Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Шаровые краны и дисковые затворы — наиболее распространённые типы четвертьоборотной запорной арматуры в промышленных трубопроводах. В обоих типах арматуры запорный элемент (шар или диск) совершает вращательное движение на 90 градусов, и качество этого движения во многом определяется подшипниковыми узлами. Подшипники обеспечивают точное центрирование запорного элемента, снижают крутящий момент управления и определяют герметичность и ресурс арматуры.
В отличие от вращающихся машин (насосов, компрессоров), где подшипники работают при непрерывном вращении, подшипники трубопроводной арматуры работают в специфических условиях: малый угол поворота (90 градусов), редкие циклы срабатывания (от нескольких раз в сутки до нескольких раз в год), высокие статические нагрузки от давления среды и значительные перепады температур. Эти условия определяют выбор типа подшипников — в трубопроводной арматуре практически повсеместно применяются подшипники скольжения из антифрикционных полимеров (PTFE, PEEK), композитных материалов (металлофторопластовые типа DU/PERMAGLIDE) и бронзы.
В данной статье рассмотрены конструкции подшипниковых узлов шаровых кранов (ALSO КШ, LD КШЦ, Neway, Cameron/Schlumberger) и дисковых затворов (Danfoss VFY/SBFV, Tecofi, AVK), материалы подшипников, их влияние на рабочие характеристики арматуры и требования нормативных документов.
По способу крепления шара в корпусе шаровые краны делятся на два основных типа, принципиально различающихся конструкцией подшипниковых узлов.
В кранах с плавающим шаром запорный элемент удерживается только штоком сверху и не имеет нижней опоры. Под действием давления среды шар прижимается к нижнему (выходному) седлу, обеспечивая герметичность. Подшипниковые узлы в таких кранах минимальны — как правило, это втулка штока из PTFE и упорная шайба. Краны с плавающим шаром применяются при DN до 200-250 мм и давлении до PN 40 (Class 300).
В цапфовых кранах шар зафиксирован между верхним штоком и нижней цапфой (trunnion), которые опираются на подшипники в корпусе. Шар может свободно вращаться вокруг оси, но не перемещается вдоль оси трубопровода. Усилие от давления среды передаётся через цапфу на подшипники и далее на корпус, а не на сёдла. Это существенно снижает нагрузку на уплотнительные элементы и крутящий момент управления. Цапфовые краны применяются при DN от 50 мм и выше, при высоких давлениях (до Class 2500) и на магистральных трубопроводах.
Подшипники цапфы (trunnion bearings) — ключевые нагруженные элементы цапфового шарового крана. Они воспринимают радиальные нагрузки от давления среды на шар и обеспечивают плавное вращение запорного элемента. В конструкции цапфового крана предусмотрены два подшипника: верхний (на штоке) и нижний (на цапфе).
Подшипник цапфы представляет собой втулку скольжения (bushing), запрессованную или установленную в гнездо корпуса крана. Наиболее распространённые конструкции:
— Цельная втулка из PTFE или RPTFE (армированного PTFE) — для давлений до Class 600 и температур от -29 до +200 градусов Цельсия. — Композитная втулка типа DU (стальная основа + пористый бронзовый слой + PTFE-покрытие) — для высоких нагрузок, давлений Class 900-2500. — Втулка из PEEK (полиэфирэфиркетон) — для высокотемпературных применений (до +260 градусов Цельсия) и агрессивных сред.
Согласно типовым спецификациям производителей (KITZ, Walworth, Force, ISV и др.), подшипник цапфы обозначается как "Curl Bearing (Ball)" или "Trunnion Bearing" и изготавливается из углеродистой или нержавеющей стали с покрытием RPTFE или графитом.
Шток шарового крана передаёт крутящий момент от привода (рукоятки, редуктора, пневмо- или электропривода) к шару и одновременно воспринимает осевое усилие от давления среды (совместно с цапфой). Подшипниковый узел штока включает:
Радиальный подшипник штока (stem bearing) — втулка скольжения из PTFE, обеспечивающая точное центрирование штока в корпусе. В конструкциях ведущих производителей шток жёстко поддерживается между двумя подшипниками (dual stem bearing system), что исключает боковые нагрузки на шток, снижает крутящий момент и увеличивает ресурс уплотнений.
