УПЛОТНЕНИЕ ШАРОВОГО КРАНА
BALL VALVE SEALING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к уплотнениям, а конкретнее, к уплотнениям шарового крана.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В шаровых кранах, как правило, требуется применение седельных уплотнений для сохранения эффективной структурной целостности крана при повышенном давлении. Седельные уплотнения одностороннего поршневого действия работают в одном направлении, в то время как уплотнения двустороннего поршневого действия работают в двух направлениях.
Шаровые краны используются в различных отраслях промышленности, в том числе для транспортировки, передачи и хранения текучих сред, переработки газов и в промышленном производстве. В отраслях промышленности, применяющих шаровые краны, сохраняется потребность в улучшении технических характеристик седельных уплотнений, в частности, при работе в экстремальных условиях окружающей среды, например при криогенных температурах, таких как температуры ниже -150°C.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Варианты реализации изобретения проиллюстрированы в качестве примера, и прилагаемые фигуры не предполагают их ограничения.
Фиг. 1 содержит вид в поперечном разрезе шарового крана в соответствии с вариантом реализации изобретения.
Фиг. 2 содержит вид в поперечном разрезе уплотнения в соответствии с вариантом реализации изобретения.
Фиг. 3 содержит вид в поперечном разрезе уплотнения в соответствии с другим вариантом реализации изобретения.
Фиг. 4 содержит вид в поперечном разрезе шарового крана в соответствии с вариантом реализации изобретения, показанном в круге A на фиг. 1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеследующее описание в сочетании с фигурами предоставляет возможность способствовать пониманию идей изобретения, раскрытых в данном документе. В нижеследующей части основное внимание направлено на конкретные варианты реализации идей изобретения. Такое направление внимания предоставляет возможность способствовать пониманию идей изобретения и не должно рассматриваться в качестве ограничивающего по отношению к идеям изобретения или к области их применения. В то же время могут применяться и другие варианты реализации, основанные на идеях изобретения, раскрываемых в данной заявке.
Термины «содержит», «содержащий», «включает», «включающий», «имеет», «имеющий» или любые другие их варианты предназначены для обозначения неисключительного включения. Например, способ, изделие или устройство, содержащие набор признаков, не обязательно ограничены исключительно данными признаками, но могут содержать другие признаки, не указанные в явном виде или присущие такому способу, изделию или устройству. Кроме того, если явным образом не указано иное, термин «или» означает включающее «или», а не исключающее «или». Например, условию «A или B» соответствует любое из следующих утверждений: «A является истинным (или присутствует), а B является ложным (или не присутствует)», «A является ложным (или не присутствует), а B является истинным (или присутствует)», и «как A, так и В являются истинными (или присутствуют)».
Термины «в целом», «по сути», «около» и подобные им предназначены для обозначения диапазона возможных отклонений от заданной величины. В конкретном варианте реализации термины «в целом», «по сути», «около» и подобные им означают отклонение от величины в любом направлении в пределах 10 % от указанной величины, в пределах 9 % от указанной величины, в пределах 8 % от указанной величины, в пределах 7 % от указанной величины, в пределах 6 % от указанной величины, в пределах 5 % от указанной величины, в пределах 4 % от указанной величины, в пределах 3 % от указанной величины, в пределах 2 % от указанной величины или в пределах 1 % от указанной величины.
Кроме того, для описания элементов и компонентов, описанных в данном документе, используются неопределенные артикли «a» или «an». Это сделано только лишь для удобства и придания общего смысла рамкам объема изобретения. Следует понимать, что данное описание содержит выражения «один» или «по меньшей мере один», или формы единственного числа в качестве форм множественного числа, или наоборот, если явным образом не предполагается иное их значение. Например, если в данном документе описывается один элемент, вместо одного указанного элемента могут применяться несколько элементов. Аналогичным образом, если в данном документе описываются несколько элементов, то несколько указанных элементов могут замещаться одним элементом.
Если не указано иное, технические и научные термины, используемые в данном документе, имеют значение, аналогичное общепринятому для специалистов в той области техники, к которой относится изобретение. Материалы, способы и примеры являются исключительно иллюстративными и не предусматриваются в качестве ограничивающих. В части, не рассматриваемой в данном документе, различные данные, относящиеся к конкретным материалам и технологическим приемам, являются общеизвестными и могут быть найдены в справочниках и других источниках в области техники уплотнений.
Шаровой кран в соответствии с вариантом реализации может содержать уплотнение, образующее уплотнение двустороннего поршневого действия в условиях криогенных температур. В конкретном варианте реализации уплотнение может образовывать уплотнение двустороннего поршневого действия, как для положения седла на входе, так и для положения седла на выходе. Шаровой кран может представлять собой шаровой кран с пробкой в опорах, шаровой кран с плавающей пробкой или шаровой кран с выдвижным шпинделем. Хотя в зависимости от применения шаровой кран может иметь двухходовое, трехходовое, четырехходовое или более многоходовое исполнение, в данном документе для простоты изложения приводится описание по отношению к двухходовому шаровому крану.
В варианте реализации изобретения шаровой кран может содержать седельное уплотнение на входе, седельное уплотнение на выходе или их сочетание. В конкретном варианте реализации изобретения седельное уплотнение на входе и седельное уплотнение на выходе могут быть симметричными, например, имеют отражательную симметрию, трансляционную симметрию или поворотную симметрию. В более конкретном варианте реализации изобретения седельное уплотнение на входе и седельное уплотнение на выходе могут быть идентичными. В варианте реализации изобретения шаровой кран может также содержать вращаемое проходное отверстие, которое может перемещаться на четверть оборота для избирательного закрытия шарового крана и остановки перемещения текучей среды.
В варианте реализации изобретения уплотнение (одно из или оба уплотнения на входе и на выходе) может содержать упругое кольцо, образующее сцепляющий элемент, и первое полимерное кольцо, расположенное в прилегании к первому продольному концу упругого кольца и сопряженное со сцепляющим элементом. Второе полимерное кольцо может быть расположено в прилегании ко второму продольному концу упругого кольца и сопряжено со сцепляющим элементом. В конкретном варианте реализации первое и второе полимерные кольца могут быть сопряжены с одним и тем же сцепляющим элементом.
