Кран шаровый с плавающим шаром – это кран, в котором шар не имеет опоры, а только два седла, на которые он опирается под давлением при перекрытии потока в трубопроводе.
Ключевая особенность работы крана шарового – это конструкция уплотнения, вне зависимости от материала седел – будь то металлические, пластиковые или другие исполнения. Другая важная особенность характеристик крана – это уплотнение штока. Типичный шаровый кран с плавающим шаром перекрывает давление в трубопроводе, используя мягкие седла, такие как PTFE (политетрафторэтилен или тефлон) и TFM (химически модифицированный PTFE, более известный как TFM 1600). У TFM есть небольшое преимущество перед PTFE в температуре и давлении при эксплуатации. Оба материала известны своими стойкими к температуре и давлению характеристиками, что делает их идеальным выбором в качестве материала седла. Однако, они не обладают хорошей упругостью: в случае сжатия или деформирования такой материал не вернется в свою изначальную форму.
Как работает кран шаровый с плавающим шаром.
В таких кранах в закрытом состоянии давление приходится не только на часть шара встречающую поток, но также и на заднюю часть седла, расположенного с другой стороны от потока. Таким образом, под давлением потока шар и передняя часть седла смещаются по направлению потока к задней части седла на выходе (Рисунок 1). Это давление приводит к упругой (эластичной) и неупругой (пластичной) деформации седла на выходе. Крайне высокий натиск пластичной деформации приводит к ограничениям в работе седел арматуры.
Рисунок 1. Давление действует на шар и седло по направлению потока и на заднюю часть седла на выходе.
Упругая деформация предусмотрена конструкцией седла и подразумевает временное изменение свойств седла. С помощью входящей энергии оно изменяет свою форму для обеспечения лучших уплотнительных свойств при воздействии скачков давления и температуры.
Неупругая деформация подразумевает под собой окончательное изменение формы седла (так называемая «холодная текучесть») из-за компрессии, крайне высоких температур. Опять же, это накладывает ограничения на конструкцию седла и выбор материалов.
Технология уплотнения
Существует 2 разных типа технологий уплотнения, которые используются в шаровых кранах с плавающим шаром: сдавливаемые седла и упругие седла, которые также иногда называются активными седлами.
Во многих ранее спроектированных кранах, как и в некоторых используемых сегодня, используется сдавливаемый тип седел. Этот тип уплотнения был создан за счет избыточного материала седла в конструкции, который «вдавливает» шар в седло во время сборки крана, что приводит к тому, что седло подвергается компрессией шаром и внутренней поверхностью крана (Рисунок 2). Компрессия, или предустановка седла, необходима для плотного прилегания. Это обеспечивает уплотнение в условиях эксплуатации с небольшим уровнем давления, а если оно усиливается, то шар начинает сдавливать седло на выходе, что дает еще лучшее уплотнение.
Рисунок 2. Сдавливаемое седло до и после предустановки.
Также, при подобной конструкции, на седло уже подействовала неупругая деформация во время компрессии. Если давление будет значительно увеличено, оно приведет к еще большей неупругой деформации седла, так как шар будет давить на седло на выходе с большей силой. Это не является проблемой до тех пор, пока давление держится на высоком уровне. Если оно уменьшится, то, скорее всего, в кране образуется протечка, потому что седло не вернется в свое исходное положение в отличие от шара. У сдавливаемых седел нет компенсации давления.
Еще одна проблема, связанная со сдавливаемыми седлами – это перепады температуры. Тепловое расширение – увеличение объема материала при нагревании. Оно обычно выражается в относительном изменении в длине или в объеме на единицу измерения температуры. Для материалов применяется специальный коэффициент, который необходим для сравнения их уровня теплового расширения. Он называется коэффициентом теплового расширения материалов. Обычно коэффициенты линейного расширения применяются для твердых материалов, а коэффициенты объемного расширения – для жидкостей и газов.
При повышении температуры в шаровом кране, стальной корпус и шар будут расширяться. Однако, PTFE или TFM седла будут расширяться гораздо сильнее – в 8 раз сильнее чем металл, который их окружает. Если температура поменяется достаточно сильно, то седло будет подвержено еще большей неупругой деформации. Если после этого кран охладится, то деформируемое седло скорее всего даст протечку. У сдавливаемых седел также нет температурной компенсации.
При износе шарового крана страдает его самая уязвимая часть – седло. Замена седел является довольно частой практикой, однако, при высоком режиме цикла, сдавливаемые седла могут изнашиваться быстрее благодаря перепадам давления и размера крана. Сдавливаемое седло также не обладает компенсацией износа.
Все пластичные материалы имеют зоны упругого и неупругого поведения. Объект воздействия извлекает пользу из упругих зон для использования накопившейся энергии, подобно трамплину для прыжков в воду.
Существует много различных конструкций активных седел. Такие седла используют накопившуюся энергию в своей конструкции для компенсации изменений давления, теплового расширения и износа с помощью своего преимущества - упругой деформации. Например, популярная конструкция, используемая для придания энергии седлу, заключается в формировании внутреннего диаметра седла таким образом, чтобы оно было гибким. После установки данного седла между корпусом крана и внешней гранью седла образуется пустое пространство (Рисунок 3). Первичная предустановка во время последней сборки крана или компрессия, воздействующая на седло, приводит к тому, что седло уходит в пустое пространство, что дает ему сохранить упругую энергию. Преимущество такой конструкции в том, что в нее входит энергия упругой деформации, тем самым уменьшая шанс неупругой деформации из-за увеличения давления, теплового расширения или износа. Свободное пространство между седлом и корпусом крана позволяет седлу быть упругим.