Упорная шайба (thrust washer) — кольцевой элемент из PTFE или композита (сталь + PTFE), расположенный между верхним торцом шара (или штока) и корпусом крана. Воспринимает осевое усилие от давления среды на шток. Материал — PTFE, RPTFE или DU (стальная основа + PTFE).
Шаровые краны ALSO серии КШ выпускаются с плавающим и цапфовым шаром для DN 15-500 мм. В цапфовых исполнениях (КШ Ц) применяются подшипники скольжения из PTFE на штоке и цапфе, упорные шайбы из PTFE. Сёдла — PTFE или RPTFE с пружинным поджимом. Конструкция соответствует ГОСТ 21345-2005 и обеспечивает антистатическое исполнение (электрическая непрерывность между шаром, штоком и корпусом).
Краны LD серии КШЦ — цапфовые шаровые краны для DN 50-500 мм с давлением PN 16-40. Подшипниковые узлы включают втулки скольжения штока и цапфы из антифрикционных полимеров (PTFE), упорные шайбы из PTFE. Конструкция предусматривает возможность аварийной инжекции герметика в зону седла при нарушении герметичности.
Neway производит цапфовые шаровые краны по API 6D для нефтегазовой отрасли в диапазоне DN 50-1200 мм, Class 150-2500. Подшипники цапфы — композитные втулки с покрытием RPTFE или Devlon, обеспечивающие работу без внешней смазки. Упорные шайбы — PTFE или углеродистая сталь с PTFE-покрытием. Шток поддерживается между двумя подшипниками, прецизионная обработка посадочных поверхностей в сочетании с контролем твёрдости между металлическими деталями и двойными O-кольцами обеспечивает надёжное уплотнение и длительный ресурс.
Cameron (подразделение SLB, ранее Schlumberger) производит высоконапорные цапфовые краны серий ORBIT, GROVE и TBV для подводных, наземных и морских нефтегазовых систем, Class 150-2500. Подшипниковые узлы включают самосмазывающиеся втулки на основе PEEK с углеродным и графитовым наполнением для работы при температурах от криогенных (-196 градусов Цельсия) до +260 градусов Цельсия. Конструкция соответствует API 6D, API 6DSS (для подводного применения), а также требованиям NACE MR0175 для сред с содержанием сероводорода.
Подшипник цапфы (Trunnion bearing): углеродистая сталь + графит. Подшипник штока (Stem bearing): PTFE. Упорная шайба (Thrust washer): углеродистая/нержавеющая сталь + RPTFE (DU). Упорная шайба шара (Ball thrust washer): PTFE. Сёдла: RPTFE, Devlon или PEEK в металлическом кольце-держателе. Пружины сёдел: Inconel X750.
Дисковый затвор (затвор поворотный дисковый, butterfly valve) — четвертьоборотная арматура, в которой запорным элементом служит диск, вращающийся на валу (штоке). По конструкции различают концентрические (центральные) и эксцентриковые (двойного и тройного эксцентриситета) затворы.
Вал дискового затвора опирается на два подшипника — верхний и нижний, расположенные в корпусе. В отличие от шарового крана, где подшипники воспринимают преимущественно статические нагрузки, подшипники дискового затвора работают в условиях значительных гидродинамических нагрузок на диск при частичном открытии.
Вал проходит через центр диска. Подшипники — бронзовые или полимерные (PTFE) втулки, запрессованные в корпус. Уплотнение обеспечивается эластомерным вкладышем (NBR, EPDM), обжимающим кромку диска.
Ось вала смещена от центра диска в двух плоскостях, что обеспечивает отрыв диска от седла при первых градусах открытия и снижает износ. Подшипники — самосмазывающиеся бронзово-PTFE композитные втулки. Осевое усилие воспринимается упорными шайбами или дисками из POM (полиоксиметилен) или PTFE.
