• Техподдержка
• Статьи
• Латунные шаровые краны. Особенности конструкций

Латунные шаровые краны. Особенности конструкций

Предшественники

Латунные шаровые краны в настоящее время почти полностью вытеснили во внутридомовых сетях таких морально и физически устаревших «мастодонтов», как пробковые конусные краны, которые господствовали в зданиях советской эпохи (рис. 1).

Рис. 1. Кран пробковый проходной конусный сальниковый муфтовый 11Б6бк

Пробковые конусные краны имели крайне низкие паспортные эксплуатационные характеристики: срок службы – 8 лет, ресурс – 1500 циклов, наработка на отказ – 400 циклов. Фактические показатели этой дешевой и массовой арматуры были гораздо хуже: притертая пробка крана уже через несколько циклов открытия–закрытия теряла герметичность из-за абразивного воздействия нерастворимых механических примесей в рабочей среде. К тому же пробковые краны обладали весьма значительным гидравлическим сопротивлением. Их коэффициенты местных сопротивлений лежали в пределах от 3,5 до 6,0. Поэтому неудивительно, что при ремонте или демонтаже старых трубопроводных систем нередко встречаются пробковые краны, у которых пробка просто отсутствует, а под прижимную сальниковую гайку проложен подходящего размера «пятак». Сантехники тех времен зачастую просто обозначали наличие запорной арматуры, превращая ее в чисто декоративный элемент системы.

Шаровые краны в советское время, конечно, тоже были хорошо известны, но производились они в чугунном корпусе и выпускались с диаметрами условного прохода свыше двух дюймов. Поэтому когда на рынке трубопроводной арматуры появились дешевые, удобные в монтаже и эксплуатации латунные шаровые краны для внутренних инженерных систем, спрос на них лавинообразно возрос и продолжает расти по настоящее время.

Возросший спрос инициировал появление в продаже кроме действительно добротной продукции и массу изделий весьма сомнительного качества. Этой статьей хотелось бы дать ряд практических советов, которыми предлагается пользоваться при выборе латунного шарового крана.

Материал корпуса

Самое главное, на что следует обратить внимание при приобретении крана, – материал корпуса. Это должна быть действительно латунь, а не цинково-алюминиевый сплав (ЦАМ), который частенько используют некоторые недобросовестные производители. ЦАМ представляет собой сплав, содержащий порядка 96–98 % цинка, 2–3 % алюминия и до 1 % меди. Такие сплавы широко применяются в автомобильной промышленности (корпуса карбюраторов), но использование их для изготовления трубопроводной арматуры ограничивается временными дачными кранами. Если кран из ЦАМ будет установлен в инженерной системе многоквартирного дома, то уже через год–два он просто рассыплется на куски (рис. 2).

Рис. 2. Кран из цинково-алюминиевого сплава через два года эксплуатации

Отличить кран из латуни от крана из ЦАМ можно по весу: последний значительно легче, т.к. удельный вес ЦАМ составляет 6,7 г/см³, а у латуни – 8,4–8,7 г/см³. Если слегка снять шкуркой или надфилем гальванопокрытие на корпусе крана, то латунь обнаруживается по чуть приметной желтизне, которая через два дня окислится до характерного «латунного» цвета. Цвет ЦАМ – серебристый, не меняющийся при окислении. Безопасней всего приобретать кран, у которого естественный цвет латуни обнажен из-под гальванопокрытия на каком-либо участке (рис. 3).

Рис. 3. Естественный цвет латуни крана VALTEC BASE виден на резьбовом патрубке

Основная масса представленных на рынке латунных шаровых кранов изготавливается методом горячей объемной штамповки. Для такого способа производства трубопроводной арматуры наиболее оптимальной по составу является свинцовистая латунь марки CW617N по EN 12165, которая примерно соответствует российской марке ЛС59-2 по ГОСТ 15527. Латунные детали кранов, вытачиваемые из прутка (шаровой затвор, шток, сальниковая гайка), как правило, делаются из латуни марки CW614N (ЛС 58-3). Состав применяемых в арматуростроении латуней показан на табл. 2.

