КЛАПАН ОБРАТНЫЙ С ОСЕВЫМ НАПРАВЛЕНИЕМ ПОТОКА (ВАРИАНТЫ)
BACK VALVE WITH AXIAL DIRECTION OF FLOW (VERSIONS)

Изобретение относится к области арматуростроения, в частности к клапанам обратным для газовых магистралей высокого давления.
Известен клапан обратный самоуплотняющийся, содержащий расположенный с возможностью перемещения в трубчатом корпусе запорный орган, нагруженный пружиной сжатия с усилием против направления потока и поджимаемый к сформированному во входном канале седлу (SU 1838702 A3, кл. F16K 15/02, 28.09.1989). Запорный орган выполнен ограниченно податливым в области уплотняющих поверхностей. Уплотнительные поверхности запорного органа и седла выполнены криволинейными. Пружина сжатия установлена с опорой в днище глухого отверстия запорного органа и предварительно нагружена установочным винтом, входящим в резьбовое отверстие, выполненное в корпусе.
Недостатком известного клапана является упрощенность конструкции, обуславливающая возможность снижения герметичности клапана и невозможность его ремонта. В частности, из-за формирования седла во входном канале корпуса, при повреждениях его поверхности частицами примесей (поверхностная эрозия), снижающих герметичность клапана, потребуется замена всего клапана из-за невозможности замены седла.
Наличие податливой зоны на поверхности запорного органа, подверженной износу и повреждению, тоже снижает герметичность клапана в процессе эксплуатации.
Кроме того, ориентация запорного органа относительно оси клапана может быть нарушена из-за износа поверхности втулки, обеспечивающей возможность его перемещения, в результате чего клапан утратит герметичность.
Известен также запорный клапан, содержащий наружный корпус и размещенный в нем обтекатель в виде внутреннего корпуса, образующие кольцевой проход для регулируемой среды (DE 3610965 А1, кл. F16К 15/02, 08.10.1987). В полости внутреннего корпуса, с возможностью перемещения вдоль продольной оси клапана, установлен запорный орган с конусной и цилиндрической частями поверхности, поджимаемый конусной частью к седлу, установленному в наружном корпусе, во внутренней зоне входного канала. Седло выполнено с конической поверхностью, вписывающейся в профиль входного канала и являющейся контактной поверхностью с поверхностью запорного органа, снабженного механизмом перемещения, выводящим последний из внутреннего корпуса усилием пружины, установленной на штоке, соединенном с поршнем.
Недостатком конструкции известного клапана является недостаточная жесткость крепления седла в наружном корпусе, обусловливающая возможность использования клапана только в диапазоне низких давлений. Использование клапана при высоких давлениях, вызывающих дополнительные нерасчетные воздействия на поверхность седла, приводит к разрушению крепления последнего и может привести к повреждению контактирующих поверхностей внутреннего корпуса и запорного органа и, как следствие, к потере герметичности клапана и повышению его шумовых характеристик.
Причиной снижения герметичности клапана может стать нарушение ориентации запорного органа, имеющего односторонний механизм перемещения, содержащий шток, соединенный с поршнем. В результате механических воздействий примесей и случайных предметов, периодически попадающих в клапан с потоком транспортируемой среды, и при неравномерных ударных нагрузках, обусловленных переменным режимом работы трубопроводного оборудования, возникает износ подшипникового узла механизма перемещения запорного органа, вызывающий отклонение штока и установленного на нем запорного органа от оси клапана, что ведет к снижению его герметичности.
Известен также обратный клапан с осевым направлением потока, содержащий наружный корпус с входным и выходным каналами, в полости которого, в пазах, выполненных на внутренней поверхности входного и выходного каналов, посредством резьбовых соединений, закреплены внутренний конусообразный обтекатель - корпус запорного органа и седло (US 5921276 А, кл. F16К 15/06, 13.07.1999). В полости внутреннего корпуса-обтекателя, подвижно посредством механизма перемещения, установлен запорный орган с рабочей поверхностью в виде части сферы. Механизм перемещения запорного органа включает пружину сжатия, установленную на штоке, перемещающемся в подшипниках скольжения, зафиксированных в направляющей втулке, зафиксированной в обтекателе. Пружина служит для закрытия клапана, открытие которого происходит под действием гидродинамических сил проходящего потока. Седло выполнено в виде кольца с конической поверхностью, контактирующей с поверхностью сферы запорного органа. Конусная поверхность седла, установленного во внутренней полости наружного корпуса и сферическая форма внутренней полости в наружном корпусе определяют форму кольцевого канала между поверхностями наружного и внутреннего корпусов, образуя с входным патрубком проходное сечение клапана в виде сопла Вентури.
