Особенности выбора шаровых кранов

В. Поляков, С. Шовкопляс

Рынок водопроводной арматуры предлагает широкий выбор шаровых кранов для водопровода разных типоразмеров, конструкций и исполнений. Их цены могут различаться в разы. Наряду с высококачественными изделиями торговля может предлагать менее качественную арматуру практически по одной и той же цене. На что нужно обращать внимание при выборе шаровых кранов для внутридомовых водопроводных сетей?

Шаровые краны во внутридомовых водопроводных сетях сейчас практически полностью вытеснили пробковые конусные краны благодаря своей надежности и долговечности, которая на порядок выше, чем у старых конструкций. Главное, чем обеспечивается надежность шаровых кранов в качестве запорной арматуры по сравнению с затворами с конусной пробкой – рабочая среда (вода) с твердыми абразивными частицами пропускается в шаровом кране мимо уплотняемых поверхностей через отверстие в сферическом затворе, на проход, а в кране с конусной пробкой –вокруг нее.

Притертая пробка конусного крана уже через несколько циклов открывания/закрывания может потерять герметичность из-за абразивного воздействия нерастворимых механических примесей в рабочей среде, омывающей уплотняющую поверхность. Кроме того, пробковые краны имеют значительное гидравлическое сопротивление.

Шаровые же краны (с полнопроходным сечением, которое примерно совпадает с условным диаметром трубы Ду) в открытом виде практически не оказывают сопротивления потоку. Частично проходные шаровые краны – специальное решение, которое применяется там, где нужно намеренно ограничить поток.

Частично проходные шаровые краны различают на:

• стандартнопроходные – круглое отверстие в сферическом затворе такой арматуры на один типоразмер меньше внутреннего диаметра трубопровода, пропускная способность шарового крана составляет от 70 до 90% потока;
• неполнопроходные – отверстие для пропуска потока значительно меньше внутреннего диаметра трубы, пропускная способность такого шарового крана снижается до 40-70%.

Шаровый кран предназначен для полного перекрывания потока, работает в режиме открыто/закрыто и не предназначен для дросселирования потока! Более того, производители шаровых кранов снимают их с гарантии, если у неисправного крана обнаруживаются признаки того, что он использовался для частичного перекрывания потока (в качестве регулировочного вентиля).

Шаровые краны были разработаны довольно давно, но лишь с появлением надежных уплотнений приобрели широкую популярность и массовый спрос. Уплотнения, применяемые в водопроводных шаровых кранах, изготавливаются из износостойкого нитрил-бутадиенового синтетического каучука (NBR, как правило, черного цвета) или тефлона (политетрафторэтилен, фторопласт, как правило, белого или желтоватого цвета) с термоприсадками и с добавками антифрикционных веществ (например, графита или дисульфида молибдена).

Благодаря улучшению технологии производства сферических затворов и современным материалам для уплотнений было достигнута высокая надежность, снижены усилия поворота затвора, повышена герметичность и обеспечена долговечность шаровых водопроводных кранов, что обусловило массовый спрос на них и предложение от большого числа фирм-изготовителей.

Главный элемент устройства шарового крана – подвижный и гладкий затвор сферической формы со сквозным круглым отверстием, служащим для прохода потока вещества, см. рис. 1.

Рис. 1. Схема водопроводного шарового крана

Сферический затвор (поз. 2) располагается в центральной части корпуса крана между седлами (поз. 3) – двумя спрофилированными уплотнительными кольцами. Затвор, в свою очередь, закреплен на поворотном штоке (поз. 5) с ручкой-рычагом (поз. 12) или двулепестковой ручкой (ручкой «баттерфляй»,«бабочка», поз. 6).

Для полного открывания или закрывания шарового крана нужно в определенную сторону повернуть затвор ручкой на 90° до упора.

