УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КЛАПАНА
SEALING DEVICE FOR VALVE

В описании раскрыто устройство узла седла гидравлического клапана с двусторонним вторичным уплотнением, содержащим первое, входное, уплотнение и второе, выходное, уплотнение и промежуточный опорный элемент для уплотнения с возможностью осевого перемещения.
По соображениям безопасности, в некоторых областях использования гидравлического оборудования между путем прохождения гидравлической жидкости и окружающим пространством требуются заслоны с двойным уплотнением, например использование двойного набора уплотнений в штуцерах и т.п. Для статических деталей это реализуется просто, однако для деталей с возможностью перемещения в гидравлических системах высокого давления, например для затворов в форме шара или задвижки в запорных клапанах гидравлических систем при давлениях 700-800 бар, к функциональности и износостойкости уплотнений предъявляются строгие требования. Для клапанов высокого давления подводного исполнения и в случае ограниченных возможностей инспекции существует необходимость использования так называемых однонаправленных уплотнений, то есть манжетных уплотнений, которые выдерживают давление только с одной стороны, изготовленных из полимерных материалов - политетрафторэтилена ПТФЭ (PTFE) или полиэфирэфиркетона ПЭЭК (PEEK).
В клапане такого типа первое уплотнение образуется интегрированным в корпусе седлом клапана, плотно прилегающим к затвору клапана. Седло клапана прилегает к затвору за счет пружинной системы, прилагающей начальное толкательное усилие на держатель седла клапана, на который установлено седло клапана, посредством пружинной системы. Дополнительное толкательное усилие обеспечивается гидравлическим давлением на поверхность, играющую роль поршня, образованную в держателе седла клапана первым манжетным уплотнением, образующим вторичное уплотнение при толкании в направлении прилегания в держателе седла клапана.
В клапанах, сконструированных таким образом, что нарастающее давление со стороны выхода затвора создает давление на однонаправленное уплотнение с обратной его стороны, принято применять два манжетных уплотнения, при этом второе устанавливают в противоположном направлении, создавая прилегание с корпусом клапана при приложении гидравлического давления.
Известная проблема состоит в том, что при взаимодействии таких двух противоположно направленных манжетных уплотнений, когда сжимающее воздействие, обусловленное гидравлическим давлением, прижимает правильно направленное уплотнение в сторону его прилегания, противоположное, «неправильно направленное» уплотнение одновременно с этим испытывает механическую нагрузку, например через придающее ему форму армирующее кольцо, и эта нагрузка быстро приводит к постоянной деформации, например, при сдавливании материала уплотнения между корпусом клапана и армирующим кольцом или между держателем седла клапана и армирующим кольцом.
Изобретение имеет своей целью исправить или уменьшить недостатки известного уровня техники или, по крайней мере, предоставить альтернативу известному уровню техники.
Цель достигнута при помощи отличительных признаков, данных в описании ниже и последующей формуле изобретения.
В дальнейшем термин «затвор» используется для детали клапана, которая, вращаясь или перемещаясь, меняет состояние клапана между таким, когда проходное отверстие полностью закрыто, и таким, когда проходное отверстие полностью открыто, т.е. типичными примерами являются шаровой затвор шарового клапана и затвор задвижки.
В дальнейшем термин «корпус клапана» используется как общий термин для корпуса клапана и любых штуцеров и втулок, необходимых по технологическим причинам для обеспечения проходов для монтажа внутренних компонентов клапана.
Для гидравлического клапана, в котором скомбинированы два противоположно установленных однонаправленных манжетных уплотнения в качестве вторичного уплотнения, эффективного как в прямом, так и обратном направлении от затвора, предлагается конструкция, содержащая между двумя упомянутыми уплотнениями кольцевой опорный элемент с опорными поверхностями, предназначенными для опирания на выступы соответственно держателя седла клапана и корпуса клапана, опорные поверхности при этом расположены радиально и разнесены по оси относительно опорных поверхностей уплотнений. Таким образом, гидравлическое давление на одно из уплотнений повлечет движение опорного элемента в направлении опирания либо на держатель седла клапана, либо на корпус клапана, не создавая сжимающего воздействия на другое уплотнение, механически действующего на уплотнительные манжеты таким образом, что они деформируются об опорную поверхность.
