ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННЫЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ БЛОК КЛАПАНА
THERMALLY COMPENSATED VALVE TRIM APPARATUS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к регулирующим клапанам и более конкретно к термокомпенсированному регулирующему блоку клапана.
Уровень техники
Регулирующие клапаны обычно используются в системах управления технологическим процессом. В целом, регулирующий клапан может использоваться для управления протекающей текучей средой для регулирования технологического параметра до желаемого заданного значения, для передачи или доставки текучей среды от источника к месту назначения, и т.п. Узел регулирующего клапана со скользящим штоком обычно содержит заглушку клапана, шток клапана и привод для приложения движущей силы посредством штока клапана для управления клапаном (например, для расположения заглушки или элемента управления потоком в клапане).
Регулирующий блок клапана содержит соединение штока клапана, которое соединяет или связывает шток клапана с заглушкой клапана. В типичных клапанах со скользящим штоком резьбовой конец штока клапана ввинчен непосредственно в центральное отверстие заглушки клапана. В клапане со скользящим штоком другого типа резьбовой конец штока клапана проходит сквозь центральное отверстие в заглушке клапана, и по меньшей мере один механический крепежный элемент (например, шайба, гайка, болт, и т.п.) используется для зажатия или фиксирования иным способом заглушки клапана на штоке клапана.
При использовании регулирующие клапаны могут подвергаться действию высоких температур. При таких высоких температурах соединение штока клапана с заглушкой клапана может оказаться перегруженным и/или ослабленным, в результате чего может произойти разрушение соединения штока клапана.
Раскрытие изобретения
Согласно одному варианту реализации устройство для клапанного механизма содержит:
заглушку клапана, имеющую выемку;
вставку, зафиксированную в выемке и имеющую отверстие, выполненную из первого материала, прочность которого выше, чем прочность второго материала заглушки клапана;
шток клапана, имеющий резьбовой конец, расположенный в отверстии вставки для формирования соединения штока клапана; и
прокладку, функционально соединенную с заглушкой клапана и штоком клапана, для воздействия на нагрузку, приложенную к соединению штока клапана, в ответ на изменение температуры.
Согласно другому варианту реализации устройство для клапанного механизма содержит:
заглушку клапана, имеющую отверстие;
шток клапана, имеющий резьбовой конец, расположенный в отверстии заглушки клапана, для формирования соединения штока клапана; и
пружинную шайбу, функционально соединенную с заглушкой клапана и штоком клапана, для воздействия на нагрузку, приложенную к соединению штока клапана, в ответ на изменение температуры.
Краткое описание графических материалов
На фиг.1 показан в разрезе известный регулирующий блок клапана.
На фиг.2 показан в разрезе термокомпенсированный регулирующий блок клапана согласно одному варианту реализации.
На фиг.3 показан в разрезе термокомпенсированный регулирующий блок клапана согласно другому варианту реализации.
На фиг.4 показан в разрезе термокомпенсированный регулирующий блок клапана согласно еще одному варианту реализации.
Осуществление изобретения
Описанный в настоящей заявке регулирующий блок клапана согласно одному варианту реализации для соединения штока клапана с заглушкой клапана поддерживает целостность соединения между штоком клапана и заглушкой клапана при повышенных температурах, при которых различные известные соединения штока клапана с заглушкой клапана выходят из строя. Более конкретно, в регулирующем блоке клапана согласно одному варианту реализации могут быть использованы по меньшей мере одна термочувствительная прокладка и/или пружинная шайба, которые являются чувствительными к изменениям температуры для поддерживания или увеличения нагрузки на соединение между штоком клапана и заглушкой клапана, в частности, при увеличении температуры окружающей среды и/или рабочей температуры, связанной с регулирующим блоком клапана. Термочувствительные прокладки и/или пружинные шайбы могут быть установлены между поверхностью заглушки клапана и крепежным элементом на конце штока клапана, так что при изменении температуры окружающей среды и/или рабочей температуры клапана толщина и/или эффективная высота термочувствительных прокладок и/или пружинных шайб изменяются для компенсирования пространственных изменений заглушки клапана и/или штока клапана для поддерживания нагрузки на соединение заглушки и штока клапана. Таким образом, выбираются термочувствительные прокладки и/или пружинные шайбы, имеющие термический коэффициент или коэффициенты расширения и/или жесткости пружины, которые эффективно обеспечивают тепловую компенсацию нагрузки на соединение штока клапана и заглушки клапана, в частности, при повышенных температурах. В случаях, использования нескольких термочувствительных прокладок и/или нескольких пружинных шайб термические коэффициенты расширения и/или жесткости пружины могут быть одинаковыми или различными для каждой прокладки или каждой шайбы. Однако комбинация термических коэффициентов и/или жесткостей пружины обеспечивает более эффективное изменение высоты или толщины, которое обеспечивает тепловую компенсацию пространственных изменений заглушки клапана и/или штока клапана.
