ПЛАВАЮЩЕЕ УПЛОТНЕНИЕ ШАРОВОГО КЛАПАНА
BALL VALVE FLOATING SEALING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение, в целом, относится к уплотнениям для регулирующих клапанов с шаровым затвором и, в частности, к плавающим уплотнениям, которые выполнены с возможностью бокового и осевого перемещения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Клапаны с шаровым затвором используют в большом количестве вариантов применений систем управления технологическими процессами для регулировки некоторыми параметрами технологических текучих сред, таких как жидкость, газ, суспензия и т.п. Хотя система управления технологическими процессами может использовать регулирующий клапан для регулировки давления, уровня, рН или другого требуемого параметра текучей среды, регулирующий клапан в основном регулирует скорость потока текучей среды.
[0003] Обычно клапан с шаровым затвором содержит корпус клапана, задающий впускное отверстие для текучей среды и выпускное отверстие для текучей среды. Шаровой элемент установлен в корпусе клапана и вращается вокруг оси для примыкания к уплотняющему узлу и выведения из примыкания к нему, тем самым регулируя величину потока текучей среды через клапан.
[0004] Компоненты клапана с шаровым затвором, содержащие корпус клапана, шаровой элемент и уплотняющий узел, обычно выполнены из металла. Придерживаться этого будет особенно правильно при использовании в условиях высокого давления и/или высокой температуры. Однако, шаровой элемент и уплотняющий узел могут быть подвержены износу из-за непрерывного взаимодействия шарового элемента и уплотняющего узла во время открытия и закрытия клапана. Проблемы, возникающие в результате износа, включают среди прочего уменьшенный срок службы компонентов клапана, увеличенные силы трения между шаровым элементом и уплотняющим узлом и нежелательную утечку между шаровым элементом и уплотняющим узлом, а также между уплотняющим узлом и корпусом клапана. Аналогично, поскольку силы трения имеют тенденцию к увеличению по мере того, как компоненты имеют больший износ, динамическая характеристика и характеристики регулирования в клапане ухудшаются, приводя к неэффективности и погрешности клапана. Для устранения некоторых из этих проблем некоторые уплотняющие узлы смещены таким образом, чтобы обеспечивать более надежное уплотнение шара в закрытом положении.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Предложен уплотняющий узел для клапана с шаровым затвором, имеющего эксцентриковый кулачковый шар. В соответствии с одним вариантом осуществления уплотняющий узел может содержать уплотняющее кольцо, расположенное во внутренней части клапана и смещенное по направлению к шаровому элементу клапана. Удерживающий элемент уплотняющего кольца может быть прикреплен посредством резьбы к внутренней части корпуса клапана, тем самым удерживая уплотняющее кольцо в корпусе клапана.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0006] На фиг. 1 показан вид в поперечном сечении клапана с шаровым затвором, выполненного в соответствии с принципами настоящего изобретения.
[0007] На фиг. 2 показан увеличенный местный вид в поперечном сечении, взятый в соответствии с Окружностью II по фиг. 1 и иллюстрирующий вариант осуществления уплотняющего узла клапана с шаровым затвором, при этом клапан с шаровым затвором показан в открытом положении.
[0008] На фиг. 3 показан другой увеличенный местный вид в поперечном сечении, аналогичный фиг. 2 и показывающий клапан с шаровым затвором в закрытом положении.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] Плавающее уплотнение шарового клапана, описанное в настоящем документе, преодолевает некоторые недостатки уровня техники. Использование С-образного уплотнения расширяет полезные температурные возможности более значительно, чем некоторые из его аналогов, которые должны полагаться на эластомерные уплотнения для вторичного уплотнения. Однако использование эластомерного уплотнения (например, уплотнительного кольца или подпружиненного торцевого уплотнения) все еще возможно, когда это необходимо с точки зрения затрат или обеспечения перекрытия. Использование торцевого уплотнения в качестве вторичного уплотнения обеспечивает уплотняющему кольцу свободу осевого и бокового перемещения. Обеспечение уплотняющему кольцу свободы бокового перемещения придает ему возможность саморегулировки и компенсации любого смещения от заданного положения шара или уплотнения из-за допусков на механическую обработку и сборку. Результатом является уменьшенный износ клапана и улучшенное перекрытие.