Седло клапана, образующее первичное уплотнение между корпусом клапана и затвором за счет прилегания седла клапана к затвору, выполняется в виде подпружиненного держателя седла клапана известным способом, а именно в виде пружинной системы, например одной или нескольких тарельчатых пружин, установленных между держателем седла клапана и корпусом клапана. На одном торце ступенчатого кольцевого опорного элемента находится первая кольцевая опорная поверхность уплотнения, проходящая от внутренней окружности опорного элемента, и расположена так, чтобы прилегать к первому, входному, манжетному уплотнению. На втором торце опорного элемента находится первая опорная поверхность, проходящая радиально наружу от внутренней окружности опорного элемента, расположенная так, чтобы прилегать к выступу на держателе седла клапана, выступу, направленному от седла клапана. Вторая кольцевая опорная поверхность уплотнения находится снаружи от первой опорной поверхности и смещена по оси в сторону седла клапана, проходя радиально внутрь от внешней окружности опорного элемента, расположенная так, чтобы прилегать ко второму, выходному, манжетному уплотнению. На первом торце опорного элемента, снаружи от первой опорной поверхности уплотнения, находится вторая опорная поверхность, проходящая радиально внутрь от внешней окружности опорного элемента, расположенная так, чтобы прилегать к выступу корпуса клапана, расположенному по направлению к седлу клапана.
Первая кольцевая опорная поверхность уплотнения комплементарна сечению первого кольцевого пространства, образованного между держателем седла клапана и корпусом клапана, а вторая кольцевая опорная поверхность уплотнения комплементарна сечению второго кольцевого пространства, образованного между держателем седла клапана и корпусом клапана, причем между опорной поверхностью и стенками соответствующего кольцевого пространства между корпусом клапана и держателем седла клапана есть зазор, находящийся в пределах, достаточных для эффективного опирания уплотнений.
Поскольку клапан будет иметь соответствующую конструкцию на противоположной стороне затвора (на выходе), за счет накопленного давления со стороны выхода от затвора может существовать накопленное давление на второе уплотнение, например, из-за утечки через второе, выходное седло клапана.
В задачу изобретения также входит задание размеров вторичного уплотнения таким образом, чтобы добиться положительного давления на седло клапана во всех ситуациях, то есть гидравлическое давление на любое из уплотнений должно создавать положительное усилие, прижимающее седло клапана к затвору. Это достигается за счет того, что наружный диаметр первого уплотнения больше диаметра области контакта седла клапана с затвором, или, возможно, внутреннего диаметра области контакта (для ситуации, когда седло клапана и/или поверхность прилегания затвора к седлу клапана изношена/изношены так, что область контакта увеличена). Для второго уплотнения это значит, что его внутренний диаметр должен быть меньше диаметра области контакта седла клапана с затвором, или, возможно, наружного диаметра области контакта (для ситуации, когда седло клапана и/или поверхность прилегания затвора к седлу клапана изношена/изношены так, что область контакта увеличена).
Также задачей изобретения является задание размеров вторичного уплотнения таким образом, чтобы оно было сбалансировано, т.е. независимо от стороны вторичного уплотнения, на которой появляется гидравлическое давление, седло клапана должно прикладывать одинаковое прижимающее усилие на седло клапана. Это достигается за счет площади кольцевой поверхности, внутренний диаметр которой соответствует внутреннему диаметру первого уплотнения, а наружный диаметр равен диаметру области контакта седла клапана и затвора, или, возможно, внутреннему диаметру области контакта, равной площади кольцевой поверхности с наружным диаметром, соответствующим наружному диаметру второго уплотнения и внутренним диаметром, равным диаметру области контакта седла клапана и затвора, или, возможно, наружному диаметру контактной поверхности.
Изобретение относится, в частности, к устройству уплотнения клапана в гидравлическом клапане с двусторонним вторичным уплотнением, содержащим первое, входное, уплотнение и второе, выходное, уплотнение и промежуточный опорный элемент с возможностью осевого перемещения, отличающемуся тем, что
опорный элемент имеет на первом торце первую кольцевую опорную поверхность уплотнения, окруженную второй опорной поверхностью, смещенной в осевом направлении в сторону седла клапана; и
опорный элемент имеет на втором торце вторую кольцевую опорную поверхность уплотнения, окружающую первую опорную поверхность, смещенную в осевом направлении в сторону от седла клапана.
