Шаровой кран – это запорная арматура, регулирующая поток жидкости или газа с помощью вращающегося шара с отверстием. Повернув шар на четверть оборота (90 градусов) вокруг своей оси, можно запустить или заблокировать поток в трубопроводе. Шаровые краны характеризуются длительным сроком службы и обеспечивают надежное уплотнение на весь срок службы, даже если кран не используется в течение длительного периода времени
Чтобы понять принцип работы шарового крана, важно знать, что он состоит из пяти основных компонентов, которые можно увидеть на схеме (Рисунок 1).
Рисунок 1: Конструкция шарового крана.
Шар (4) фиксируется уплотнением в седле (5) и уплотнительными кольцами штока (2). Все они расположены внутри корпуса (3). Когда шток крана (1) поворачивается на четверть оборота, отверстие в шаре либо открывается для протока жидкости, либо закрывается, чтобы остановить поток жидкости.
Каждая из частей может быть выполнены в разных вариациях. Начнем с шара. Отверстие в шаре может иметь различные типы - полнопроходное, уменьшенное (отверстие в шаре меньше входного отверстия в кран) или V-образное.
- Полнопроходные имеют тот же диаметр отверстия, что и труба.
- Редуцированные имеют уменьшенное отверстие. В результате в системе присутствуют потери на трение, однако эти потери все еще относительно невелики по сравнению с другими типами запорной арматуры.
- С V-образным вырезом, благодаря которому поток можно контролировать, то есть кран имеет запорной-регулирующую функцию.
Так же, шаровой кран может иметь два, три или даже четыре отверстия и кран будет двухходовым, трехходовым и четырехходовым, соответственно. Трехходовые имеют L- или Т-образное отверстие, которое влияет на производительность шарового крана и направление потока. Это можно увидеть на Рисунке 2. В результате могут быть реализованы различные функции, такие как распределение или смешивание потоков.
Рисунок 2: Пример трехходового шарового крана и схемы работы для Т- и L-порта.
Шар может фиксироваться разными способами:
- Шаровые краны с плавающим шаром. Наиболее распространенным типом конструкции является конструкция с плавающим шаром. Шар «подвешен» в рабочей среде и удерживается на месте двумя уплотнительными кольцами, чтобы уменьшить нагрузку на седло.
- Поплавок. Большинство шаровых кранов имеют шар-поплавок, который поддерживается седлами.
- Цапфа. Краны большого диаметра и высокого рабочего давления (например, DN > 100 мм и PN8,0 Мда) часто имеют конструкцию с цапфой. Шар поддерживается снизу и сверху, чтобы уменьшить нагрузку на седла.
Корпус может быть выполнен из разного количества частей. Односоставной (цельносварной), двусоставной, трехсоставной.
- Цельные шаровые краны. Это самый экономичный тип. Две части, окружающие шар, прессуются или свариваются. Краны нельзя открывать, чистить или обслуживать. Этот тип обычно используется для систем, которые не требуют его частой работы.
- Двухсоставные можно разбирать для очистки, обслуживания и проверки. Иногда эти части связаны между собой резьбовым соединением, иногда болтовым.
- Трехсоставные, детали обычно соединяются между собой болтовыми соединениями. Преимущество этого варианта заключается в том, что кран можно обслуживать, полностью не снимая его с трубопровода.
Наиболее распространенными материалами для изготовления шаровых кранов являются латунь, нержавеющая сталь и ПВХ (поливинилхлорид). Шар обычно изготавливается из хромированной стали, хромированной латуни, нержавеющей стали или ПВХ.
- Наибольшую долю рынка занимают шаровые краны из латуни ‒ сплава меди и цинка с хорошими механическими свойства. Латунные используются для установки в системах с водой (в том числе, питьевой), газом, маслом, воздухом и многими другими веществами. Растворы хлоридов (например, морская вода) или деминерализованная вода могут вызвать обесцинкование ‒ тип коррозии, при котором цинк вымывается из сплава. Это создает пористую структуру со значительно сниженным механическим сопротивлением;
- Нержавеющую сталь применяют для агрессивных сред. Краны из этого материала часто используют в морской воде, бассейнах, установках осмоса, в системах с высокой температурой и агрессивными химическими веществами. Наиболее распространены краны из 304 и 316 сортов стали, причем 316 имеет лучшую коррозионную стойкость. 304 иногда называют 18/8 из-за содержания в нем 18% хрома и 8% никеля. В 316 содержится 18% хрома и 10% никеля (10/18). Изделия из нержавеющей стали обычно требуют более высокого рабочего крутящего момента, чем краны из латуни или ПВХ. Это необходимо учитывать, если изделие из нержавеющей стали приводится в действие электрическим или пневматическим приводом;
- ПВХ часто имеет более низкую цену и широко используется в системах ирригации, водоснабжения и дренажа, а также в агрессивных средах. ПВХ устойчив к большинству солевых растворов, кислот, щелочей и органических растворителей. ПВХ не пригоден для температур выше 60°C, а также не устойчив к ароматическим и хлорированным углеводородам. ПВХ не такой прочный, как латунь или нержавеющая сталь, поэтому шаровые краны из ПВХ имеют более низкое номинальное давление.
Седла и уплотнительные кольца изготовлены из политетрафторэтилена (тефлона). Он имеет очень хорошую химическую стойкость и высокую температуру плавления (~327°C). Кроме того, коэффициент трения очень низкий. Небольшим недостатком тефлона является его текучесть, которая со временем может привести к выходу уплотнения из строя. Кроме того, тефлон имеет относительно высокий коэффициент теплового расширения. Решением этой проблемы является использование пружины, оказывающей постоянное давление на тефлоновое уплотнение
Другим популярным уплотнительным материалами является полиамид (нейлон) и ряд других мягких материалов. Чем тверже материал седла, тем труднее поддерживать надлежащее уплотнение. В некоторых случаях, когда невозможно использовать мягкие материалы, например, при очень высоких температурах, используются металлические или керамические седла.
Управление шарового крана обычно происходит обычно с помощью рукоятки, которая соединена со штоком (рис.1). При правильной установке кран будет открыт, когда рукоятка параллельна трубе, и закрыт, когда рукоятка перпендикулярна трубе. Важно обращать внимание на направление рукоятка, чтобы визуально определить, открыт или закрыт кран. Если у вас шаровой кран большого размера или вам нужен дополнительный крутящий момент, то лучше использовать редуктор (если есть возможность его установить), благодаря которому открытие-закрытие будет происходить гораздо легче.
Для автоматизации процессов открытия-закрытия часто используются четверьоборотные электро- и пневмоприводы. Крепление идет непосредственно к штоку (рис. 1).
Электроприводы могут быть с разным управлением:
- Двухточечное управление использует провод управления в дополнение к проводам питания. Когда на управляющий провод подается напряжение, кран открывается. Если провод управления обесточен, кран закрывается (с помощью пружины или электричества).
- При трехточечном управлении используются два провода управления: один для вращения шара против часовой стрелки, другой для вращения шара по часовой стрелке. В зависимости от нужд системы можно выбрать наиболее подходящее управление.
- Некоторые электрические приводы также могут обеспечивать модуляционное управление, которое позиционирует шаровой кран в диапазоне открытия/закрытия от 0 до 100%, то есть такие приводы оснащены позиционером 0-10В или 0-20мА.