Шаровой кран и задвижка: как выбрать?

Шаровой кран и задвижка — два наиболее часто используемых типа запорной арматуры в промышленных и коммунальных трубопроводных системах. Оба могут запускать или останавливать поток жидкости, но работают по-разному и предназначены для разных условий монтажа.

Шаровой кран использует вращающийся шар с отверстием в центре. Поворот примерно на 90 градусов совмещает или перекрывает отверстие, позволяя крану быстро открываться или закрываться. Задвижка использует клиновидный или параллельный затвор, который перемещается вертикально через проходное сечение, и обычно требует нескольких оборотов маховика для завершения открытия или закрытия.

Решение между шаровым краном и задвижкой не должно основываться только на размере трубопровода или цене покупки. Инженеры должны учитывать скорость срабатывания, перепад давления, герметичность, тип жидкости, содержание твердых частиц, температуру, давление, монтажное пространство, частоту срабатывания и требования к обслуживанию.

Во многих применениях шаровой кран предпочтителен для быстрого срабатывания, компактного монтажа и надежного перекрытия. Задвижка часто выбирается для больших трубопроводов, подземных водопроводных систем и применений, требующих относительно беспрепятственного пути потока в полностью открытом состоянии.

Это руководство объясняет основные различия между шаровым краном и задвижкой, их принципы работы, преимущества, ограничения, области применения и факторы, которые следует оценивать при выборе правильного клапана.

Шаровой кран

Задвижка

Что такое шаровой кран?

Шаровой кран — это запорное устройство с поворотом на четверть оборота, которое управляет потоком через полый перфорированный шар внутри корпуса клапана. Когда отверстие в шаре совмещено с трубопроводом, жидкость может проходить через клапан. Когда шар повернут на 90 градусов, сплошная сторона шара перекрывает проходное сечение.

Шар поддерживается и уплотняется седлами, расположенными с обеих сторон запорного элемента. Эти седла могут быть изготовлены из ПТФЭ, армированного ПТФЭ, ПЭЭК, эластомеров или металла, в зависимости от давления, температуры и совместимости с жидкостью.

Ручной шаровой кран обычно использует рычажную рукоятку или редуктор. Автоматизированные шаровые краны могут быть оснащены пневматическими, электрическими или гидравлическими приводами. Движение на четверть оборота делает автоматизацию относительно простой и позволяет быстрое срабатывание клапана.

Распространенные конструкции шаровых кранов включают:

• Цельный шаровой кран
• Двухсоставной шаровой кран
• Трехсоставной шаровой кран
• Шаровой кран с плавающим шаром
• Шаровой кран с цапфовым креплением
• Полнопроходной шаровой кран
• Шаровой кран с суженным проходом
• Шаровой регулирующий клапан с V-образным вырезом
• Многопортовый шаровой кран
• Криогенный шаровой кран или с металлическим уплотнением

Шаровой клапан с плавающим шаром

В шаровом кране с плавающим шаром шар не закреплен механически с обоих концов. Давление в трубопроводе слегка прижимает шар к нижнему по потоку седлу, помогая создать уплотняющее усилие.

Шаровые краны с плавающим шаром широко используются в трубопроводах малого и среднего диаметра. Они обеспечивают компактную конструкцию и надежную изоляцию для воды, газа, нефти, химикатов и обычных промышленных жидкостей.

Шаровой кран с цапфой

Шаровой кран с цапфовым креплением поддерживает шар с помощью верхних и нижних подшипников или цапф. Шар остается в фиксированном положении, в то время как седла перемещаются к нему для создания уплотнения.

Такая компоновка снижает крутящий момент, создаваемый давлением в трубопроводе. Шаровые краны с цапфовым креплением обычно выбираются для больших размеров, трубопроводов высокого давления, транспортировки нефти и газа, терминалов и критически важных запорных применений.