Недостатком обратного клапана является невозможность его эксплуатации в условиях высоких и переменных давлений транспортируемых сред из-за снижения герметичности, обусловленного деформацией резьбовых креплений седла и внутреннего корпуса запорного органа в результате воздействия на седло нагрузок, возникающих при срабатывании запорного органа, при которых резьбовое крепление седла подвергается боковым ударным нагрузкам. При высоких давлениях в магистральных газопроводах деформация резьбового крепления седла и внутреннего корпуса может быть значительной. Возникающие изменения положения седла и, как результат - потеря герметичности, потребуют замены всего клапана из-за невозможности извлечения из него седла. Кроме того, при ремонте клапана, для извлечения седла потребуются специальные приспособления, предназначенные для срезания деформированных резьбовых креплений внутри корпусных элементов клапана.
Недостатком клапана является также возможность потери осевой ориентации запорного органа, обусловленная размещением перемещающего его штока в направляющей втулке. При механических воздействиях посторонних предметов, часто попадающих в клапан с потоком транспортируемой среды, возможно отклонение запорного органа, изменение положения его контактирующей поверхности относительно контактной поверхности седла, что также ведет к снижению герметичности клапана.
Вышеуказанный недостаток обратных клапанов наиболее сильно проявляется в клапанах, устанавливаемых в магистральных газопроводах больших диаметров, при высоких давлениях транспортируемой среды из-за одностороннего размещения ориентирующих элементов запорного органа.
Наиболее близким по назначению, технической сущности и достигаемому результату является клапан обратный фирмы «HAMMOND VALVE», содержащий наружный корпус с входным и выходным каналами, во внутренней полости которого жестко закреплен с образованием кольцевого канала с профилем в виде сопла Вентури обтекатель, кольцевое седло и контактирующий с ним подпружиненный запорный орган с двухсторонним штоком, перемещающимся в двух втулках, фиксированных ребрами жесткости в седле и в обтекателе, установленном в выходном канале корпуса (Рекламное предложение фирмы «HAMMOND VALVE»: «Silent Check Valves IR 9253, Wafer style. Semi-steel Body 1251b.Class, Bronze trim», электронный адрес: www.hammondvalve.com - прототип). Для крепления седла в полости входного канала по периферии кольца седла использованы наружные резьбовые элементы. Перемещение штока во втулках обеспечивается подшипниковым узлом, установленным во втулке со стороны пружины.
Недостатком известного клапана является крепление седла наружными резьбовыми элементами, определяющее его предназначенность для работы в средах с небольшим давлением.
Другим недостатком клапана является незащищенность внутренних поверхностей центрирующих втулок и контактирующих с ними поверхностей штоков (особенно со стороны входного канала) от попадания в открытые отверстия центрирующих втулок частичек примесей, присутствующих в транспортируемой через клапан рабочей среде. При налипании частичек примесей на контактирующие поверхности штока и центрирующих втулок возможно заклинивание запорного органа, что снижает герметичность и надежность клапана.
Техническим результатом реализации предлагаемого изобретения является повышение надежности конструкции клапана путем обеспечения стабильной герметичности в процессе всего срока эксплуатации и повышение его ремонтопригодности.
Указанный результат достигается тем, что в клапане обратном с осевым направлением потока, содержащем наружный корпус с входным и выходным каналами, во внутренней полости которого размещены с образованием кольцевого канала с профилем в виде сопла Вентури жестко закрепленный обтекатель, кольцевое седло и контактирующий с ним подпружиненный запорный орган с двухсторонним штоком, перемещающимся в двух втулках, фиксированных ребрами жесткости в седле и по оси обтекателя, согласно изобретению по первому варианту седло разделено на две части: наружную - с силовой резьбой и внутреннюю - жестко зафиксированную упорным кольцом, установленным в кольцевом пазу, сформированном проточками на контактных поверхностях наружной и внутренней частей седла и внутренней поверхности наружного корпуса, при этом контактные поверхности упорного кольца и наружной части седла выполнены встречно конусными, а упорное кольцо разделено на части по линиям, параллельным диаметру окружности сечения кольца, кроме того, центрирующая втулка штока запорного органа со стороны входного канала установлена в дополнительном обтекателе, зафиксированном ребрами жесткости в седле, и снабжена защитным подвижным цилиндром, закрепленным в наружной сферической рабочей поверхности запорного органа, и торцы центрирующих втулок штока снабжены защитными съемными заглушками.