[0010] Уплотняющее кольцо также может перемещаться в осевом направлении регулируемым и ограниченным образом, под нагрузкой посадки, переданной волнистой пружиной и ограниченной удерживающим элементом уплотняющего кольца, побуждая шар и уплотнительное кольцо прерывать контакт в некоторой точке в движении после того, как клапан переместился из полностью закрытого положения. Контакт между шаром и уплотнением ограничен до участка движения клапана, когда клапан полностью закрыт, что приводит к уменьшенному износу уплотнения и улучшенному перекрытию.
[0011] На фиг. 1 показан клапан 10 с шаровым затвором, выполненный в соответствии с принципами настоящего изобретения и в целом содержащий корпус 12 клапана, колпак 14, регулирующий узел 16 и уплотняющий узел 24. Корпус клапана 12 содержит впускное отверстие 18, выпускное отверстие 20, основной путь 22 потока и отверстие 25 колпака. Как указано стрелкой, основной путь 22 потока проходит от впускного отверстия 18 к выпускному отверстию 20 в направлении, которое в целом параллельно продольной оси А. Впускное отверстие 18 окружено впускным фланцем 26. Выпускное отверстие 20 окружено выпускным фланцем 28. Впускной фланец 26 и выпускной фланец 28 выполнены с возможностью присоединения шарового клапана 10 к трубопроводу управления технологическими процессами, например, посредством скрепления болтами, сварки, зажима или любых других известных средств.
[0012] Регулирующий узел 16 содержит эксцентриковый кулачковый шаровой элемент 30, приводной вал 32 и опорный вал 34. В соответствии с одним вариантом осуществления приводной вал 32 и опорный вал 34 разделены расстоянием. В соответствии с другими вариантами осуществления приводной вал 32 и опорный вал 34 могут быть полностью сформированы, как единая деталь, которая проходит от проходного отверстия 29 к глухому отверстию 36. Шаровой элемент 30 имеет ось симметрии С, которая смещена от оси В приводного вала. В результате, уплотняющая поверхность 31 шарового элемента 30 вращательно перемещается с торцевым биением (например, уплотняющая поверхность 31 смещается в продольном направлении, по оси А, когда шаровой элемент 31 вращается между закрытым положением и открытым положением).
[0013] Как обсуждено выше, шаровой элемент 30 обычно перемещается с торцевым биением для того, чтобы способствовать уплотнению с уплотняющим узлом 24 с высокой повторяемостью при закрытом положении, как показано на фиг. 1. В частности, наружная или уплотняющая поверхность 31 шарового элемента 30 может задавать часть сферы, при этом все точки на наружной поверхности шарового элемента не являются равноудаленными от естественного центра вращения (т.е. оси С) шарового элемента 30.
[0014] Для размещения уплотняющего узла 24 раскрытый вариант осуществления корпуса 12 клапана содержит внутреннее углубление 42, расположенное ниже по потоку от впускного отверстия 18. Внутреннее углубление 42 расположено между выпускным отверстием 20 и шаровым элементом 30 регулирующего узла 16. Внутреннее углубление 42 может иметь в целом кольцевую форму, содержащую кольцевую поверхность 38 и поперечную поверхность 40.
[0015] Со ссылкой на фиг. 2, на которой показан подробный вид, взятый в соответствии с Окружностью II с фиг. 1, будет описан один конкретный вариант осуществления уплотняющего узла 24, выполненный в соответствии с идеями настоящего изобретения.
