Шаровой кран: технические характеристики и типовые конфигурации

Шаровой кран изготавливается из литых или кованых корпусных деталей, воспринимающих давление, с прецизионно обработанными шаром, штоком, седлами и уплотнительными элементами. Поворот шара на 90° совмещает сквозной канал с осью трубопровода для пропуска потока либо устанавливает его перпендикулярно направлению потока для перекрытия. Корпус воспринимает рабочее давление линии, а система опоры шара и седел определяет, как передаются нагрузки от перепада давления и как обеспечивается герметизирующий контакт. Такая конструкция с поворотом на четверть оборота обеспечивает прямое проходное сечение и короткий рабочий ход, при этом конфигурация прохода, конструкция седел, опора шара и крутящий момент привода определяют соответствие крана требуемым условиям эксплуатации.

Требуемая конфигурация зависит от класса давления, конструкции корпуса, опоры шара, полнопроходного или редуцированного исполнения, материала седел, типа концевых соединений, рабочей температуры, состава среды и крутящего момента привода. Компания GNEE поставляет конфигурации шаровых кранов для трубопроводных и технологических применений, включая краны с плавающим шаром, краны с цапфовым креплением шара, кованые шаровые краны, литые шаровые краны, с боковым и верхним разъёмом корпуса, полнопроходные и с редуцированным проходом, с мягким и металлическим уплотнением. Для проектов нефтяных и газовых трубопроводов может указываться стандарт API 6D; API 608 является другим важным стандартом для металлических шаровых кранов с фланцевыми, резьбовыми или приварными концами.

Шаровой кран: технические характеристики и типовые конфигурации

В таблице ниже приведены типовые конфигурации, а не универсальная матрица размеров и классов. Класс давления, номинальный размер, конструкция корпуса, проход, материал и система седел должны рассматриваться совместно, прежде чем кран будет допущен к применению в проекте.

Конфигурация	Типовой диапазон / конструкция	Инженерное значение
Шаровой кран с плавающим шаром	Конструкции 1-piece и 2-piece; типовой диапазон GNEE от NPS 1/2 и выше в зависимости от конструкции	Простая опора шара для запорных задач малых и средних размеров
2-Piece шаровой кран с цапфовым креплением	NPS 2–16; Class 150–1500	Жёсткое крепление шара для повышенной нагрузки от давления и меньшего крутящего момента управления
3-Piece шаровой кран с цапфовым креплением	NPS 2–48; Class 150–2500	Расширенный диапазон размеров и классов давления для запорной арматуры трубопроводов
Шаровой кран с верхним разъёмом корпуса	Типовой диапазон до NPS 48 в зависимости от конфигурации	Внутренние компоненты доступны сверху для обслуживания без снятия крана с линии
Полнопроходной шаровой кран	Проход, подобранный под требуемое проходное сечение	Применяется там, где важны низкое гидравлическое сопротивление, доступ для очистки или пропуск очистного поршня (pig)
Шаровой кран с редуцированным проходом	Проход меньше проходного сечения подключённого трубопровода	Уменьшает размер и массу крана там, где допустимо меньшее внутреннее проходное сечение
Шаровой кран с мягким уплотнением	PTFE или другие инженерные полимерные седла в зависимости от условий эксплуатации	Выбирается для плотного перекрытия в совместимом диапазоне давления, температуры и среды
Шаровой кран с металлическим уплотнением	Система уплотнения металл-по-металлу	Применяется там, где температура, твёрдые частицы или тяжёлые условия эксплуатации превышают практические пределы мягких седел
Концевые соединения	Фланцевые или приварные встык; другие концевые соединения для соответствующих конструкций малых размеров	Должны соответствовать классу давления трубопровода, стандарту соединений и методу монтажа
Управление	Ручное, с редуктором, пневматическое, электрическое или гидравлическое	Выбор привода зависит от требуемого крутящего момента крана, частоты срабатываний и схемы аварийного отключения

На текущей странице API 6D компании GNEE перечислены конфигурации шаровых кранов с плавающим шаром, с цапфовым креплением, с верхним разъёмом корпуса и с металлическим уплотнением, а предоставленная проектная брошюра дополнительно показывает семейства литых кранов с боковым разъёмом, кованых с боковым разъёмом, цельносварных и с функцией DBB. Отдельный каталог кранов с цапфовым креплением охватывает литые и кованые конфигурации, с мягким и металлическим уплотнением, и содержит размерные ряды полнопроходных и редуцированных исполнений.

