Отличительная особенность одного из типов трубопроводной арматуры ─ кранов ─ имеющий форму тела вращения (цилиндра, конуса, шара) или хотя бы ее части запирающий (регулирующий) элемент, поворачивающийся вокруг собственной оси, произвольно расположенной по отношению к направлению потока рабочей среды. Ходом крана является угол поворота запирающего (регулирующего) элемента.
В качестве примера крана, в котором запирающий (регулирующий) элемент выполнен в виде части тела вращения, можно привести сегментный шаровой кран, в котором управление потоком рабочей среды осуществляется посредством перемещения сегмента шара.
Когда кран находится в положении «открыто», ось отверстия в запирающем элементе совпадает с осью трубопровода, и через него свободно протекает поток рабочей среды. Стоит повернуть запирающий элемент на 90°, и оно сменится положением «закрыто». То, что два антипода, два противоположных «полюса», каковыми являются «открыто» и «закрыто», разделяют всего каких-то 90 градусов, является фактором, обуславливающим компактность конструкции крана. Компактность ─ безусловное преимущество, свойственное как кранам, так и другому представителю трубопроводной арматуры поворотной конструкции ─ дисковым затворам.
Поворот запирающего (регулирующего) элемента крана может предварять его возвратно-поступательное движение. Пример ─ конусный кран с подъемом пробки, в котором перед открытием или закрытием пробка поднимается на некоторую высоту. Такая комбинация движений помогает уменьшить крутящий момент, необходимый для управления потоком рабочей среды и снизить износ уплотнительных поверхностей.
Кран пробковый ─ это…
В зависимости от формы запирающего (регулирующего) элемента различают конусный кран и кран цилиндрический. Обе разновидности кранов объединяет определение «пробковый» (кран пробковый). Но согласно ныне действующему нормативному документу, «ГОСТ 24856-2014. Арматура трубопроводная. Термины и определения» называть так ни цилиндрический, ни конусный краны не рекомендуется. По большому счету, к пробковым кранам можно было бы отнести появившийся позже конусного и цилиндрического шаровой кран ─ т.е. трубопроводный кран, запирающий или регулирующий элемент которого имеет сферическую форму. Тем более что в том же ГОСТ 24856-2014 используются такие термины как «шаровой кран с плавающей пробкой» и «шаровой кран с пробкой в опорах». Да и сам термин «пробка» этим документом признан и определяется как «запирающий элемент, имеющий форму тела вращения или его части, поворачивающийся вокруг собственной оси и имеющий отверстие определенного профиля, расположенное перпендикулярно оси вращения и предназначенное для прохода рабочей среды».
Форма этих отверстий дает повод говорить о прямоугольных и ромбовидных кранах: у первых они прямоугольные, у вторых ─ в виде ромба.
Слово «пробка» наверняка родом из глубокой древности, как и сам кран. По крайней мере, на территории Древнего Рима найдены прямые прототипы современных кранов с бронзовым корпусом и цилиндрической пробкой. Сегодня краны и особенно краны шаровые, получившие повсеместное распространение благодаря надежности, герметичности и функциональности, ─ одно из важнейших направлений научно-технического прогресса в трубопроводной арматуре.
О преимуществах и особенностях конструкции конусных, цилиндрических и шаровых кранов
Общими преимуществами всех кранов, как представителей одного из типов трубопроводной арматуры, являются:
- малая строительная высота и строительная длина;
- небольшое гидравлическое сопротивление;
- быстрое срабатывание;
- отсутствие противодавления рабочей среды;
- герметичность.
И, конечно, уже упоминавшаяся выше компактность, которая означает не только небольшие габаритные размеры и массу, но и удобство монтажа, и минимум места, занимаемого кранами в трубопроводных системах.
В конусных кранах пробка (она же ─ запирающий элемент) в виде усеченного конуса плотно примыкает к конусообразной поверхности корпуса. Наличие смазки между поверхностями корпуса и пробки не только повышает герметичность, но и уменьшает усилие, необходимое для поворота подвижного элемента затвора. Второе особенно актуально, поскольку большое усилие, требуемое для поворота запорного элемента, ─ не самая сильная сторона конусных кранов.