Полнопроходные и суженные шаровые краны

Полнопроходной шаровой кран имеет отверстие в шаре, близкое к внутреннему диаметру подключенного трубопровода. Он создает относительно низкую потерю давления и может подходить для трубопроводов, требующих очистки скребками.

Шаровой кран с суженным проходом имеет меньшее внутреннее отверстие. Обычно он легче и экономичнее, но создает дополнительное сопротивление потоку и больший перепад давления.

Что такое задвижка?

Задвижка — это запорное устройство с линейным движением и многооборотным приводом, которое открывается и закрывается перемещением затвора вертикально через проходное сечение. Затвор может быть клиновидным, параллельным, цельным, гибким или разъемным, в зависимости от конструкции клапана.

Когда задвижка полностью открыта, затвор поднят из пути потока. Это создает относительно прямой проход через корпус клапана и обычно приводит к низкому сопротивлению потоку.

Задвижки в первую очередь предназначены для полного открытия или полного закрытия. Их обычно не следует использовать для непрерывного дросселирования, потому что высокоскоростная жидкость может повредить затвор и уплотняющие поверхности, когда клапан остается частично открытым.

Распространенные типы задвижек включают:

• Клиновая задвижка
• Параллельная шиберная задвижка
• Задвижка с цельным клином
• Задвижка с гибким клином
• Задвижка с разъемным клином
• Задвижка с эластомерным уплотнением
• Задвижка с металлическим уплотнением
• Задвижка с выдвижным шпинделем
• Задвижка с невыдвижным шпинделем
• Задвижка с самоуплотняющимся корпусом

Задвижка с выдвижным шпинделем

В задвижке с выдвижным шпинделем шпиндель поднимается вверх при открытии клапана. Видимое положение шпинделя дает четкое указание на то, открыта или закрыта задвижка.

Задвижки с выдвижным шпинделем требуют дополнительного вертикального зазора. Они обычно устанавливаются над землей на промышленных предприятиях, в системах противопожарной защиты и местах, где положение клапана должно быть визуально подтверждено.

Задвижка с невыдвижным шпинделем

В задвижке с невыдвижным шпинделем шпиндель вращается без значительного подъема. Затвор перемещается по резьбовому участку внутри корпуса клапана.

Задвижки с невыдвижным шпинделем требуют меньше вертикального монтажного пространства. Они широко используются в подземных водораспределительных трубопроводах, коммунальных сетях и стесненных условиях монтажа.

Задвижка с эластомерным уплотнением

Задвижка с эластомерным уплотнением использует клин, покрытый эластомером. Эта конструкция широко используется в системах питьевого водоснабжения, сточных вод, противопожарного водоснабжения и муниципального распределения.

Клин с резиновым покрытием может обеспечить надежное перекрытие и допускать ограниченное количество совместимых примесей в трубопроводе. Совместимость материалов все равно должна быть проверена на соответствие жидкости, температуре и химическим реагентам.

Шаровой кран против задвижки: основные различия

1. Скорость срабатывания

Одно из самых явных различий при сравнении шарового крана и задвижки — это скорость срабатывания.

Шаровой кран обычно переходит из полностью открытого в полностью закрытое состояние за 90 градусов поворота. Поэтому шаровой кран с рычажным управлением можно открыть или закрыть очень быстро.

Задвижка требует нескольких оборотов маховика или редуктора. Шток постепенно поднимает или опускает клин, что делает работу значительно медленнее.

Быстрое срабатывание полезно для аварийной изоляции, частых переключений и автоматизированных технологических последовательностей. Однако быстрое закрытие шарового крана в жидкостном трубопроводе может вызвать скачок давления или гидроудар.

Более медленное срабатывание задвижки может снизить скорость изменения потока, но не устраняет риск переходных процессов. Крупные насосные и магистральные системы следует оценивать с помощью гидравлического анализа.

2. Герметичность и характеристики утечки

Шаровые краны часто выбирают там, где важна плотная изоляция. Вращающийся шар прижимается к мягким или металлическим седлам, перекрывая путь потока.

