Узел затвора шиберной задвижки
GATE VALVE ASSEMBLY

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к запорной арматуре, служащей для перекрытия потока жидкостных, газообразных абразивных и коррозионных сред и может быть использовано в качестве узла затвора шиберных задвижек.
Шиберная задвижка относится к типовой трубопроводной арматуре с запирающим элементом, который перемещается возвратно-поступательно, перпендикулярно направлению рабочего потока. Она используется для перекрытия потока рабочей среды и для обеспечения необходимого уровня герметичности системы. Узел затвора шиберной задвижки состоит из соосно установленных в корпусе задвижки седел, снабженных уплотнительными элементами и шибера, установленного между седел, с параллельными уплотнительными поверхностями и проходным отверстием.
При анализе уровня техники выявлены технические решения узлов затворов шиберных задвижек, в которых уплотнение соединения «шибер-седло» обеспечивается за счет установки в седлах уплотнительных элементов, выполненных из термопластичного или эластомерного материала.
Для предотвращения контакта метал по металлу эти уплотнительные элементы выступают на определенную величину относительно металла седла, образуя при этом зазор между корпусом седла и шибером.
Механические примеси и другие загрязнения, находящиеся в рабочей среде, проходящие в процессе эксплуатации через проходное сечение корпуса задвижки, попадают в указанный зазор и повреждают уплотнительные элементы седла и уплотнительные поверхности шибера.
Некоторые известные технические решения узлов затвора шиберных задвижек предусматривают защиту от механических примесей в виде установки скребков перед торцевыми уплотнительными элементами седла, но это решение полностью не искореняет проблему, поскольку известные материалы скребков и их геометрические размеры не исключают появление вышеуказанного зазора, а также зазора между торцом скребка и уплотнительной поверхностью шибера, поскольку первично с шибером контактируют уплотнительные элементы седла, и только при дополнительном поджатии седла к шиберу давлением рабочей среды зазор между торцом скребка и уплотнительной поверхностью шибера нивелируется.
Та же самая проблема, повреждение уплотнительных элементов седла и уплотнительных поверхностей шибера, возникает при попадании в зазор между седлом и шибером, находящийся во внутренней полости корпуса (зашиберном пространстве), механических примесей и других загрязнений. Практически защита уплотнительных элементов от указанных воздействий механических примесей не предусмотрена.
Седла шиберной задвижки подвижны - имеют возможность перемещаться вдоль оси проходных патрубков корпуса задвижки при создании перепада давления на затворе в закрытом положении (перекрытие потока рабочей среды). При этом, между тыльной поверхностью седел и торцом посадочного места в корпусе задвижки образуется значительный зазор. В этот зазор также попадают механические примеси и другие загрязнения, находящиеся в рабочей среде, тем самым препятствуя свободному перемещению седел, и способствуя заклиниванию седел в посадочных местах корпуса задвижки.
Посадочные места в корпусе шиберной задвижки под установку седел в процессе эксплуатации подвержены коррозии (если корпус задвижки не изготовлен из коррозионностойкой стали), в следствии чего, происходит потеря герметичности уплотнения «седло-корпус», а появление язвенной (питтинговой) коррозии на посадочных местах влечет за собой заклинивание седел и, следственно, потерю герметичности уплотнения «седло-шибер».
Под воздействием нагрузок (изгибающих моментов, осевых усилий), передаваемых на корпус шиберной задвижки присоединяемыми к ней трубопроводами, посадочные места в корпусе шиберной задвижки под установку седел подвержены деформации, что приводит к уменьшению зазора между наружным диаметром седла и внутренним диаметром посадочного места и, в конечном итоге, заклиниванию седел.
Так известна уплотнительная система для промышленных запорных клапанов, описанная в патенте на изобретение №2570995, опубликованном 20.12.2015 г. Уплотнительная система содержит корпус с проходными отверстиями, установленными в нем седлами и шибером с запорной частью. Седло содержит два кольцеобразных уплотнительных элемента на торцевой поверхности, обращенной к шиберу, один выполнен из термопластичного материала и имеет многоугольное сечение, второй выполнен из эластомера и имеет круглое или треугольное сечение. Недостатки известной конструкции уплотнительной системы затвора задвижки заключаются в следующем. Конструкция не исключает вырывание из седла уплотнительных элементов из эластомера и смещение уплотнения из термопласта под воздействием давления и скоростного потока транспортируемой среды, особенно при совместном размещении уплотнений, а также при низкой температуре эксплуатации.
