КРИОГЕННЫЙ ЗАПОРНЫЙ ПЛУНЖЕРНЫЙ ПРОХОДНОЙ КЛАПАН
CRYOGENIC SHUTOFF PLUNGER PIPELINE VALVE

Предлагаемое изобретение относится к арматуростроению, в частности, к запорным клапанам, применяемым в криогенной низкотемпературной арматуре, и изобретение предназначено для перекрытия потока криогенных газообразных и жидких сред с температурой от минус 70°С до минус 196°С с определенной герметичностью.
Известен регулирующий клапан компании Parcol [http://www.parcol.com/docs/1-6940_Cryo_GB.pdf] содержащий корпус, с входным и выходным патрубками, стойку с размещенным внутри изолятором, штурвал, насаженный на шток, который соосно установлен в верхней крышке, между верхней крышкой и изолятором размещена дисковая пружина.
Недостатками данного клапана являются низкие герметизирующие параметры уплотнений, которые находятся в контакте с жидкой фазой рабочих сред. Из-за того, что температура стеклования аморфных участков материалов из которых изготовлены манжеты минус 100°С…120°С (ГОСТ 10007-80, Приложение 1), то манжеты теряют эластичность и герметизирующие свойства. В данном клапане предусмотрена система внутренней разгрузки, но в ней отсутствует фильтрующий элемент для защиты уплотнений от твердых частиц.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является криогенный запорный сильфонный клапан с ручным управлением серии АМК 331 [http://nporeg.ru/images/new_katalogi/Katalog-Kriogennaya-armatura-NPO-Regulyator.pdf].
Данный клапан содержит корпус, с входным и выходным патрубками, стойку с размещенным внутри изолятором, штурвал, насаженный на шток, который соосно установлен в верхней крышке, с установленным в ее верхней части грязесъемником. Между штоком и верхней крышкой установлено уплотнение штока, для обеспечения вращения штока в верхней части клапана размещен подшипник, в нижней части шток взаимодействует с плунжером, в корпусе клапана установлено седло.
Недостатками данного клапана являются низкие герметизирующие параметры уплотнений, которые находятся в контакте с жидкой фазой рабочих сред. Из-за того, что температура стеклования аморфных участков материалов из которых изготовлены манжеты минус 100°С…120°С (ГОСТ 10007-80, Приложение 1), то манжеты теряют эластичность и герметизирующие свойства. В данном клапане предусмотрена система внутренней разгрузки, но в ней отсутствует фильтрующий элемент для защиты уплотнений и изолятора от твердых частиц. Кроме того, в данном клапане достаточно сложно осуществлять операции сборки и разборки, необходимые при его производстве и обслуживании.
Задачей данного изобретения является создание криогенного запорного плунжерного проходного клапана, имеющего высокие герметизирующие параметры уплотнений, которые не находятся в контакте с жидкой фазой криогенной среды, предотвращающего попадание твердых частиц в элементы изолятора и уплотнений, обеспечивающего простоту сборки разборки при производстве и обслуживании.
Поставленная задача достигается тем, что в криогенном запорном плунжерном проходном клапане, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, стойку с размещенным внутри изолятором, штурвал, насаженный на шток, который соосно установлен в верхней крышке, с установленным в ее верхней части грязесъемником, между штоком и верхней крышкой установлено уплотнение штока, для обеспечения вращения штока в верхней части клапана размещен подшипник, в нижней части шток взаимодействует с плунжером, в корпусе клапана установлено седло, уплотнение штока представляет собой размещенные последовательно снизу вверх манжету, опору пружины, пружину и шевронное уплотнение, опирающееся в верхней части в нижний выступ поджимной гайки, подшипник установлен в верхней полости плунжера между ее днищем и нижним концом штока, выполненным в виде цилиндра со сферической нижней поверхностью, в плунжере сделаны отверстия с ломаной осью, соединяющие его нижнюю полость с полостью верхней крышки, между плунжером и верхней крышкой размещено внутреннее уплотнение, между стойкой и плунжером установлено среднее уплотнение и направляющее кольцо, между стойкой и верхней крышкой поставлено внешнее уплотнение, верхняя крышка нижним торцом опирается на стопорную гайку, установленную на внешней поверхности стойки, в нижней части, с внешней стороны стойка контактирует со стаканом, на который опирается съемный фланец крепления стойки, между стаканом и корпусом размещено внешнее уплотнение стакана, во внутренней полости стойки соосно размещен изолятор, опирающийся нижним торцом на гайку в которой установлен фильтрующий элемент, причем в нижней части изолятора с внешней его стороны соосно размещена цилиндрическая вставка, между которой и стаканом установлены уплотнение стакана и направляющее кольцо, изолятор выполнен в виде набора расположенных друг над другом цилиндрических элементов, на торцах которых проделаны кольцевые канавки, сообщающиеся между собой через вертикальные продольные каналы, причем соосно кольцевым канавкам на торцах цилиндрических элементов выполнены цилиндро-конические полости, причем изолятор размещен в цилиндрической обойме.