Третий эксцентриситет (конический профиль седла) обеспечивает безконтактное движение диска и герметичность металл-металл. Подшипники — композитные DU-втулки или бронзовые втулки повышенной точности.
Подшипниковый узел дискового затвора включает:
Радиальные подшипники вала — две втулки скольжения (верхняя и нижняя), обеспечивающие центрирование вала и диска в корпусе. Воспринимают радиальные нагрузки от давления среды на диск и от крутящего момента привода. Типичные материалы: бронзовые втулки (CuSn или CuAl), бронзовые втулки с PTFE-покрытием, композитные втулки DU/PERMAGLIDE (стальная основа + бронза + PTFE).
Осевые (упорные) подшипники — шайбы или диски, воспринимающие осевое усилие от давления среды, стремящееся выдавить вал из корпуса. Типичные материалы: POM (полиоксиметилен, например в затворах AVK), PTFE, бронза.
Уплотнения вала — O-кольца (EPDM, Viton), расположенные по обе стороны от подшипниковой втулки, предотвращают утечку среды по штоку. В ряде конструкций между O-кольцами и подшипником размещена промежуточная втулка из нержавеющей стали.
Стальные дисковые затворы Danfoss серии SBFV оснащаются радиальными и осевыми подшипниками INA PERMAGLIDE (нержавеющая сталь + PTFE). Это композитные подшипники скольжения с низким коэффициентом трения, обеспечивающие стабильный крутящий момент на протяжении всего срока службы. Сальниковая набивка — графит/PTFE (армированный углеродом PTFE), не деградирующая со временем и допускающая подтяжку без демонтажа из трубопровода. Конструкция обеспечивает высокую надёжность герметичности и передачи крутящего момента благодаря антифрикционным подшипникам в долгосрочной перспективе.
Дисковые затворы Tecofi серии VPI (межфланцевые концентрические) и Tecflon (с PTFE-футеровкой для химических сред) выпускаются для DN 32-1200 мм. Подшипники вала — бронзовые втулки в стандартном исполнении. Корпус — высокопрочный чугун GGG50 с эпоксидным покрытием. Диск — чугун GGG50, нержавеющая сталь или алюминиевая бронза C954 (для морской воды и агрессивных сред). Уплотнительный вкладыш — NBR или EPDM. Рабочее давление до PN 16, температура от -10 до +130 градусов Цельсия (для EPDM).
AVK производит концентрические и двухэксцентриковые дисковые затворы серий 75 и 756 для водоснабжения, водоотведения и промышленных трубопроводов. Конструктивные особенности подшипниковых узлов AVK:
— Радиальные подшипники: самосмазывающиеся бронзово-PTFE композитные втулки (bronze/PTFE radial bearings) для двухэксцентриковых затворов серии 756; бронзовые втулки с O-кольцами EPDM для концентрических затворов серии 75. — Осевые подшипники: сменный диск из POM (полиоксиметилен) на нижнем конце вала, работающий как упорный подшипник. — Вал — дуплексная нержавеющая сталь (для серии 756), концы вала инкапсулированы в диске и зафиксированы штифтами с коррозионной защитой O-кольцами и пластиной из нержавеющей стали. — Конструкция противовыбросная (anti blow-out): вал не может быть выдавлен давлением среды.
PTFE — наиболее распространённый материал подшипников и упорных шайб трубопроводной арматуры. Ключевые свойства: коэффициент трения 0,04-0,10 (по стали), химическая инертность к подавляющему большинству сред, рабочая температура от -200 до +260 градусов Цельсия (кратковременно), совместимость с пищевыми и фармацевтическими средами. Недостаток чистого PTFE — низкая несущая способность и склонность к холодной текучести (ползучести) под нагрузкой. Для повышения механических характеристик применяется армированный PTFE (RPTFE) с наполнителями: стекловолокно (15-25%), углеродное волокно, графит, бронзовый порошок.