Известна также задвижка шиберная, содержащая корпус с проходным отверстием, входным и выходным патрубками с установленными в нем запорным органом в виде шибера с отверстием, подвижными седлами с уплотнительным элементом и независимыми опорными втулками, каждая из которых закреплена внутри корпуса, уплотнительный элемент со стороны, обращенной к шиберу, выполнен по радиусу (Патент RU №2128308 С1, МПК F16K 3/20, от 25.03.1997, опубл. 27.03.1999 г.).
Недостатком шиберной задвижки является то, что подвижные седла с уплотнительным элементом расположены в непосредственном контакте с рабочей средой, что приводит к преждевременному износу уплотнительного элемента, так как все механические примеси рабочей среды воспринимаются данным элементом, в результате чего снижается герметичность и надежность при эксплуатации задвижки.
Известен узел затвора шиберной задвижки (ПМ РФ, 125664, F16K3/06, опубл.10.03.2013), содержащий шибер взаимодействующий с двух сторон с уплотнительными полями соосных седел выполненных в виде ступенчатых втулок помещенных в ответные концентрические расточки патрубков, причем меньшая ступень седел загерметизирована относительно последних, а торцы патрубков взаимодействуют с упругими элементами, установленными в глухих отверстиях большей ступени седел, и упругие элементы выполнены в виде цилиндрических столбиков из эластомерного материала, например, полиуретана, и упругие элементы выполнены в виде цилиндрических трубок.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является затвор шиберной задвижки, описанный в патенте на изобретение РФ, №2594450, F16K3/02, опубл. 20.08.2016 г. В затворе шиберной задвижки, имеющей плоский шибер с проходным отверстием, седла, расположенные соосно проходному отверстию патрубков, снабженные уплотнительными и опорными элементами, в соответствии с техническим решением, уплотнительный элемент представляет собой комбинированное уплотнение, включающее зафиксированные радиусный уплотнительный элемент и расположенный перед ним со стороны прохода уплотнительный элемент, обеспечивающий чистящую функцию, а седло выполнено разборным с жесткой заделкой (в замок) уплотнительных и опорных элементов.
Конструкция седла усложнена наличием нажимного кольца и разнесенным опорным подшипником.
Задачей настоящего технического решения является повышение уровня надежности узла затвора шиберных задвижек:
- в части защиты от воздействия механических примесей и других загрязнений, содержащихся в рабочих средах;
- в части защиты посадочных мест в корпусе под установку седел от коррозии и деформаций, возникающих в следствии нагрузок, передаваемых на корпус шиберной задвижки присоединяемыми к ней трубопроводами.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении защиты уплотнительных элементов седла и вставки затвора шиберной задвижки от механических примесей, содержащихся в транспортируемой среде за счет оптимального расположения входящих в состав конструкции защитных элементов.
Технический результат достигается тем, что в известном узле затвора шиберной задвижки, на торцевой поверхности седел, соосно установленных в корпусе задвижки, со стороны контакта с шибером, а также на тыльной стороне, смонтированы защитные элементы из эластомерного материала. Защитные элементы за счет упругих свойств и геометрических размеров находятся в постоянном контакте с седлом, уплотнительной поверхностью шибера и защитной вставкой. Указанное расположение защитных элементов и наличие постоянного контакта между деталями узла затвора (вставка, шибер, седла) позволяет исключить попадание механических примесей в образующиеся в процессе эксплуатации зазоры между указанным деталями и предотвратить повреждение уплотнительных элементов седла и заклинивание седел. Для защиты посадочных мест в корпусе под установку седел от коррозии и деформаций, в узле затвора применяется защитная вставка с никелевым или хромовым коррозионностойким покрытием, установленная между седлом и корпусом. Вставка компенсирует деформации корпуса за счет увеличенного зазора между ее наружным диаметром и посадочным местом в корпусе, а наличие коррозионностойкого никелевого или хромового покрытия предотвращает появление коррозии в уплотнении «седло-корпус» и заклинивание седел в посадочном месте.
