Шаровые краны: устройство, применение и особенности

Введение

Устройство управления потоком
шаровые краны

Шаровой кран – это устройство управления потоком, использующее полый, перфорированный и поворачивающийся шар для регулирования потока жидкости. Он открыт, когда отверстие в центре шара выровнено с входным отверстием потока, и закрыт, когда шар поворачивается на 90 градусов ручкой крана, перекрывая поток. Ручка расположена плоско, параллельно потоку в открытом положении, и перпендикулярно ему в закрытом, что обеспечивает легкую визуальную идентификацию состояния крана. Поворот на 1/4 оборота для закрытия может быть как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. Шаровые краны долговечны, сохраняют работоспособность после множества циклов и надежны, обеспечивая герметичное перекрытие даже после длительного простоя. Эти качества делают их отличным выбором для запорной и регулирующей арматуры, где они часто предпочтительнее задвижек и регулирующих клапанов, однако им не хватает тонкой регулировки, характерной для этих альтернатив. Простота эксплуатации, ремонта и универсальность шаровых кранов обуславливают их широкое применение в промышленности, поддерживая давление до и температуру до , в зависимости от конструкции и используемых материалов. Типичные размеры варьируются от 0,2 до 48 дюймов (5 до 1200 мм). Корпуса кранов изготавливаются из металла, пластика или металла с керамикой; плавающие шары часто хромируются для повышения износостойкости. Одним из недостатков шаровых кранов является то, что при использовании для управления потоком воды они задерживают воду в центральной полости в закрытом положении. При понижении температуры окружающей среды ниже точки замерзания стенки могут треснуть из-за расширения при образовании льда. В таких случаях обычно предотвратить повреждение можно с помощью теплоизоляции или нагревательного кабеля. Другой вариант для холодного климата – "шаровой кран с защитой от замерзания". Эта конструкция включает в себя предохранительную вставку, которая разрушается при замерзании, служа точкой намеренного разрушения и облегчая ремонт. Вместо замены всего крана требуется лишь установка новой предохранительной вставки. Для криогенных жидкостей или продуктов, которые могут расширяться внутри шара, в верхней части крана предусмотрено вентиляционное отверстие. Такой кран называют краном с вентиляцией. Шаровой кран не следует путать с "шаровым обратным клапаном" – типом обратного клапана, использующим цельный шар для предотвращения обратного потока. К другим типам четвертьоборотной арматуры относятся дисковые затворы, пробковые краны и шаровые краны с защитой от замерзания.

A ball valve is a flow control device which uses a hollow, perforated, and pivoting ball to control fluid flowing through it. It is open when the hole through the middle of the ball is in line with the flow inlet, and closed when it is pivoted 90 degrees by the valve handle, blocking the flow. The handle lies flat in alignment with the flow when open, and is perpendicular to it when closed, making for easy visual confirmation of the valve's status. The shut position 1/4 turn could be in either clockwise or counter clockwise direction. Ball valves are durable, performing well after many cycles, and reliable, closing securely even after long periods of disuse. These qualities make them an excellent choice for shutoff and control applications, where they are often preferred to gates and globe valves, but they lack the fine control of those alternatives, in throttling applications. The ball valve's ease of operation, repair, and versatility lend it to extensive industrial use, supporting pressures up to and temperatures up to , depending on design and materials used. Sizes typically range from 0.2 to 48 in (5 to 1200 mm). Valve bodies are made of metal, plastic, or metal with a ceramic; floating balls are often chrome plated for durability. One disadvantage of a ball valve is that when used for controlling water flow, they trap water in the center cavity while in the closed position. In the event of ambient temperatures falling below freezing point, the sides can crack due to the expansion associated with ice formation. Some means of insulation or heat tape in this situation will usually prevent damage. Another option for cold climates is the "freeze tolerant ball valve". This style of ball valve incorporates a freeze plug in the side so in the event of a freeze up, the freeze plug ruptures, acting as a 'sacrificial' fail point, allowing an easier repair. Instead of replacing the whole valve, all that is required is the fitting of a new freeze plug. For cryogenic fluids, or product that may expand inside of the ball, there is a vent drilled into the upstream side of the valve. This is referred to as a vented ball. A ball valve should not be confused with a "ball check valve", a type of check valve that uses a solid ball to prevent undesired backflow. Other types of quarter turn valves include the butterfly valve and plug valve and freeze proof ball valve.

Типы

Существует пять основных типов шаровых клапанов: однокорпусный, трехкомпонентный, разъемный, с верхним входом и сварной. Различие заключается в том, как изготавливаются и собираются части клапана, особенно корпус, в котором находится сам шар. Принцип работы клапана во всех случаях одинаков. Однокорпусные конструкции обеспечивают очень высокую жесткость, в некоторых вариантах шар можно извлечь из клапана, не демонтируя весь клапан из трубопровода, однако многокомпонентные корпуса предоставляют больше возможностей для конструкторских решений. Кроме того, существуют различные типы, связанные с проходным сечением самого шарового механизма. В зависимости от рабочего давления, шаровые клапаны классифицируются на шаровые клапаны низкого и высокого давления. В большинстве отраслей промышленности шаровые клапаны с рабочим давлением выше, чем считаются шаровыми клапанами высокого давления. Обычно максимальное рабочее давление для шаровых клапанов высокого давления составляет и зависит от конструкции, размеров и материалов уплотнения. Максимальное рабочее давление шаровых клапанов высокого давления может достигать . Шаровые клапаны высокого давления часто используются в гидравлических системах, поэтому их также называют гидравлическими шаровыми клапанами. Шаровые клапаны размером до обычно изготавливаются в одно-, двух- или трехкомпонентном исполнении. Однокомпонентные шаровые клапаны почти всегда имеют уменьшенное проходное сечение, относительно недороги и, как правило, заменяются, а не ремонтируются. Двухкомпонентные шаровые клапаны обычно имеют слегка уменьшенное (или стандартное) проходное сечение и могут быть как одноразовыми, так и подлежащими ремонту. Трехкомпонентная конструкция позволяет легко извлекать из трубопровода центральную часть клапана, содержащую шар, шток и седла. Это облегчает эффективную очистку от отложений, замену седел и сальниковых набивок, полировку небольших царапин на шаре – и все это без демонтажа трубопровода с корпуса клапана. Конструктивная концепция трехкомпонентного клапана предусматривает его ремонтопригодность. Каждый клапан нагревается до определенной температуры, после чего излишки материала удаляются с корпуса.

