УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ ВСТАВКА ДЛЯ ШАРОВОГО КРАНА, СЕДЛО ШАРОВОГО КРАНА И ШАРОВОЙ КРАН
SEAL INSERT FOR BALL VALVE, BALL VALVE SEAT AND BALL VALVE

Область техники
Изобретение относится к области шаровых кранов, в частности к уплотнительным вставкам для шаровых кранов, а также к седлам шаровых кранов. Более конкретно, изобретение относится к шаровым кранам с металлическими седлами, то есть к кранам с седлами типа «металл по металлу».
Уровень техники
Шаровые краны широко применяются в различных отраслях промышленности. Например, шаровые краны могут использоваться в трубопроводных системах, в которых требуется прерывать прохождение воспламеняющихся или подобных текучих сред.
В общем случае шаровые краны представляют собой конструкцию, содержащую корпус, предназначенный для подключения, например, к трубопроводу, в котором должен работать данный кран, и шар, расположенный в полости корпуса крана с возможностью вращения внутри этой полости. Шар имеет сквозное отверстие или проход, проделанные таким образом, чтобы посредством поворота шара это отверстие или проход можно было устанавливать в положение совмещения с каналом трубопровода, к которому подключен данный кран (открытое положение крана), или выводить из положения совмещения для блокирования прохождения текучей среды (закрытое положение крана). Шар соединен с корпусом крана посредством седла. В частности, седло обеспечивает герметичное уплотнение крана в том случае, когда оно непосредственно соприкасается с наружной поверхностью шара. В общем случае имеется седло с напорной стороны, то есть со стороны входа крана, а также седло с низовой стороны, то есть со стороны выхода крана.
В известных конструкциях шаровых кранов для загрязненных текучих сред используются уплотнения типа «металл по металлу», поскольку в таких условиях седла с эластичными вставками быстро приходили бы в негодность. Однако получить герметичное соединение металл - металл довольно трудно.
Кроме того, одна из серьезных проблем в области применения кранов связана с обеспечением герметичности крана либо в условиях высоких температур, например, достигающих 400°С-500°С, либо в присутствии сильно загрязненных текучих сред, например, содержащих твердые частицы во взвешенном состоянии. Одним из примеров такой текучей среды является природный газ, в котором могут содержаться, например, частицы песка диаметром около 200 мкм.
Наличие взвешенных твердых частиц в суспензии является особенно критичным при высоких давлениях, например от 20 бар до 420 бар, что является типичным для различных промышленных объектов.
Раскрытие изобретения
Изобретение касается шаровых кранов. В частности, идея настоящего изобретения состоит в том, чтобы оснастить шаровой кран уплотнительной вставкой с многослойной структурой, представляющей собой чередующиеся слои графита и тонкие листы металла. Такая многослойная структура, содержащая слои графита, чередующиеся с металлическими листами, обеспечивает улучшенную герметичность как при высоких температурах, так и в присутствии текучих сред, содержащих взвешенные твердые частицы. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения уплотнительная вставка для шарового крана имеет кольцевую форму, которая позволяет устанавливать ее в седло шарового крана, при этом указанная вставка имеет многослойную структуру вдоль направления, перпендикулярного отверстию в кольцевой вставке, состоящую из чередующихся слоев графита и металла.
Предпочтительно общее количество слоев в уплотнительной вставке равно по меньшей мере семи.
Предпочтительно толщина графитовых слоев в уплотнительной вставке составляет от 0,5 до 1 мм.
Толщина графитовых слоев в уплотнительной вставке может также составлять от 0,5 до 0,8 мм.
Предпочтительно металлические слои в уплотнительной вставке включают в себя по меньшей мере один из следующих материалов: сталь, нержавеющую сталь или инконель (Inconel). Эти материалы обладают особой совместимостью с текучими средами, проходящими через кран.
Согласно другому варианту осуществления изобретения седло шарового крана, приспособленное для обеспечения соединения шара шарового крана с корпусом шарового крана, содержит уплотнительную вставку согласно настоящему изобретению.
Предпочтительно седло шарового крана содержит первую часть с углублением, выполненным с возможностью вмещения по меньшей мере части уплотнительной вставки, и вторую часть, выполненную с возможностью соединения с первой частью для удержания уплотнительной вставки в нужном положении. Такая конструкция седла, состоящая из двух частей с расположенной между ними уплотнительной вставкой, позволяет получить стабильную систему, оптимизируя тем самым герметичность уплотнения.
Предпочтительно вторая часть седла для шарового крана представляет собой фиксирующее кольцо.
Предпочтительно вторая часть седла шарового крана имеет углубление, соответствующее углублению в первой части, так что уплотнительная вставка оказывается заключенной в пространстве, образованном этими двумя углублениями.