В описанном в настоящей заявке регулирующем блоке клапана согласно одному варианту реализации может быть дополнительно использована вставка, которая зафиксирована в выемке или отверстии заглушки клапана, для создания поверхности раздела высокопрочного материала в соединении заглушки и штока клапана. Согласно некоторым вариантам реализации вставка ввинчена в снабженное резьбой центрально расположенное отверстие в заглушке клапана, а шток клапана проходит сквозь центральное отверстие вставки с образованием соединения штока клапана. Таким образом, большие напряжения, связанные с нагрузкой на соединение штока клапана, первоначально действуют на высокопрочный материал вставки, а не на относительно менее прочный материал заглушки клапана. Иными словами, вставка выполнена из материала, который может выдерживать высокие напряжения, связанные с концентрированной или локализованной силой, приложенной нагрузкой к соединению штока клапана, и который, в свою очередь, благодаря его размеру, распространяет указанные напряжения или локализованные силы на расширенную поверхность раздела между вставкой и заглушкой клапана. Таким образом, описанные в настоящей заявке вставки могут быть использованы в соединении с описанными выше термочувствительными прокладками и/или пружинными шайбами для дополнительного улучшения целостности соединений штока клапана в широком диапазоне температур окружающей среды или рабочих температур. Кроме того, поскольку вставка может быть выполнена из относительно небольшого количества материала (т.е., по сравнению с количеством материала, необходимого для изготовления всей заглушки клапана), могут быть использованы дорогие высокопрочные материалы, такие как инконель и т.п., для обеспечения поверхности раздела высокопрочного материала для соединения штока клапана рентабельным способом.
Перед описанием вышеуказанного регулирующего блока клапана согласно одному варианту реализации далее приведено краткое описание известного соединения штока клапана со ссылкой на фиг.1. Как показано на фиг.1, регулирующий блок 100 клапана содержит соединение 102 штока клапана. Соединение 102 штока клапана, показанное на фиг.1, механически соединяет или связывает шток 104 клапана с заглушкой 106 клапана. Как показано на фиг.1, резьбовая концевая часть 108 штока 104 ввинчена в центральное отверстие 110 заглушки 106 для соединения центральной части заглушки 106 со штоком 104. Закаленная шайба 112 связана с соединением 102 штока клапана так, что шайба 112 зафиксирована между заплечиком 114 штока 104 и верхней поверхностью 116 заглушки 106. Шайба 112 распространяет нагрузку, связанную с соединением 102 штока клапана.
В частности, закаленная шайба 112 выбирается с возможностью выдерживания высоких механических напряжений, приложенных относительно небольшой контактной поверхностью 118 заплечика 114 к поверхности 120 шайбы 112. В свою очередь, контактная сила, приложенная к поверхности 120 шайбы 112, распределяется вдоль значительно увеличенной области 122 противоположной поверхности 124 шайбы 112, в результате чего уменьшено напряжение контакта между шайбой 112 и заглушкой 106.
