Уплотнительный узел шпинделя клиновой задвижки

Полезная модель относится к области машиностроения, а более конкретно, к уплотнительным устройствам трубопроводной арматуры, и может быть использована для герметизации штоков (шпинделей) в запорных устройствах, преимущественно клиновых задвижках, нефтяных и газовых трубопроводов, проложенных глубоко под землей.
Известны сальниковые уплотнительные узлы для трубопроводной арматуры, регламентированные стандартом ЦКБА (см. СТ ЦКБА 037-2006; http://predklapan.ru/files/uploads/Zakonodatelstvo/_ST_СКВА_037-2006.pdf).
Они содержат сальниковую камеру и набивку в виде колец из мягкого материала, например, асбеста, или другого, равноценного ему. Набивка помещена в сальниковую камеру, охватывая цилиндрическую поверхность шпинделя запорного устройства, и поджимается сверху втулкой сальника. Такие уплотнительные узлы нашли широкое применение в запорных устройствах различных трубопроводов наземного исполнения. В то же время, они недолговечны и недостаточно надежны в работе ввиду быстрого износа сальниковой набивки, и чтобы не нарушались уплотнительные свойства, необходимо периодически поджимать втулку сальника при помощи накидной гайки или анкерных болтов, уплотняя тем самым кольцевую набивку.
Известны также уплотнительные устройства по патентам US 6105596 и US 7055593, в которых уплотнительные элементы выполнены из фторопласта. Их форма подобрана такой, чтобы при установке и поджатии трущиеся поверхности плотно прилегали к шпинделю и обеспечивали необходимое уплотнение. По мере износа уплотнительных элементов или при температурных перепадах герметичность устройства нарушается, поскольку твердый материал (фторопласт) не позволяет компенсировать такие изменения. Использование прижимных втулок и крышек для сжатия уплотнительных элементов не дает должного эффекта, поскольку фторопласт практически не деформируется под действием внешнего давления.
Технический результат повышения надежности в определенной степени достигнут в сальниковом узле по патенту RU 2317465, кл. F16K 41/02, который выбран в качестве прототипа заявляемой полезной модели. В данном устройстве, как и в вышеприведенных аналогах, содержится сальниковая камера с ограничительным дном, в которую помещен уплотнитель, охватывающий шток и поджимаемый крышкой. Особенностью конструкции прототипа является выполнение наружной стенки сальниковой камеры из двух частей - цилиндрической и конической, сужающейся ко дну камеры. При перемещении уплотнителя под воздействием крышки в коническую часть камеры в ее цилиндрической части возникает горизонтальная составляющая от усилия, действующего на уплотнитель, которая воздействует на шток, повышая надежность уплотнения.
Недостатком данного уплотнительного узла так же, как и первого аналога, является необходимость в его обслуживании, то есть требуется периодическое поджатие уплотнительных колец прижимной крышкой по мере износа набивки. Это значительно ограничивает область применения запорных устройств с такими уплотнительными узлами. Их можно применять только в открытых (наземных) трубопроводах, в которых имеется свободный доступ для выполнения поджатая уплотнительных элементов. В нефтегазовых трубопроводах, проложенных на глубине 2-3 метра под землей их применить нельзя ввиду ограничения доступа к ним и невозможности выполнять вышеуказанную регулировку.
Предлагаемой полезной моделью решается задача разработки и создания высоконадежного уплотнительного узла для запорной арматуры, преимущественно клиновых задвижек, исключающего необходимость какой-либо регулировки и позволяющего устанавливать задвижки в подземных трубопроводах, проложенных на большой глубине.
Технический результат, получаемый при осуществлении полезной модели, заключается в достижении высокой эксплуатационной надежности, увеличении долговечности и срока службы уплотнительного узла. Для достижения этого технического результата в известном устройстве, содержащем выполненную в ее крышке цилиндрическую камеру с ограничительным дном, в которой расположена охватывающая шпиндель группа сальниковых уплотнительных элементов, дополнительно содержится вторая группа уплотнительных элементов, включающая промежуточную втулку, установленную в цилиндрической камере концентрично шпинделю и имеющую на внутренней и наружной поверхностях, по меньшей мере, по две пары кольцевых канавок с размещенными в них уплотнительными кольцами. При этом промежуточная втулка выполнена из антикоррозионного материала, а уплотнительные кольца - из эластичного износостойкого материала.