Таблица 1. Состав латуней для производства шаровых кранов

Марка	Содержание элементов, %
	Cu	Sn	Fe	Al	Pb	Ni	Zn
CW617N	57–59	0,3	0,3	0,05	1,6–2,6	0,3	Остальное
ЛС59-2	57–59	0,3	0,4	0,1	1,5–2,5	0,4
CW614N	57–59	0,3	0,3	0,05	2,6–3,5	0,3
ЛС 58-3	57–59	0,4	0,5	0,1	2,5–3,5	0,5

Если взять два однотипных крана разных производителей, то вес у них будет различным. В среде монтажников считается, что чем тяжелее кран, тем толще у него стенки и тем он прочнее. Зная такой способ оценки качества, отдельные производители кранов идут на интересную уловку: они снабжают изделие массивной стальной рукояткой, увеличивающей общий вес крана. Поэтому, сравнивать краны по весу рекомендуется только при снятой рукоятке и гайке крепления.

Сальниковые узлы

Сальниковый узел шарового крана обеспечивает его герметичность по отношению к внешней среде. Конструктивные решения этих узлов могут быть различными (табл. 2).

Таблица 2. Распространенные конструкции сальниковых узлов шаровых кранов

№	Эскиз	Описание	Недостатки узла
1		Шток 1 вставлен изнутри. Два одинаковых сальниковых кольца 4 из эластомера. Самый простой и дешевый узел	Узел неремонтопригоден. Температурная стойкость крана ниже, чем у кранов с тефлоновыми сальниками. Течь по штоку требует замены всего крана. Шток ослаблен кольцевыми проточками
2		Шток 1 вставлен изнутри. Два сальниковых кольца: нижнее 4б – из FPM и верхнее 4а из NBR	Узел неремонтопригоден. Температурная стойкость крана ниже, чем у кранов с тефлоновыми сальниками. Течь по штоку требует замены всего крана. Шток ослаблен кольцевыми проточками
3		Шток 1 вставлен изнутри. Сальниковая гайка 3 имеет внутреннюю резьбу, что потребовало установки антифрикционного элемента 5. Уплотнение выполнено из тефлонового сальника 2 и резинового кольца 4	Узел условно ремонтопригоден, т.к. заменить кольцо 4 нельзя. Малая высота сальника 2 не позволяет ему полноценно выполнять функции герметизации. Шток 1 имеет начальные напряжения от растяжки и ослаблен кольцевой проточкой
4		Шток 1 вставлен изнутри. В роли сальниковой выступает обычная гайка 3 с внутренней резьбой. Растяжка штока потребовала установки антифрикционного элемента 5. Уплотнение выполнено из тефлонового сальника 2 и резинового кольца 4	Узел условно ремонтопригоден, т.к. заменить кольцо 4 нельзя. Малая высота сальника 2 не позволяет ему полноценно выполнять функции герметизации. Шток 1 имеет начальные напряжения от растяжки и ослаблен кольцевой проточкой
5		Шток 1 вставлен изнутри. Сальниковая гайка 3 имеет внутреннюю резьбу. Растяжка штока потребовала установки антифрикционного элемента 5. Уплотнение выполнено из тефлонового сальника 2	Узел ремонтопригоден. Шток 1 имеет начальные напряжения от растяжки
6		Шток 1 вставлен снаружи и имеет прижимной буртик 6. Сальниковая гайка 3 с наружной резьбой имеет выборку под буртик штока. Уплотнение выполнено из тефлонового сальника 2	Узел ремонтопригоден. Возможно выбивание штока давлением рабочей среды. После нескольких подтягиваний сальниковой гайки шток может заклиниться об шаровой затвор

Самым надежным и практичным на сегодняшний день признан сальниковый узел с тефлоновым сальниковым кольцом 2 высотой не менее 40 % диаметра штока, прижимной сальниковой гайкой с наружной резьбой 3 и со штоком 1, вставленным изнутри (рис. 4).

Рис. 4. Сальниковый узел крана VALTEC BASE

При выборе крана следует учитывать, что шаровые краны с неремонтопригодными сальниковыми узлами прослужат до первой протечки по штоку, после чего весь кран подлежит замене.

Еще одна опасность подстерегает тех, кто выберет кран, у которого шток вставлен снаружи, а не изнутри корпуса. С одной стороны, такое решение делает кран ремонтопригодным, но с другой стороны оно несет в себе опасность выбивания штока давлением рабочей среды. Надеяться на то, что сальниковая гайка удержит шток от выдавливания, особенно не приходится, т.к. любое незакрепленное (незаконтренное) резьбовое соединение под действием продольной силы стремится к раскручиванию. Это вызвано тем, что продольная сила F на винтовой плоскости раскладывается на две взаимоперпендикулярные силы (рис. 5) – Fp и Fn.