На фиг.2 показан вид в поперечном разрезе термокомпенсированного регулирующего блока 200 клапана согласно одному варианту реализации. Как показано на фиг.2, регулирующий блок 200 клапана согласно одному варианту реализации содержит термокомпенсированное соединение 202 штока клапана. Термокомпенсированное соединение 202 штока клапана согласно одному варианту реализации, показанное на фиг.2, механически соединяет или связывает шток 204 клапана с заглушкой 206 клапана. Устройство 200 для клапанного механизма согласно одному варианту реализации также содержит вставку 208, которая зафиксирована в отверстии или выемке 210 заглушки 206. Стенка выемки 210 снабжена резьбой и периферийный край вставки 208 снабжен резьбой для обеспечения резьбового взаимодействия вставки 208 с выемкой 210. Кроме того, штифт 212 или любые другие фиксирующие средства могут быть использованы для предотвращения вращения вставки 208 и вывинчивания из заглушки 206 и/или дополнительного ввинчивания в заглушку 206.
Как показано на фиг.2, резьбовая концевая часть 214 штока 204 проходит сквозь отверстие или выемку 216 вставки 208, и механический крепежный элемент 218 (например, гайка) используется для нагружения соединения 202 штока клапана и предотвращения вращения штока 204 относительно заглушки 206. Прокладки 220 и 222 установлены в устройстве 200 для клапанного механизма между вставкой 208 и механическим крепежным элементом 218 вдоль штока 204. Выравнивание штока 204 с заглушкой 206 может быть достигнуто посредством жесткого допуска между диаметром 224 штока 204 и диаметром отверстия 216 вставки 208.
Регулирующий блок 200 клапана согласно одному варианту реализации, показанный на фиг.2, содержит вставку 208 и прокладки 220 и 222, поддерживающие целостность соединения 202 штока клапана при повышенных температурах, таких как, например, температуры, превышающие 1000°F (537,78°C). При повышенных температурах различные известные соединения штока клапана могут быть разрушены (например, может быть разрушено резьбовое соединение) по причине ослабления материала заглушки. Для уменьшения вероятности разрушения соединения штока клапана по причине ослабления материала заглушки, в частности, при повышенных температурах вставка 208 может быть выполнена из высокопрочного материала, такого как ASTM B637 NO7718, например, Инконель 718, который сохраняет свою прочность при повышенных температурах. Кроме того, несмотря на то, что заглушка 206 может быть выполнена полностью из указанного высокопрочного материала, использование высокопрочной вставки 208 в устройстве 200 для клапанного механизма избавляет от необходимости изготовления всей заглушки 206 из высокопрочного материала, который зачастую является дорогим и неудобным для механической обработки в форме большого бруса. Во вставке 208 используется резьба, диаметр которой значительно больше по сравнению с традиционным соединением штока клапана, в результате чего обеспечивается по существу увеличенная область, вдоль которой может быть распространена сила соединения штока клапана, что приводит к снижению напряжений в материале заглушки.
Разрушение резьбы в соединении штока клапана также может произойти при повышенных температурах по причине противоположно направленных тепловых расширений штока 204 и заглушки 206. Регулирующий блок 200 клапана согласно одному варианту реализации содержит прокладки 220 и 222 для смягчения нагрузки, приложенной к соединению 202 штока клапана, в ответ на изменение температуры (т.е., повышение температуры по причине условий эксплуатации). В частности прокладки 220 и 222 могут быть спроектированы таким образом, что при увеличении температуры окружающей среды или рабочей температуры сумма термических коэффициентов каждой прокладки 220 и 222 по существу может компенсировать тепловое расширение или расширения штока 204 и заглушки 206 для поддержания целостности (например, плотности) соединения штока 202 при повышенных температурах. Прокладки 220 и 222 могут быть изготовлены с использованием различных материалов и могут иметь различные размеры для точной настройки нагрузочных характеристик регулирующего блока 200 клапана. Прокладки 220 и 222 могут быть выполнены с использованием любых материалов с подходящими термическими коэффициентами или степенями расширения, таких как, например, нержавеющая сталь серии 300. Кроме того, несмотря на то, что на фиг.2 показаны две прокладки 220 и 222, может быть использовано любое другое количество прокладок или одна прокладка. Кроме того, несмотря на то, что на фиг.2 показаны как высокопрочная вставка 208, так и прокладки 220 и 222, используемые для поддерживания целостности соединения штока 202 при повышенных температурах, согласно некоторым вариантам реализации могут быть использованы прокладки 220 и 222, а также заглушка 206, вместе с которыми не используется вставка (например, вставка 208).