[0016] Уплотняющий узел 24 содержит уплотняющее кольцо 44, расположенное во внутренней части корпуса 12 клапана. Уплотняющее кольцо 44 смещено по направлению к шаровому элементу для уплотняющего взаимодействия с шаровым элементом 30. Удерживающий элемент 46 уплотняющего кольца расположен ниже по потоку от уплотняющего кольца 44 и удерживает уплотняющее кольцо 44 во внутреннем углублении 42. Вторичный путь 50 утечки сформирован между уплотняющим кольцом 44 и корпусом 12 клапана. Вторичный путь 50 утечки подвергается воздействию давления текучей среды от текучей среды, протекающей через клапан 10 с шаровым затвором. Первое вспомогательное уплотнение, такое как С-образное уплотнение 54, может быть расположено между уплотняющим кольцом 44 и корпусом 12 клапана для предотвращения потока текучей среды через вторичный путь 50 утечки.
[0017] Как обсуждено выше, уплотняющее кольцо 44 уплотняющего узла 24 является в целом кольцевым по форме и может быть выполнено из износостойкого металла, такого как, например, Сплав 6 или нержавеющая сталь с поверхностным упрочнением из Сплава 6. Как изображено на виде в поперечном сечении на фиг. 2, уплотняющее кольцо 44 может быть задано сбоку посредством цилиндрической уплотняющей внутренней стенки 58 и цилиндрической уплотняющей наружной стенки 60, а уплотняющая стенка 62, расположенная выше по потоку, может проходить от уплотняющей наружной стенки 60 к внутренней стенке 58 в радиальном направлении. Выступ 64 уплотняющего кольца может проходить от уплотняющей стенки 62, расположенной выше по потоку, и может содержать цилиндрическую боковую стенку 66 выступа, которая может проходить от уплотняющей стенки 62, расположенной выше по потоку, в осевом направлении (т.е., направлении, параллельном продольной оси А). Концевая стенка 68 может проходить от боковой стенки 66 выступа в направлении, параллельном уплотняющей стенки 62, расположенной выше по потоку. Поверхность 70 взаимодействия с шаром может проходить между концевой стенкой 68 и уплотняющей внутренней стенкой 58 и может быть вогнутой по форме или дополняющей для уплотнительной поверхности 31 шарового элемента 30. В частности, поверхность 70 взаимодействия с шаром может иметь контур для соответствия с соответствующей частью уплотняющей поверхности 31 шарового элемента 30 таким образом, что когда клапан 10 с шаровым затвором перемещают в закрытое или посаженное положение, поверхность 70 взаимодействия с шаром уплотнительного кольца 44 уплотняюще взаимодействует с уплотняющей поверхностью 31 шарового элемента 30. В соответствии с одним вариантом осуществления поверхность взаимодействия с шаром может быть частично сферической или вогнутой по форме. Поверхность 70 взаимодействия с шаром может быть поверхностно упрочнена для увеличения срока службы уплотнения и для предотвращения истирания линии посадки.
[0018] Уплотняющее кольцо 44 также содержит кольцевое внутреннее углубление 72 и кольцевое пружинное углубление 74, расположенные между уплотняющей внутренней стенкой 58 и уплотняющей наружной стенкой 60. Каждое из внутреннего углубления 72 и пружинного углубления 74 может иметь в целом прямоугольную форму поперечного сечения, и они могут быть расположены рядом таким образом, что в уплотнительном кольце 44 формируются внутренний выступ 76, промежуточный выступ 78 и наружный выступ 80. Однако, как внутреннее углубление 72, так и пружинное углубление 74 могут иметь любую форму или комбинацию форм, подходящую для конкретного применения. Нижняя часть каждого из внутреннего выступа 76, промежуточного выступа 78 и наружного выступа 80 может быть равноудаленной по оси от плоскости, задающей уплотняющую расположенную ниже по потоку стенку 62. Внутреннее углубление 72 может иметь такие размер и форму, чтобы принимать первое вспомогательное уплотнение 54. Пружинное углубление 74 может иметь такие размер и форму, чтобы принимать упругий элемент, такой как волнистая пружина 84.