Опорная поверхность первого уплотнения может быть комплементарна основанию первого уплотнения, и, соответственно, прилегание второго уплотнения может быть комплементарно основанию второго уплотнения.
Первая опорная поверхность может проходить радиально наружу от внутреннего диаметра опорного элемента, и, соответственно, вторая опорная поверхность может проходить радиально внутрь от наружного диаметра опорного элемента;
при этом первая опорная поверхность выполняется упирающейся в первый выступ, предусмотренный на держателе седла клапана, а вторая опорная поверхность уплотнения выполняется упирающейся в выступ, предусмотренный в корпусе клапана.
Наружный диаметр первого уплотнения может быть не меньше внутреннего диаметра контактной поверхности седла клапана и затвора, и, соответственно, наружный диаметр контактной поверхности может быть не меньше внутреннего диаметра второго уплотнения; внутренний диаметр первого уплотнения может быть меньше внутреннего диаметра второго уплотнения, и, соответственно, наружный диаметр второго уплотнения может быть больше наружного диаметра первого уплотнения.
Уплотнения могут иметь по две противоположно направленные уплотнительные манжеты, отходящие в осевом направлении от основания уплотнения.
Диаметр окружности внутреннего элемента может соответствовать внутреннему диаметру основания первого уплотнения, а диаметр окружности внешнего элемента может соответствовать наружному диаметру основания второго уплотнения.
Опорный элемент может быть выполнен в виде сборки из первого кольца, среднего кольца и второго кольца.
Среднее и первое кольца могут иметь внутренний диаметр, равный внутреннему диаметру основания первого уплотнения; среднее и второе кольца могут иметь наружный диаметр, равный наружному диаметру основания второго уплотнения.
Площадь кольцевой поверхности с наружным диаметром, равным наружному диаметру первого уплотнения, и внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру контактной поверхности седла клапана, может быть равна площади кольцевой поверхности с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру второго уплотнения, и наружным диаметром, равным наружному диаметру контактной поверхности седла клапана.
Гидравлический клапан может иметь два идентичных узла седла клапана.
Ниже раскрыт предпочтительный вариант конструкции, наглядно представленный на сопроводительных чертежах, на которых:
на фиг. 1 показан продольный разрез шарового клапана в соответствии с изобретением;
на фиг. 2 показан в увеличенном масштабе фрагмент продольного разреза шарового клапана, в котором узел седла клапана содержит двустороннее вторичное уплотнение, выполненное в виде двух однонаправленных манжетных уплотнений со ступенчатым опорным элементом;
на фиг. 3 показан в еще большем масштабе разрез седла клапана, который изношен и прилегает к затвору поверхностью прилегания, обозначенной внутренним и наружным диаметрами;
на фиг. 4 показан разрез устройства седла клапана с опорным элементом альтернативного исполнения;
на фиг. 5 показан в уменьшенном масштабе разрез входного узла седла клапана, на котором затвор закрыт и первое уплотнение подвергается гидравлическому давлению, двигающему кольцо уплотнения таким образом, что кольцо опирается на выступ седла клапана;
на фиг. 6 в том же масштабе показан разрез выходного узла седла клапана, на котором затвор закрыт и второе уплотнение подвергается гидравлическому давлению из-за утечки через затвор, причем второе уплотнение толкает кольцо уплотнения таким образом, что кольцо опирается на выступ корпуса клапана.
На изображениях показан гидравлический клапан 1, в котором в корпусе 2 клапана размещены затвор 3, показанный здесь как шаровой затвор известного типа, соединенный со штоком 32 клапана, узел 4 седла клапана и двустороннее уплотнение 5, расположенное в первом кольцевом пространстве 6 и втором кольцевом пространстве 7, расположенных между узлом 4 седла клапана и корпусом 2 клапана. Клапан 1 симметричен относительно поперечной оси, образованной центральной осью затвора 3, показанной здесь как ось вращения шарового затвора 3. Второй узел 4′ седла клапана идентичен первому узлу 4 седла клапана и расположен соответственно на выходе вокруг центрального канала 8. В дальнейшем обсуждается только первый узел 4 седла клапана.