Сцепляющий элемент может быть выполнен с возможностью избирательного сопряжения с первым и вторым полимерными кольцами. В варианте реализации изобретения сцепляющий элемент содержит по меньшей мере одно из паза, выступа, выреза, зубца, зубьев или любого их сочетания. В варианте реализации изобретения сцепляющий элемент может быть расположен по внешнему диаметру упругого кольца. В варианте реализации изобретения сцепляющий элемент образует первый продольный конец и второй продольный конец. Первое полимерное кольцо может быть сопряжено с упругим кольцом, прилегающим к первому продольному концу, а второе полимерное кольцо может быть сопряжено с упругим кольцом, прилегающим ко второму продольному концу. В варианте реализации изобретения первое полимерное кольцо соприкасается со вторым полимерным кольцом. В более конкретном варианте реализации изобретения первое полимерное кольцо может соприкасаться со вторым полимерным кольцом в осевом местоположении, соответствующем сцепляющему элементу.
В варианте реализации изобретения первое полимерное кольцо может содержать первый совместимый сцепляющий элемент, выполненный с возможностью входить в сцепление со сцепляющим элементом упругого кольца. В другом варианте реализации изобретения второе полимерное кольцо может содержать второй совместимый сцепляющий элемент, выполненный с возможностью входить в сцепление со сцепляющим элементом упругого кольца. В варианте реализации изобретения первый совместимый сцепляющий элемент содержит бородку, выполненную с возможностью входить в сцепление со сцепляющим элементом упругого кольца. В другом варианте реализации изобретения второй совместимый сцепляющий элемент содержит бородку, выполненный с возможностью входить в сцепление со сцепляющим элементом упругого кольца.
В варианте реализации изобретения первый и второй совместимые сцепляющие элементы могут иметь по меньшей мере одно из одинаковой или в целом одинаковой формы поперечного сечения, одинаковой или в целом одинаковой площади поперечного сечения, одинаковых или в целом одинаковых размеров поперечного сечения или любого сочетание вышеуказанного.
Первое полимерное кольцо может содержать основание, образующее нагруженную область, сопряженную с первым совместимым сцепляющим элементом. Второе полимерное кольцо также может содержать основание, образующее нагруженную область, сопряженную со вторым совместимым сцепляющим элементом. В варианте реализации изобретения нагруженная область по меньшей мере одного из первого и второго полимерных колец может содержать по меньшей мере два нагружающих элемента, например, по меньшей мере две пружины, расположенные по меньшей мере частично в основании полимерного кольца. В другом варианте реализации изобретения нагруженная область по меньшей мере одного из первого и второго полимерных колец может иметь форму поперечного сечения, образующую заглавную букву «Е».
В варианте реализации изобретения по меньшей мере два нагружающих элемента могут быть расположены вдоль прямой линии, если смотреть в поперечном разрезе. По меньшей мере два нагружающих элемента могут содержать первый элемент и второй элемент, например, первую пружину и вторую пружину. Первый нагружающий элемент может быть расположен в радиальном направлении внутри второго нагружающего элемента. В варианте реализации изобретения второй нагружающий элемент имеет нагружающую способность выше, чем нагружающая способность первого нагружающего элемента. Например, в варианте реализации изобретения вторая пружина может иметь диаметр больше, чем диаметр первой пружины. Кроме того, вторая пружина может иметь более высокий коэффициент жесткости по сравнению с первой пружиной.
В варианте реализации изобретения упругое кольцо может содержать внутренний диаметр, внешний диаметр, первый продольный конец и второй продольный конец. Кромка между по меньшей мере одним из первого и второго продольных концов и внешним диаметром может содержать фаску. В варианте реализации изобретения фаска имеет угол по меньшей мере 5 градусов относительно центральной оси уплотнения, по меньшей мере 10 градусов, по меньшей мере 15 градусов, по меньшей мере 20 градусов, по меньшей мере 25 градусов, по меньшей мере 30 градусов, по меньшей мере 35 градусов или по меньшей мере 40 градусов. В конкретном варианте реализации изобретения фаска имеет угол около 45 градусов относительно центральной оси уплотнения.
В варианте реализации изобретения по меньшей мере одно из первого и второго полимерных колец содержит термопластичный материал. В другом варианте реализации изобретения первое и второе полимерные кольца представляют собой часть одного элемента (то есть они представляют собой часть одного полимерного элемента).
Как показано на фиг. 1, шаровой кран 100 может в целом содержать центральное проходное отверстие 102 и шпиндель 104 крана с внешним установочным фланцем 106 для опирания гидравлического двигателя или ручного интерфейса для поворота шпинделя 108 крана. Проточные линии 110A и 110B, оси которых совпадают с осью центрального проходного отверстия 102, сопряжены с шаровым краном 100 в местоположениях 112A и 112B соответственно. В варианте реализации изобретения сопряжение проточных линий 110A и 110B с шаровым краном может приводить к образованию цельного корпуса. Проточные трубы 110A и 110B могут содержать на своих концах фланцевые участки 114 для соединения с аналогичными стыкующими фланцами на трубной системе на участке потока, к которому присоединен шаровой кран 100.
В варианте реализации изобретения шпиндель 108 крана поддерживается сальниковой втулкой 116 и втулкой 118. Между сальниковой втулкой 116 и втулкой 118 может быть обеспечено уплотнение 120. Сальниковая втулка 116 может быть установлена на шпинделе 108 крана с помощью разъемного соединения, использующего стопорное кольцо 122, которое помещают в кольцевую канавку на внешнем конце шпинделя 108 крана. Сальниковая втулка 116 может также упираться в шайбу 124, которая удерживает конец сальниковой втулки 116. Нижний конец втулки 118 может упираться в уступ 126 на конце шпинделя 108 крана, а конец шпинделя с уступом может располагаться внутри гнезда 128 в шаре 130. В варианте реализации изобретения шпиндель может быть прикреплен к шару 130 с помощью пальцев 132 для предотвращения относительного перемещения между шаром 130 и шпинделем 108.
