КЛАПАН ОБРАТНЫЙ ОСЕСИММЕТРИЧНЫЙ С ВЕРХНИМ РАЗЪЕМОМ
AXISYMMETRIC CHECK VALVE WITH UPPER JOINT

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, в частности к клапанам обратным осесимметричным, для объектов энергетики, характеризующихся высокими параметрами рабочих сред - температура до 560°С, давление до 40 МПа, предназначенной в качестве неуправляемых, автоматически действующих защитных устройств для предотвращения обратного потока рабочих сред.
Одним из требований, предъявляемых к энергетической трубопроводной арматуре, является обеспечение ремонтопригодности без вырезки из трубопровода.
Известен обратный клапан с осевым направлением потока, содержащий наружный корпус с входными и выходными каналами, в полости которого закреплены внутренний конусообразный опорный элемент с размещенным в нем штоком запорного органа, выполненного в виде диска со сферической и конусообразной контактной рабочей поверхностью, и седло в виде кольца (Описание к патенту США №5921276А по классу F16K 15/06 от 17.10.1995 г.). Запорный орган подвижно установлен в полости внутреннего конусообразного опорного элемента посредством механизма перемещения. Механизм перемещения запорного органа включает пружину сжатия, установленную на штоке, перемещающемся в подшипниках скольжения, зафиксированных в направляющем стакане внутреннего конусообразного опорного элемента. Пружина служит для закрытия клапана, открытие которого происходит под действием гидродинамических сил проходящего потока. Седло выполнено в виде кольца с конусной поверхностью, контактирующей с поверхностью сферы запорного органа. Конусная контактная поверхность седла, установленного во внутренней полости наружного корпуса, и сферическая форма внутренней полости в наружном корпусе определяют форму кольцевого канала между поверхностями наружного и внутреннего корпусов, образуя с входным патрубком проходное сечение клапана в форме трубы Вентури. На контактной конусной поверхности диска запорного органа выполнен паз для размещения уплотнения.
Недостатком известного клапана является наличие относительно мягкого уплотнения на поверхности диска запорного органа, подверженного износу и повреждению, что снижает герметичность клапана в процессе эксплуатации.
Недостатком известного клапана является невозможность его использования в оборудовании и трубопроводах с высокой (более 220ºС) температурой рабочей среды из-за наличия полимерных уплотнительных материалов.
Недостатком известного клапана является также невозможность выполнения технического обслуживания и ремонта внутрикорпусных устройств без вырезки из трубопровода.
Известен клапан обратный с осевым направлением потока, содержащий наружный корпус с входными и выходными каналами (Описание к патенту РФ №2313713 по классу F16K 15/06 от 22.03.2005 г.). Во внутренней полости корпуса выполнен с образованием кольцевого канала с профилем в виде сопла Вентури внутренний конусообразный элемент. В опорном стакане этого элемента посредством подшипникового узла установлен запорный орган. Последний снабжен пружинным механизмом перемещения и выполнен в виде штока с диском. По всей рабочей поверхности диск контактирует с седлом. Седло выполнено в виде кольца с контактной конусной поверхностью, вписывающей седло в профиль кольцевого канала. Герметизирующее уплотнение седла выполнено в виде напряженного двухслойного П-образного элемента. Этот элемент установлен внутренней полостью навстречу отсекаемому потоку в кольцевом пазу наружного корпуса в зоне контактной конусной поверхности седла. Подшипниковый узел запорного органа представлен не менее чем двумя взаимно перекрещивающимися втулками, соответствующими в сборе длине опорного стакана внутреннего конусообразного элемента. Зона перекрытия втулок выполнена ступенчатой. Длина каждой зоны перекрытия превышает толщину стенок втулок не менее чем в 1,5 раза. Рабочая поверхность диска запорного органа сформирована сопряженными поверхностями сферы и тора при превышении радиуса сферы над радиусом тора не менее чем в 3,5 раза. Наклон конусной контактной поверхности седла к продольной оси клапана задан под углом, не превышающим 43º.
Недостатком известного клапана является невозможность его использования в оборудовании и трубопроводах с высокой (более 220°С) температурой рабочей среды из-за наличия полимерных уплотнительных материалов.
Недостатком известного клапана является также невозможность выполнения технического обслуживания и ремонта внутрикорпусных устройств без вырезки из трубопровода.
Наиболее близким по назначению, технической сущности и достигаемому результату является клапан с осевым направлением потока (описание к патенту РФ на полезную модель №109520 от 06.06.2011 г.), содержащий корпус с жестко соединенным с ним седлом, установленным во входном патрубке, крышку с закрепленным на ней посредством пилона обтекателем, во внутренней полости которого размещена направляющая втулка, в которой размещен шток запорного органа. Герметизация сопряжения корпуса и крышки, выполненного в виде кольцевой впадины в корпусе и ответного ей кольцевого ступенчатого выступа, образованного кольцевыми выступами в крышке, осуществляется шпилечными соединениями и уплотнением, помещенным в полость, образованную кольцевой впадиной на фланце наружного корпуса и ступенчатым кольцевым выступом на крышке, при контакте последнего с фланцевой поверхностью корпуса.