Как работает шаровой кран

Шаровой кран управляет потоком, передавая крутящий момент от рычага, редуктора или привода через шток на шар со сквозным отверстием, который поворачивается на 90° между открытым и закрытым положениями.

1. Открытое положение. Отверстие шара совмещается с трубопроводом, создавая прямое проходное сечение через кран.

2. Поворот на четверть оборота. Шток поворачивает шар на 90°, выводя отверстие из пути потока трубопровода.

3. Закрытое положение с уплотнением. Сплошная поверхность шара обращена к проходному сечению и герметизируется по кольцам седла. Давление линии воздействует на шар и седла; способ восприятия этой нагрузки различается у кранов с плавающим шаром и с цапфовым креплением шара.

Шаровой кран с плавающим шаром и шаровой кран с цапфовым креплением

Шаровой кран с плавающим шаром

Шаровой кран с плавающим шаром использует шар, соединённый со штоком, но не зафиксированный цапфовыми опорами. При закрытии крана давление линии слегка прижимает шар к нижнему по потоку седлу, увеличивая контакт шара с седлом и создавая уплотнение перекрытия.

Эта относительно компактная конструкция обычно применяется для кранов малых и средних размеров, где нагрузка на седло от давления и крутящий момент управления остаются приемлемыми. Краны с плавающим шаром могут поставляться в литом или кованом исполнении, с мягкими или металлическими седлами и полнопроходным или редуцированным проходом в зависимости от требуемых условий эксплуатации.

Шаровой кран с цапфовым креплением шара

Шаровой кран с цапфовым креплением, также называемый краном с опорой шара, механически фиксирует шар вокруг оси вращения. Шар поворачивается между открытым и закрытым положениями, оставаясь практически неподвижным, а подпружиненные кольца седел перемещаются к шару и используют давление линии для поддержания герметизирующего контакта.

Поскольку цапфовые опоры воспринимают основную нагрузку от давления, действующую на шар, конструкция снижает нагрузку на контакт шара с седлом и крутящий момент при увеличении размера крана и перепада давления. Поэтому такая схема обычно выбирается для запорной арматуры трубопроводов большого диаметра и высокого давления.

Шаровой кран с плавающим шаром против шарового крана с цапфовым креплением

Ключевое различие состоит в том, какой компонент перемещается для создания уплотнения, усиливаемого давлением.

Конструктивный фактор	Шаровой кран с плавающим шаром	Шаровой кран с цапфовым креплением
Опора шара	Шар не зафиксирован цапфами	Шар зафиксирован механически
Действие уплотнения	Шар слегка перемещается к нижнему по потоку седлу	Кольца седла перемещаются к неподвижному шару
Нагрузка от давления	Рост давления увеличивает нагрузку на контакт шара с седлом	Основная нагрузка шара воспринимается системой опор
Крутящий момент управления	Заметнее растёт с размером крана и перепадом давления	Лучше контролируется при больших размерах и высоком перепаде давления
Типовое применение	Запорная арматура малых и средних размеров	Трубопроводная арматура большого диаметра и высокого давления

Таким образом, выбор не основан только на номинальном размере. Перепад давления, класс давления, крутящий момент управления, конструкция седел и требования к приводу должны оцениваться совместно.

Функции, доступные в кранах с цапфовым креплением

В зависимости от заданной конфигурации седел и корпуса шаровой кран с цапфовым креплением может включать дополнительные функции отсечения трубопровода.

Двойное запирание и сброс (DBB) позволяет верхнему и нижнему по потоку седлам изолировать внутреннюю полость корпуса, чтобы запертая среда могла быть сброшена или дренирована для проверки герметичности.

Сброс давления из полости корпуса контролирует давление, которое может возникнуть при расширении запертой среды внутри закрытого крана из-за изменения температуры. Соответствующая саморазгружающаяся схема седла позволяет избыточному давлению в полости сбрасываться в сторону с меньшим давлением.