Проектируя конусный кран, необходимо найти техническое решение, наилучшим образом отвечающее двум, если и не взаимоисключающим, то уж точно трудно сочетаемым требованиям, ─ обеспечив плотный контакт между коническими поверхностями, получить нужную герметичность и одновременно с этим плавный и не требующий приложения значительных усилий поворот запорного (регулирующего) элемента.
Регулировать герметичность можно, меняя конусность пробки. Но чем меньше конусность, тем выше опасность заклинивания запирающего элемента в корпусе. Вероятность заклинивания усугубляется отложениями, со временем накапливающимися в микротрещинах металла. Значительные усилия, необходимые для того, чтобы «сдернуть» застывшую на месте заклинившую пробку, могут приводить к появлению задиров на уплотнительной поверхности.
Кран цилиндрический по герметичности уступает конусному крану, зато пробка цилиндрической формы может легко совершать не только вращательное движение, но и поступательное. При уплотнении металл по металлу необходима более тщательная, чем при использовании мягких уплотнений, обработка поверхностей.
Между уплотнительными цилиндрическими поверхностями обеспечивается минимальный зазор (тогда страдает герметичность) или небольшой натяг (это требует дополнительных усилий для поворота пробки). При отсутствии поджима удельные давления на уплотнительных поверхностях минимальны. Использование цилиндрических кранов для управления потоком высокотемпературных рабочих сред ограничено, поскольку под тепловым воздействием из-за разных свойств материалов, из которых изготовлены запирающий элемент и корпус, они могут изменять свои размеры не синхронно, что приведет к заклиниванию или ухудшению герметичности.
Наиболее совершенная конструкция кранов, обеспечивающая их наилучшие эксплуатационные параметры, ─ краны шаровые. Известная с первой половины прошлого XX столетия, она постоянно совершенствуется. И если сначала не всегда получалось обеспечить надежное перекрытие потока рабочей среды в положении «закрыто», то сегодня этот недостаток полностью устранен. Дополнительный импульс развитию шаровых кранов придало внедрение в производство трубопроводной арматуры современных материалов ─ фторопласта, синтетического каучука и совершенствование технологий металлургии и металлообработки.
Краны
- запорные и распределительные
По функциональному назначению трубопроводные краны разделяют на запорные (двухходовые) и распределительные (трех- и многоходовые). Поскольку падение давления в кране невелико, выполнять их многоходовыми достаточно просто.
В зависимости от количества рабочих положений (регулирующего) элемента трубопроводные краны бывают трехходовыми и многоходовыми. Правда последние нашли преимущественное применение в лабораторной арматуре. Трехходовой кран применяется в гидравлических и пневматических системах. Например, в системах отопления для регулирования теплоотдачи отопительных приборов.
- полнопроходные и с зауженным проходом
По типу проточной части корпуса крана различают краны полнопроходные и с зауженным проходом. Определение «полнопроходной» не означает стопроцентного совпадения эффективного диаметра крана и диаметров отверстий патрубков. Чтобы иметь «статус» полнопроходного, крану номинальным диаметром до DN 350 включительно достаточно иметь эффективный диаметр, составляющий 95% от диаметра патрубков, а при больших значения DN и того меньше ─ 92%. Эффективный диаметр крана с зауженным проходом принимают с учетом требований потребителей, и исходя из значений, рекомендуемых в нормативных документах «ГОСТ 28343-89. Краны шаровые стальные фланцевые. Технические требования» и «ГОСТ 21345-2005. Краны шаровые, конусные и цилиндрические на номинальное давление не более PN 250. Общие технические условия».
- со смазкой и без смазки
В зависимости от наличия или отсутствия смазки краны разделяют на краны без смазки и краны со смазкой-уплотнителем.
Краны без смазки ─ более простая конструкция, широко используемая в химической и нефтяной промышленности, где смазка неприемлема. В этом случае снижения величины усилия трения между поверхностями пробки и корпуса добиваются конструктивными способами: подпружиненная пробка, подтягиваемый сальник, пластики, обладающие само смазывающими свойствами, например, фторопласт.
В системах подачи и отвода воды и газопроводах используют эксцентриковые краны, обладающие способностью изменять упругость пробки, что обеспечивает герметичное закрытие без использования уплотнительной смазки.
Первые конусные краны со смазкой появились сравнительно недавно ─ в начале XX века. Устраняющая не герметичность между запирающим (регулирующим) элементом и корпусом и защищающая уплотнительные поверхности от коррозии смазка-уплотнитель вводится при периодическом обслуживании.
