Владелец патента: общество с ограниченной ответственностью «Восточная Арматурная Компания».
Автор патента: Дроздов Дмитрий Владимирович.
Перед вами еще одна часть рубрики «Обзор патентов». В этой статье речь пойдет о полезной модели, которая относится к трубопроводной арматуре, преимущественно к шаровым кранам с поворотной пробкой. Она обладает сферической поверхностью и может быть использована в трубопроводах при добыче, переработке и транспортировке продуктов нефтяной и газовой отрасли. Кран содержит корпус, шаровую пробку, уплотняющие седла и кулачки. Рабочие поверхности кулачков и контактные поверхности седел выполнены с твердостью 32-42 HRC. Технический результат – создание надежного шарового крана за счет повышения его герметичности.
В патенте обозначается кран, предназначенный для управления потоками жидкости в трубопроводах (патент RU 2638097, опубл. 11.12.2017). Он содержит корпус, патрубки, приводной вал, седло, запорный орган с рычагом, кулачок-толкатель и копир. Кулачок-толкатель жестко соединен с валом, копир – с корпусом. Между запорным органом и валом жесткая связь отсутствует. Форма поверхностей кулачка-толкателя и копира обеспечивает разделение движения запорного органа на две фазы: вращение вокруг оси приводного вала и перемещение вдоль оси трубопровода. Первая фаза соответствует совместному повороту запорного органа и вала на 90 °C. Во время второй фазы вращается только вал. Общий угол поворота вала – более 90 °C.
Это изделие имеет сложную конструкцию для обеспечения движения запорного органа в двух фазах – поворот вокруг своей оси и перемещение вдоль оси трубопровода. Такая сложная траектория движения запорного органа в процессе длительной эксплуатации приводит к перекосу указанного органа (отклонению его оси от заданного положения) и появлению люфтов; в появившиеся полости проникает транспортируемая по трубопроводу среда. Все это обуславливает низкую герметичность крана.
Помимо этого, существует шаровой кран, описанный в заявке CN 105422900 A, опубликованной 23.03.2016. Кран включает корпус с патрубками, запорный орган в виде шаровой пробки, шток запорного органа, седла и две кулачковые пластины, жестко соединенные с запорным органом. Кулачковые пластины имеют сложную эллипсообразную форму – криволинейные участки в виде дуг и два прямолинейных участка (среза), расположенных диаметрально. При работе крана шаровая пробка поворачивается, при этом кулачковые пластины своей торцевой поверхностью контактируют с седлами: криволинейные участки отталкивают седла, устраняя трение между ними и шаровой пробкой.
Однако эта разработка не герметична. Криволинейные участки кулачков (дуги) соответствуют положению «Открыто» и в этом положении не позволяют седлам плотно прилегать к шаровой пробке, приводя тем самым к проходу среды в пространство между седлами и пробкой и, соответственно, износу уплотнителя седел. Изношенные уплотнители не обеспечивают равномерного плотного прилегания поверхностей кулачков и седел в положении «закрыто», позволяя проходящей по трубопроводу среде попадать между ними, а также обуславливают фрикционный износ поверхностей кулачков и седел, еще больше способствуя снижению герметичности.
Наиболее близким по технической сущности является шаровой кран, предназначенный для регулирования расхода перекачиваемой по трубопроводу жидкости (патент RU 2262630, опубл. 20.10.2005). Изделие содержит корпус, в котором размещен закрепленный на валу шар, а также установлены в кольцевых пазах две оправки седел. На двух торцах шара, расположенных перпендикулярно оси его вращения, закреплены два диска, края которых выполнены в виде четырехлепестковых кулачков и расположены вблизи торцов оправок в открытом и закрытом состояниях крана, а в промежуточном состоянии крана край дисков упирается в торцы оправок. Для увеличения контактной поверхности края дисков с торцом оправок в торцах оправок выполнены радиального сечения пазы радиуса R, равного радиусу R выступов края дисков. Центр радиуса пазов смещен относительно оси вращения дисков в направлении противолежащей оправки.