На фиг.3 показан в разрезе термокомпенсированный регулирующий блок 300 клапана согласно другому варианту реализации. Как показано на фиг.3, регулирующий блок 300 клапана согласно другому варианту реализации содержит термокомпенсированное соединение 302 штока клапана. Термокомпенсированное соединение 302 штока клапана, показанное на фиг.3, механически соединяет или связывает шток 304 клапана с заглушкой 306 клапана. Как показано на фиг.3, резьбовая концевая часть 308 штока 304 проходит сквозь отверстие или апертуру 310 заглушки 306, а механический крепежный элемент 312 (например, гайка) используется для нагружения соединения 302 штока клапана и предотвращения вращения штока 304 относительно заглушки 306. Кроме того, две пружинные шайбы 314 и 316, такие как, например, тарельчатые пружины, соединены с устройством 300 для клапанного механизма, так что пружинные шайбы 314 и 316 зафиксированы между заглушкой 306 и механическим крепежным элементом 312 вдоль штока 304. Выравнивание штока 304 с заглушкой 306 может быть достигнуто посредством соблюдения жесткого допуска между диаметром 318 штока 304 и диаметром отверстия 310 заглушки 306.
Регулирующий блок 300 клапана согласно еще одному варианту реализации, показанный на фиг.3, содержит пружинные шайбы 314 и 316 для воздействия на нагрузку, приложенную к соединению 302 штока клапана, в ответ на изменение температуры (т.е., повышение температуры по причинам условий эксплуатации). При повышенных температурах различные известные соединения штока клапана могут быть разрушены (например, может быть разрушено резьбовое соединение) по причине противоположно направленных тепловых расширений штока 304 клапана и заглушки 306 клапана. Использование пружинных шайб 314 и 316 в регулирующем блоке 300 клапана согласно данному варианту реализации обеспечивает поглощение пружинными шайбами 314 и 316 изменений размеров соединения 302 штока клапана, вызванных изменением температуры и таким образом поддерживает нагрузку на указанное соединение и по существу уменьшает вероятность разрушения. В частности, пружинные шайбы 314 и 316 могут быть спроектированы таким образом, что при увеличении температуры окружающей среды или рабочей температуры суммарная жесткость пружинных шайб 314 и 316 по существу может компенсировать тепловые расширения штока 304 и заглушки 306 для поддерживания целостности (например, плотности) соединения 302 штока клапана. Кроме того, несмотря на то, что на фиг.3 показаны две пружинные шайбы 314 и 316, в случае необходимости для данного прикладного и/или эксплуатационного режима может быть использовано любое другое количество пружинных шайб или может быть использована одна пружинная шайба. Кроме того, указанные две пружинные шайбы 314 и 316 показаны на фиг.3 последовательно расположенными. Однако указанные пружинные шайбы могут быть скомбинированы параллельно или в случае необходимости в любой комбинации последовательного и параллельного расположения для конкретного прикладного и/или эксплуатационного режима.
На фиг.4 показан в разрезе термокомпенсированный регулирующий блок 400 клапана согласно еще одному варианту реализации. Как показано на фиг.4, регулирующий блок 400 клапана согласно данному варианту реализации содержит термокомпенсированное соединение 402 штока клапана. Термокомпенсированное соединение 402 штока клапана, показанное на фиг.4, механически соединяет или связывает шток 404 клапана с заглушкой 406 клапана. Подобно варианту реализации, показанному на фиг.2, регулирующий блок 400 клапана также содержит вставку 408, которая зафиксирована в отверстии или выемке 410 заглушки 406. Стенка выемки 410 снабжена резьбой, и периферийный край вставки 408 снабжен резьбой для обеспечения возможности резьбового взаимодействия вставки 408 с выемкой 410. Кроме того, штифт (не показан) или любые другие крепежные средства могут быть использованы для предотвращения вращения вставки 408 и ее выхода из заглушки 406 или ее дополнительного ввинчивания в заглушку 406.