Шаровые краны с мягкими седлами могут обеспечивать очень низкую утечку при совместимых температурах и средах. Шаровые краны с металлическими седлами доступны для высоких температур, абразивных сред и тяжелых условий эксплуатации, хотя их характеристики утечки и крутящий момент могут отличаться от конструкций с мягкими седлами.

Герметичность задвижки зависит от выравнивания и состояния клина и седел. Задвижки с эластичными седлами могут обеспечивать плотную изоляцию в водопроводных системах, в то время как задвижки с металлическими седлами могут допускать иной уровень допустимой утечки в зависимости от их конструкции и требований к испытаниям.

Применения, требующие конкретного класса герметичности, должны четко указывать требуемые испытания клапана и допустимую утечку, а не предполагать, что каждый шаровой кран или задвижка обеспечивают одинаковое уплотнение.

3. Перепад давления и пропускная способность

Как полнопроходной шаровой кран, так и полностью открытая задвижка могут обеспечивать относительно беспрепятственный проход потока.

В полнопроходном шаровом кране отверстие в шаре близко к диаметру подключенного трубопровода. В задвижке клин поднимается из пути потока при полном открытии.

Фактические потери давления зависят от внутреннего диаметра, геометрии корпуса, размера клапана, скорости потока в трубопроводе и схемы переходников. Шаровой кран с суженным проходом может создавать заметно большее сопротивление, чем полнопроходная конструкция.

Низкие потери давления могут быть особенно важны во всасывающих линиях насосов, самотечных системах, длинных магистральных трубопроводах и энергочувствительных применениях.

4. Регулирование потока и дросселирование

Стандартную задвижку обычно не следует использовать для дросселирования. При частичном открытии клин подвергается воздействию высокой скорости жидкости и нестабильных сил. Это может вызвать вибрацию, эрозию, повреждение седел и сокращение срока службы.

Стандартный шаровой кран с круглым проходом также в первую очередь является запорным клапаном. Частичное открытие может создавать высокоскоростные струи вокруг ограниченного участка шара и седла.

Когда требуется модулирование потока, можно выбрать V-образный или профилированный шаровой кран. Форма отверстия обеспечивает более предсказуемую зависимость между положением клапана и пропускной способностью.

Для точного непрерывного управления процессом правильно подобранный регулирующий клапан может быть более подходящим, чем стандартный шаровой кран или задвижка.

5. Монтажное пространство

Шаровой кран обычно компактен в вертикальном направлении. Шаровой кран с рычажным управлением требует горизонтального зазора для рукоятки, а автоматизированный шаровой кран требует пространства для привода и аксессуаров.

Задвижка с выдвижным шпинделем требует достаточного вертикального зазора для выдвижения шпинделя вверх. Это может быть затруднительно под платформами, в компактных аппаратных или в трубопроводах, расположенных близко к потолкам.

Задвижка с невыдвижным шпинделем требует меньше вертикального пространства и обычно используется для подземных водопроводных систем. Однако она не обеспечивает такой же прямой визуальной индикации положения клапана, как конструкция с выдвижным шпинделем, если не установлен индикатор.

6. Автоматизация и дистанционное управление

Шаровой кран легко автоматизировать, поскольку он требует только четвертьоборотного движения. Пневматические реечно-шестеренчатые приводы, пневматические шотт-и-кривошипные приводы и электрические четвертьоборотные приводы широко доступны.

Автоматизированные шаровые краны могут быть настроены для работы вкл/выкл, действия при отказе на открытие, действия при отказе на закрытие или модулирующего управления при использовании с подходящими конструкциями клапана и привода.

Задвижка обычно требует многооборотного электрического привода, конического редуктора, гидравлического цилиндра или пневматического линейного привода. Привод должен обеспечивать достаточное усилие или крутящий момент для преодоления перепада давления, трения седел и сопротивления шпинделя.