There are five general body styles of ball valves: single body, three piece body, split body, top entry, and welded. The difference is based on how the pieces of the valve—especially the casing that contains the ball itself—are manufactured and assembled. The valve operation is the same in each case. The one piece bodies provide a very rigid construction, in some versions the ball is removable from the valve without taking the entire valve out of the line however multi piece bodies offer greater scope for ingenuity of design. In addition, there are different styles related to the bore of the ball mechanism itself. And depending on the working pressure, the ball valves are categorized as low pressure ball valves and high pressure ball valves. In most industries, the ball valves with working pressures higher than are considered high pressure ball valves. Usually the maximum working pressure for the high pressure ball valves is and depends on the structure, sizes and sealing materials. The maximum working pressure of high pressure ball valves can be up to High pressure ball valves are often used in hydraulic systems, so they are also known as hydraulic ball valves. Ball valves in sizes up to generally come in a single piece, two or three piece designs. One piece ball valves are almost always reduced bore, are relatively inexpensive, and are generally replaced instead of repaired. Two piece ball valves generally have a slightly reduced (or standard) bore, and can be either throw away or repairable. The three piece design allows for the center part of the valve containing the ball, stem and seats to be easily removed from the pipeline. This facilitates efficient cleaning of deposited sediments, replacement of seats and gland packings, polishing out of small scratches on the ball, all this without removing the pipes from the valve body. The design concept of a three piece valve is for it to be repairable. Each valve is heated to a certain degree, while the excess material is trimmed from the body.

Полный проход

Шаровой клапан с полным проходным сечением (иногда называемый клапаном с полным каналом) имеет увеличенный шар, благодаря чему отверстие в шаре соответствует диаметру трубопровода, что снижает гидравлическое сопротивление. Проток не ограничен, однако такой клапан имеет большие габариты и более высокую стоимость, поэтому он применяется только там, где требуется максимальная пропускная способность, например, в трубопроводах, предназначенных для прочистки с помощью ершей.

Уменьшенный проход или уменьшенный порт

В шаровых клапанах с уменьшенным проходным сечением (иногда с уменьшенным портом) проходное отверстие клапана на один диаметр меньше, чем диаметр присоединительного патрубка клапана, что приводит к уменьшению площади потока по сравнению с площадью трубы. Поскольку объемный расход остается постоянным и равен произведению площади потока (A) на скорость потока (V), уменьшение площади потока приводит к увеличению скорости.

В-порт

Вентиль с шаровым затвором V-образной формы имеет шарообразный затвор или седло V-образной формы. Это обеспечивает линейные и равнопроцентные характеристики расхода. Когда вентиль находится в закрытом положении и начинается открытие, сначала открывается узкая часть V-образной формы, что позволяет стабильно регулировать расход на начальном этапе. Конструкция такого типа обычно требует более прочной конструкции из-за более высоких скоростей потока, которые могут повредить стандартный вентиль. При точной обработке эти вентили являются отличными регулирующими клапанами, обеспечивая превосходную герметичность.

Двигательная коробка

Шаровой клапан с трюнным валом имеет дополнительное механическое крепление шара сверху и снизу, что делает его подходящим для клапанов большего размера и с более высоким давлением (обычно выше и ). Плавающий шаровой клапан – это клапан, в котором шар не фиксируется трюнным валом. В процессе нормальной эксплуатации это приводит к небольшому смещению шара по потоку. Это вызывает сжатие уплотнительного механизма под давлением шара. Кроме того, в некоторых конструкциях, при воздействии силы, способной разрушить уплотнительный механизм (например, при экстремальном нагреве от внешнего пожара), шар переместится до упора в металлический корпус, который предназначен для герметичного контакта с шаром, обеспечивая некоторую степень безопасности. Шаровые клапаны с ручным управлением могут закрываться быстро, что создает опасность возникновения гидравлического удара. Некоторые шаровые клапаны оснащены приводом, который может быть пневматическим, гидравлическим или электрическим. Эти клапаны могут использоваться как для перекрытия потока, так и для его регулирования. Пневматический клапан регулирования потока также оснащен позиционером, который преобразует управляющий сигнал в положение привода и соответствующую степень открытия клапана.

Многопортовые

Трех- и четырехходовые клапаны имеют L- или T-образное отверстие, проходящее через центр. Различные комбинации потока показаны на рисунке. Очевидно, что Т-клапан может соединить любую пару портов или все три вместе, однако положение под углом 45 градусов, которое может разъединить все три порта, не допускает погрешностей. L-клапан может соединить центральный порт с любым из боковых портов или разъединить все три, но он не может соединить боковые порты между собой. Многоходовые шаровые клапаны с 4 и более путями также доступны в продаже, при этом входной путь часто расположен ортогонально плоскости выходных отверстий. Для специальных применений, например, для переключения направления вращения пневматических двигателей, управление осуществляется вращением одного четырехходового клапана с рычагом. Четырехходовой шаровой клапан имеет два L-образных порта в шаре, которые не сообщаются друг с другом, и иногда их называют "крестообразным" портом ("×").