С противоположной стороны от гнезда 128 в шаре 130 может находиться гнездо 132, содержащее опорную втулку 134, в которой поддерживается опора. Опора может проходить через центральное проходное отверстие 102, а накладная пластина 136 может крепиться с помощью резьбовых крепежных элементов 138 к трубе над внешним концом опоры. В опоре может быть обеспечено уплотнение 140, необходимое для создания уплотнения между опорой и отверстием в трубе, в котором она расположена.
Фланцевые участки 114 могут содержать сферические седельные поверхности 142 и 144, которые в целом согласуются с внешней поверхностью шара 130, а внутренние уступы 146 центрального проходного отверстия 102 упираются в фланцевые участки 114 с образованием незначительного зазора между шаром и поверхностями 142 и 144. Седла 148 и 150 могут быть расположены между шаром 130 и окружением гнезд 128 и 132.
Как показано на фиг. 4, по меньшей мере одно из седел 148 и 150 может содержать основание 400 седла, прокладку 402, выполненную с возможностью соприкасаться с шаром 130, и уплотнение 200. В конкретном варианте реализации изобретения основание 400 седла может содержать упругий материал, например металл или сплав. Прокладка 402 может проходить между основанием 400 седла и поверхностью соприкосновения с шаром 130. В варианте реализации изобретения прокладка 402 может содержать полимерный материал. В другом варианте реализации изобретения прокладка 402 может содержать металл или сплав. Поджимающий элемент, такой как пружина (не показана), может поджимать основание 400 седла по направлению к проточным трубам 110A и 110B. В варианте реализации изобретения поджимающий элемент может поджимать основание 400 седла в целом по направлению к шаровой пробке 130.
Фиг. 2 содержит вид в поперечном разрезе уплотнения 200 в соответствии с вариантом реализации изобретения. В то время как нижеследующее описание выполнено по отношению к уплотнению 200, следует понимать, что уплотнение 202 может содержать подобные или отличающиеся признаки по сравнению с уплотнением 200. В конкретном варианте реализации изобретения уплотнение 200 расположено на входной стороне шара 130, а уплотнение 202 расположено на выходной стороне шара 130. В некоторых случаях уплотнения 200 и 202 могут образовывать кольца.
В варианте реализации изобретения уплотнение 200 может быть выполнено с возможностью применения при криогенных температурах. Конкретнее, уплотнение 200 может быть выполнено с возможностью применения при температурах ниже -150°C, ниже -175°C, ниже -200°C, ниже -225°C. В некоторых случаях уплотнение 200 может представлять собой уплотнение двустороннего поршневого действия. В других случаях уплотнение 200 может представлять собой уплотнение одностороннего поршневого действия.
Уплотнение 200 может содержать упругое кольцо 204, имеющее в целом кольцевую конструкцию, образующую центральную ось. Упругое кольцо 204 может быть выполнено из упругого материала, например, металла, сплава или упругого полимера. В конкретном варианте реализации изобретения упругое кольцо 204 может содержать сталь. В более конкретном варианте реализации изобретения упругое кольцо 204 может содержать сталь 316 ST.
Упругое кольцо 204 может образовывать внутренний диаметр, соответствующий внутренней поверхности 206 упругого кольца 204, внешний диаметр, соответствующий внешней поверхности 208 упругого кольца 204, первый продольный конец 210 и второй продольный конец 212 с противоположной стороны от первого продольного конца 210.
В варианте реализации упругое кольцо 204 может содержать скошенную кромку 214. В некоторых случаях скошенная кромка 214 может проходить между внешней поверхностью 208 и первым продольным концом 210. В ином случае скошенная кромка 214 может проходить между внешней поверхностью 208 и вторым продольным концом 212. В еще одном случае упругое кольцо 204 может содержать скошенную кромку 214 между внешней поверхностью 208 и первым продольным концом 210 и скошенную кромку 214 между внешней поверхностью 208 и вторым продольным концом 212. В варианте реализации изобретения скошенная кромка 214 может иметь угол по меньшей мере 5 градусов, определяемый относительно центральной оси уплотнения 200. В более конкретном варианте реализации изобретения скошенная кромка 214 может иметь угол по меньшей мере 10 градусов, по меньшей мере 15 градусов, по меньшей мере 20 градусов, по меньшей мере 25 градусов, по меньшей мере 30 градусов, по меньшей мере 35 градусов или по меньшей мере 40 градусов. В конкретном варианте реализации изобретения скошенная кромка 214 может иметь угол около 45 градусов, определяемый относительно центральной оси уплотнения 200.
В варианте реализации изобретения упругое кольцо 204 может образовывать сцепляющий элемент 216. В конкретном варианте реализации изобретения сцепляющий элемент 216 может быть расположен на поверхности упругого кольца 204. Конкретнее, сцепляющий элемент 216 может быть расположен на внешней поверхности 208 упругого кольца 204. В иллюстративном варианте реализации изобретения сцепляющий элемент 216 изображен в аксиально-центрированном положении на равном расстоянии от первого и второго продольных концов 210 и 212. В другом варианте реализации изобретения сцепляющий элемент 216 может быть расположен ближе к одному из первого и второго продольных концов 210 или 212 по сравнению с другим из первого и второго продольных концов 210 или 212.
В другом варианте реализации изобретения сцепляющий элемент 216 может содержать один или несколько пазов, проходящих от внешней поверхности 208 упругого кольца 204. В более конкретном варианте реализации изобретения сцепляющий элемент 216 может содержать элементы в виде зубцов, выступающих из внешней поверхности 208 упругого кольца 204. В другом варианте реализации изобретения сцепляющий элемент 216 может содержать выступ, проходящий вдоль периметра упругого кольца 204. Пазы или выступ могут проходить непрерывно либо с разрывами вдоль периметра упругого кольца 204. В еще одном варианте реализации изобретения сцепляющий элемент 216 может содержать вырез 218. В конкретном случае вырез 218 может проходить от внешней поверхности 208 вглубь упругого кольца 204.
Сцепляющий элемент 216 может образовывать первый продольный конец 220 и второй продольный конец 222. В некоторых случаях первый и второй продольные концы 220A и 220B могут быть параллельными или по сути параллельными по отношению друг к другу. В других случаях первый и второй продольные концы 220A и 220B могут иметь угловое смещение по отношению друг к другу. Например, первый и второй продольные концы 220A и 220B могут образовывать поверхности с отрицательным наклоном по отношению к внешней поверхности 208 упругого кольца 204, тем самым создавая вырез 218 с увеличивающимся размером в направлении от внешней поверхности 208 вглубь основания упругого кольца 204. Первый и второй продольные концы 220A и 220B могут находиться на расстоянии, соответствующем в целом расстоянию, необходимому для закрепления одного или нескольких полимерных колец (подробно описывается ниже) к упругому кольцу 204.