В закрытом положении пропускное отверстие в шаровом затворе располагается перпендикулярно оси корпуса и трубопровода. При открывании затвора отверстие в нем занимает положение вдоль оси трубы, создавая свободный проток через корпус крана. Положение ручки сразу позволяет понять, закрыт или открыт кран – в открытом положении рычаг или лепестки ручки-бабочки располагаются вдоль трубы (корпуса крана) и поперек – когда поток перекрыт.

Виды шаровых кранов

Помимо отношения диаметра пропускного отверстия по отношению к диаметру условного прохода Ду трубопровода шаровые краны (условно) подразделяют по различным признакам.

По способу крепления к трубе шаровые водопроводные краны делят на:

Муфтовые – присоединяются к трубам внутренней конической или цилиндрической резьбой. Обычно применяются во внутриквартирных и внутридомовых коммуникациях небольших диаметров (до 50 мм).

Сварные – присоединяются к трубам с помощью сварки. Это обеспечивает максимальную герметичность стыков и используется на ответственных и труднодоступных участках протяженных наружных магистралей. К этому виду арматуры относят и пластиковые шаровые краны, в которые ввариваются трубы из синтетического материала, например, полипропилена.

Фланцевые – монтируются на трубах с диаметром, как правило, более 50 мм с помощью разборных или неразборных фланцев. Фланцевый крепеж применяют там, где возможен частый монтаж/демонтаж трубопроводной арматуры, а также в помещениях, где запрещены сварочные работы.

Комбинированные – присоединяются к трубам разными способами. Такие изделия применяются в системах коммуникаций с разными соединениями – резьба/сварка, фланец/сварка и т. п., включая хомуты. По материалу корпуса краны шаровые разделяются на:

Латунные – также называемые металлическими, они встраиваются в стальные и пластиковые трубопроводы.

Пластиковые – встраиваются в трубопроводы из сантехнической пластмассы.

Силуминовые – изготавливаются из более дешевого и менее качественного аналога латуни – силумина, сплава алюминия с кремнием. Такие изделия отличаются хрупкостью и требуют осторожности при монтаже. Из-за склонности к образованию трещин их рекомендуется использовать только в трубопроводах холодной воды.

Порошковые – изготавливаются из цветных материалов методами порошковой металлургии – спекания под давлением; склонны к растрескиванию корпуса и срыву ниток резьбы.

По конструкции запорного элемента шаровые краны бывают:

С плавающим шаром – в таких изделиях сферическая пробка не плотно соединена со шпинделем и относительно него может смещаться. Под действием давления входного потока, закрытый затвор прижимается к уплотнительному кольцу на выходе, тем самым, перекрывая кран. Такая арматура используется в трубопроводах диаметром не более 200 мм, поскольку на линиях с большими диаметрами и давлением, затвор создает слишком высокую нагрузку на уплотнениях и работа крана затрудняется.

С шаром в опорах – в таких изделиях сферическая пробка имеет специальные опоры. Осевой выступ (цапфа) в нижней части шара входит в особое углубление, а седла под действием давления прижимаются к поверхности шарового затвора. Благодаря опорам усилия, необходимые для управления краном, значительно уменьшаются, что позволяет применять менее мощные приводные устройства, чем в случае с кранами с плавающим шаром. Из-за более сложной конструкции устройства такого типа стоят намного дороже обычных шаровых кранов.

С дополнительными функциями – например, для стравливания воздуха, с дренажем, с фильтром, с регулятором и т. д.