Другие доступные конфигурации могут включать шток с защитой от выброса, антистатическую непрерывность, аварийную закачку герметика, вентиляционные и дренажные соединения, а также удлинённые штоки для подземной или удалённой установки. Эти функции определяются проектом и должны быть отдельно указаны в спецификации крана или запросе котировки (RFQ).

Типы шаровых кранов по конструктивному исполнению

Шаровой кран может одновременно относиться к нескольким классификациям. Например, один кран может быть кованым, с боковым разъёмом корпуса, с цапфовым креплением, полнопроходным, с мягким уплотнением. Рассмотрение каждого из этих терминов как не связанных между собой «типов кранов» может запутать выбор. Более ясный метод - классифицировать кран по изменяемой конструктивной переменной. IQS и Wikipedia аналогично разделяют конструкцию корпуса, опору шара и геометрию прохода, а не рассматривают их как одно измерение.

Основание классификации	Основные варианты	Что изменяется
Опора шара	Плавающий / цапфовый	Путь нагрузки от давления, нагрузка на седло и крутящий момент управления
Конструкция корпуса	Боковой разъём / верхний разъём / цельносварной	Метод сборки, стыки корпуса и доступ для обслуживания
Метод изготовления	Литой / кованый	Метод изготовления корпусных деталей, воспринимающих давление, и доступная геометрия
Проход	Полнопроходной / редуцированный	Проходное сечение, потери давления, размер крана и возможность пропуска очистного поршня
Седло	Мягкое / металлическое	Механизм уплотнения и диапазон рабочих температур и сред
Управление	Рычаг / редуктор / пневматика / электрика / гидравлика	Скорость срабатывания, дистанционное управление и требуемый выходной крутящий момент

Шаровые краны с боковым разъёмом, с верхним разъёмом и цельносварные

Шаровой кран с боковым разъёмом использует секции корпуса, собираемые вокруг шара и седел. Такая конструкция распространена как в схемах с плавающим шаром, так и с цапфовым креплением и может изготавливаться из литых или кованых материалов.

Шаровой кран с верхним разъёмом корпуса обеспечивает доступ к внутренним компонентам через верхнее отверстие корпуса. Его инженерная ценность не сводится просто к иной внешней форме; конфигурация может упростить контроль и обслуживание на линии, поскольку внутренние детали доступны сверху без применения той же последовательности разборки, что у обычного крана с разъёмным корпусом. IQS также называет доступ для обслуживания главной отличительной особенностью конструкции с верхним разъёмом.

Цельносварной шаровой кран исключает болтовые соединения корпуса в основной оболочке, воспринимающей давление. Он обычно рассматривается для подземной прокладки или трубопроводной эксплуатации, где внешние утечки в стыках корпуса и будущий доступ являются важными проектными соображениями. Предоставленная продуктовая брошюра включает цельносварные шаровые краны как отдельное конструктивное семейство.

Конфигурация прохода шарового крана

Проход определяет внутреннюю площадь проходного сечения через шар и напрямую влияет на гидравлическое сопротивление, потери давления и возможность пропуска очистного поршня. Промышленные шаровые краны обычно поставляются в полнопроходном или редуцированном исполнении.

Полнопроходной шаровой кран

Полнопроходной шаровой кран использует отверстие шара, спроектированное для сохранения проходного сечения, близкого к проходу подключённого трубопровода. Более крупное внутреннее проходное сечение снижает местное гидравлическое сопротивление и особенно важно там, где трубопровод должен пропускать очистные поршни (pigs) или другие средства внутреннего контроля и очистки.

Поэтому полнопроходная конструкция обычно задаётся для магистральных трубопроводов, отсечения основной линии и других применений, где важно сохранять площадь проходного сечения трубопровода.

Шаровой кран с редуцированным проходом

Шаровой кран с редуцированным проходом имеет внутреннее отверстие шара меньше проходного сечения подключённого трубопровода. Суженный проход создаёт большее местное гидравлическое сопротивление, чем сопоставимая полнопроходная конструкция, но может уменьшить диаметр шара, габариты крана, массу и крутящий момент управления.