Рисунок 3. Упругое седло перед предустановкой.
Сдавливаемое седло работает также при предустановке, но в этом случае нет свободного пространства в конструкции, поэтому работает только неупругая деформация.
Уплотнения в кране шаровом
В новых кранах уплотнение будет работать в обоих случаях: и при сдавливаемом седле, и при упругом седле до тех пор, пока давление не начнет падать. Увеличение давления заставляет шар и седло на входе двигаться в сторону седла на выходе, что помогает шару создать эффективное уплотнение с седлом на выходе. Когда это происходит, на входе образуется зазор между корпусом крана и обратной частью входного седла. Это позволяет входящему давлению поступать в полость клапана, как и было задумано. (Рисунок 4)
Рисунок 4. Расстояние движения седла и шара на рисунке преувеличено для демонстративных целей. В зависимости от размера крана и уровня входящего давления движение крайне незначительно.
Есть несколько преимуществ при выравнивании входящего давления и давления в полости крана. Оно уменьшает трение, минимизирует повреждения седла и обеспечивает намного меньший крутящий момент. Если кран автоматизирован, то тогда потребуется привод меньшего размера, что отразится в более низких затратах.
Шаровые краны с плавающим шаром – это арматура с хорошим уплотнением на выходе. В кране есть два седла для того, чтобы работать в условиях двунаправленного потока. Это значит, что независимо от того, какой стороной его устанавить на линию – обе стороны работают одинаково хорошо. Однако, как было сказано выше, уплотнение на входе сработает только когда давление на входе не двигает шар (past the effective preset) в новом кране. Но со временем он изнашивается, эффективная предустановка конструкции ухудшается, что делает легче проникновение входящего давления в полость крана, даже при малом давлении.
Для того, чтобы обеспечить выравнивание давления в полости клапана с входящим давлением, на внешней стороне седел нанесены радиальные пазы (Рисунок 5). Радиальные пазы влияют только на уплотнение седла на входе, потому что седло на выходе вжато в корпус крана шаром, создавая надежное уплотнение. Радиальные пазы не делают кран однопоточным. Кран остается двунаправленным, потому что, во-первых, оба седла идентичны, а во-вторых, силы, возникающие внутри крана, также идентичны.
Рисунок 5. Радиальные пазы для выравнивания давления.
Тепловое расширение среды
Создаваемая между двух седел полость – это идеальная защитная оболочка от увеличения давления в шаровом кране с плавающим шаром. Как ни странно, при воздействии повышенной температуры на среду, фиксируется увеличение давления, обусловленное тепловым расширением. Обычная вода в кране без доступа воздуха увеличит давление на 100 psi на каждый градус повышения температуры по Фаренгейту. Например, 10° повысят давление на 1000 psi. Соотношение температуры и давления самых распространенных жидкостей составляет примерно от 90 до 110 psi на один градус по Фаренгейту. Стандарт ANSI B16.34, параграф 2.3.3 «Тепловое расширение среды» гласит: «На пользователе лежит ответственность за предоставление возможностей проектировки, установки или процедуры эксплуатации для того, чтобы убедиться, что давление в арматуре не превышает допустимое данным стандартом максимальное значение.»
Есть несколько вариантов решения проблемы увеличения давления в полости крана вследствие теплового расширения, которыми пользуются производители шаровых кранов. Когда кран в открытом положении, любое давление в полости, создаваемое шаром, седлами и корпусом может быть легко сброшено с помощью сверления небольшого отверстия от крышки штока до проточного канала с шаром. Давление в полости быстро уходит в отверстие через шток и ослабляет давление на выходе. Однако, давление намного сложнее сбросить, когда кран находится в закрытом положении. Один из путей решения проблемы: просверлить еще одно отверстие в шаре так, чтобы оно было направлено в сторону входящего потока, таким образом сбрасывая давление на входе, и не создавая протечку на выходе. (Рисунок 6). С другой стороны, отверстия для сброса давления превращают краны в однопоточные. Другой вариант — это использовать краны с вдавливаемым седлом, которые способны выравнивать давление в полости.
Рисунок 6. Для того, чтобы предотвратить повышение давления в полости, нужно просверлить отверстие в шаре при закрытом положении в сторону входящего потока. Однако, это сделает кран однонаправленным.
Кран с активным седлом, где седло гибкое, и может сминаться и возвращаться в исходное положение. Выработка давления в полости крана происходит по пути наименьшего сопротивления. Когда давление в полости станет больше, чем давление на входе, оно заставит седло на входе сдвинуться и выйдет наружу. Требуется совсем небольшой сброс давления в полости, чтобы это давление вернулось к нормальному. Некоторые производители называют это сбросом через входное седло, а некоторые – просачивающийся сброс. В любом случае, это называется самосбрасывающими седлами. (Рисунок 7)
Рисунок 7. Самосбрасывающие седла
Даже производители кранов, выпускающие краны с самосбрасывающими седлами рекомендуют при использовании высоколетучих газов, таких как жидкий хлор, или при криогенных условиях, где жидкость или газ подвержены стремительному тепловому расширению, использовать прямой сброс с помощью предохранительного клапана.
Заключение
В условиях быстрорастущего рынка производителей кранов шаровых с плавающим шаром, такие краны не должны рассматриваться как обычный товар широкого потребления. Перед выбором оборудования должны быть проведены серьезные расчеты, с целью определить, какой кран лучше подходит для требуемых условий эксплуатации.