В некоторых случаях сцепляющий элемент 216 может иметь в целом неизменную форму вдоль периметра упругого кольца 204. В других случаях сцепляющий элемент 216 может иметь в целом неизменный размер вдоль периметра упругого кольца 204. В еще одних случаях сцепляющий элемент 216 может иметь в целом неизменные форму и размер вдоль периметра упругого кольца 204.
Уплотнение 200 может содержать первое полимерное кольцо 222, сопряженное с упругим кольцом 204. Первое полимерное кольцо 222 может быть расположено в прилегании к первому продольному концу 212 упругого кольца 204. В варианте реализации изобретения первое полимерное кольцо 222, может соприкасаться с первым продольным концом 212 упругого кольца 204. В свободном состоянии (то есть в случае, когда уплотнение 200 еще не установлено в шаровом кране 100) первое полимерное кольцо 222 может иметь диаметр, определяемый между наименее удаленным внутренним местоположением и наиболее удаленным наружным местоположением первого полимерного кольца 222, который имеет большее значение, чем диаметр упругого кольца 204.
В варианте реализации изобретения первое полимерное кольцо 222 может быть сопряжено со сцепляющим элементом 216 упругого кольца 204. В более конкретном варианте реализации изобретения первое полимерное кольцо 222 может содержать первый стыкующийся сцепляющий элемент 224, выполненный с возможностью входить в сцепление со сцепляющим элементом 216 упругого кольца 204. Например, первое полимерное кольцо 222 может быть сопряжено с упругим кольцом 204 в местоположении, прилегающем к первому продольному концу 220 сцепляющего элемента 216. Конкретнее, первое полимерное кольцо 222 может входить в сцепление с первым продольным концом 220.
В варианте реализации изобретения первый стыкующийся сцепляющий элемент 224 может содержать бородку 226. Бородка 226 может содержать поверхность 228, выполненную с возможностью сопряжения с первым продольным концом 220 сцепляющего элемента 216. В варианте реализации изобретения поверхность 228 бородки 226 может иметь профиль, подобный или аналогичный поверхности первого продольного конца 220 сцепляющего элемента 216. В конкретном варианте реализации изобретения поверхность первого продольного конца 220 сцепляющего элемента 216 расположена в плоскости наибольшего соответствия в целом перпендикулярно центральной оси уплотнения 200. В более конкретном варианте реализации изобретения поверхность первого продольного конца 220 расположена в плоскости, перпендикулярной к центральной оси уплотнения 200. Поверхность 228 бородки 226 может быть выполнена с возможностью ее расположения параллельно поверхности первого продольного конца 220.
Для сборки уплотнения 200 первое полимерное кольцо 222 и упругое кольцо 204 могут перемещаться в осевом направлении, например, в виде параллельного переноса относительно друг друга. Например, первое полимерное кольцо 222 может сдвигаться вдоль оси относительно упругого кольца 204 в первом направлении 230 до возникновения сцепления между первым стыкующимся сцепляющим элементом 224 и сцепляющим элементом 216.
При соприкосновении с упругим кольцом 204 первый стыкующийся сцепляющий элемент 224 первого полимерного кольца 222 может деформироваться, например изгибаться. В варианте реализации изобретения деформация может возникать в радиальном направлении в сторону от центральной оси. Скошенная кромка 214 может способствовать размещению первого полимерного кольца 222 относительно упругого кольца 204. Конкретнее, первый стыкующийся сцепляющий элемент 224 может иметь профиль, выполненный с возможностью направления скошенной кромкой 214. Еще конкретнее, первый стыкующийся сцепляющий элемент 224 может иметь скошенную кромку 260, выполненную с возможностью в процессе установки входить в соприкосновение со скошенной кромкой 214 упругого кольца 204. В конкретном случае скошенные кромки 214 и 260 могут располагаться в одних или в целом одних и тех же плоскостях. Наличие скошенных кромок 214 и 260 создает возможность направления первого полимерного кольца 222 относительно упругого кольца 204.
Первое полимерное кольцо 222 может сдвигаться в первом направлении 230 до сближения первого стыкующегося сцепляющего элемента 224 (или бородки 226) со сцепляющим элементом 216. При сближении со сцепляющим элементом 216 первый стыкующийся сцепляющий элемент 224 может деформироваться, например изгибаться, чтобы входить в сцепление со сцепляющим элементом 216. В варианте реализации изобретения деформация или изгиб первого стыкующегося сцепляющего элемента 224 при сближении со сцепляющим элементом 216 может возникать в радиальном направлении внутрь. В конкретном случае деформация первого стыкующегося сцепляющего элемента 224 может возникать в результате захвата первого стыкующегося сцепляющего элемента 224. В варианте реализации изобретения захват может приводить к тактильному, звуковому или иному ощущаемому указанию для оператора, производящего сборку. Таким способом первое полимерное кольцо 222 может быть сопряжено с упругим кольцом 204, предотвращая от их разделения в осевом направлении.
В варианте реализации изобретения первое полимерное кольцо 222 может содержать нагруженную область 232. В более конкретном варианте реализации нагруженная область 232 может представлять собой часть основания 234, общего с первым стыкующимся сцепляющим элементом 224. В некоторых случаях нагруженная область 232 может образовывать единое целое с первым стыкующимся сцепляющим элементом 224, например, сформированное на одном неразъемном основании. В других случаях нагруженная область 232 может быть сформирована из первого компонента, а первый стыкующийся сцепляющий элемент 224 может быть сформирован из второго компонента, сопрягаемого с первым компонентом.