Крупные автоматизированные задвижки должны включать соответствующую защиту по крутящему моменту или усилию для предотвращения повреждений при закрытии.

7. Требования к техническому обслуживанию

Техническое обслуживание шарового крана может включать замену седел, замену уплотнений штока, очистку полости и осмотр поверхности шара. Трехсоставные шаровые краны могут быть проще в обслуживании, поскольку центральный корпус часто можно снять, не полностью нарушая подключенный трубопровод.

Техническое обслуживание задвижки может включать смазку шпинделя, регулировку сальника, осмотр седел, осмотр клина и удаление отложений из нижней полости корпуса.

Задвижки, которые долгое время остаются в одном положении, могут стать трудными в управлении из-за коррозии, отложений или отсутствия смазки. Периодическая прогонка может помочь подтвердить, что критически важные запорные клапаны остаются работоспособными.

Шаровые краны также требуют периодического осмотра. Длительные периоды без эксплуатации могут вызвать прилипание седел, увеличение крутящего момента или накопление технологического материала внутри полости корпуса.

Применение шаровых кранов

Шаровые краны широко используются в системах, требующих быстрой, надежной и компактной изоляции.

Типичные области применения шаровых кранов включают:

• Трубопроводы природного газа и топливного газа
• Системы нефти и нефтепродуктов
• Химическая переработка
• Промышленные системы водоснабжения
• Трубопроводы сжатого воздуха
• Пар и конденсат с подходящими материалами
• Изоляция входа и выхода резервуара
• Погрузочно-разгрузочные терминалы
• Противопожарные изоляционные применения
• Автоматизированное производственное оборудование
• Системы дозирования химикатов
• Системы аварийного отключения

Шаровой кран с опорой на цапфы обычно используется в магистральных трубопроводах высокого давления. Небольшой плавающий шаровой кран может быть выбран для изоляции оборудования, дренажей, вентиляционных отверстий и подключения коммунальных сетей.

Шаровые краны с V-образным седлом используются в приложениях управления технологическими процессами, где требуются как регулирование потока, так и возможность отсечки.

Применение задвижек

Задвижки широко используются там, где клапан обычно остается полностью открытым или полностью закрытым и требуется относительно прямолинейный путь потока.

Типичные области применения задвижек включают:

• Городские трубопроводы распределения воды
• Системы очистки сточных вод
• Противопожарные и противопожарные сети
• Крупные трубопроводы охлаждающей воды
• Изоляция водохранилищ и насосных станций
• Системы пара и выработки электроэнергии
• Технологические трубопроводы нефти и газа
• Подземные коммунальные трубопроводы
• Крупные промышленные водопроводные магистрали
• Высокотемпературное обслуживание с подходящими конструкциями с металлическим уплотнением

Задвижки с эластичным уплотнением особенно распространены в системах водоснабжения и водоотведения. Задвижки с металлическим уплотнением клиновые или параллельные шиберные могут использоваться в паровых, энергетических и высокотемпературных промышленных применениях.

Материалы шаровых кранов и задвижек

Материал корпуса клапана является лишь одной частью процесса выбора. Инженеры также должны проверить материалы шара, затвора, штока, седла, набивки, прокладки и покрытия.

Корпус из нержавеющей стали не гарантирует автоматически совместимость, если седло клапана, набивка штока или прокладка не выдерживают жидкость или температуру.

