в рабочую зону пресса между пуансоном со сферическим бойком и матрицей со сферическим, большего диаметра углублением. Мощный гидравлический пресс деформировал металл. Затем заготовку перемещали, снова включали пресс, расширяя зону деформации. Таким образом через пресс пропускалась вся заготовка. В результате получался элемент сферической емкости. Французы подчеркивали близость к предприятию канала с выходом в море и наличие оборудованных причалов для погрузки негабаритных тяжеловесных грузов.
На следующий день делегация отправилась на поезде в Сент-Этьен, где находился большой машиностроительный завод с мощным литейным цехом. Нам показали отливки для носовой и кормовой оконечностей судов с массой по 120–130 тонн из одной плавки. Это впечатляло. Завод по своим возможностям, действительно был способен производить серьезное оборудование. В качестве сувениров нам подарили по фотографии батискафа, изготовленного предприятием для профессора Пикара. В этом батискафе ученый опустился на дно Марианской впадины на глубину 11 000 метров. Аппарат выдержал колоссальное давление 1100 атмосфер, все его системы отработали без сбоев.
На следующий день мы отправились на поезде в Гренобль. Там мы ознакомились с производством фирмы «Найрпик». Нас провели по нескольким цехам. Проходя через одну из лабораторий, мы увидели шаровой кран с диаметром прохода около 300 мм, весь обклеенный тензодатчиками. Мы попросили объяснить суть эксперимента, но нас быстро проводили из лаборатории. Что-либо объяснять по экспериментам не входило в программу посещения. После традиционного обеда нас посадили в поезд, и мы благополучно прибыли в Париж. На этом программа закончилась, мы отчитались в посольстве о технической стороне и финансовых затратах и отбыли в Москву. После Парижа Москва ночью оказалась почти не освещенной, витрины магазинов выглядели очень бедно и тускло, но мы были на Родине. Теперь предстояло принять ответный визит французов.
В 1969 году в июле из министерства сообщили о прибытии французской делегации в составе четырех специалистов. Из знакомых среди них был только мсье Барро, представившийся как «капиталист», он и в самом деле был довольно богат, кроме него прибыли два инженера из фирмы «Найрпик» и инженер с завода в Велансьоне. Директор ЦКБА и опытного завода «Знамя Труда» Серафим Иванович Косых поручил мне и инженеру ЦКБА по внешним связям Евгению Прохоренко работать с французами. Программой пребывания предусматривалось посещение Мышегского арматурного завода и Пензенского завода «Тяжпромарматура». Зная уровень советского сервиса и положения с гостиницами, министерство предложило французам заблаговременно приобрести туры «Интуриста».
На Мышегский завод в Алексин делегацию сопровождал Евгений Прохоренко. Посещение завода прошло хорошо. Женя рассказал, что во время переезда из Москвы в Алексин французы были крайне удивлены, увидев на ремонте шоссе женщин, вскрывающих асфальт отбойными молотками. Отвечая на удивленные вопросы, он объяснил гостям, что женщины так упорно боролись за свое равноправие, что в итоге получили его в полной мере.
В Пензе. нас встретили работники «Пензтяжпромарматуры», погрузили чемоданы в машину и отвезли в гостиницу, несмотря на то что через семь часов мы должны были уехать обратно. Я тут же попросил заместителя директора по хозяйственной части обменять наши билеты на фирменный поезд «Сура», так как в Москве спецорганы ехать в таком поезде не разрешили. Через 20 минут мы отправились на завод. Недавно построенный завод был хорошо прибран. Около проходной и на территории хорошо смотрелись клумбы с цветами. Директор завода Сергей Николаевич Атрощенко встретил гостей и пригласил в кабинет. Он рассказал о своем новом и современном заводе, с гордостью показал стоявшие в подставках почетные знамена министерства, области и района, а затем все отправились по цехам. По возвращении в кабинет директор спросил гостей об их впечатлениях. Они сказали, что убедились в интенсивной работе, отметили, что стружка синяя, но оборудования для изготовления шаровых кранов с диаметром 2500 мм на заводе нет, чем очень огорчили Сергея Николаевича.
В Москве, в Минхиммаше состоялась заключительная встреча с участием специалистов Мингазпрома, и мы распрощались с гостями. Позже, после проработки, специалисты пришли к выводу о нецелесообразности строительства газопровода такого большого диаметра, тем более в связи с тем, что Выксунский трубный завод не смог наладить производство многослойных труб, на которые документацию выдал Киевский институт им. О. Патона. Однако полную герметичность между слоями обеспечить не удалось, и под давлением газа слои металла выдавливались внутрь трубы. В нархозплане было дано задание Минхиммашу изготовить шаровые краны из многослойного проката, что само по себе было нереальным. Нам с главным инженером Главпромарматуры А. А. Заком пришлось специально ехать к Б. Е. Патону, чтобы отменить задание Государственного плана на проектирование и освоение производства многослойных шаровых кранов.