В иллюстративном варианте реализации изобретения нагруженная область 232 образует диаметр, определяемый между наименее удаленным внутренним местоположением и наиболее удаленным наружным местоположением нагруженной области 232, который имеет большее значение, чем диаметр первого стыкующегося сцепляющего элемента 224. Например, в качестве неограничивающего варианта реализации изобретения диаметр нагруженной области 232 может быть по меньшей мере в 1,01 раза больше, чем диаметр первого стыкующегося сцепляющего элемента 224. Конкретнее, диаметр нагруженной области 232 может быть по меньшей мере в 1,1 раза больше, чем диаметр первого стыкующегося сцепляющего элемента 224, по меньшей мере в 1,5 раза больше, по меньшей мере в 2,0 раза больше, по меньшей мере в 2,5 раза больше, по меньшей мере в 3,0 раза больше или по меньшей мере в 3,5 раза больше. В другом варианте реализации изобретения диаметр нагруженной области 232 может быть не более чем в 50,0 раз больше, чем диаметр первого стыкующегося сцепляющего элемента 224, или не более чем в 10,0 раз больше, чем диаметр первого стыкующегося сцепляющего элемента 224.
В варианте реализации изобретения первый стыкующийся сцепляющий элемент 224 может проходить от внешней части нагруженной области 232. В иллюстративном варианте реализации изобретения наружная поверхность 236 основания 234 первого полимерного кольца 222 может быть образована совместно нагруженной областью 232 и первым стыкующимся сцепляющим элементом 224. В конкретном варианте реализации изобретения поверхность 236 может быть непрерывной. То есть, поверхность 236 может быть ровной, гладкой, а также не демонстрировать изменений в форме поперечного сечения основания 234 для наблюдателя, рассматривающего уплотнение 200 после сборки.
В конкретном варианте реализации изобретения нагруженная область 232 может иметь форму поперечного сечения, образующую заглавную букву «Е». Элементы нагруженной области, такие как средний элемент 246, могут проходить по направлению к продольному концу 240 первого полимерного кольца 222. В варианте реализации изобретения средний элемент 246 имеет большую длину, чем внутренний элемент 248 и наружный элемент 250.
В нагруженной области 232 могут быть образованы одна или несколько полостей 238A и 238B. В варианте реализации полости 238A и 238B могут быть расположены в прилегании к первому продольному концу 240 первого полимерного кольца 222.
В некоторых вариантах реализации изобретения первое полимерное кольцо 222 может содержать переходную область 244, расположенную между нагруженной областью 232 и первым стыкующимся сцепляющим элементом 226. В конкретном варианте реализации изобретения переходная зона 244 может иметь клиновидную форму поперечного сечения. В более конкретном варианте реализации изобретения переходная зона 244 может содержать скошенную кромку, выполненную с возможностью ее состыковки по отношению к скошенной кромке 214 упругого кольца 204 при сцеплении с ним первого полимерного кольца 222.
По меньшей мере один нагружающий элемент 242 может быть размещен внутри или в прилегании к первому полимерному кольцу 222. В варианте реализации изобретения по меньшей мере один нагружающий элемент 242 может содержать по меньшей мере два нагружающих элемента, по меньшей мере три нагружающих элемента, по меньшей мере четыре нагружающих элемента или по меньшей мере пять нагружающих элементов. В варианте реализации изобретения по меньшей мере один нагружающий элемент 242 может содержать не более чем пятьдесят нагружающих элементов, не более чем двадцать пять нагружающих элементов, не более чем десять нагружающих элементов или не более чем шесть нагружающих элементов.
В конкретном случае по меньшей мере один нагружающий элемент 242 содержит первый нагружающий элемент и второй нагружающий элемент. Первый нагружающий элемент может быть расположен по меньшей мере частично в радиальном направлении внутри второго нагружающего элемента. В конкретном варианте реализации изобретения первый и второй нагружающие элементы могут быть расположены вдоль прямой линии, проходящей перпендикулярно к центральной оси первого полимерного кольца 222.
В варианте реализации изобретения по меньшей мере один нагружающий элемент 242 может содержать пружину. Пружина может представлять собой, например, пружину, имеющую круглую форму поперечного сечения, такую как витая пружина, двухвитковая пружина, U-образная пружина, С-образная пружина, V- образная пружина или пружина любой иной формы, выполненная с возможностью создавать в радиальной плоскости поджимающее усилие по направлению от центральной оси. В некоторых случаях первый и второй нагружающие элементы могут иметь одинаковую или в целом одинаковую форму, коэффициент жесткости пружины, размер или иные сравнительные характеристики по отношению друг к другу. В других случаях первый и второй нагружающие элементы могут иметь разную форму, разный коэффициент жесткости пружины, разные размеры или одну или несколько отличающихся сравнительных характеристик по отношению друг к другу. В конкретном варианте реализации изобретения первый и второй нагружающие элементы имеют разную нагружающую способность (то есть разные значения коэффициента жесткости пружины). Конкретнее, второй нагружающий элемент, расположенный в радиальном направлении снаружи от первого нагружающего элемента, может иметь более высокую нагружающую способность по сравнению с нагружающей способностью первого нагружающего элемента. В конкретном случае применение расположенного снаружи нагружающего элемента с более высокой нагружающей способностью может улучшать герметизирующие характеристики уплотнения 200 по сравнению с уплотнением, содержащим расположенный внутри нагружающий элемент с более высокой нагружающей способностью.
Как изображено на фиг. 3, в варианте реализации изобретения уплотнение 200 может содержать упругое кольцо 204 и первое полимерное кольцо 222, сопряженные друг с другом. В варианте реализации изобретения упругое кольцо 204 может содержать половину или в целом половину упругого кольца 204, описанного с использованием фиг. 2. В другом варианте реализации изобретения упругое кольцо 204 может иметь форму, подобную описываемой с использованием фиг. 2.
Как показано на фиг. 2, в варианте реализации изобретения уплотнение 200 может также содержать второе полимерное кольцо 252. Второе полимерное кольцо 252 может иметь любое количество подобных или отличающихся характеристик по сравнению с первым полимерным кольцом 222. В варианте реализации изобретения первое и второе полимерные кольца 222 и 252 являются симметричными. В более конкретном варианте реализации изобретения первое и второе полимерные кольца 222 и 252 имеют отражательную симметрию.
Второе полимерное кольцо 252 может быть расположено в прилегании к упругому кольцу 204. Конкретнее, второе полимерное кольцо 252 может быть расположено в прилегании ко второму продольному концу 212 упругого кольца 204.