Рис. 5. Взаимодействие продольной силы с наклонной плоскостью

Сила Fn нормальна к винтовой плоскости и взаимодействует на направляющую винтовую плоскость. То есть она задает прочность винтового соединения. Сила Fp направлена вдоль винтовой плоскости. Именно она стремится раскрутить соединение. Препятствием к раскручиванию является сила трения. При вибрационных нагрузках сила трения существенно ослабевает, что ведет к самопроизвольному раскручиванию. Такая же проблема возникает в накидных гайках обжимных фитингов. Именно поэтому их полагается время от времени довинчивать. На эффекте подобного взаимодействия винтовых плоскостей основана детская юла.

Сила, вызванная давлением рабочей среды, стремится вытолкнуть шток шарового крана из сальникового патрубка. Если шток вставлен изнутри, эту выталкивающую силу воспринимает буртик штока, опирающийся на корпус крана (рис. 6).

Рис. 6. Схема работы штока, вставленного изнутри корпуса

Когда шток вставлен снаружи, выталкивающую силу приходится воспринимать сальниковой гайке (рис. 7). Здесь и начинает проявляться «эффект юлы». Вибрации крана и знакопеременные температурные нагрузки приводят к самопроизвольному откручиванию сальниковой гайки и появлению течи. При отсутствии должного контроля гайка может частично выйти из резьбового зацепления. В этом случае, при малейшем скачке давления, оставшаяся в зацеплении часть резьбы будет смята, и шток будет выбит из крана.

Рис. 7. Схема работы штока, вставленного снаружи

Самым неудачным вариантом сальникового узла является такой, при котором опорный буртик штока смещен вверх и прижимается сальниковой гайкой (рис. 8). В этом случае, по замыслу конструкторов, сальниковая гайка одновременно выполняет функцию ограничителя хода штока и прижимного элемента для сальникового уплотнителя. Кроме возможного выбивания штока по описанной ранее схеме в данной конструкции добавляется опасность полного заклинивания шара штоком. Это может произойти уже после нескольких поджатий сальниковой гайки.

Рис. 8. Схема работы штока со смещенным буртиком

Шаровой затвор

В большинстве внутридомовых латунных шаровых кранов шаровой затвор представляет собой действительно шар (рис. 9А). Ряд производителей для экономии материала делают снизу затвора круговую проточку (рис. 9Б). При этом в нижней части крана создается «отстойник», куда неизбежно будет скапливаться шлам рабочей среды. Если в кране с обычным шаром расстояние от поверхности затвора до стенки корпуса везде примерно одинаковое, то в шаре с проточкой появляется зона малых скоростей потока, что и приведет к осаждению нерастворимых частиц. Самые экономные фирмы превращают шар в квадрат, протачивая еще и его боковые стороны (рис. 9В). Последнее решение видится весьма неоднозначным, поскольку воздействие краёв боковых проточек на седельные кольца существенно сокращают срок службы уплотнителя.

Под флагом борьбы с пресловутой «сальмонеллой», западные производители в последнее время стали выпускать краны со сквозным отверстием в нижней части шарового затвора (рис. 9Г). Как это должно повлиять на жуткую бактерию пока непонятно, но то, что в этом случае сальниковый узел при открытом кране будет испытывать все «прелести» гидравлических ударов – можно утверждать точно.  

Рис. 9. Сечения шаровых затворов

В качестве седельных уплотнений большинства внутридомовых шаровых кранов используется тефлон (политетрафторэтилен, фторопласт, PTFE), имеющий упрощенную химическую формулу (CF₂-CF₂)n. Открытый в 30-е годы прошлого века в компании DuPont (Рой Планкетт), этот материал оказался необыкновенно скользким и термостойким. Первое время тефлон применялся только в военной и космической отраслях, однако по мере открытия новых технологий получения, он широко внедрился и в остальные сферы.

Изделия из тефлона получаются путем спекания и полимеризации тетрафторэтиленового порошка при температуре порядка 80 °С и давлении до 100 атм. Решающее влияние на физически, химические и механические характеристики тефлона оказывают добавляемые в него присадки. Прочность, твердость, пластичность, электропроводность, антифрикционность, термостойкость, химическая стойкость – этими и множеством других свойств можно варьировать в тефлоне, если использовать различные комбинации добавок (табл. 3).