PEEK используется в подшипниках арматуры для высокотемпературных (до +260 градусов Цельсия непрерывно) и агрессивных сред. Несущая способность PEEK значительно выше, чем у PTFE. Для подшипниковых применений выпускается PEEK HPV (High Performance Variant) с наполнением 10% углерода + 10% графита + 10% PTFE, обладающий оптимальным сочетанием низкого трения, износостойкости и высокого предельного PV-фактора (произведение давления на скорость). PEEK широко применяется в сёдлах и подшипниках кранов для нефтегазовой отрасли, а также в криогенных системах СПГ.
Бронзовые втулки (оловянная бронза CuSn, алюминиевая бронза CuAl) применяются в подшипниках дисковых затворов для водоснабжения и общепромышленных применений. Бронза обеспечивает высокую несущую способность и коррозионную стойкость, но требует смазки или применяется в паре с PTFE-покрытием.
Подшипники типа DU (торговые наименования: PERMAGLIDE от INA/Schaeffler, DP от GGB, и аналоги) — наиболее распространённый тип высоконагруженных подшипников скольжения в цапфовых шаровых кранах и дисковых затворах тройного эксцентриситета. Конструкция DU-подшипника трёхслойная:
1. Стальная основа (углеродистая или нержавеющая сталь) — обеспечивает прочность и жёсткость, передаёт нагрузку на корпус арматуры. 2. Пористый бронзовый слой (спечённый) — служит матрицей для антифрикционного покрытия и обеспечивает теплоотвод. 3. PTFE-покрытие (с наполнителями: свинец, графит, MoS2) — рабочий слой с низким коэффициентом трения, обеспечивающий работу без внешней смазки (dry sliding).
DU-подшипники обеспечивают статическую нагрузку до 250 МПа и коэффициент трения 0,02-0,20 в зависимости от нагрузки, скорости скольжения и степени приработки. Конкретные допустимые нагрузки определяются типом скользящего материала (E40, E50 и др. по каталогу Schaeffler). Именно эти подшипники указаны в спецификации стальных дисковых затворов Danfoss SBFV (INA PERMAGLIDE, нержавеющая сталь + PTFE) для радиальных и осевых опор вала.
Крутящий момент управления — важнейший эксплуатационный параметр четвертьоборотной арматуры, определяющий тип и мощность привода. Он складывается из нескольких составляющих, большинство из которых напрямую зависят от качества подшипников.
Mобщ = Mседло + Mшток + Mцапфа + Mпривод
где: Mседло — момент трения между шаром и сёдлами (определяется усилием пружин и давлением среды); Mшток — момент трения в подшипнике и уплотнении штока; Mцапфа — момент трения в подшипниках цапфы и упорных шайбах; Mпривод — момент трения в механизме привода (редуктор, рукоятка).
Применение PTFE-подшипников с коэффициентом трения 0,04-0,10 вместо металлических пар скольжения (коэффициент трения 0,15-0,35) позволяет снизить крутящий момент на 30-50% и, соответственно, использовать менее мощные приводы. Это особенно критично для арматуры большого диаметра (DN 300 и более), где крутящий момент может достигать нескольких тысяч Нм.
В дисковых затворах профилированная кромка диска и правильно подобранные подшипники позволяют добиться низкого закрывающего момента. В двухэксцентриковых затворах AVK серии 756 наклон диска обеспечивает отрыв от уплотнения после первых градусов открытия, что резко снижает момент страгивания.
Подшипники скольжения из PTFE и композитов в трубопроводной арматуре являются необслуживаемыми (maintenance-free) элементами, не требующими внешней смазки в процессе эксплуатации. Тем не менее, ряд факторов влияет на их ресурс:
Циклический ресурс — типичный ресурс подшипников арматуры составляет 5 000-10 000 полных циклов (открытие-закрытие) для стандартных условий. Для арматуры с частым циклированием (регулирующая арматура) ресурс может быть ниже.
Температура — при температурах выше +200 градусов Цельсия ресурс PTFE-подшипников снижается из-за ускоренного старения полимера. Для высокотемпературных применений рекомендуется PEEK или металлические пары с графитовой смазкой.