Как выбрать между шаровым краном и задвижкой

Выберите шаровой кран, когда:

• Требуется быстрое открытие и закрытие
• Клапан работает часто
• Важна компактная установка
• Требуется пневматическая или электрическая автоматизация
• Плотная изоляция является главным приоритетом
• Трубопровод транспортирует газ, нефть или химикаты
• Предпочтительна индикация положения на четверть оборота
• Требуется полнопроходной путь потока
• Необходимо аварийное отключение или быстрое переключение

Выберите задвижку, когда:

• Клапан в основном используется для редкой изоляции
• Медленная работа приемлема или предпочтительна
• Диаметр трубопровода большой
• Требуется относительно прямолинейный проход потока
• Клапан будет установлен под землей
• Применение - городское водоснабжение или сточные воды
• Требуется водяной клапан с эластичным уплотнением
• Клапан обычно остается полностью открытым
• Для видимой индикации положения требуется выдвижной шток

Таблица выбора на основе применения

Важная информация по выбору клапана

Перед выбором шарового крана или задвижки соберите полную информацию о процессе и трубопроводе.

Важные данные включают:

• Технологическая жидкость и химический состав
• Жидкость, газ, пар или смешанная фаза
• Размер трубопровода
• Нормальное и максимальное давление
• Максимальный перепад давления
• Минимальную и максимальную температуру
• Расход и скорость
• Концентрация твердых частиц и размер частиц
• Условия коррозии и эрозии
• Требуемая производительность отсечки
• Требование полнопроходного или редуцированного прохода
• Фланцевое, резьбовое, сварное или раструбное соединение
• Ручное или автоматизированное управление
• Требуемое время открытия и закрытия
• Действие при отказе: открытие или закрытие
• Внутренняя, наружная, подземная или подводная установка
• Доступное пространство для обслуживания и эксплуатации
• Применимые требования проекта и отрасли

Рекомендации по монтажу шарового крана

• Проверьте класс давления и совместимость материалов.
• Очистите трубопровод перед установкой шарового крана.
• Проверьте соосность фланцев и трубопровода.
• Избегайте передачи напряжений от трубопровода на корпус клапана.
• Обеспечьте достаточный зазор для рычага, редуктора или привода.
• Соблюдайте указанное направление потока, если конструкция является направленной.
• Проверьте требуемую ориентацию клапана.
• После установки выполните полный цикл открытия и закрытия клапана.
• Проведите испытания на давление, герметичность и функциональные испытания.

Рекомендации по монтажу задвижки

• Убедитесь, что имеется достаточный вертикальный зазор.
• Установите задвижку в одобренной ориентации.
• Проверьте соосность трубопровода и фланцев.
• Обеспечьте надлежащую опору для крупных клапанов и приводов.
• Защитите подземные клапаны соответствующими камерами или удлинительными шпинделями.
• Не используйте клапан для принудительного соединения несоосных фланцев.
• При пусконаладке полностью открывайте и закрывайте задвижку.
• Убедитесь, что при нормальной работе на изоляцию клапан не остается частично открытым.
• Проведите испытания на герметичность и функциональные испытания перед эксплуатацией.

Распространенные ошибки при выборе

Выбор только по диаметру трубы

Два клапана с одинаковым номинальным диаметром могут иметь разные внутренние проходы, потери давления, материалы седел и требуемый крутящий момент.

Использование задвижки для дросселирования

Частичное открытие задвижки может повредить затвор и уплотнительные поверхности. Для регулирования следует рассмотреть подходящий регулирующий клапан или шаровой кран с характеристической кривой.

Игнорирование давления в полости шарового крана

Некоторые конструкции шаровых кранов могут задерживать жидкость в полости корпуса при закрытии. Изменения температуры могут повысить давление в полости. Может потребоваться соответствующая конструкция седла или устройства для сброса давления из полости.

Игнорирование рабочего крутящего момента

Привод или редуктор должны быть рассчитаны на максимальный ожидаемый крутящий момент или осевое усилие, включая давление, температуру, трение седла и коэффициенты запаса.

Выбор неправильного материала седла

Корпус клапана может быть совместим с жидкостью, а седло, набивка или прокладка — нет. Все контактирующие со средой и уплотнительные материалы должны быть проверены.

Часто задаваемые вопросы

В чем основное различие между шаровым краном и задвижкой?