Рассмотрим теперь фиг. 2, на которой узел 4 седла клапана показан в деталях. Седло 42 клапана прилегает к поверхности затвора 3 и установлено на держателе 41 седла клапана, имеющем возможность перемещаться в осевом направлении. Седло 42 клапана изначально прилегает к затвору 3 контактной поверхностью 421, которая, когда седло 42 клапана и/или затвор 3 не изношено/изношены, настолько узка, что указанная контактная поверхность имеет приблизительно форму контактного кольца, как показано на фиг. 2. Контактная поверхность 421 имеет внутренний диаметр ID и наружный диаметр OD (см. также фиг. 3). Центральный канал 8 проходит через клапан 1, и центральное отверстие 31, предусмотренное в затворе 3, становится, известным способом, частью центрального канала 8 при открытом положении клапана 1. В открытом положении клапана 1 седло 42 клапана окружает центральное отверстие 31, образуя известным способом первичное уплотнение.
Узел 4 седла клапана содержит пружинную систему 43, придающую начальное осевое усилие держателю 41 седла клапана и, следовательно, седлу 42 клапана, в направлении затвора 3.
1
2
1
2
Вторичное уплотнение 5 содержит первое, входное однонаправленное уплотнение 51 манжетного типа, сформованное, для специального назначения, из полимерного материала ПТФЭ (PTFE) или ПЭЭК (PEEK) для обеспечения достаточной долговечности при длительном использовании под высоким давлением. Первое уплотнение 51 устанавливают с основанием 512, обращенным в сторону седла 42 клапана, и уплотнительными манжетами 511, выходящими в осевом направлении от седла 42 клапана. Соответственно, второе, выходное уплотнение такого же типа устанавливают с основанием 522, обращенным от седла 42 клапана, и уплотнительными манжетами 521, выходящими в осевом направлении в сторону седла 42 клапана. Известным способом основания 512, 522 уплотнений имеют внутренний диаметр, больший, и наружный диаметр, меньший, чем номинальные внутренний и наружный диаметры ID, ID, OD, OD соответственно уплотнений 51 и 52 (см. фиг. 4).
1
1
1
Вторичное уплотнение 5 выполнено сбалансированным, то есть независимо от того, с какой стороны уплотнение 5 подвергается гидравлическому давлению, уплотнение 5 будет передавать это гидравлическое давление в виде усилия, толкающего держатель 41 седла клапана, и, следовательно, седло 42 клапана в направлении затвора 3, таким образом усиливая уплотнение. Это достигается за счет того, что наружный диаметр OD первого, входного, уплотнения 51 не меньше внутреннего диаметра ID контактной поверхности 421. Таким образом, образуется эффективная поверхность, выполняющая роль поршня, активная при наличии излишнего давления перед затвором со стороны входа, при этом вышеупомянутая поверхность, выполняющая роль поршня, определяется наружным диаметром OD первого уплотнения 51 и внутренним диаметром ID контактной поверхности, благодаря самому факту, что давление на участок уплотнения и держателя седла клапана, который находится внутри внутреннего диаметра ID контактной поверхности, уравновешивается гидравлическим давлением, действующим на часть седла 42 клапана и смежную переднюю часть держателя 41 седла клапана, которые находятся внутри внутреннего диаметра ID контактной поверхности. Таким образом, для заданного внутреннего диаметра ID контактной поверхности 421 седла клапана воздействие гидравлического давления на седло 42 клапана определяется только наружным диаметром OD первого уплотнения 51. Внутренний диаметр ID первого уплотнения 51 выбирают таким, что на держателе 41 седла клапана образуется выступ 44 седла клапана, причем выступ 44 седла клапана обращен в сторону первого уплотнения 51.
2
2
2
2
Соответственно, внутренний диаметр ID второго, выходного, уплотнения 52 выбирают таким, чтобы он был не меньше наружного диаметра OD контактной поверхности 421. Таким образом, поверхность, выполняющая роль поршня, активна при наличии излишнего давления за затвором со стороны выхода и утечке гидравлической жидкости через первичное уплотнение и вокруг затвора 3, при этом вышеупомянутая поверхность определяется внутренним диаметром ID второго уплотнения 52 и наружным диаметром OD контактной поверхности, благодаря самому факту, что давление на участок уплотнения, находящийся вне внешнего диаметра OD контактной поверхности, уравновешивается гидравлическим давлением, действующим на часть седла 42 клапана и смежную переднюю часть держателя 41 седла клапана, которые находятся вне внешнего диаметра OD контактной поверхности. Таким образом, воздействие гидравлического давления на седло 42 клапана со стороны выхода определяется только внутренним диаметром ID второго уплотнения 52. Наружный диаметр OD второго уплотнения 52 выбирают таким, чтобы в корпусе 2 клапана образовался выступ 21 корпуса клапана, при этом выступ 21 корпуса клапана обращен в сторону второго уплотнения 52 и расположен на большем расстоянии от седла 42 клапана, чем выступ 44 седла клапана.