Абразивные среды — твёрдые частицы в среде (песок, окалина) вызывают абразивный износ PTFE-покрытия. Для таких условий предпочтительны металлические седла и подшипники с твёрдым покрытием.
Коррозионные среды — при работе в агрессивных средах (кислоты, щёлочи, морская вода) необходимо применять подшипники на основе нержавеющей стали (SS + PTFE) вместо углеродистой стали.
Конструкция подшипниковых узлов трубопроводной арматуры регламентируется рядом отечественных и международных стандартов:
Согласно API 6D, при расчёте приводного тракта цапфового крана допускаемые напряжения подшипников и деталей привода должны соответствовать ASME BPVC Section VIII, Div. 1, при этом ограничения не распространяются на компоненты проприетарных (фирменных) подшипников качения или скольжения, где применяются рекомендации и ограничения производителя, подтверждённые испытаниями и эксплуатационным опытом.
Для трубопроводной арматуры и промышленного оборудования рекомендуем ознакомиться со следующими каталогами продукции:
Данная статья носит исключительно ознакомительный и справочный характер. Информация предоставлена для общего понимания конструкции и принципов работы подшипниковых узлов шаровых кранов и дисковых затворов и не является руководством по проектированию, монтажу, ремонту или эксплуатации конкретного оборудования.
Автор и издатель не несут ответственности за любые прямые или косвенные убытки, ущерб здоровью, повреждение оборудования или иные последствия, возникшие в результате использования информации из данной статьи. При проектировании, подборе и обслуживании трубопроводной арматуры необходимо руководствоваться официальной технической документацией производителей (ALSO, LD, Neway, Cameron, Danfoss, Tecofi, AVK и др.), а также действующими стандартами (API 6D, ГОСТ 21345, EN 593 и др.).
Все работы по монтажу и обслуживанию трубопроводной арматуры должны выполняться квалифицированным персоналом с соблюдением требований промышленной безопасности.
1. API 6D. Specification for Pipeline and Piping Valves. American Petroleum Institute.
2. API 608. Metal Ball Valves — Flanged, Threaded, and Welding End. American Petroleum Institute.
3. API 607. Fire Test for Quarter-Turn Valves and Valves Equipped with Nonmetallic Bodies, Seats, or Sealants. American Petroleum Institute.
4. ГОСТ 21345-2005. Краны шаровые, конусные и цилиндрические на номинальное давление не более PN 250. Общие технические условия.
5. ГОСТ 28908-91. Краны шаровые и затворы дисковые. Строительные длины.
6. ГОСТ 12521-89. Затворы дисковые. Основные параметры.
7. ГОСТ 13547-79. Затворы дисковые на Ру до 2,5 МПа. Общие технические условия.
8. EN 593. Industrial valves — Metallic butterfly valves.
9. ISO 5211. Industrial valves — Part-turn actuator attachments.
10. NACE MR0175 / ISO 15156. Petroleum and natural gas industries — Materials for use in H2S-containing environments.
11. Danfoss. Steel butterfly valves SBFV — Technical data sheet AI165686469433en-010801. Danfoss A/S.
12. AVK International. Double eccentric butterfly valve Series 756 — техническая документация.
13. AVK International. Centric wafer butterfly valve Series 75 — техническая документация.
14. KITZ Corporation. Trunnion Mounted Ball Valves — каталог. KITZ, Japan.
15. Walworth. Trunnion Mounted Ball Valve Catalog. Walworth, Mexico.
16. Ohio Valve Company. Carbon and Stainless Steel Trunnion Mounted Ball Valves — техническая документация.
17. Schaeffler (INA). Metal/Polymer Composite Plain Bearings (TPI 211) — каталог. Schaeffler Technologies AG, Germany.
18. SKF Group. Rolling Bearings — главный каталог. SKF, Gothenburg, Sweden.
19. Гуревич Д.Ф. Расчёт и конструирование трубопроводной арматуры. Изд. 5-е. ЛКИ, 2008.
20. Решетов Д.Н. Детали машин, 4-е изд. Машиностроение, 1989.
21. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Том 2. Машиностроение, 9-е изд.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.