Материал корпуса шарового крана

Самое главное, на что следует обратить внимание при приобретении шарового крана для водопровода – это материал корпуса. Для внутридомового водопровода лучшим материалом признана латунь, а не цинково-алюминиевый сплав (ЦАМ), предлагаемый некоторыми недобросовестными производителями. Сплав ЦАМ содержит порядка 96-98% цинка, 2-3% алюминия и до 1% меди и значительно легче латуни (удельный вес ЦАМ – 6,7 г/см3, а у латуни 8,4÷8,7 г/см3). Цинково-алюминиевые изделия широко применяют в автомобильной промышленности (карбюраторы, арматура для масло- и бензопроводов), но использовать их для водопроводов нельзя. Кран из ЦАМ в домовом водопроводе просто рассыплется через год-два на куски (рис. 2). Причина этого довольно проста – цинк на самом деле корродирует в воде самым первым из других металлов в изделии. Для масла и углеводородных жидкостей ЦАМ имеет достаточную коррозионную стойкость, а в воде – нет, цинк защищает другие металлы от коррозии, соединяясь с водой первым.

Рис. 2. Кран из цинково-алюминиевого сплава (ЦАМ) через 2 года эксплуатации

Отличить, сделан ли кран из латуни или из ЦАМ можно по весу: кран из ЦАМ заметно легче. Но сравнивать по весу конструктивно подобные краны надо без ручек – недобросовестные производители часто «компенсируют» недостаток веса применением более массивного рычага (ручки) из крашеного черного металла.

Латунь имеет характерную желтизну. Если шкуркой или надфилем слегка снять гальванопокрытие на корпусе крана, то можно увидеть, латунь ли это. Цвет ЦАМ – серебристый, не меняющийся при окислении. Безопаснее всего приобретать кран, у которого естественный цвет латуни виден на каком-либо участке без гальванопокрытия, (рис. 3).

Рис. 3. Естественный цвет латуни виден на резьбовом патрубке крана Valtec Base

Качественные латунные шаровые краны обычно изготавливают методом горячего объемного прессования из свинцовосодержащей латуни марки CW617N по EN 12165, похожей по составу на латунь марки ЛС59-2 по ГОСТ 15527. Это способ предпочтительнее центробежного литья под давлением, так как горячепрессованные детали намного прочнее литых. Латунные детали кранов из прутка (шаровой затвор, шток, сальниковая гайка), как правило, делаются из латуни марки CW614N (ЛС 58-3), см. таблицу 1. Краны с корпусами из нержавеющей стали применяются в пищевой промышленности и излишне дороги для водопроводной арматуры.

Таблица 1. Состав латуни для водопроводных шаровых кранов

Сальниковые узлы

Сальниковый узел шарового крана обеспечивает его герметичность по отношению к внешней среде. Конструктивные решения этих узлов могут быть различными (таблица 2) и во многом именно они определяют эксплуатационные свойства крана.

Таблица 2. Распространенные конструкции сальниковых узлов шаровых кранов

Самой надежной и практичной на сегодня день признана конструкция с прижимной гайкой с наружной резьбой, см. поз. 7, таблица 2, она применяется, в частности, в кране 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.

У крана, в котором шток вставлен снаружи, а не изнутри корпуса, давление может выбить этот шток. С одной стороны, такое решение делает кран ремонтопригодным, но с другой стороны, имеется опасность выбивания штока давлением рабочей среды. Сальниковая гайка может не удержать шток от выдавливания – незаконтренное резьбовое соединение под действием продольной силы в условиях знакопеременных нагрузок и вибрации стремится к раскручиванию даже при самотормозящей резьбе.

При вибрации сила трения в резьбе существенно ослабевает, что ведет к самопроизвольному раскручиванию. Такая же проблема возникает в накидных гайках обжимных фитингов. Именно поэтому их полагается время от времени докручивать.

Сила давления 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. 4; поз. 5, 7 табл. 2).

Когда шток вставлен снаружи, выталкивающую силу воспринимает резьба сальниковой гайки (рис. 5). 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 часть резьбы, оставшаяся в зацеплении, будет смята и шток будет выбит из крана.

Самый неудачный вариант сальникового узла – если опорный буртик штока смещен вверх и прижимается сальниковой гайкой (рис. 6). В этом случае, по замыслу конструкторов, сальниковая гайка одновременно выполняет функцию ограничителя хода штока и прижимного элемента в уплотнении.