Вышеупомянутые выступы 21, 44 располагают на переходной части между кольцевыми пространствами 6, 7.
Опорный элемент 53 располагают между выступом 21 корпуса клапана и выступом 44 седла клапана. В одном из исполнений, как показано на фиг. 1, 2, 5 и 6, опорный элемент 53 выполнен в виде ступенчатого кольца. В другом исполнении, как показано на фиг. 4, опорный элемент выполнен в виде сборки первого и второго колец 53а, 53с, с промежуточным средним кольцом 53b, причем равны внутренние диаметры IDs первого кольца 52а и среднего кольца 53b и равны наружные диаметры ODs второго кольца 53 с и среднего кольца 53b.
На первом, входном, торце со стороны первого уплотнения 51, расположена опорная поверхность 531 первого уплотнения (см. фиг. 4), предназначенная для опирания основания 512 первого уплотнения 51, при этом опорная поверхность 531 первого уплотнения комплементарна нижней поверхности 512′ основания 512 уплотнения. На втором, выходном, торце опорного элемента 53 расположена первая опорная поверхность 532, предназначенная для опирания в выступ 44 седла клапана.
Вторая опорная поверхность 533 уплотнения, предназначенная для опирания основания 522 второго уплотнения 52, окружает первую опорную поверхность 532 и смещена по оси в сторону седла 42 клапана, при этом вторая опорная поверхность 533 уплотнения комплементарна нижней поверхности 522′ основания 522 уплотнения. На первом, входном, торце опорного элемента 53, расположена окружающая первую опорную поверхность 531 уплотнения и смещенная по оси в сторону седла 42 клапана вторая опорная поверхность 534 уплотнения, предназначенная для опирания о выступ 21 корпуса клапана.
1
Когда входное гидравлическое давление воздействует на вторичное уплотнение 5, как показано на фиг. 5, первое уплотнение 51 толкает опорный элемент 53, который, в свою очередь, двигается по оси в сторону седла 42 клапана, упираясь в выступ 44 седла клапана, не создавая при этом на второе уплотнение 52 нагрузки со стороны его основания, деформирующей его уплотнительные манжеты 521. Гидравлическое давление воздействует на седло 42 клапана, создавая дополнительное усилие, которое прибавляется к первоначальному усилию, создаваемому пружинной системой 43. Из-за соотношения величины наружного диаметра OD уплотнения 51 и внутреннего диаметра ID контактной поверхности 421 седла 42 клапана, как было описано выше, гидравлическое усилие будет всегда положительным, то есть направленным так, что седло 42 клапана еще более прижимается к затвору 3. Это также верно для первого уплотнения 51 во втором узле 4′ седла клапана (см. фиг. 1), когда уплотнение 51 подвергается гидравлическому давлению с противоположной стороны затвора 3.
2
Когда выходное гидравлическое давление воздействует на вторичное уплотнение 5, как показано на фиг. 6, то есть нарастает давление с противоположной стороны затвора 3 и существует утечка вокруг затвора 3 во входную сторону затвора 3, второе уплотнение 52 толкает опорный элемент 53, который, в свою очередь, двигается по оси в сторону от седла 42 клапана, упираясь в выступ 21 корпуса клапана, не создавая при этом на второе уплотнение 51 нагрузки со стороны его основания, деформирующей его уплотнительные манжеты 511. При этом нарастает гидравлическое давление в кольцевом пространстве 7, и это гидравлическое давление создает дополнительное усилие на седло 42 клапана, которое прибавляется к первоначальному усилию, создаваемому пружинной системой 43. Из-за соотношения внутреннего диаметра ID уплотнения 52 и наружного диаметра OD контактной поверхности 421 седла 42 клапана, как было описано выше, гидравлическое усилие будет всегда положительным, то есть направленным так, что седло 42 клапана еще более прижимается к затвору 3. Это также верно для второго уплотнения 52 в первом узле 4 седла клапана (см. фиг. 1), когда уплотнение 52 подвергается гидравлическому давлению с противоположной стороны затвора 3.