По второму варианту выполнения клапана обратного с осевым направлением потока, содержащего наружный корпус с входным и выходным каналами, во внутренней полости которого размещены с образованием кольцевого канала с профилем в виде сопла Вентури жестко закрепленный обтекатель, кольцевое седло и контактирующий с ним подпружиненный запорный орган с двухсторонним штоком, перемещающимся в двух втулках, фиксированных ребрами жесткости в седле и по оси обтекателя, согласно изобретению кольцевое седло установлено во входном канале наружного корпуса по посадке и зафиксировано крепежным узлом, выполненным в виде упорного и запирающего колец, при этом упорное кольцо установлено в кольцевом пазу, выполненном на внутренней поверхности наружного корпуса и наружной поверхности фиксирующего кольца, и контактные поверхности упорного и фиксирующего колец и наружной части седла выполнены встречно конусными, упорное кольцо разделено на части по линиям, параллельным диаметрам окружностей кольца, и каждая часть упорного кольца соединена с фиксирующим кольцом хотя бы двумя винтами с конусными головками, резьбовые отверстия для которых выполнены в частях упорного кольца с конусным расширением в нижней части, а конусные пазы под головки винтов выполнены в фиксирующем кольце, кроме того, винты дополнительно зафиксированы развальцовкой нижней части помещенными в конусных расширениях в нижней части дорнами, устанавливаемыми в кольцевом пазу для упорного кольца.
Выполнение седла по первому варианту - в виде двух частей: наружной - с силовой резьбой и внутренней, зафиксированной упорным кольцом с конусной поверхностью, встречной контактной с ним конусной поверхности седла, обеспечивает возможность разгрузки и защиты крепления седла от ударных воздействий запорного органа. Силовые ударные нагрузки при закрывании клапана воспринимаются седлом и передаются упорным кольцом на наружный корпус. Наличие встречных конусных поверхностей на контактирующих поверхностях упорного кольца и наружной части седла придает ему свойства клинового, демпфирующего ударные нагрузки, соединения деталей. В результате, силовая резьба наружной части седла защищена от ударного воздействия запорного органа. Разгруженное встречно конусными контактирующими поверхностями упорного кольца и наружной части седла резьбовое крепление последнего не деформируется в процессе эксплуатации клапана, что обеспечивает стабильное положение седла в кольцевом канале наружного корпуса, сохраняет уровень герметичности и повышает надежность клапана.
Наличие дополнительного обтекателя, размещенного во входном канале, зафиксированного ребрами жесткости в разгруженной части седла и выполняющего функции фиксатора для центрирующей втулки штока запорного органа, обеспечивает распределение транспортируемой среды к периферийной зоне кольцевого канала клапана, где повышается турбулентность потока, увеличивается воздействие потока на периферию поверхности запорного органа, что стабилизирует его положение. При этом, присутствующие в потоке механические примеси отбрасываются в турбулентный поток и выносятся из клапана.
Крепление седла резьбой, выполненной на его наружной части, и упорным кольцом, имеющим клиновую поверхность, и выполнение упорного кольца разъемным облегчает извлечение седла и других внутрикорпусных элементов при ремонте, а выполнение разъемов упорного кольца по линиям, параллельным диаметрам окружностей упорного кольца, позволяет свести зазоры в крепежном узле к минимальным размерам, не влияющим на герметичность клапана.
Снабжение центрирующей втулки штока со стороны входного канала защитным подвижным цилиндром, закрепленным в наружной сферической поверхности запорного органа, предотвращает попадание частиц примесей из транспортируемой через клапан среды в полость центрирующей втулки, исключая залипание (заклинивание) подвижных элементов, и сохраняет герметичность клапана. Съемные заглушки, установленные на торцах центрирующих втулок штока, также защищают полости центрирующих втулок от налипания частиц примесей на подвижные элементы механизма перемещения. Наличие защищающих элементов - защитного подвижного цилиндра на центрирующей втулке со стороны входного канала и заглушек на торцах центрирующих втулок штока позволяет также повысить ремонтопригодность клапана благодаря упрощению процесса разборки практически чистого механизма перемещения запорного органа.