Кроме возможного выбивания штока давлением, в данной конструкции добавляется опасность полного заклинивания шара штоком. Это может произойти при пережатии уплотнения сальниковой гайкой.

Шаровый затвор

В большинстве латунных шаровых кранов для внутридомовых водопроводов затвор представляет собой шар (рис. 7 А). Иногда снизу затвора выполняют круговую проточку (рис. 7. Б). При этом под затвором образуется «отстойник», где неизбежно будет скапливаться шлам. 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 приводит к осаждению нерастворимых частиц.

Иногда шар обтачивают в псевдокуб, протачивая еще и его боковые стороны (рис. 7 В). Это решение применимо для кранов, которые редко используются для открывания/закрывания потока, поскольку кромки боковых проточек при частом повороте затвора могут деформировать или повредить кольца седельных колец, что существенно сократит срок службы крана.

Для борьбы с пресловутой «сальмонеллой» и устранения застойной зоны в нижней глухой проточке, как показано на рис. 7 Б, производители в последнее время стали выпускать краны со сквозным отверстием в нижней части шарового затвора (рис. 7 Г). Однако в этом случае сальниковый узел при открытом кране может подвергаться воздействию гидравлических ударов без их ослабления.

Рис. 7. Сечения шаровых затворов

Для уплотнений шаровых кранов применяется тефлон, он почти полностью вытеснил остальные материалы. Тефлон – достаточно дорогой материал, поэтому на нем пытаются сэкономить. Толщина тефлоновых колец в седлах крана может быть настолько мала, что при повышении температуры тефлон из кольца превратится в некую волнообразную структуру, не способную выполнять функцию уплотнения.

Уплотнительные элементы из тефлона дешевых марок отличает зернистость и шероховатость, что заметно визуально. Такой тефлон прослужит недолго, так как может выкрашиваться кромками шарового затвора.

Тефлоновые седельные кольца предварительно обжаты. Рабочая кромка кольца при этом деформируется, принимая сферическую форму. В связи с этим, шаровой кран должен открываться и закрываться с некоторым усилием. Если кран открывается совершенно свободно, это свидетельствует либо о недостаточном усилии предварительного обжатия, либо о том, что под седельные кольца установлены «демпферы» из эластомера. Эластомеры имеют меньшую температурную стойкость и долговечность сравнительно с тефлоном, т. к. эластомер со временем уменьшает предварительное поджатие, его материал «релаксирует» и впоследствии теряет свои уплотняющие свойства.

Шаровой затвор постоянно находится под воздействием потока рабочей среды, в которой могут присутствовать нерастворимые абразивные частицы, «бомбардирующие» поверхность затвора. Поэтому важно, чтобы наружная поверхность затвора имела высокую твердость. Особенно страдает шаровый затвор, если его используют для регулирования потока и устанавливают в промежуточном положении (рис. 8).

Рис. 8. Шаровой затвор крана после года интенсивной эксплуатации

Для снижения абразивного износа поверхность затвора, как правило, имеет полированное твердое гальванопокрытие из хрома. Хром наносится на медную или никелевую подложку. Её отсутствие резко снижает срок службы крана. При гальванизации хром осаждается в виде «островков», между которыми имеется сетка микротрещин. При эксплуатации эти микротрещины заполняются продуктами коррозии подслоя (медь или никель) и таким образом получается прочное монолитное покрытие.

В последнее время появились шаровые краны с тефлоновым покрытием шарового затвора. Тефлоновое покрытие предназначено в основном для уменьшения трения при повороте затвора. Даже кратковременная эксплуатация этих кранов выявляет крайне низкую стойкость такого покрытия из-за недостаточной твердости тефлона в условиях потока рабочей среды с механическими включениями. Часто для затвора используется не коррозионностойкая латунь, а черный металл. Это можно проверить отверткой с магнитным наконечником. Качественный сферический затвор должен быть отлично отполирован и быть зеркально-блестящим, а не матовым.