В варианте реализации изобретения второе полимерное кольцо 252 может содержать второй стыкующийся сцепляющий элемент 254, сопряженный с нагруженной областью 256. Второй стыкующийся сцепляющий элемент 254 может быть выполнен с возможностью сопряжения с упругим кольцом 204. Конкретнее, второй стыкующийся сцепляющий элемент 254 может быть выполнен с возможностью сопряжения со сцепляющим элементом 216 упругого кольца 204. Еще конкретнее, в варианте реализации изобретения второй стыкующийся сцепляющий элемент 254 может содержать бородку 258, выполненную с возможностью сопряжения со вторым продольным концом 222 сцепляющего элемента 216.
Для сборки уплотнения 200 второе полимерное кольцо 252 и упругое кольцо 204 могут перемещаться в осевом направлении, например, в виде параллельного переноса относительно друг друга. Например, второе полимерное кольцо 252 может сдвигаться вдоль оси относительно упругого кольца 204 во втором направлении (противоположном или в целом противоположном первому направлению 230) до возникновения сцепления между вторым стыкующимся сцепляющим элементом 254 и сцепляющим элементом 216.
При соприкосновении с упругим кольцом 204 второй стыкующийся сцепляющий элемент 254 второго полимерного кольца 252 может деформироваться, например изгибаться. В варианте реализации изобретения деформация может возникать в радиальном направлении внутрь. Скошенная кромка 214 может способствовать размещению второго полимерного кольца 252 относительно упругого кольца 204. Конкретнее, второй стыкующийся сцепляющий элемент 254 может иметь профиль, выполненный с возможностью направления скошенной кромкой 214. Еще конкретнее, второй стыкующийся сцепляющий элемент 254 может иметь скошенную кромку, выполненную с возможностью в процессе установки входить в соприкосновение со скошенной кромкой 214 упругого кольца 204. В конкретном случае скошенная кромка второго стыкующегося сцепляющего элемента 254 может располагаться в одной или в целом одной и той же плоскости, что и скошенная кромка 214 упругого кольца 204. Наличие скошенных кромок создает возможность направления второго полимерного кольца 252 относительно упругого кольца 204.
Второе полимерное кольцо 252 может сдвигаться во втором направлении до сближения второго стыкующегося сцепляющего элемента 254 со сцепляющим элементом 216. При сближении со сцепляющим элементом 216 второй стыкующийся сцепляющий элемент 254 может деформироваться, например изгибаться, чтобы входить в сцепление со сцепляющим элементом 216. В варианте реализации изобретения деформация или изгиб второго стыкующегося сцепляющего элемента 254 при сближении со сцепляющим элементом 216 может возникать в радиальном направлении внутрь. В конкретном случае деформация второго стыкующегося сцепляющего элемента 254 по направлению внутрь может возникать в результате захвата второго стыкующегося сцепляющего элемента 254. В варианте реализации изобретения захват может приводить к тактильному, звуковому или иному ощущаемому указанию для оператора, производящего сборку. Таким способом второе полимерное кольцо 252 может быть сопряжено с упругим кольцом 204, предотвращая второе полимерное кольцо 252 и упругое кольцо 204 от взаимного разделения в осевом направлении.
В некоторых случаях при сопряжении с упругим кольцом 204 первое и второе полимерные кольца 222 и 252 могут входить в соприкосновение друг с другом. В варианте реализации изобретения первый стыкующийся сцепляющий элемент 224 может входить в соприкосновение со вторым стыкующимся сцепляющим элементом 254. В более конкретном варианте реализации изобретения первый стыкующийся сцепляющий элемент 224 может входить в соприкосновение со вторым стыкующимся сцепляющим элементом 254 в местоположении, в осевом направлении соответствующем сцепляющему элементу 216. То есть, например, соприкосновение между первым и вторым стыкующимися сцепляющими элементами 224 и 254 может возникать в плоскости, перпендикулярной центральной оси уплотнения 200 и пересекающей сцепляющий элемент 216 упругого кольца 204. В конкретном варианте реализации изобретения взаимное соприкосновение между первым и вторым стыкующимися сцепляющими элементами 224 и 254 может возникать в местоположении равноудаленном или в целом равноудаленном от продольных концов 220 и 222 стыкующегося сцепляющего элемента 216.
В варианте реализации изобретения первый и второй стыкующиеся сцепляющие элементы 222 и 254 могут иметь по меньшей мере одно из в целом одинаковой формы поперечного сечения, в целом одинаковой площади поперечного сечения, в целом одинаковых размеров поперечного сечения или любого сочетания вышеуказанного. В варианте реализации изобретения первый и второй стыкующиеся сцепляющие элементы 222 и 254 могут иметь по меньшей мере одно из одинаковой формы поперечного сечения, одинаковой площади поперечного сечения, одинаковых размеров поперечного сечения или любого сочетания вышеуказанного.
В некоторых случаях по меньшей мере одно из первого и второго полимерных колец 222 и 252 может содержать термопластичный материал. В варианте реализации изобретения по меньшей мере одно из первого и второго полимерных колец 222 и 252 может содержать нейлон, полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфирсульфон (PES), политетрафторэтилен (PTFE), полиимид или органический либо неорганический композитный материал. К другим типовым полимерам относится фторированный этилен-пропилен (FEP), поливинилиденфторид (PVDF), полихлортрифторэтилен (PCTFE), этилен-хлортрифторэтилен (ECTFE), перфторалкоксиалкан (PFA), полиацеталь, полибутилентерефталат (PBT), полиэтилентерефталат (PET), полиимид (PI), полиэфиримид, полиэтилен (PE), полисульфон, полиамид (PA), полифениленоксид, полифениленсульфид (PPS), полиуретан, полиэфир, жидкокристаллические полимеры (LCP) или любое сочетание вышеуказанного.