Как показано на фиг.4, резьбовая концевая часть 414 штока 404 проходит сквозь отверстие или выемку 416 вставки 408, а механический крепежный элемент 418 (например, гайку) используется для нагружения соединения 202 штока клапана и предотвращения вращения штока 404 клапана относительно заглушки 406. Подобно варианту реализации, показанному на фиг.3, пружинные шайбы 420 и 422 соединены с регулирующим блоком 400 для клапана таким образом, что пружинные шайбы 420 и 422 зафиксированы между вставкой 408 и механическим крепежным элементом 418, расположенными вдоль штока 404. Выравнивание штока 404 с заглушкой 406 может быть достигнуто посредством жесткого допуска между диаметром 424 штока 404 и диаметром отверстия 416 вставки 408.
Регулирующий блок 400 клапана согласно данному варианту реализации, показанному на фиг.4, содержит вставку 408 и пружинные шайбы 420 и 422 для поддерживания целостности соединения 402 штока клапана при повышенных температурах. Для обеспечения возможности выдерживания регулирующим блоком 400 клапана повышенных температур вставка 408 может быть выполнена из высокопрочного материала, такого как отвечающий требованиям ASTM B637 NO7718, например, Инконель 718, который сохраняет свою прочность при повышенных температурах. Кроме того, использование высокопрочной вставки 408 в регулирующем блоке 400 клапана избавляет от необходимости изготовления всей заглушки 406 из высокопрочного материала, который зачастую является дорогим и неудобным для механической обработки в форме большого бруса. Во вставке 408 используется резьба, диаметр которой значительно больше по сравнению с традиционным соединением штока клапана, в результате чего обеспечивается по существу увеличенная область, вдоль которой может быть распространена сила соединения штока клапана, что приводит к снижению напряжений в материале заглушки.
Регулирующий блок 400 клапана согласно другому варианту реализации, показанному на фиг.4, содержит пружинные шайбы 420 и 422 для воздействия на нагрузку, приложенную к соединению 402 штока клапана, в ответ на изменение температуры (т.е., повышение температуры по причинам условий эксплуатации). При повышенных температурах различные известные соединения штока клапана могут быть разрушены (например, может быть разрушено резьбовое соединение) по причине противоположно направленных тепловых расширений штока 404 и заглушки 406. Использование пружинных шайб 420 и 422 в регулирующем блоке 400 клапана согласно данному варианту реализации обеспечивает поглощение пружинными шайбами 420 и 422 изменений размеров соединения 402 штока клапана, вызванных изменением температуры и таким образом поддерживает нагрузку на указанное соединение и по существу уменьшает вероятность разрушения. В частности, пружинные шайбы 420 и 422 могут быть спроектированы таким образом, что при увеличении температуры окружающей среды или рабочей температуры суммарная жесткость пружинных шайб 420 и 422 по существу может компенсировать тепловые расширения штока 404 и заглушки 406 для поддерживания целостности (например, плотности) соединения 402 штока клапана. Кроме того, несмотря на то, что на фиг.4 показаны две пружинные шайбы 420 и 422, в случае необходимости для данного прикладного и/или эксплуатационного режима может быть использовано любое другое количество пружинных шайб или может быть использована одна пружинная шайба. Кроме того, указанные две пружинные шайбы 420 и 422 показаны на фиг.4 последовательно расположенными. Однако указанные пружинные шайбы могут быть скомбинированы параллельно или в случае необходимости в любой комбинации последовательного и параллельного расположения для конкретного прикладного и/или эксплуатационного режима.
Несмотря на то, что выше был описан конкретный вариант реализации, объем защиты настоящего изобретения не ограничен этим вариантом реализации. Напротив, настоящий патент охватывает все способы, устройства и готовые изделия, справедливо находящиеся в пределах объема пунктов приложенной формулы буквально или согласно доктрине эквивалентов.