Заявляемое изобретение поясняется следующими иллюстрациями:
Фиг. 1 - изображен общий вид узла затвора шиберной задвижки;
Фиг. 2 - изображен узел затвора шиберной задвижки с защитными элементами;
Фиг. 3 - изображено седло узла затвора шиберной задвижки, где обозначены следующие позиции:
1. Корпус
2. Шибер
3. Вставка
4. Седло
5. Защитный элемент
6. Торцевой уплотнительный элемент вставки
7. Пружина
8. Радиальный уплотнительный элемент вставки
9. Радиальный уплотнительный элемент седла
10. Защитный элемент
11. Торцевой уплотнительный элемент седла
12. Защитный элемент
13. Проходное отверстие
14. Проходные патрубки
15. Полость корпуса (зашиберное пространство)
16. Паз защитного элемента (наружного)
17. Паз защитного элемента (внутреннего)
Узел затвора шиберной задвижки состоит из двух седел (4), базирующихся во вставках (3), установленных соосно в посадочных местах корпуса (1) задвижки. Между седлами (4) размешен шибер (2), имеющий параллельные уплотнительные поверхности, и расположенным в верхней части проходным отверстием (13). Седла (4) и шибер (2) имеют возможность перемещаться вдоль оси проходных патрубков (14) корпуса задвижки (1) для обеспечения автоматического сброса избыточного давления из полости (зашиберного пространства) (15) корпуса задвижки (1) в проходной патрубок (14) с рабочим давлением. Шибер (2) имеет возможность перемещаться в вертикальном направлении для возможности перекрытия потока рабочей среды посредством передачи возвратно-поступательного движения от узла управления (на рисунке 1 не показан). Вставки (3) имеют защитное коррозионностойкое никелевое или хромовое покрытие, предотвращающее появление коррозии в уплотнении «седло-вставка». На тыльной поверхности и по наружному диаметру вставки (3) расположены уплотнительные элементы (6) и (8) из эластомерных материалов, обеспечивающие герметичность в уплотнении «вставка-корпус». Седла (4) имеют торцевые (11) и радиальные (9) уплотнительные элементы, обеспечивающие герметичность в уплотнении «седло-шибер» и «седло-вставка» соответственно. На торцевой поверхности седел (4), со стороны контакта с шибером (2), а также на тыльной поверхности, со стороны контакта со вставкой (3), смонтированы защитные элементы (10), (12) и (5), выполненные из эластомерного материала, предотвращающие попадание механических примесей и других загрязнений в зазоры между седлами (4), шибером (2) и вставками (3). Седла (4) поджаты к шиберу (2) усилием пружин (7).
В заявляемом изобретении для устранения недостатков известных технических решений узлов затворов шиберных задвижек, в части повреждения уплотнительных элементов (11) седла (4) и уплотнительных поверхностей шибера (2) при наличии в рабочей среде механических примесей, а также заклинивания седел (4) при воздействии на посадочные места в корпусе питтинговой коррозии, деформации и механических примесей, седло (4) шиберной задвижки имеет два защитных элемента (10) и (12), расположенных на торцевой поверхности седел (4), со стороны контакта с шибером (2). Защитные элементы (10) и (12) выполнены из эластомерного материала и имеют геометрические параметры, позволяющие постоянно контактировать с уплотнительной поверхностью шибера, даже при перемещении седел (4) в посадочных местах вдоль оси проходных патрубков (14) корпуса (1), что позволяет практически не оказывать влияние на значения удельного давления в уплотнительных элементах (11), необходимого для обеспечения герметичности уплотнения «шибер-седло», и обеспечивает защиту уплотнительных элементов (11) седла (4) и уплотнительных поверхностей шибера (2) от повреждений, возникающих при воздействии механических примесей и иных загрязнений, находящихся в рабочей среде. Защитные элементы (10) и (12) предотвращают попадание механических примесей в зазор между седлами (4) и шибером (2) как со стороны проходных патрубков (14), так и со стороны внутренней полости (15) корпуса (1), тем самым значительно повышая уровень надежности узла затвора. Защитные элементы (10) и (12) имеют пазы (16) и (17), предназначенные для протока рабочей среды и предотвращения вырывания элементов из посадочных мест при перемещении шибера (2) из