В варианте реализации изобретения по меньшей мере одно из первого и второго полимерных колец 222 и 254 может содержать наполнитель. К типовым наполнителям относится стекловолокно, углеродные волокна, кремний, PEEK, ароматический полиэфир, углеродные частицы, бронза, фторполимеры, термопластичные наполнители, оксид алюминия, полиамидимид (PAI), PPS, полифениленсульфон (PPSO2), LCP, ароматические полиэфиры, дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама, графит, графен, вспученный графит, нитрид бора, тальк, фторид кальция или любое сочетание вышеуказанного. Кроме того, наполнитель может содержать оксид алюминия, диоксид кремния, диоксид титана, фторид кальция, нитрид бора, слюду, волластонит, карбид кремния, нитрид кремния, диоксид циркония, углеродную сажу, пигменты или любое сочетание вышеуказанного.
В варианте реализации изобретения первое и второе полимерные кольца 222 и 254 могут представлять собой части одного полимерного элемента. То есть, например, первое и второе полимерные кольца 222 и 254 могут составлять друг с другом единое целое. Конкретнее, первое и второе полимерные кольца 222 и 254 могут содержать единое основание или быть из него сформированы.
Вариант реализации 1. Уплотнение для шарового крана, содержащее:
упругое кольцо, образующее сцепляющий элемент;
первое полимерное кольцо, расположенное в прилегании к первому продольному концу упругого кольца и сопряженное со сцепляющим элементом; и
второе полимерное кольцо, расположенное в прилегании ко второму продольному концу упругого кольца и сопряженное со сцепляющим элементом.
Вариант реализации 2. Уплотнение по варианту реализации 1, в котором сцепляющий элемент содержит паз, выступ, вырез, зубец или любое их сочетание.
Вариант реализации 3. Уплотнение по любому из предшествующих вариантов реализации, в котором сцепляющий элемент расположен по внешнему диаметру упругого кольца.
Вариант реализации 4. Уплотнение по любому из предшествующих вариантов реализации, в котором сцепляющий элемент образует первый продольный конец и второй продольный конец, в котором первое полимерное кольцо сопряжено с упругим кольцом, прилегающим к первому продольному концу, и в котором второе полимерное кольцо сопряжено с упругим кольцом, прилегающим ко второму продольному концу.
Вариант реализации 5. Уплотнение по любому из предшествующих вариантов реализации, в котором первое полимерное кольцо соприкасается со вторым полимерным кольцом.
Вариант реализации 6. Уплотнение по любому из предшествующих вариантов реализации, в котором первое полимерное кольцо соприкасается со вторым полимерным кольцом в осевом местоположении, соответствующем сцепляющему элементу.
Вариант реализации 7. Уплотнение по любому из предшествующих вариантов реализации, в котором первое полимерное кольцо содержит первый совместимый сцепляющий элемент, выполненный с возможностью входить в сцепление со сцепляющим элементом упругого кольца.
Вариант реализации 8. Уплотнение по варианту реализации 7, в котором первый совместимой сцепляющий элемент содержит бородку, выполненную с возможностью входить в сцепление со сцепляющим элементом упругого кольца.
Вариант реализации 9. Уплотнение по любому из предшествующих вариантов реализации, в котором второе полимерное кольцо содержит второй совместимый сцепляющий элемент, выполненный с возможностью входить в сцепление со сцепляющим элементом упругого кольца.
Вариант реализации 10. Уплотнение по варианту реализации 9, в котором первый и второй совместимые сцепляющие элементы имеют по меньшей мере одно из в целом одинаковой формы поперечного сечения, одинаковой площади поперечного сечения, одинаковых размеров поперечного сечения или любого сочетания вышеуказанного.
Вариант реализации 11. Уплотнение по любому из предшествующих вариантов реализации, в котором первое полимерное кольцо содержит основание, образующее первый совместимый сцепляющий элемент и нагруженную область, сопряженную с первым совместимым сцепляющим элементом.
Вариант реализации 12. Уплотнение по варианту реализации 11, в котором нагруженная область содержит по меньшей мере один нагружающий элемент.
Вариант реализации 13. Уплотнение по одному из вариантов реализации 11 и 12, в котором нагруженная область содержит по меньшей мере одну пружину, расположенную по меньшей мере частично внутри основания первого полимерного кольца.
Вариант реализации 14. Уплотнение по варианту реализации 13, в котором нагружающий элемент содержит по меньшей мере две пружины, расположенные вдоль прямой линии, проходящей перпендикулярно к центральной оси первого полимерного кольца.
Вариант реализации 15. Уплотнение по варианту реализации 14, в котором по меньшей мере две пружины содержат первую пружину и вторую пружину, в котором первая пружина расположена в радиальном направлении внутри второй пружины и в котором вторая пружина имеет нагружающую способность выше, чем нагружающая способность первой пружины.
Вариант реализации 16. Уплотнение по варианту реализации 15, в котором вторая пружина имеет диаметр больше, чем диаметр первой пружины.
Вариант реализации 17. Уплотнение по любому из вариантов реализации 14-16, в котором по меньшей мере одна из по меньшей мере двух пружин представляет собой двухвитковую пружину.
Вариант реализации 18. Уплотнение по любому из предшествующих вариантов реализации, выполненное с возможностью эксплуатации при криогенных температурах.
Вариант реализации 19. Уплотнение по любому из предшествующих вариантов реализации, при этом уплотнение выполнено с возможностью образования уплотнения двустороннего поршневого действия.
Вариант реализации 20. Уплотнение по любому из предшествующих вариантов реализации, в котором упругое кольцо содержит внутренний диаметр, внешний диаметр, первый продольный конец и второй продольный конец, и в котором кромка между по меньшей мере одним из первого и второго продольных концов и внешним диаметром содержит фаску.
Вариант реализации 21. Уплотнение по варианту реализации 20, в котором фаска имеет угол по меньшей мере 5 градусов относительно центральной оси уплотнения, по меньшей мере 10 градусов, по меньшей мере 15 градусов, по меньшей мере 20 градусов, по меньшей мере 25 градусов, по меньшей мере 30 градусов, по меньшей мере 35 градусов, по меньшей мере 40 градусов.
Вариант реализации 22. Уплотнение по любому из вариантов реализации 20 и 21, в котором фаска имеет угол 45 градусов относительно центральной оси уплотнения.
Вариант реализации 23. Уплотнение по любому из предшествующих вариантов реализации, в котором по меньшей мере одно из первого и второго полимерных колец содержит термопластичный материал.