[0019] Как показано на фиг. 2 и 3, уплотняющий узел 24 также может содержать кольцевой удерживающий элемент 46 уплотняющего кольца, который закрепляет уплотняющее кольцо 44 в углублении 42 в корпусе 12 клапана. Удерживающий элемент 46 уплотнения может быть выполнен из коррозионно-стойкого металла, такого как, например, нержавеющая сталь. Удерживающий элемент 46 уплотнителя может иметь L-образную форму поперечного сечения, включая цилиндрическую внутреннюю стенку 120 удерживающего элемента и цилиндрическую наружную стенку 122 удерживающего элемента, которые проходя в целом в осевом направлении. Расположенная выше по потоку стенка 124 удерживающего элемента и расположенная ниже по потоку стенка 126 удерживающего элемента, которая параллельна расположенной выше по потоку стенке 124 и смещена от нее по оси, могут проходить в целом в радиальном или боковом направлении от наружной стенка 122 удерживающего элемента для того, чтобы дополнительно задавать удерживающий элемент 46 уплотнителя. Для того чтобы обеспечивать зазор для шарового элемента 30 между цилиндрической внутренней стенкой 120 удерживающего элемента и расположенной выше по потоку стенкой 124 удерживающего элемента может быть сформировано углубление 128. Цилиндрическая наружная стенка 122 удерживающего элемента может содержать резьбу 130, которая взаимодействует с соответствующей резьбой 132 на корпусе 12 клапана.
[0020] Расстояние от расположенной ниже по потоку стенки 126 удерживающего элемента до поперечной поверхности 40 может быть больше, чем длина наружной стенки 60 уплотняющего кольца. В результате, уплотняющее кольцо 44 выполнено с возможностью перемещения в продольном направлении, в целом параллельно оси А. Таким образом, поверхность 70 взаимодействия с шаром взаимодействует с уплотняющей поверхностью 31 шарового элемента 30 до того, как шаровой элемент вращают до полностью закрытого положения из-за торцевого биения шарового элемента 30. В частности, удерживающий элемент 46 уплотнительного кольца может ограничивать осевое перемещение уплотняющего кольца 44 только до углового вращения шарового элемента 30, которое выполняет закрытие клапана (например, менее чем 20° вращения от полностью закрытого положения). Уплотняющее кольцо 44 может незначительно перемещаться для того, чтобы вмещать оставшееся торцевое биение шарового элемента 30. Таким образом, уплотняющее кольцо 44 амортизирует контакт между поверхностью 70 взаимодействия с шаром и уплотняющей поверхностью 31, что минимизирует механическое повреждение каждой поверхности во время закрытия шарового элемента 30.
[0021] Аналогично, поперечная поверхность 40 длиннее, чем полная ширина W уплотняющего кольца 44. В результате, уплотняющее кольцо 44 выполнено с возможностью бокового и осевого перемещения к кольцевой поверхности 38 для учета смещения от заданного положения шарового элемента 30 и/или ошибок механической обработки, которые находятся в пределах допустимых допусков. Для предотвращения дальнейшего радиального или бокового перемещения уплотнительного кольца 44 наружная стенка 60 уплотняющего кольца может контактировать с кольцевой поверхностью 38. В соответствии с другими вариантами осуществления внутренняя стенка 120 удерживающего элемента может формировать остановку посредством физического предотвращения дальнейшего перемещения цилиндрической боковой стенки 66 к кольцевой поверхности 38.
[0022] Посредством захвата уплотняющего кольца 44 между удерживающим элементом 46 уплотняющего кольца и поперечной поверхностью 40 корпуса 12 клапана, может быть минимизирован в продольном направлении размер уплотняющего узла 24, тем самым уменьшая весь размер клапана 10.
[0023] Для того, чтобы уплотнить вторичный путь 50 утечки, горловина Сообразного уплотнения 54 может быть обращена к главному пути потока текучей среды, проходящей через вторичный путь 50 утечки таким образом, что технологическая текучая среда, протекающая через вторичный путь 50 утечки, входит в горловину С-образного уплотнения 54. В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, горловина С-образного уплотнения 54 может быть обращена к внутреннему выступу 76 уплотняющего кольца 44. С-образное уплотнение 54 может иметь такие размеры, что когда клапан 10 находится в открытом положении (как показано на фиг. 2), а уплотняющее кольцо 44 находится в контакте с расположенной ниже по потоку стенкой 126 удерживающего элемента, часть наружной части С-образного уплотнения 54 не контактирует с поперечной поверхностью 40 корпуса 12 клапана. Соответственно, когда шаровой элемент 30 находится в открытом положении, часть технологической текучей среды может протекать через вторичный путь 50 утечки между наружной частью С-образного уплотнения 54 и поперечной поверхностью 40 без входа в горловину С-образного уплотнения 54.