Криогенный запорный плунжерный проходной клапан содержит корпус 1 со входным 2 и выходным 3 патрубками, стойку 4 с размещенным внутри изолятором 5, штурвал 6 (на Фиг. 1 не показан), насаженный на шток 7, который соосно установлен в верхней крышке 8, с установленным в ее верхней части грязесъемником 9.
Между штоком 7 и верхней крышкой 8 установлено уплотнение штока которое представляет собой размещенные последовательно снизу вверх манжету 10, опору пружины 11, пружину 12 и шевронное уплотнение 13, опирающееся в верхней части в нижний выступ поджимной гайки 14.
Для обеспечения вращения штока 7 в верхней части клапана размещен подшипник 15, который обеспечивает рассеивание передаточного осевого усилия по плунжеру 16. В нижней части шток 7 взаимодействует с плунжером 16, в корпусе 1 клапана установлено седло 17. Седло 17 ввернуто в корпус с уплотнением 27 плоскость по плоскости (металл - металл).
Подшипник 15 установлен в верхней полости плунжера 16 между ее днищем и нижним концом штока 7, выполненным в виде цилиндра со сферической нижней поверхностью.
В плунжере 16 сделаны отверстия 18 с ломаной осью, соединяющие его нижнюю полость с полостью верхней крышки 8.
Между плунжером 16 и верхней крышкой 8 размещено внутреннее уплотнение 19. Между стойкой 4 и плунжером 16 размещено среднее уплотнение 20 и направляющее кольцо 21. Между стойкой 4 и верхней крышкой 8 установлено внешнее уплотнение 22.
Верхняя крышка 8 нижним торцом опирается на стопорную гайку 23, установленную на внешней поверхности стойки 4, в нижней части, с внешней стороны стойка 4 контактирует со стаканом 24, на который опирается съемный фланец крепления стойки 4. Стопорная гайка 23 предотвращает от раскручивания верхнюю крышку 8 при возникновении вибраций.
Во внутренней полости стойки 4 соосно размещен изолятор 5, опирающийся нижним торцом на гайку 25 в которой установлен фильтрующий элемент 26.
В нижней части изолятора 5 с внешней его стороны соосно размещена цилиндрическая вставка 28, между которой и стаканом 24 установлены уплотнение стакана 29 и направляющее кольцо 30. Направляющее кольцо 30 центрирует плунжер 16 и цилиндрическую вставку 28, тем самым предохраняют поверхности от задиров при поступательном движении.
Изолятор 5 выполнен в виде набора расположенных друг над другом цилиндрических элементов 31, на торцах которых выполнены кольцевые канавки 32, сообщающиеся между собой через вертикальные продольные каналы 33, причем соосно кольцевым канавкам 32 на торцах цилиндрических элементов 31 выполнены цилиндро-конические полости 34. Изолятор 5 размещен в цилиндрической обойме 35. Между стаканом 24 и корпусом 1 размещено внешнее уплотнение стакана 36.
На верхней крышке 8 клапана установлена шайба 37 и гайка 38, которыми можно зафиксировать любой привод в рамках конструктивного назначения и применения.
Криогенный запорный плунжерный проходной клапан работает следующим образом.
В закрытом положении движение криогенной среды через клапан не происходит. При этом поток криогенной среды (жидкая фаза) с температурой минус 196°С поступает через входной патрубок во внутреннюю полость корпуса 1.
При движении жидкой криогенной среды вверх в средней части изолятора 5 происходит преобразование жидкой фазы в газообразную (в средней части изолятора температура газовой фазы минус 100°С). Достигнув полости верхней крышки 8 газ расширяется за счет температурного преобразования, и происходят следующие процессы:
• газ давит на манжету 10, обеспечивая герметичность плунжера;
• газ давит на шевронное уплотнение 13, обеспечивая герметичность клапана по штоку относительно внешней среды;
• газ за счет объемного расширения давит через вертикальные продольные каналы 33 изолятора 5 в направлении, обратном потоку криогенной среды, тем самым создавая газовую подушку, которая в свою очередь защищает дополнительно верхнюю часть клапана с эластичными уплотнениями (манжета 10, шевронное уплотнение 13) от замораживания (t≤минус 70°С).
С целью защиты уплотнений от твердых частиц на пути потока размещен фильтрующий элемент 26, проходя через который поток очищается от твердых частиц и поступает в вертикальные продольные каналы 33 изолятора 5. С целью обеспечения равномерного распределения криогенной среды между продольными каналами 33 и простоты сборки изолятора 5 на торцах цилиндрических элементов 31 проделаны кольцевые канавки 32. С целью предотвращения промерзания изолятора на торцах цилиндрических элементов 31 выполнены цилиндро-конические полости 34 в которых скапливается воздух или газ.