Проход следует выбирать по требуемой пропускной способности, допустимым потерям давления и требованиям к пропуску очистного поршня, а не только по номинальному размеру крана

Конструкция седла шарового крана

Седло образует уплотняющий интерфейс между шаром и корпусом крана. Его материал и конструкция влияют на герметичность, крутящий момент управления и диапазон давления и температуры всего крана. Шаровые краны обычно оснащаются мягкими или металлическими седлами в зависимости от условий эксплуатации.

Шаровой кран с мягким уплотнением

Шаровой кран с мягким уплотнением использует инженерное полимерное седло, такое как PTFE или другой заданный материал седла, для плотного контакта с обработанной поверхностью шара. Такая схема обеспечивает эффективное перекрытие там, где выбранный материал седла совместим с рабочим давлением, температурой и технологической средой.

Различные полимерные материалы имеют разные температурные, химические и механические пределы, поэтому одного термина «мягкое уплотнение» недостаточно для выбора крана.

Шаровой кран с металлическим уплотнением

Шаровой кран с металлическим уплотнением использует металлические поверхности уплотнения шара и седла и рассматривается там, где высокая температура, абразивные твёрдые частицы или другие тяжёлые условия эксплуатации превышают практические пределы выбранного мягкого материала седла.

Металлическое уплотнение изменяет не только температурный диапазон. Состояние поверхности шара, геометрия седла, сочетание материалов, требования к герметичности и крутящий момент должны рассматриваться как часть полной конструкции крана.

Выбор седла должен основываться на фактической технологической среде, температуре, давлении, содержании твёрдых частиц и требуемой герметичности, а не рассматривать металлическое уплотнение как автоматически превосходящее мягкое.

Материалы шаровых кранов

Выбор материалов шарового крана охватывает весь контур давления и систему уплотнения, а не только марку корпуса. Корпус и крышка должны выдерживать давление линии и внешние нагрузки трубопровода, а шар, шток, кольца седел, набивка и крепёж должны оставаться совместимыми с рабочей температурой, составом среды, перепадом давления и требуемой герметичностью.

Для промышленных шаровых кранов комбинацию материалов необходимо выбирать как единую систему. Углеродистая сталь, низкотемпературная углеродистая сталь, легированная сталь и нержавеющая сталь могут использоваться для деталей, воспринимающих давление, в зависимости от условий эксплуатации. Шар и шток требуют соответствующей прочности, коррозионной стойкости и состояния поверхности, а материалы седел и набивки определяют герметизирующее поведение при температуре, давлении, циклических нагрузках и воздействии среды.

Типовые варианты материалов приведены ниже. Окончательные материалы должны быть подтверждены в соответствии с заданной конструкцией крана, классом давления, схемой седел, рабочей средой и спецификацией материалов проекта.

Выбор материала должен соответствовать условиям эксплуатации

Важнейшим контрольным фактором является совместимость материала корпуса, внутреннего наполнения (trim), седел и уплотнительных материалов. Подходящая марка корпуса сама по себе не гарантирует подходящую конфигурацию крана.

Например:

• Низкотемпературная эксплуатация требует внимания к вязкости деталей, воспринимающих давление, и крепежа, а не просто к смене материала корпуса.
• Коррозионные среды могут требовать модернизированных смачиваемых деталей (wetted trim) или компонентов из нержавеющей или легированной стали, даже если внешний контур давления использует другой материал.
• Высокотемпературная эксплуатация или среда с твёрдыми частицами может изменить практический выбор материала седла и перевести конструкцию от мягкого уплотнения к заданной системе металлического уплотнения.
• Высокий перепад давления повышает важность нагрузки на шар и седло, запаса крутящего момента штока и совместимости контактирующих поверхностей.
• Требования пожаробезопасности или ограничения по утечкам (fugitive emission), если они заданы, также влияют на набивку, прокладки и системы вторичного уплотнения.

Для закупки ведомость материалов должна отдельно определять корпус, крышку, шар, шток, систему седел, набивку, прокладки и крепёж, а также применимую спецификацию материалов и требования к контролю и документации. Это позволяет избежать рассмотрения «материала шарового крана» как одной марки и снижает риск получения крана с приемлемым материалом корпуса, но неподходящими внутренними деталями или уплотнительными компонентами.