Увеличение контактной поверхности края диска и торца оправки в кране, выбранном в качестве прототипа, обуславливает больший фрикционный износ сопрягаемых поверхностей, в результате чего в месте их сопряжения образуются зазоры, в которые проникает проходящая по трубопроводу среда, т. е. кран становится негерметичным, что обуславливает его низкую надежность.
Техническая проблема – создание надежного крана с увеличенным сроком службы. Технический результат – повышение герметичности крана. Он достигается тем, что в кране, содержащем корпус, шаровую пробку, уплотняющие седла и кулачок, согласно полезной модели, рабочие поверхности кулачков и контактные поверхности седел выполнены с твердостью 32-42 HRC. Выполнение поверхностей кулачков и седел с заявленной твердостью поверхностей позволяет значительно сократить фрикционный износ этих поверхностей, а следовательно, исключить появление зазоров между уплотнителем седел и шаровой пробкой и, соответственно, нарушение герметичности крана. Заявленный диапазон твердости поверхностей является оптимальным для обеспечения плавности работы крана при одновременно длительном сроке службы. Новая разработка поясняется чертежами, где на рисунке 1 представлен кран в положении «закрыто», на рисунке 2 – кран в промежуточном положении.
Так, арматура содержит корпус 1, в полости которого размещены седла 2 с уплотнителями 3 и закрепленная на штоке 4 шаровая пробка 5. На шаровой пробке 5 или на штоке 4 установлен по меньшей мере один кулачок 6 (на фигурах представлен вариант исполнения крана с двумя кулачками). Кулачок 6 выполнен в форме круга и имеет четыре торцевых среза D, которые плавно переходят в дугообразные участки. Плавный контур профиля кулачка 6 позволяет осуществлять плавное начало открытия и закрытия крана (плавный отвод седел от шаровой пробки), что уменьшает момент и предотвращает гидроудар. Торцевая (рабочая) поверхность кулачка 6 и контактная поверхность S седел 2 выполнены с твердостью 32-42 HRC, что значительно увеличивает ресурс кулачка и седел, а также позволяет снизить прилагаемое для перемещения кулачка по поверхности седла усилие. Кулачок 6 и седла 2 могут быть выполнены из любых материалов, а необходимая твердость рабочих и контактных поверхностей обеспечивается наплавкой металла или сплава с требуемыми характеристиками (например, легированная сталь). В шаровой пробке 5 может быть выполнено отверстие 7. При прохождении среды по трубопроводу седла 2 поддавливаются средой, т. е. находятся в нагруженном состоянии. Через отверстие 7 среда заполняет пространство между шаровой пробкой 5 и корпусом 1, тем самым уравновешивая усилия и снижая нагрузку на мягкое уплотнение 3 седла 2.
Устройство работает следующим образом. В исходном положении «открыто» шаровая пробка развернута таким образом, что ее отверстие обеспечивает проход среды (жидкой или газообразной) по трубопроводу. Седла 2 с уплотнителями 3 плотно прилегают к поверхности шаровой пробки 5 за счет прижатия пружинами 8. При повороте штока 4 кулачок 6 начинает поворачиваться, воздействуя своей рабочей поверхностью на контактную поверхность S седел 2 – дугообразные участки торцевой поверхности кулачка 6 отжимают седла 2 от шаровой пробки 5, которая поворачивается в положение «закрыто», не соприкасаясь в момент движения с седлами 2. При открывании крана описанная очередность имеет обратный порядок.
Наличие четырех срезов на кулачке 6 позволяет при необходимости, например в аварийных случаях, использовать поверхности, находящиеся напротив используемых поверхностей. Это дополнительно способствует снижению износа такой поверхности. Таким образом, заявленная полезная модель обеспечивает создание надежного шарового крана за счет повышения его герметичности.
Литература
1. RU 203284 U1 – Кран шаровой [Электронный ресурс] // Яндекс.Патенты. URL: https://yandex.ru/patents/doc/ RU203284U1_20210330 (дата обращения: 27.04.2021).