[0024] Когда шаровой элемент 30 перемещен в закрытое положение (фиг. 3), шаровой элемента 30 находится в контакте с поверхностью 70 взаимодействия с шаром уплотняющего кольца 44 и перемещает уплотняющее кольцо 44 к поперечной поверхности 40 корпуса 12 клапана. По мере перемещения уплотняющего кольца 44 расстояние между верхней поверхностью внутреннего углубления 72 уплотняющего кольца 44 поперечной поверхностью 40 корпуса 12 клапана уменьшается таким образом, что наружная часть С-образного углубления 54 может контактировать с поперечной поверхностью 40, внутренним углублением 72 и промежуточным выступом 78 уплотняющего кольца 44. Из-за этого перемещения С-образное уплотнение 54 сжимается таким образом, что наружная поверхность С-образного уплотнения 54 уплотняюще взаимодействует с поперечной поверхностью 40, тем самым предотвращая протекание технологической текучей среды между уплотняющим кольцом 44 и корпусом 12 клапана ниже по потоку С-образного уплотнения 54. Таким образом, С-образное уплотнение 54 уплотняет вторичный путь 50 утечки.
[0025] Поскольку С-образное уплотнение 54 перемещается с уплотняющим кольцом 44 относительно корпуса 12 клапана по мере того, как шаровой элемент 30 взаимодействует с уплотняющим кольцом 44 и выходит из взаимодействия с ним, С-образное уплотнение 54 называется динамическим С-образным уплотнением. Динамическое С-образное уплотнение 54 может быть выполнено из коррозионно-стойкого металла, такого как N07718 (Инконель 718). Поскольку динамическое С-образное уплотнение 54 выполнено из металла, клапан 10 с шаровым затвором может работать при более высоких температурах, чем клапаны, использующие эластомерные уплотнения.
[0026] Для установки уплотняющего узла 24 в корпус 12 клапана сначала С-образное уплотнение 54 уплотняющего узла 24 помещают во внутреннее углубление 72 уплотняющего кольца 44 способом, описанном ранее, а упругий элемент, такой как волнистая пружина 84, помещают в пружинное углубление 74 способом, описанном ранее. Затем уплотняющее кольцо 44 помещают в корпус 12 клапана в углубление 42, а удерживающий элемент 46 уплотнения помещают над уплотняющим кольцом 44. Затем могут вращать удерживающий элемент 46 уплотняющего кольца в резьбовое взаимодействие с соответствующей резьбой на корпусе 12 клапана для прикрепления удерживающего элемента 46 уплотняющего кольца к корпусу 12 клапана. После сборки уплотняющее кольцо 44 может не быть изначально расположено с возможностью обеспечения надлежащего уплотнения между поверхностью 70 взаимодействия с шаром уплотняющего кольца 44 и частью уплотняющей поверхности 31 шарового элемента 30. Однако, из-за самоустанавливающегося свойства уплотняющего кольца 44, описанного ранее (например, возможности как осевого, так и радиального перемещения) шаровой элемент 30 будет перемещать в осевом и радиальном направлении уплотняющее кольцо 44 по мере того, как шаровой элемент 30 контактирует с поверхностью 70 взаимодействия с шаром во время закрытия клапана 10 с шаровым затвором.
[0027] Хотя выше были описаны различные варианты осуществления, не предполагается, что настоящее изобретение ими ограничено. В раскрытых вариантах осуществления могут быть выполнены измерения, которые все еще находятся в пределах объема сопутствующей формулы изобретения.