Таблица 3. Влияние добавок на свойства тефлона

Присадка	Свойства, придаваемые тефлону
Стекловолокно	Прочность, износостойкость, теплостойкость, химическая стойкость
Уголь (сажа)	Прочность на сжатие, антифрикционность, теплопроводность, химическая стойкость
Графит	Электропроводность, теплопроводность
Углеволокно	Низкая деформативность, износостойкость, электропроводность, химическая стойкость
Бронза	Низкая текучесть в холодном состоянии, понижает химическую стойкость
Дисульфат молибдена	Износостойкость, прочность при сжатии, низкая химическая стойкость
Термопласты	Суперантифрикционность, износостойкость, химическая устойчивость, исчезает абразивность

Как идеальный материал для сальниковых уплотнений шаровых кранов тефлон почти полностью вытеснил остальные материалы. Однако, рынок есть рынок, и в погоне за снижением себестоимости, отдельные производители находят различные лазейки, чтобы сэкономить на достаточно дорогостоящем, но качественном тефлоне.

Толщина тефлоновых колец в седлах крана может быть настолько мала, что при повышении температуры тефлон из кольца превратится в какую-то волнообразную фигуру, совершенно не способную выполнять свою уплотняющую функцию.

Чаще же всего встречаются уплотнительные элементы из тефлона дешевых марок. Их отличает заметная невооруженным глазом зернистость и шероховатость. Обладая слабыми антифрикционными свойствами и весьма низкой прочностью, такой тефлон служит недолго, так как выкрашивается под воздействием кромок шарового затвора.

Следует отметить, что тефлоновые седельные кольца при сборке должны получить строго определенное усилие предварительного обжатия. Рабочая кромка кольца при этом деформируется, принимая сферическую форму. В связи с этим, шаровой кран должен открываться и закрываться с приложением некоторого усилия. Если кран открывается совершенно свободно, это свидетельствует либо о недостаточном усилии предварительного обжатия, либо о том, что под седельные кольца установлены «демпферы» из эластомера. Такое решение резко снижает температурную стойкость и долговечность крана, т.к. эластомер с начальным весьма высоким напряжением резко теряет свои эксплуатационные свойства с течением времени.

Шаровой затвор постоянно находится под воздействием потока рабочей среды, в которой могут присутствовать нерастворимые абразивные частицы, «бомбардирующие» поверхность затвора (рис. 10).

Рис. 10. Шаровой затвор крана после года интенсивной эксплуатации

Для снижения такого воздействия поверхность затвора, как правило, имеет гальванопокрытие из хрома. Хром гораздо тверже никеля и прекрасно противостоит шламовым «атакам». Однако есть следующая тонкость: хром не может наноситься непосредственно на латунь шара, под ним должна присутствовать медная или никелевая подложка. Ее отсутствие резко снижает срок службы крана. При гальванизации хром в силу своей большой твердости осаждается островками, между которыми находится сеть микротрещин. В условиях электролита эти микротрещины заполняются продуктами коррозии слоя подложки (это медь или никель). Таким образом, получается монолитное прочное покрытие. При отсутствии подложки микротрещины остаются незаполненными, а защитное покрытие становится неполноценным.

В последнее время появились шаровые краны, имеющие тефлоновое покрытие шарового затвора. Даже кратковременная пробная эксплуатация таких кранов выявляет крайне низкую стойкость такого покрытия в условиях потока рабочей среды с механическими включениями (рис. 11).

Рис. 11. Шаровой затвор с тефлоновым покрытием

Ответственные элементы конструкции

Несмотря на свою кажущуюся простоту, шаровой кран имеет ряд конструктивных особенностей, о которых потребителю неплохо знать, чтобы выбрать такое изделие, которое прослужило бы долго и безотказно. Эти особенности показаны на продольном распиле большого полукорпуса шарового крана (рис. 12).

Рис. 12. Продольный распил полукорпуса крана.

Расстояния на рис. 12:

a – резьба, соединяющая два полукорпуса крана, должна иметь не менее трех ниток. Как правило, это метрическая резьба с шагом 1,25 мм;

b – длина присоединительной резьбы должна соответствовать требованиям ГОСТ 6527. Для кранов из горячепрессованной латуни допускается снижать нормативную длину резьбы на 10 %. В частности, для кранов с номинальным диаметром 1/2" размер b должен составлять не менее 11 мм;

с – минимальная ширина буртика, ограничивающего заход присоединяемой трубы в муфтовый патрубок крана, определяется из расчета его на срез под воздействием силы, вызванной монтажным усилием ввинчивания.