положения «закрыто» в положение «открыто». Между седлами (4) и посадочными местами в корпусе (1) задвижки установлены вставки (3), которые имеют защитное коррозионностойкое никелевое или хромовое покрытие, предотвращающее появление коррозии в уплотнении «седло-вставка», что исключает заклинивание седел (4) в посадочном месте и снижает риск потери герметичности указанного уплотнения. Увеличенный зазор между наружным диаметром вставки (3) и посадочным местом в корпусе (1) компенсирует деформации, возникающие при воздействии нагрузок (изгибающих моментов, осевых усилий), передаваемых на корпус (1) шиберной задвижки присоединяемыми к ней трубопроводами и позволяет исключить деформации посадочных мест под седла (4) во вставках (3), а, следовательно, заклинивание седел (4). Между тыльной поверхностью седел (4) и торцевыми поверхностями посадочного места вставок (3) установлены защитные элементы (5), которые предотвращают попадание механических примесей в зазор между седлами (4) и вставками (3). Защитные элементы (5) выполнены из эластомерного материала и имеют геометрические параметры, позволяющие постоянно контактировать с тыльной поверхностью седел (4) и торцевыми поверхностями посадочного места вставок (3), даже при перемещении седел (4) в посадочных местах вдоль оси проходных патрубков корпуса (1). Посадочные места под седла (4) во вставках (3) защищены от попадания механических примесей и, следовательно, исключена опасность заклинивания седел и потеря герметичности узла затвора.
Шиберная задвижка работает следующим образом.
При исходном положении, когда задвижка открыта, проходное отверстие (13) шибера (2) совмещено с проходным сечением патрубков (14)  корпуса (1) и поток рабочей среды проходит через задвижку.
При закрытии задвижки шибер (2) перемещается в вертикальном направлении посредством передачи возвратно-поступательного движения от узла управления и перекрывает проходное сечение патрубков (14)  корпуса (1).
Герметичность затвора, обеспечивается двумя седлами (4) и шибером (2), постоянно поджатыми друг к другу:
- «входное» седло (со стороны подачи давления) - герметично за счет радиального уплотнения (9), смонтированного на наружном диаметре седла, а также за счет поджатия к шиберу усилием пружин (7), установленных с тыльной стороны седла, и давлением рабочей среды (до затвора);
- «выходное» седло - также герметично за счет радиального уплотнения (9) и поджатия к нему шибера (2) перепадом давления между входным и выходным патрубками (14) корпуса (1) задвижки. «Выходное» седло обеспечивает надежную герметичность задвижки в случае нарушения плотности «входного» седла.
При открытом и закрытом затворе задвижки все зазоры между шибером (2), седлами (4) и вставками (3) закрыты защитными элементами (10), (12) и (5), что способствует свободному прохождению через задвижку механических примесей и других загрязнений, находящихся в рабочей среде. Механические примеси и другие загрязнения не попадают в зазоры между подвижными деталями узла затвора и, следственно, не повреждают уплотнительные элементы (11) седел (4), а также не препятствуют свободному перемещению седел (4) в посадочных местах вставки (3).
Посадочные места во вставках (3) под седла (4) покрыты никелевым или хромовым покрытием предотвращающим появление коррозии, возникающей в результате контакта с рабочей средой и, следственно, заклинивание седел (4).
Вставки (3), за счет увеличенного зазора между ее наружным диаметром и диаметром посадочного места в корпусе (1), компенсируют деформации корпуса (1), возникающие при воздействии на задвижку изгибающих моментов и осевых усилий от трубопроводов, что предотвращает заклинивание седел (4) и последующей потере герметичности затвора.
Таким образом, реализация изобретения решает поставленные авторами задачи обеспечения защиты уплотнительных элементов седла и вставки затвора шиберной задвижки от механических примесей, содержащихся в транспортируемой среде за счет оптимального расположения входящих в состав конструкции элементов и деформаций, возникающих в следствии нагрузок, передаваемых на корпус шиберной задвижки присоединяемыми к ней трубопроводами.