Недостатком известного клапана является отсутствие возможности обеспечения ремонтопригодности без вырезки из трубопровода, так как седло, как один из элементов запорного органа, наиболее подверженный износу, жестко посредством сварки закреплено в корпусе.
Недостатком известного клапана является низкая надежность герметичности основного разъема за счет применения уплотнения, не обладающего упругой деформацией.
Недостатком известного клапана является отсутствие возможности для размещения указателя положения запорного органа.
Целью предполагаемого изобретения является создание клапана обратного осесимметричного, удовлетворяющего следующим обязательным требованиям: работоспособность при высоких параметрах рабочих сред (температура до 560°С, давление до 40 МПа), надежность в течение всего срока службы, отсутствие необходимости технического обслуживания в течение межремонтного периода, ремонтопригодность без вырезки из трубопровода, имеющего канал для установки устройства для формирования сигнала о положении запорного органа, высокая надежность герметичности основного разъема.
Поставленная задача достигается тем, что в клапане обратном осесимметричном с верхним разъемом, содержащем цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками и с проточкой в верхнем разъеме, согласно изобретению в проточке установлено напряженное многослойное торообразное уплотнение для герметизации разъема корпус-крышка, а в корпусе установлено съемное седло посредством самоуплотняющейся конической резьбы, в крышке посредством пилона жестко закреплен обтекатель с каналом для установки устройства для формирования сигнала о положении запорного органа.
Механизм перемещения запорного органа содержит шток с термостойким, износостойким и антифрикционным покрытием, например микроплазменным легированием с ультразвуковым модифицированием, установленный в подшипнике с термостойким, износостойким и антифрикционным покрытием. Съемное седло с упрочненной поверхностью в зоне контакта с запорным органом установлено в наружном корпусе посредством самоуплотняющейся конической резьбы и зафиксировано в наружном корпусе от самопроизвольного откручивания. В конструкции клапана нет быстроизнашивающихся заменяемых уплотнительных материалов и деталей.
В предлагаемой конструкции шток затвора и подшипник имеют термостойкое, износостойкое и антифрикционное покрытие на контактных поверхностях. Применение покрытия дает равномерную равнопрочную износостойкую и антифрикционную структуру поверхностного слоя металла как штока, так и подшипника. Применение термостойкого, износостойкого и антифрикционного покрытия значительно повышает надежность узла трения шток-подшипник и исключает ремонты в течение назначенного межремонтного периода.
В качестве уплотнения в разъеме корпус-крышка применено напряженное многослойное торообразное уплотнение, установленное в кольцевом пазу корпуса, которое обеспечивает надежность основного разъема и, что важно для данной конструкции, обеспечивает соосность седла и затвора, что является обязательным условием обеспечения герметичности клапана.
Напряженное многослойное торообразное уплотнение представляет собой конструкцию, состоящую из цилиндрической пружины, размещенной внутри хотя бы двух торообразных оболочек, причем торообразные оболочки имеют разрез по образующей уплотнительных поверхностей. Применение напряженного многослойного торообразного уплотнения основного разъема корпус-крышка значительно увеличивает надежность клапана.
Жестко закрепленный на крышке посредством пилона внутренний обтекатель имеет канал для установки устройства, например волоконно-оптического датчика, для формирования сигнала о положении запорного органа для информационно-вычислительной системы во всем диапазоне хода запорного органа клапана. Канал представляет собой цилиндрическое отверстие, выполненное конструктивно под определенным углом относительно оси штока запорного органа. Отверстие снаружи закрыто пробкой с конической резьбой. Внутри отверстие входит в зону запорного органа. Диаметр отверстия определяется конструктивно и зависит от типа, например, волоконно-оптического датчика, для формирования сигнала о положении запорного органа для информационно-вычислительной системы во всем диапазоне хода запорного органа клапана.
Съемное седло, установленное в корпусе посредством самоуплотняющейся конической резьбы, имеет на контактной с затвором поверхности термостойкое, износостойкое, эрозионно- и кавитационностойкое покрытие. Седло выполнено в виде полого конуса с конусной опорной поверхностью, контактирующей с поверхностью сферы запорного органа. На наружной конической поверхности седла, на участке, контактирующем с корпусом, длиной, определенной конструктивно в зависимости от рабочих параметров, нарезана коническая резьба. На торцевой поверхности, контактирующей с диском и омываемой рабочей средой с максимальной скоростью, выполнено износостойкое, эрозионно- и кавитационностойкое покрытие, например микроплазменное легирование с ультразвуковым модифицированием.