При открытии клапана (поворот штурвала 6 со штоком 7) происходит открытие проходного сечения (центрального отверстия в седле 17) и криогенная среда устремляется в выходной патрубок 3 корпуса 1. Открытие проходного сечения осуществляется путем поднятия следующих элементов: штока 7, плунжера 16, изолятора 5, фильтрующего элемента 26, цилиндрической вставки 28, цилиндрической обоймы 34.
Благодаря тому, что уплотнение штока размещено в верхней части клапана (между штоком 7 и верхней крышкой 8) удается обеспечить его работоспособность за счет вывода из зоны низких температур. С целью обеспечения герметичности уплотнение штока представляет собой размещенные последовательно снизу вверх манжету 10, опору пружины 11, пружину 12 и шевронное уплотнение 13, опирающееся в верхней части в нижний выступ поджимной гайки 14. Такое конструктивное исполнение обеспечивает надежную герметизацию высокий срок службы даже при низких температурах. Кроме того, такое последовательное расположение уплотнения штока позволяет наиболее рационально распределить температурную нагруженность его элементов.
Для обеспечения вращения штока 7 и поступательного перемещения плунжера 16, изолятора 5, фильтрующего элемента 26, цилиндрической вставки 28, цилиндрической обоймы 35 в верхней полости плунжера 16 (между ее днищем и нижним концом штока 7, выполненным в виде цилиндра со сферической нижней поверхностью) установлен подшипник 15. С целью обеспечения работоспособности в условиях контакта с криогенной жидкой средой подшипник 15 поднят на максимально возможное расстояние, где температура криогенной среды повышается до минус 70°С за счет преобразование жидкой фазы в газообразную в изоляторе 5.
Выполнение отверстий 18 в плунжере 16 с ломаной осью, соединяющих его нижнюю полость с полостью верхней крышки 8 необходимо для компактного размещения подшипника 15 верхней полости плунжера 16 и предотвращения попадания среды к подшипнику 15.
Наличие уплотнений размещенных на разных расстояниях от вертикальной оси клапана (оси симметрии изолятора 5) которые установлены между плунжером 16 и верхней крышкой 8 (внутреннее уплотнение 19), между стойкой 4 и плунжером 16 (среднее уплотнение 20 и направляющее кольцо 21), между стойкой 4 и верхней крышкой 8 (внешнее уплотнение 22) позволяет обеспечить герметичность клапана и равномерно распределить нагрузки между уплотнениями, что повысить их срок службы, особенно при работе с криогенными средами.
Наличие стопорной гайки 23, на которую нижним торцом опирается верхняя крышка 8, обеспечивает возможность регулирования размеров полости верхней крышки 8, в которой скапливается газ, обеспечивающий давление, необходимое для разгрузки привода клапана. С целью обеспечения доступности и удобства регулирования стопорная гайка 23 установлена на внешней поверхности стойки 4.
За счет того, что стойка 4 в нижней части с внешней стороны контактирует со стаканом 24, на который опирается съемный фланец крепления стойки 4, упрощается сборка-разборка клапана (обеспечивается снятие верхней части с корпуса). Кроме того, наличие стакана 24 позволяет разместить еще одно уплотнение, которое размещено между стаканом 24 и корпусом (внешнее уплотнение стакана 36).
Для обеспечения герметизации между внутренней поверхностью стакана 24 и цилиндрической вставкой 28 установлены уплотнение стакана 29 и направляющее кольцо 30.
Гайка 25 необходима для крепления изолятора 5 и фильтрующего элемента 26 к цилиндрической вставке 28.
Благодаря тому, что изолятор 5 выполнен в виде набора расположенных друг над другом цилиндрических элементов 31, на торцах которых выполнены кольцевые канавки 32, сообщающиеся между собой через вертикальные продольные каналы 33, причем соосно кольцевым канавкам 32 на торцах цилиндрических элементов 31 выполнены цилиндро-конические полости 34 удается эффективно повысить температуру криогенной среды в зоне уплотнений за счет ее перехода в газообразное состояние.
Размещение изолятора 5 в цилиндрической обойме 35 предотвращает смещение цилиндрических элементов 31 и упрощает процесс сборки клапана.
Предлагаемая конструкция криогенного запорного плунжерного проходного клапана имеет высокие герметизирующие параметры уплотнений, которые не находятся в контакте с жидкой фазой криогенной среды, предотвращает попадание твердых частиц в элементы изолятора и уплотнений, обеспечивает простоту сборки разборки при производстве и обслуживании.