Шаровой кран API 6D и применимые стандарты

Стандарт должен указываться в соответствии с фактической функцией крана, а не добавляться как маркетинговый ярлык.

API Specification 6D устанавливает требования к арматуре, используемой в трубопроводах и трубопроводных системах нефтяной и газовой промышленности. API в настоящее время указывает 25-е издание с дополнением 3 (Addendum 3), выпущенным в 2025 году. Его область применения включает требования к проектированию, изготовлению, материалам, контролю качества, сборке, испытаниям, маркировке и документации для шаровых и других типов трубопроводной арматуры.

API 608, в настоящее время 7-е издание, рассматривает металлические шаровые краны с фланцевыми, резьбовыми и приварными концами.

ASME B16.34-2025 охватывает характеристики давления и температуры, материалы, размеры, контроль, испытания и маркировку для соответствующих фланцевых, резьбовых и приварных кранов. ASME B16.5 и B16.47 определяют фланцевые интерфейсы в своих диапазонах размеров, а ASME B16.10 определяет размеры кранов «лицо-к-лицу» и «конец-в-конец».

Проектная спецификация может требовать дополнительных испытаний, квалификации пожаробезопасности, требований к ограничению утечек, контроля материалов для сероводородной среды или других критериев покупателя. Такие требования должны быть подтверждены в заказе на поставку, а не предполагаться только на основании типа крана.

Как выбрать шаровой кран для проекта

Выбор шарового крана наиболее надёжен, когда конфигурация строится в фиксированной инженерной последовательности:

Требуемая функция линии → номинальный размер → расчётное давление и класс → рабочая температура → среда → опора «плавающий или цапфовый» → полный или редуцированный проход → конструкция корпуса → материалы корпуса и внутренних деталей → мягкое или металлическое седло → концевое соединение → привод → испытания и документация.

Для небольшой линии общего отсечения плавающая конструкция может обеспечить требуемое перекрытие без дополнительной сложности цапфовой системы. Для трубопровода большого диаметра или высокого давления шаровой кран с цапфовым креплением становится более привлекательным, поскольку фиксированное крепление шара иначе контролирует нагрузку от давления и крутящий момент. Там, где требуется пропуск очистного поршня, полнопроходное исполнение становится главным условием выбора. Там, где рабочая температура или твёрдые частицы превышают практические возможности выбранного полимерного седла, должна оцениваться конфигурация с металлическим уплотнением.

Выбор привода выполняется после определения конфигурации крана, поскольку требуемый крутящий момент меняется в зависимости от размера крана, перепада давления, конструкции седел и условий эксплуатации. Выбор привода до подтверждения фактического крутящего момента крана может привести к неправильно подобранной системе управления.

Скачать: Ball Valve Design Configuration and Selection Guide.pdf

Изготовление и контроль качества

Промышленное производство шаровых кранов начинается с идентификации материалов корпуса, воспринимающих давление, и внутренних деталей. Литые или кованые детали корпуса обрабатываются для формирования внутренней полости, концевых соединений и уплотняющих интерфейсов. Шар обрабатывается до требуемого прохода и сферической уплотняющей поверхности; затем обрабатываются шток, опора седла и соединительные детали, после чего собирается система седел и уплотнений.

Контроль качества должен поэтому следовать тому же пути нагрузки, что и сам кран: идентичность материала, состояние корпуса, критические размеры, поверхности шара и седел, шток и устройство защиты от выброса, концевое соединение, работа в сборе, целостность контура давления и герметичность седел.

Для крана с цапфовым креплением дополнительное внимание при контроле требуется опорам шара, кольцам седел, соединениям полости корпуса, интерфейсам закачки или вентиляции и дренажа (если предусмотрены), а также монтажу привода. Предоставленный каталог кранов с цапфовым креплением показывает эти компоненты отдельно на взрывных схемах и в ведомостях материалов.

Применение шаровых кранов

Отсечение магистрального трубопровода. Запорные краны трубопроводов большого диаметра должны контролировать давление линии, оставаясь управляемыми под перепадом давления. Опора на цапфах, полнопроходное сечение, крутящий момент привода, управление полостью корпуса и концевое соединение становятся ключевыми входными параметрами конфигурации.