Обратный осесимметричный клапан с верхним разъемом, конструкция клапана приведена (см. Фиг.1), обладает улучшенными гидравлическими характеристиками по сравнению с рассматриваемыми аналогами, независимостью в рабочем диапазоне коэффициента гидравлического сопротивления от расхода рабочей среды и незначительной величиной турбулентных пульсаций. Скорость среды возрастает по мере достижения седла, затем, в точно спрофилированных внутренних поверхностях корпуса и обтекателя, достигается восстановление первоначального давления. На выходе из клапана значения скорости и давления среды практически идентичны их значениям на входе. Так как гидравлическое сопротивление клапана зависит от условий возникновения отрывных потоков и вихрей, определено, что наибольшее влияние на величину гидравлических потерь оказывает способ сопряжения поверхностей конструкции в местах, показанных на Фиг.5.
Пример выполнения клапана обратного с верхним разъемом для объектов энергетики представлен на чертежах.
На Фиг.1 представлен продольный разрез общего вида клапана обратного осесимметричного с верхним разъемом для объектов энергетики.
На Фиг.2 представлена конструкция напряженного многослойного торообразного уплотнения корпус-крышка (выносной элемент В Фиг.2).
На Фиг.3 представлена схема крепления седла в корпусе (выносной элемент А Фиг.3).
На Фиг.4 представлен подшипник (выносной элемент Б и вид Г Фиг.4).
На Фиг.5 представлена форма проточной части клапана обратного осесимметричного с верхним разъемом.
Клапан обратный осесимметричный с верхним разъемом содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками с фланцевым разъемом 4, на уплотнительной поверхности которого выполнена проточка 5 (Фиг.2), внутри которой установлено напряженное многослойное торообразное уплотнение 6. Внутри корпуса 1 на входном патрубке 2 нарезана коническая резьба 8 (Фиг.3) для установки съемного седла 9, на фланцевом разъеме 4 посредством шпилек 10 и гаек 11 закреплена крышка 7, содержащая пилон 12, внутри которого выполнен канал 13 для установки устройства, например волоконно-оптического датчика, для формирования сигнала о положении запорного органа для информационно-вычислительной системы во всем диапазоне хода запорного органа клапана, посредством пилона 12 с образованием кольцевого канала 14 для прохода рабочей среды закреплен обтекатель 15, в полости которого подвижно вдоль оси клапана, посредством пружинного механизма 16 (Фиг.3) установлен запорный орган 17. Седло 9 выполнено с конической наружной резьбой 19 и с контактной поверхностью с термостойким, эрозионно- и кавитационностойким покрытием 20 в зоне контакта с запорным органом 17 в виде сопряженных поверхностей сферы 21 и тора 22. Запорный орган 17 прижат пружиной 18 к съемному седлу 9, установленному в наружном корпусе 1 посредством самоуплотняющейся конической резьбы 8, контактируя по его конусной торцевой поверхности 22. Механизм перемещения запорного органа содержит шток 23 с термостойким, износостойким и антифрикционным покрытием 24, установленный в подшипниках скольжения 25 с термостойким, износостойким и антифрикционным покрытием 26 с каналами для смазки рабочей средой 27.
Клапан изображен закрытым при направлении потока по стрелке Д. Пружиной 18 запорный орган 17 прижимается к седлу 9, закрывая входной канал Е, при этом шток 23 находится в крайнем левом положении. При увеличении давления рабочей среды во входном канале Е и превышении гидродинамических сил потока над усилием пружины 18 запорный орган 17 отходит от поверхности седла 9, открывая проход рабочей среде в кольцевой канал 14 и сжимая пружину 18. Усилие сжатия пружины 18 определяется рабочим давлением в потоке рабочей среды и задается конструктивно.
При выравнивании давления в выходном канале Ж и во входном канале Е воздействие гидродинамических сил рабочей среды на запорный орган 17 исключается, и под действием пружины 18 он плавно прижимается поверхностью 21 к конусной торцевой поверхности 22 седла 9, клапан герметично закрывается, предотвращая движение потока рабочей среды в обратную сторону, обеспечивая герметичность благодаря самоуплотняющейся конической резьбе 8 и наличию на контактной с запорным органом 17 поверхности седла 9 термостойкого, износостойкого, эрозионно- и кавитационностойкого покрытия, например микроплазменного легирования с ультразвуковым модифицированием.
Использование заявленного клапана обратного осесимметричного с верхним разъемом позволит автоматически предотвратить движение потока рабочей среды в трубопроводе в обратном направлении, стабилизировать поток рабочей среды в трубопроводе, обеспечить расширение диапазона температуры и давления рабочей среды, обеспечить ремонтопригодность без вырезки из трубопровода, обеспечить выдачу сигнала о положении запорного органа, повышение надежности и долговечности, что приведет к снижению затрат на обслуживание и ремонт в процессе эксплуатации.