Конструкция шарового крана

Несмотря на кажущуюся простоту, шаровый кран имеет ряд конструктивных особенностей.

Рис. 9. Продольный распил корпуса шарового крана

На рис. 9 видны следующие элементы конструкции корпуса:

а – резьба, соединяющая корпус крана с резьбовой полумуфтой, должна иметь не менее трех ниток. Как правило, это метрическая резьба с шагом 1,25 мм;
b – длину присоединительной трубной резьбы для кранов из горячепрессованной латуни допускается уменьшать на 10%. В частности, для кранов с номинальным диаметром 1/2" размер «b» должен составлять не менее 11 мм;
с – минимальная ширина буртика, ограничивающего присоединяемую трубу в муфтовом патрубке крана при завинчивании;
d – минимальная толщина стенки корпуса для заявленного номинального давления (PN) у литых кранов «d» должна быть примерно втрое больше по
сравнению с кранами с горячепрессованными корпусами.

Рис. 10. Регулирование потока шаровым краном

Регулирование потока шаровым краном не допускается, поскольку кроме активного износа уплотняющей поверхности (см. рис. 8) шаровые краны имеют весьма тонкую стенку корпуса. Она способна выдержать заявленные в паспорте давления и температуру, но, при попытках использовать шаровой кран в качестве регулирующего органа, стенка не в состоянии противостоять длительному воздействию кавитации дросселированного потока и разрушению стенок корпуса абразивными частицами (рис. 10) в напорной зоне.

Крепление рукояти

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

Рис. 11. Узлы крепления рукоятки шарового крана

На рис. 11 представлены наиболее распространенные конструктивные решения этого узла. Самым надежным считается крепление с самоконтрящейся гайкой (рис. 11 В). Интегрированное в гайку полиэтиленовое кольцо с внутренним диаметром, меньшим, чем диаметра штока, предотвращает самопроизвольное откручивание гайки из-за переменных усилий и вибрации трубопровода. Крепление рукояти обычной гайкой (рис. 11 Б) требует обслуживания: время от времени гайку приходится подтягивать. Слабая затяжка гайки превращает рукоять в рычаг, которым можно сломать шток. Наименее удачным является узел, в котором рукоять крепится винтом (рис. 11 А). Внутренняя продольная резьба в штоке значительно его ослабляет, т. к. ее живое сечение (по впадинам резьбы) чрезвычайно мало (рис. 12).

Рис. 12. Излом штока по внутренней резьбе

Виды шаровых кранов

Компании, производящие шаровые краны для внутридомовых водопроводных инженерных систем, обычно предлагают нескольких серий кранов разных типоразмеров, каждая из которых рекомендована для строго определенных условий эксплуатации. В таблице 3 приводится перечень типов шаровых кранов VALTEC, которые многие годы успешно эксплуатируются в нашей стране.

Таблица 3. Серии шаровых кранов производства VALTEC

Маркировка на корпусе шарового крана

На внешних сторонах корпуса шарового крана производители обязательно наносят ряд обозначений (см. рис. 13). Все маркировочные символы должны быть максимально четкими. Расплывчатость и нечеткость обозначений может свидетельствовать об изношенности форм или о том, что перед покупателем – дешевая подделка.

Рис. 13. Маркировка на корпусе шаровых кранов

На шаровом кране обычно указываются:

Эмблема (торговый знак, клеймо) компании-производителя – обязательный атрибут качественного изделия.
DN – номинальный диаметр, который может быть указан в миллиметрах (15, 20, 25, 32, 40 и 50 мм), или в дюймах (например, ½, ¾, 1, 1 ¼, 1 ½ и 2”).
PN – рабочее давление в барах. В зависимости от диаметра и конструктивных особенностей конкретного изделия, это значение может находиться в пределах от 15 до 40 бар.
Материал корпуса – марка латуни по EN.
Дата производства изделия – 04/11.