Камеры запуска и приёма очистного поршня и участки основной линии. Требуемое внутреннее проходное сечение должно проверяться по габаритам очистного поршня и проходу трубопровода. Сам по себе номинальный размер крана не доказывает, что кран обеспечивает требуемый беспрепятственный проход; полнопроходная конфигурация должна быть подтверждена.

Отсечение на нефтеперерабатывающих и нефтехимических установках. Состав среды, температура, класс давления, схема отключения и совместимость седел определяют, какая конструкция подходит - с мягким или металлическим уплотнением.

Насосные, компрессорные и дистанционно управляемые станции. Крутящий момент крана и частота срабатываний влияют на выбор редуктора, пневматического, гидравлического или электрического привода. Привод должен подбираться под выбранный кран, а не задаваться независимо.

Скачать: Trunnion_Ball_Valve_Isolation_Safety_and_Inspection_Guide.pdf

Поставка шаровых кранов GNEE и поддержка проектов

GNEE поставляет шаровые краны для трубопроводных, нефтегазовых, нефтехимических и промышленных трубопроводных проектов, охватывая краны с плавающим шаром и с цапфовым креплением в литом и кованом исполнении, с боковым разъёмом, с верхним разъёмом и цельносварные. Типовые диапазоны поставки: NPS 1/2–8 для кранов с плавающим шаром и до NPS 60 для соответствующих конструкций с боковым разъёмом и цельносварных, с классами давления до Class 2500 в зависимости от конструкции и размера крана. Конфигурации с функцией DBB также доступны для соответствующих требований отсечения трубопровода.

Конфигурация крана может быть подобрана под условия проекта: полнопроходные или редуцированные проходные сечения, мягкие или металлические седла, материалы, воспринимающие давление, из углеродистой, легированной или нержавеющей стали, фланцевые или приварные встык концы, а также ручное, редукторное, пневматическое, электрическое или гидравлическое управление. Конструкции с цапфовым креплением могут также включать такие функции, как двойное запирание и сброс, сброс давления в полости, вентиляционные и дренажные соединения, средства аварийного уплотнения и удлинения штоков, если это задано.

Помимо поставки самого крана, GNEE может поддержать конфигурацию проекта по размеру, классу давления, проходу, материалам, системе седел, концевому соединению и требованиям к приводу, а также заданному объёму контроля и документации. Это позволяет выбрать шаровой кран как полный узел отсечения трубопровода, а не только по номинальному размеру и номинальному давлению.

Бесплатная котировка

FAQ

Вопрос: Когда шаровой кран с цапфовым креплением предпочтительнее крана с плавающим шаром?

Ответ: Конструкция с цапфами обычно выбирается при увеличении диаметра, нагрузки от давления и крутящего момента. Шар зафиксирован механически, а подвижные кольца седел создают уплотняющую нагрузку, снижая прямую силу давления, которая иначе прижимала бы плавающий шар к нижнему по потоку седлу.

Вопрос: Означает ли Class 2500, что все размеры шаровых кранов доступны в Class 2500?

Ответ: Нет. Класс давления не независим от номинального размера, конструкции корпуса, материала, прохода и конструкции седел. Предоставленные размерные таблицы кранов с цапфовым креплением показывают, что доступные диапазоны размеров меняются в зависимости от класса давления, поэтому точная матрица размер и класс должна быть подтверждена для выбранной конфигурации.

Вопрос: Какая информация требуется для заказа шарового крана API 6D?

Ответ: Укажите тип крана, размер, класс, проход, материалы корпуса и внутренних деталей, систему седел, концевое соединение, привод, технологическую среду, расчётные условия и требуемый объём контроля и документации. API 6D должен быть указан как применимый стандарт проекта, если это требуется.

Вопрос: Является ли полнопроходной шаровой кран всегда лучшим выбором?

Ответ: Нет. Полнопроходное исполнение важно, когда требуется беспрепятственный поток, низкие местные потери давления или пропуск очистного поршня. Редуцированный проход может дать меньший и более лёгкий кран там, где уменьшенная площадь прохода допустима. Правильный выбор зависит от требований эксплуатации трубопровода, а не только от номинального размера.

Запросить цену сейчас!