Реализация технического решения по второму варианту, по которому седло установлено во входном канале корпуса по посадке и зафиксировано крепежным узлом, представленным упорным и фиксирующим кольцами, позволяет исключить из сочленения корпуса с седлом резьбовое соединение, что предотвращает возможность повреждения седла в результате ударных воздействий запорного органа, обеспечивает сохранение герметичности клапана на протяжении всего периода эксплуатации и повышает ремонтопригодность клапана благодаря сохранению возможности извлечения его внутрикорпусных элементов.
Фиксация седла крепежным узлом, состоящим из упорного - разрезного и фиксирующего колец, соединенных между собой винтовыми соединениями, способствует повышению герметичности и ремонтопригодности клапана, т.к. ударные нагрузки от запорного органа воспринимаются упорным кольцом и корпусом, разгружая фиксирующее кольцо и резьбовые крепления. При этом размещение упорного кольца в кольцевом пазу корпуса и взаимодействие его с седлом по встречно конусным поверхностям, как и в первом варианте выполнения клапана, придает крепежному узлу свойства клинового, демпфирующего механизма, который передает ударные нагрузки на корпус, разгружая узел крепления седла.
Выполнение соединения упорного и фиксирующего колец винтами с клиновыми головками, помещенными в превышающих последние по размерам конических гнездах, выполненных в фиксирующем кольце, благодаря возможности перераспределения усилий затяжки с резьбовой части винта на поверхность фиксирующего элемента, повышает надежность крепежных соединений и фиксации седла. Надежность винтового соединения повышается также благодаря дополнительной фиксации винтов развальцовкой их нижней части в пазах упорного кольца.
Пример выполнения заявляемого клапана обратного с осевым направлением потока по первому и второму варианту приведен на чертежах.
На фиг.1 показан в разрезе описываемый клапан обратный с осевым направлением потока.
На фиг.2 представлена выноска А с фиг.1 - эскиз крепежного узла седла по первому варианту.
На фиг.3 приведена выноска Б с фиг.1 - эскиз размещения штока седла в дополнительном обтекателе.
На фиг.4 дается эскиз выполнения упорного кольца.
На фиг.5 приведен эскиз крепежного узла седла по второму варианту.
Клапан содержит наружный корпус 1 с входным 2 и выходным 3 каналами.
Во внутренней полости наружного корпуса установлены внутрикорпусные узлы, представленные обтекателем 4, который с внутренней поверхностью наружного корпуса формирует кольцевой канал 5 (с профилем в виде сопла Вентури) для прохода рабочей среды, и кольцевым седлом 6. В полости 7 обтекателя установлен запорный орган 8 с рабочей поверхностью в виде части сферы. Механизм перемещения запорного органа содержит шток 9, установленный в центрирующих втулках: посредством подшипника 10 - во втулке 11, зафиксированной в обтекателе, и втулке 12, установленной в дополнительном обтекателе 13, закрепленном ребрами жесткости 14 в седле. Запорный орган 8 прижат пружиной 15 к контактной поверхности 16 седла 6, выполненной на зафиксированной посредством упорного кольца 17 внутренней части 18 седла, а наружная часть 19 седла зафиксирована резьбовым соединением 20 на внутренней поверхности входного канала в наружном корпусе. Упорное кольцо по линиям 21, параллельным диаметрам его окружностей, разделено на 4 части 17' и установлено в кольцевом пазу 22, образованном поверхностями 23 и 23' частей 18 и 19 седла и проточкой 24 на внутренней поверхности наружного корпуса. Контактирующие поверхности 25 упорного кольца 17 и 23' наружной части седла 19 выполнены встречно конусными.
Центрирующая втулка 12, установленная в дополнительном обтекателе 13, снабжена защитным цилиндром 26, установленным в полости 27 и закрепленным в наружной - рабочей - сферической поверхности 28 запорного органа. Полость 7 обтекателя 4 снабжена съемной заглушкой 29, а обтекатель 13 - заглушкой 30. Клапан изображен закрытым при направлении потока по стрелке. Пружиной 15 запорный орган 8 прижимается к контактной поверхности 16 седла 6, закрывая входной канал. При этом шток 9 и защитный цилиндр 25 находятся в крайне правом положении. При увеличении давления среды и превышении гидродинамических сил потока над усилием пружины 15 запорный орган 8 отходит от поверхности седла 6, открывая проход рабочей среде в кольцевой канал 5 и сжимая пружину 15. Усилие сжатия пружины определяется рабочим давлением среды в транспортируемом через клапан потоке и задается подбором пружины. Шток 9 перемещается в подшипнике скольжения 10, размещенном в полости центрирующей втулки 11. Закрепленный на рабочей поверхности 28 запорного органа 8 защитный цилиндр 26 перемещается в полости 27. При этом движении защитного цилиндра 26, перемещающегося в полости 27, а также благодаря заглушкам 29 и 30, установленным на обтекателях 4 и 13, поверхность штока защищена от частичек примесей.