Устранение неисправностей шаровых кранов

Несмотря на простоту конструкции и длительный ресурс, запорная арматура шарового типа может сломаться. В определенный момент шаровые краны могут перестать герметично перекрывать воду или поворачиваются с большим трудом. Это первые признаки износа таких изделий, длительность эксплуатации которых часто уменьшается из-за жесткости воды, к тому же содержащей механические загрязнения и абразивные частицы.

С течением времени соли откладываются на внутренних частях изделия, в том числе – и на запорной сфере, и она при повороте начинает царапать уплотняющие кольца. Со временем вся поверхность затворной сферы будет постепенно покрываться налетом, контаминанты могут внедряться в поверхность уплотнителя, которые затем царапают сферическую поверхность затвора. В результате этих двух процессов герметичность крана может нарушиться. Почему шаровой кран не пригоден для регулирования потоков и должен эксплуатироваться в полностью открытом/закрытом положении, описано выше.
Процесс осаждения солей жесткости на поверхность затвора быстрее протекает в трубопроводах систем горячего водоснабжения и отопления. Особенно – в централизованных городских сетях, где качество теплоносителя обычно оставляет желать лучшего. В процессе монтажа перед кранами рекомендуется устанавливать фильтр грубой очистки воды. Это несколько защитит запорный элемент от износа мелкими частицами ржавчины.

Защитить шаровые краны от налета можно только путем качественной водоподготовки. В качестве профилактики, раз в квартал, а лучше – раз в месяц, шаровой кран нужно несколько раз проворачивать из одного крайнего положения в другое, чем снять отложения.

Если шаровой кран внезапно перестал работать вообще, то дело может быть не во внутренних неисправностях, а в поломке его ручки (рычага) и износа ее посадочного отверстия. Чтобы убедиться в исправности самого крана нужно открутить крепежный винт, снять рукоять и попробовать провернуть шток изделия разводным ключом или плоскогубцами. Если шток заблокирован, то арматурный элемент надо заменить.

Если при повороте ручки в положение «закрыто» вода продолжает поступать, то вероятнее всего произошло налипание солей на затворную сферу. Такой кран нужно заменить. Для восстановления частичного функционирования нужно несколько раз повернуть ручку в крайние положения, если необходимо – с использованием инструмента, соблюдая осторожность, чтобы не сломать изделие.

Если шаровый кран потек по штоку, то поступать в этой ситуации нужно в зависимости от конструкции сальникового узла (см. табл. 2). Резиновые уплотнительные кольца со временем теряют свои герметизирующие свойства, теряют эластичность, вследствие чего возможно протекание. Исправить эту неполадку можно только на шаровых кранах с сальниковой гайкой. Для этого ее нужно подтянуть, предварительно сняв ручку изделия. Если кран не снабжен сальниковой гайкой, его придется менять на новый целиком. Кроме того, течь может возникнуть и по причине появления трещины в корпусе или по резьбовой муфте. Такие неисправности характерны для дешевых изделий из довольно хрупкого силумина – со временем микротрещины, образованные при монтаже и затяжке резьбы, разрастаются. Очевидно, что такой кран нужно заменить как можно быстрее.

В целом же шаровые краны – надежные и долговечные изделия для водопроводных внутридомовых систем. Это явно не то устройство, на котором можно сэкономить – последствия от того, что кран, отсекающий магистраль, неожиданно перестанет исправно функционировать, очевидно, будут дороже разницы в цене между качественным изделием и дешевой подделкой. Выбрав кран от изготовителя с проверенной репутацией, следует применить его точно по назначению и соблюсти рекомендации по эксплуатации и монтажу. В таком случае шаровый кран прослужит долгое время без поломок и неожиданностей.

Источник: aw-therm.com.ua