Шаровой кран использует вращающийся шар и обычно работает за четверть оборота. Задвижка перемещает затвор вертикально и обычно требует нескольких оборотов.

Какой клапан закрывается быстрее?

Шаровой кран обычно закрывается быстрее, поскольку требует поворота всего на 90 градусов. Задвижка требует нескольких оборотов.

Какой клапан обеспечивает лучшее перекрытие?

Подходящий шаровой кран с мягким седлом обычно обеспечивает очень плотное перекрытие. Герметичность задвижки зависит от клина, конструкции седла, материалов и требований к испытаниям.

Какой клапан имеет меньшее падение давления?

Как полно проходной шаровой кран, так и полностью открытая задвижка могут обеспечивать низкие потери давления. Фактический результат зависит от прохода клапана и внутренней геометрии.

Можно ли использовать задвижку для дросселирования?

Стандартную задвижку, как правило, не следует использовать для дросселирования, поскольку частичное открытие может вызвать вибрацию, эрозию и повреждение седла.

Может ли шаровой кран регулировать поток?

Стандартные шаровые краны в основном используются для изоляции. Для модулирующего регулирования потока можно выбрать шаровой кран с V-образным вырезом или с характеристической кривой.

Какой клапан лучше для природного газа?

Шаровые краны обычно выбирают для изоляции природного газа, поскольку они обеспечивают быстрое срабатывание, компактную конструкцию и подходящую герметичность.

Какой клапан лучше для магистральных водопроводов?

Задвижки с эластичным седлом широко используются в муниципальных водопроводах, особенно для подземной изоляции. Шаровые краны также могут использоваться там, где требуется быстрое срабатывание или автоматизация.

Может ли шаровой кран заменить задвижку?

Иногда, но при замене необходимо проверить межфланцевые размеры, потери давления, пространство для привода, скорость срабатывания, класс давления, материалы и переходные процессы в трубопроводе.

Какой клапан лучше для труб большого диаметра?

Задвижки часто экономичны для крупных магистральных трубопроводов, в то время как крупные шаровые краны с шаровым креплением на цапфах обычно используются там, где требуется плотное перекрытие, быстрое срабатывание или высокая эффективность изоляции трубопровода.

Какой клапан легче автоматизировать?

Шаровой кран, как правило, легче автоматизировать, поскольку он требует компактного привода с поворотом на четверть оборота.

Как мне выбрать между шаровым краном и задвижкой?

Оцените рабочую среду, давление, температуру, расход, частоту срабатывания, требуемую скорость закрытия, герметичность, диаметр трубопровода, монтажное пространство, материалы и требования к приводу.

Заключение

Шаровой кран и задвижка могут обеспечить изоляцию трубопровода, но их конструкция и рабочие характеристики существенно различаются.

Шаровой кран использует поворотный шар на четверть оборота. Он обеспечивает быстрое срабатывание, компактную конструкцию, простую автоматизацию и подходящую плотность перекрытия для многих промышленных сред.

Задвижка использует вертикально перемещающийся затвор и обычно требует многооборотного управления. Она широко используется для редкой изоляции в крупных трубопроводах для воды, сточных вод, пожарной воды, пара и коммунальных сетей.

Выбирайте шаровой кран, когда приоритетом являются быстрое срабатывание, частое циклирование, автоматизация и компактные размеры. Выбирайте задвижку, когда требуется большой трубопровод, подземная установка, медленная изоляция или относительно беспрепятственный поток при полном открытии.

Ни один из клапанов не следует выбирать только по номинальному диаметру трубы. Окончательный выбор должен учитывать давление, температуру, скорость потока, твердые частицы, коррозию, требования к герметичности, материал корпуса, материал седла, рабочий крутящий момент, условия монтажа и доступ для обслуживания.

При правильном выборе, установке и обслуживании как шаровые краны, так и задвижки могут обеспечить надежную изоляцию и длительный срок службы в промышленных и коммунальных трубопроводных системах.