Вариант реализации 24. Уплотнение по любому из предшествующих вариантов реализации, в котором первое и второе полимерные кольца представляют собой часть одного элемента.
Вариант реализации 25. Полимерное уплотнительное кольцо, содержащее:
нагруженную область, содержащую по меньшей мере один нагружающий элемент; и
сцепляющий элемент, выполненный с возможностью входить в сцепление с упругим кольцом.
Вариант реализации 26. Полимерное уплотнительное кольцо по варианту реализации 25, в котором по меньшей мере один нагружающий элемент содержит по меньшей мере два нагружающих элемента, расположенных в одной плоскости, и в котором сцепляющий элемент сопряжен с нагруженной областью и проходит перпендикулярно указанной плоскости.
Вариант реализации 27. Полимерное уплотнительное кольцо по варианту реализации 26, в котором по меньшей мере один из по меньшей мере двух нагружающих элементов содержит пружину.
Вариант реализации 28. Полимерное уплотнительное кольцо по любому из вариантов реализации 25-27, в котором сцепляющий элемент содержит бородку с кромкой, выполненной с возможностью входить в сцепление с упругим кольцом.
Вариант реализации 29. Полимерное уплотнительное кольцо по любому из вариантов реализации 25-28, в котором сцепляющий элемент выполнен с возможностью изгибаться в направлении, перпендикулярном плоскости.
Вариант реализации 30. Полимерное уплотнительное кольцо по любому из вариантов реализации 25-29, в котором нагруженная область имеет форму поперечного сечения, образующую заглавную букву «Е».
Вариант реализации 31. Полимерное уплотнительное кольцо по любому из вариантов реализации 25-30, дополнительно содержащее переходную область, расположенную между нагруженной областью и сцепляющим элементом, при этом переходная область содержит скошенную кромку.
Вариант реализации 32. Полимерное уплотнительное кольцо по варианту реализации 31, в котором скошенная кромка имеет угол по меньшей мере 5 градусов относительно центральной оси уплотнения, по меньшей мере 10 градусов, по меньшей мере 15 градусов, по меньшей мере 20 градусов, по меньшей мере 25 градусов, по меньшей мере 30 градусов, по меньшей мере 35 градусов или по меньшей мере 40 градусов.
Вариант реализации 33. Способ сборки уплотнительного узла, включающий:
сдвигание вдоль оси первого полимерного кольца относительно упругого кольца в первом направлении до возникновения сцепления между сцепляющим элементом упругого кольца и первым стыкующимся сцепляющим элементом на первом полимерном кольце.
Вариант реализации 34. Способ по варианту реализации 33, дополнительно включающий:
сдвигание вдоль оси второго полимерного кольца относительно упругого кольца во втором направлении до возникновения сцепления между сцепляющим элементом и вторым стыкующимся сцепляющим элементом на втором полимерном кольце.
Вариант реализации 35. Способ по варианту реализации 34, в котором первое направление является противоположным второму направлению.
Вариант реализации 36. Способ по любому из вариантов реализации 34 и 35, в котором сдвигание вдоль оси второго полимерного кольца выполняют таким образом, чтобы второй стыкующийся сцепляющий элемент изгибался в радиальном направлении наружу.
Вариант реализации 37. Способ по любому из вариантов реализации 34-36, в котором сдвигание вдоль оси второго полимерного кольца выполняют до возникновения сцепления между бородкой второго стыкующегося сцепляющего элемента и кромкой упругого кольца.
Вариант реализации 38. Способ по любому из вариантов реализации 33-37, в котором сдвигание вдоль оси первого полимерного кольца выполняют таким образом, чтобы первый стыкующийся сцепляющий элемент изгибался в радиальном направлении наружу.
Вариант реализации 39. Способ по любому из вариантов реализации 33-38, в котором сдвигание вдоль оси первого полимерного кольца выполняют до возникновения сцепления между бородкой первого стыкующегося сцепляющего элемента и поверхностью упругого кольца.
Вариант реализации 40. Способ по варианту реализации 39, в котором поверхность упругого кольца расположена в плоскости, перпендикулярной центральной оси уплотнительного узла.
Вариант реализации 41. Способ по любому из вариантов реализации 33-40, дополнительно включающий установку уплотнительного узла в шаровом кране.
Вариант реализации 42. Способ по любому из вариантов реализации 33-41, дополнительно включающий воздействие на уплотнительный узел криогенными температурами.
Вариант реализации 43. Способ по любому из вариантов реализации 33-42, дополнительно включающий формирование уплотнения двустороннего поршневого действия.
Следует отметить, что не все действия, описанные выше в общем описании или примерах, необходимы, что часть конкретных действий может не требоваться, и что одно или несколько дополнительных действий могут быть выполнены в дополнение к описанным выше. Кроме того, порядок, в котором перечислены действия, не обязательно является порядком, в котором они выполняются.
Выгоды, другие преимущества и решения проблем были описаны выше по отношению к конкретным вариантам реализации изобретения. В то же время выгоды, преимущества, решения проблем и любые элементы, которые могут приводить к получению или улучшению любой выгоды, преимущества или решения, не должны рассматриваться в качестве существенно важных, требуемых или существенных признаков любого или всех пунктов формулы изобретения.
Описание и иллюстрации вариантов реализации изобретения, рассматриваемых в данном документе, предназначены для предоставления общего понимания схемы исполнения различных вариантов реализации. Описание и иллюстрации не предназначены для того, чтобы служить в качестве полного и исчерпывающего описания всех элементов и особенностей устройств и систем, в которых применяются описанные в данном документе варианты исполнения или способы. Отдельные варианты реализации изобретения также могут предлагаться совместно в одном варианте реализации, и наоборот, различные элементы, которые для краткости описаны в контексте одного варианта реализации, также могут предлагаться отдельно или в любом их сочетании. Кроме того, использование величин с указанием их числовых диапазонов охватывает каждое и любое их значение в пределах указанного диапазона. Многие другие варианты реализации могут становиться очевидными для специалистов в данной области техники только после изучения данного описания. Другие варианты реализации могут быть использованы и получены из данного описания, так что конструктивные замещения, разумные замены или другие изменения могут быть выполнены без отклонения от объема данного изобретения. Вследствие этого описание должно рассматриваться как иллюстративное, а не как ограничительное.