B = K · Mз / (b · h · DN · σ_л),

где К – коэффициент запаса прочности по материалу, h – шаг присоединительной резьбы, м, Мз – момент завинчивания при монтаже, Н · м; DN – номинальный диаметр трубы, мм; σ_л– предел прочности латуни, МПа.

В случае несоблюдения этого размера, возможно смятие буртика и заклинивание шарового затвора.

Минимальная толщина стенки корпуса d для заявленного номинального давления (PN) должна быть не менее определенной по расчету:

Здесь Dк – наружный диаметр расчетного сечения корпуса крана, мм, σ_л – предел прочности латуни, МПа, К – коэффициент запаса прочности конструкции.

Регулирование потока шаровым краном

Шаровой кран относится к запорной арматуре, поэтому на него распространяется действия п. 4.44 СП 41-101: «Принимать запорную арматуру в качестве регулирующей не допускается». Большинство европейских производителей безоговорочно снимают гарантию со своих кранов, если будет доказано, что ими пытались регулировать количество проходящей рабочей среды. Дело в том, что современные шаровые краны имеют весьма тонкую стенку корпуса. Она способно выдержать заявленные в паспорте давления и температуру, но противостоять длительному воздействию абразивных частиц дросселированного потока и кавитации не в состоянии (рис. 13). Именно эти явления проявляются при попытках использовать шаровой кран в качестве регулирующего органа.

Рис. 13. Регулирование потока шаровым краном

Крепление рукоятки

Даже такая незначительная конструктивная особенность, как способ крепления рукоятки шарового крана, может сказаться на его долговечности и безопасной эксплуатации.

На рис. 14 представлены наиболее распространенные конструктивные решения этого узла.

Рис. 14. Узлы крепления рукоятки шарового крана

Самым надежным является узел с самоконтрящейся гайкой (рис. 14В). Интегрированное в гайку полиэтиленовое кольцо с внутренним диаметром, меньшим диаметра штока, предотвращает самопроизвольное откручивание гайки в результате продольных усилий и вибрации трубопровода. Крепление рукоятки обычной гайкой (рис. 14Б) требует обслуживания: время от времени гайку приходится подтягивать. Слабая затяжка гайки превращает рукоятку в рычаг, которым можно сломать шток. Наименее удачным является узел, в котором рукоятка крепится винтом. Внутренняя продольная резьба в штоке значительно ослабляет его. К тому же винт в условиях влажного режима эксплуатации быстро ломается, т.к. его живое сечение (по резьбе) чрезвычайно мало (рис. 15).

Рис. 15. Излом штока по внутренней резьбе

Разнообразие шаровых кранов

Компании, производящие шаровые краны для внутренних инженерных систем, обычно имеют несколько серий кранов, каждая из которых предназначена для строго определенных условий эксплуатации. В табл. 4 приводится перечень типов шаровых кранов торговой марки VALTEC, которые уже более 10 лет успешно эксплуатируются в России.

Таблица 4. Серии шаровых кранов VALTEC

COMPACTСерия бюджетных неремонтопригодных кранов для внутриквартирных трубопроводов из неметаллических труб		BASEСерия полнопроходных ремонтопригодных кранов для внутридомовых и квартирных стальных трубопроводов без изгибающих усилий
PERFECTСерия номерных полнопроходных ремонтопригодных усиленных кранов для внутридомовых стояков. Краны способны воспринимать изгибающие моменты и температурные деформации трубопроводов		VALGASСерия полнопроходных кранов для газопроводов низкого и среднего давления
VTp.742 Краны для полипропиленовых трубопроводов	VT.245Краны для металлополимерных трубопроводов	VT.245 Кран с дренажем и воздухоотводчиком	VT.051Водоразборный кран со штуцером
VT.293Кран с фильтром	VT.360 Трехходовой кран	VT.430 Дренажный кран	VT.247Кран для датчика температуры
VT.247Кран для манометра	VT.298Кран с фильтром и редуктором давления	VT.808Кран с термометром в рукоятке	MINI  Редуцированные краны для подключения сантехприборов

C полным ассортиментом, подробными описаниями и техническими характеристиками шаровых кранов VALTEC можно познакомиться в каталоге. 

Автор: В.И. Поляков