Запорный орган 8 устанавливается на торце обтекателя 4, и клапан открывается, обеспечивая проход рабочей среды. Это положение клапана является рабочим. Дополнительный обтекатель 13 с установленной в его полости центрирующей втулкой 12, жестко зафиксированный ребрами жесткости 14 в части 18 седла и снабженный съемной заглушкой 30, направляет поток транспортируемой среды к периферии кольцевого канала 5, выравнивая воздействие гидродинамических сил на запорный орган.
При повышении давления в магистрали или регулируемом объекте (на чертеже не показаны), в момент превышения давления (при направлении потока по стрелке «Обратно») в выходном канале 3 над давлением во входном канале 2, воздействие гидравлических сил на запорный орган 8 исключается, и под действием пружины 15 он прижимается к поверхности 16 части седла 18, зафиксированной на внутренней поверхности наружного корпуса 1 упорным кольцом 17, установленным в кольцевом пазу 21, и резьбовым соединением 20 наружной части седла 19. Упорное кольцо, установленное в кольцевом пазу, образованном проточками 23, 23' на контактирующих поверхностях частей 18 и 19 седла и проточкой 24 на внутренней поверхности наружного корпуса, воспринимает нагрузку при контакте запорного органа 8 и части седла 18 и передает ее на корпус и наружную часть седла 19, закрепленную на внутренней поверхности наружного корпуса резьбовым соединением 20. При этом нагрузка на резьбовое соединение 20 наружной части седла 19 снижается благодаря конусной поверхности 26, контактирующей с встречной конусной поверхностью 25 упорного кольца.
Клапан герметично закрыт, предотвращая движение потока транспортируемой среды в обратную сторону.
Выполнение клапана обратного по второму варианту предусматривает установку седла 4 в корпусе по посадке и фиксацию его крепежным узлом, представленным упорным кольцом 17, разделенным по линиям 21 на четыре части 17', и фиксирующим кольцом 31. Каждая часть 17' упорного кольца соединена с фиксирующим кольцом 31 не менее чем двумя винтовыми соединениями. Винт 32 винтового соединения выполнен с конусной головкой 33, а резьбовые отверстия 34 в частях 17' упорного кольца выполнены с конусным расширением 35 в нижней части. Отверстия 36 в фиксирующем кольце 31 выполнены конусными (под конусные головки винтов 32) и продолговатыми (за счет смещения осей конусного паза и резьбового отверстия под винт) для перемещения фиксирующего кольца относительно четырех частей 17' при сборке клапана. Ширина паза отверстия 36 в основании соответствует меньшему диаметру конуса головки винта 32, который больше диаметра резьбы (для удобства установки винта). Каждый винт дополнительно зафиксирован в кольцевом пазу 22 развальцовкой посредством дорна 37, установленного в отверстие 38, выполненного на торцевой поверхности соосно резьбовому отверстию 34 и приваренного к частям 17'.
Наличие развальцовки в нижней части винта 32 предотвращает откручивание его при вибрациях, что повышает надежность фиксации седла.
Нагрузки, которым подвергается седло при гидроударе, передаются частям упорного кольца 17, вызывая в нем и в жестко зафиксированных винтах 32 микроразворот. Установкой конусных головок 33 винтов 32 в продолговатых отверстиях 36 исключается увеличение радиальных нагрузок на винты.
Таким образом, предлагаемый вариант клапана (отсутствие резьбы на седле и в наружном корпусе) обеспечивает поддержание заданной герметичности клапана в закрытом состоянии, что повышает надежность клапана и возможность работы в потоках с переменным режимом, в частности становится возможным применение данного клапана для транспортировки воды и других жидкостей.
Кроме того, благодаря разгруженности резьбового крепления в полости наружного корпуса седла клапана и защищенности штока запорного органа от загрязнений облегчается их извлечение и ремонт, а также ускоряется восстановление изделия путем замены его внутренних элементов.