Отличительными признаками заявляемого устройства являются: наличие второй группы уплотнительных элементов, включающей промежуточную втулку, установленную в цилиндрической камере концентрично шпинделю и имеющую на внутренней и наружной поверхностях, по меньшей мере, по две пары кольцевых канавок с размещенными в них уплотнительными кольцами; выполнение промежуточной втулки из антикоррозионного материала (например, латуни ЛС59-1-1); выполнение уплотнительных колец из эластичного износостойкого материала (например, гидрированного бутадиен-нитрильного каучука - HNBR).
Благодаря наличию этих признаков, при реализации заявляемой полезной модели получается вышеуказанный технический результат.
Достижению высокой эксплуатационной надежности, увеличению долговечности и срока службы уплотнительного узла способствует, во-первых, то, что параметры промежуточной втулки конструктивно выбраны такими, чтобы после монтажа ее в сборе с уплотнительными кольцами в цилиндрическую камеру, она имела возможность перемещения в горизонтальной плоскости на величину расширения или сужения материала крышки запорного устройства, в которой втулка установлена, в зависимости от температурных изменений среды, а также на величину возможного износа уплотнительных колец. То есть, наличие в уплотнительном узле «плавающей» втулки позволяет компенсировать все зазоры, образующиеся от вышеуказанных факторов, и сохраняет надежную герметичность уплотнения. Выполнение промежуточной втулки из антикоррозионного материала исключает появление на ее поверхности ржавчины и устраняет вероятность заклинивания шпинделя. Во-вторых, уплотнительные кольца, выполненные из эластичного износостойкого материала, имеющие в поперечном сечении круглую форму, при монтаже промежуточной втулки в цилиндрическую камеру частично сжимаются, приобретая в сечении овальную форму. По мере износа контактных поверхностей под действием силы упругости кольца разжимаются, стремясь восстановить свою первоначальную круглую форму, что способствует сохранению их уплотняющих свойств.
На чертеже изображен разрез уплотнительного узла.
Узел содержит цилиндрическую камеру 1, с ограничительным дном, образованным поднабивочным кольцом 2, выполненную в крышке 3 задвижки. В камере 1 расположена охватывающая шпиндель 4 группа сальниковых уплотнительных элементов 5, над которой, концентрично шпинделю 4, установлена промежуточная втулка 6 с уплотнительными кольцами 7 на внутренней и наружной поверхностях, образующая вторую группу уплотнительных элементов. Чтобы исключить перекосы при монтаже, между группами уплотнительных элементов установлено разделительное кольцо 8. Обе группы в цилиндрической камере 1 зафиксированы ступенчатым фланцем 9. Для контроля за наличием протечек выполнено отверстие 10.
Уплотнительный узел работает следующим образом.
Необходимое количество уплотнительных колец сальниковой набивки помещают на дно цилиндрической камеры 1 с возможностью охвата ими шпинделя 4. Затем, после установки разделительного кольца 8, в камеру 1 концентрично шпинделю 4 устанавливают промежуточную втулку 6 в сборе с уплотнительными кольцами 7, которая поджимается фланцем 9 до упора в кольцо 8. В процессе монтажа втулки 6 уплотнительные кольца 7 скользят по поверхностям шпинделя 4 и цилиндрической камеры 1 и, частично сжимаясь, приобретают овальную форму в поперечном сечении. При износе трущихся поверхностей, в результате длительной эксплуатации, кольца 7 постепенно разжимаются, стремясь восстановить свою первоначальную форму, что сохраняет герметичность и надежность уплотнения. Промежуточная втулка 6 в собранном узле устанавливается с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости на величину суммарных зазоров, образующихся в результате температурных изменений среды и износа трущихся поверхностей уплотнительных колец 7. Благодаря такому перемещению втулки 6, устраняются (компенсируются) все зазоры, образующиеся от вышеуказанных факторов, и значительно повышается надежность уплотнительного узла.
Таким образом, за счет введения указанных отличительных признаков в формулу полезной модели, решается поставленная задача и получается, при осуществлении, технический результат, заключающийся в достижении высокой эксплуатационной надежности, увеличении долговечности и срока службы уплотнительного узла. Это позволяет существенно расширить диапазон применения заявляемого уплотнительного узла, в том числе использовать его в клиновых задвижках подземных трубопроводов без выполнения какого-либо дополнительного технического обслуживания.