- сальниковые и натяжные
Способ прижатия запорного (регулирующего) элемента к корпусу позволяет разделить краны на сальниковые и натяжные. В первых используют сальниковые уплотнения, т. е. уплотнения, «по определению» принудительно создающие напряжения, в результате которых пробка прижимается к корпусу, что обеспечивает требуемую герметичность.
В натяжном кране пробка прижимается к уплотнительной поверхности корпуса с помощью навинчиваемой на резьбовой хвостовик гайки. Т. е. пробка соединена со стержнем, проходящим через отверстие в корпусе; надетая на стержень упругая пружина способствует плотному контакту пробки и корпуса.
- по типу присоединения
По типу присоединения к трубопроводу краны бывают фланцевые, под приварку, муфтовые, цапковые, штуцерно-торцовые.
Привод и разновидности кранов по виду действия
Для кранов используются следующие типы управления:
- ручной привод;
- механизированный привод:
- пневмопривод,
- гидропривод,
- электропривод;
- комбинированный привод ─ механизированный привод и ручной дублер.
Поскольку для того, чтобы открыть или закрыть кран, достаточно всего лишь одного поворота пробки на 90°, при ручном управлении можно обойтись рукояткой или гаечным ключом, а не использовать маховик. Учитывая достаточно большие усилия, необходимые для поворота пробки в конусных кранах, даже их небольшие модели снаряжают редуктором.
Требования к крутящим моментам в цилиндрических и конусных кранах во многом зависят от того, работают они со смазкой или без.
Запорные краны «по умолчанию» закрываются поворотом шпинделя в направлении по часовой стрелке. Исключения специально оговариваются в инструкции по эксплуатации.
Конструкции крана в крайних положениях должны предусматривать наличие ограничителей поворота пробки. Для кранов, применяемых на взрывоопасных, газообразных, легковоспламеняющихся, токсичных средах ─ это требование безусловное. В других случаях по согласованию с потребителями ограничители для конусных кранов хода не обязательны.
По виду действия краны с механизированным приводом разделяют на нормально закрытые (НЗ) и нормально открытые (НО). В какую категорию попадет кран зависит от того, в каком положении он окажется при прекращении поступления энергии на привод. Если специальным устройством (чаще всего пружиной) будет обеспечено его закрытие, ─ это нормально закрытый кран. Нормально открытый кран снабжен пружиной (или другим устройством), обеспечивающей его открытие в случае отсутствия энергии в приводе.
Материалы для изготовления трубопроводных кранов
Перечень материалов, используемых для изготовления трубопроводных кранов, принципиально не отличается от применяемых для другой трубопроводной арматуры. Это чугун (серый, ковкий, с шаровидным графитом), сталь (углеродистая и легированная), сплавы цветных металлов и в ряде случаев ─ неметаллические материалы.
Использование цветных металлов оправдано тем, что они позволяют обеспечить высокое качество обработки поверхности корпуса и пробки, меньше подвержены коррозии.
Для коррозионных и низкотемпературных сред больше подойдут корпуса и пробки, изготовленные из нержавеющей стали.
В «стандартных» случаях можно использовать относительно недорогой чугун. Для повышения стойкости к коррозии его покрывают полимерными материалами, например, слоем тефлона толщиной несколько мм.
При больших перепадах давления и значительных скоростях потока рабочих сред применяют металлические уплотнения. На кранах, регулирующих потоки с малыми перепадами давления, используют мягкие уплотнения из полимерных материалов.
Трубопроводный кран, пожалуй, самый узнаваемый тип трубопроводной арматуры. Представление о нем имеют люди, от техники совсем далекие, поскольку даже им хорошо известно, что такое вода из-под крана. А с вопросом, какой лучше купить кран или кран-смеситель, сталкивался каждый владелец недвижимости, многие из которых словосочетание «дисковый затвор» даже не слышали. Но кран ─ это не только санитарно-техническая арматура, по своему представительству в которой он и известен большинству.
Трубопроводный кран, появившийся еще во времена античности, сегодня используется в самых разных направлениях технологий. И потенциал своего развития точно не исчерпал, наглядное свидетельство чему шаровой кран, которому посвящена отдельная статья.