Первая часть седла шарового крана может дополнительно иметь канавку, примыкающую к указанному углублению и приспособленную вмещать уплотняющую прокладку таким образом, чтобы эта уплотняющая прокладка контактировала с уплотнительной вставкой. Данная прокладка может быть изготовлена, например, из графита. Наличие такой прокладки, контактирующей с уплотнительной вставкой, дополнительно улучшает герметичность системы.
Предпочтительно первая часть седла шарового крана содержит выступающий участок, направленный противоположно углублению и имеющий одну или более канавок, каждая из которых выполнена с возможностью вмещения одного или более уплотнительных элементов, например уплотнительных колец из эластомерных материалов. Этот выступающий участок, направленный противоположно углублению, может быть приспособлен, например, для соединения седла с корпусом шарового крана.
Первая и вторая части седла шарового крана могут удерживаться в контакте одно с другим посредством крепежных деталей, например винтов.
Первая часть седла шарового крана может дополнительно иметь систему отверстий для впрыскивания уплотнительного материала в направлении шара шарового крана. Это может использоваться, например, в ситуации, когда вследствие истирания и износа уплотнительная вставка уже не способна обеспечивать надлежащую герметичность.
Первая часть седла шарового крана может дополнительно содержать аварийное металлическое уплотнение, обеспечивающее герметичность в случае повреждения уплотнительной вставки.
Согласно другому варианту осуществления изобретения шаровой кран содержит корпус, шар и по меньшей мере одно седло согласно настоящему изобретению.
Предпочтительно шаровой кран содержит два седла согласно настоящему изобретению, расположенные одно напротив другого относительно указанного шара, так что кран имеет седло согласно настоящему изобретению как на входе, так и на выходе.
Седло шарового крана может быть расположено в корпусе крана с возможностью перемещения относительно этого корпуса. Возможность перемещения седла в корпусе крана позволяет с высокой точностью регулировать усилие прижатия седла к корпусу крана. Кроме того, вследствие своей подвижности такое седло легко может прижиматься к шару под воздействием давления текучей среды, обеспечивая тем самым герметичность.
Корпус шарового крана может иметь полость для размещения в ней упругих средств, воздействующих на седло так, чтобы поджимать это седло к шару. Такие упругие средства могут представлять собой, например, пружину. Пружина может, например, прикладывать нужное усилие к седлу, обеспечивая герметичность даже при низких давлениях, например, порядка 1 бар.
Изобретение поясняется чертежами, на которых соответствующие и/или подобные детали обозначены одинаковыми номерами позиций.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично показан кран согласно одному из вариантов осуществления изобретения, вид в разрезе;
на фиг.2 схематично показан фрагмент крана, показанного на фиг.1, вид в увеличенном масштабе;
на фиг.3а схематично показана часть седла согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, вид в увеличенном масштабе;
на фиг.3b схематично показано полное трехмерное изображение в разобранном виде системы, показанной на фиг.3а;
на фиг.4 схематично показана структура уплотнительной вставки согласно одному из вариантов осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
Далее описаны конкретные варианты осуществления изобретения, показанные на чертежах. Однако настоящее изобретение не ограничивается конкретными вариантами, подробно описанными ниже и показанными на чертежах, напротив, представленные варианты следует рассматривать только в качестве примеров различных аспектов настоящего изобретения, объем которого определен формулой изобретения.
Специалисту в данной области техники будут понятны другие модификации и изменения настоящего изобретения, следовательно, данное описание следует считать включающим все указанные модификации и/или изменения настоящего изобретения, объем которого определен формулой изобретения.
На фиг.1 схематично показан вид в разрезе крана 100 согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Кран содержит шар 101, корпус 102 и седло 103, приспособленное для соединения шара 101 с корпусом 102.
Конструкция корпуса 102 крана позволяет, например, подключать его к трубопроводу, для которого он предназначен.
Шар 101 может быть изготовлен, например, из стали. Наружная поверхность шара 101 также может быть покрыта твердым материалом, например, из группы материалов на основе карбида вольфрама.
На фиг.1 кран 100 показан в закрытом состоянии. Действительно, как схематично показано на данной фигуре, сквозное отверстие 101 А в шаре 101 расположено перпендикулярно к направлению входного потока текучей среды, показанному стрелкой F. Таким образом, боковая стенка шара 101 препятствует проходу потока F. Шар можно повернуть таким образом, чтобы сквозное отверстие 101 А совместилось с направлением потока F, открывая тем самым кран 100 и позволяя потоку F проходить сквозь него. Поворот шара 101 можно осуществить с помощью средств поворота, известных в данной области техники. В частности, поворот шара 101 можно осуществить либо с помощью автоматических поворотных устройств, либо ручных.
Как показано на фиг.1, шар 101 располагается внутри корпуса 102, а соединение корпуса 102 крана с шаром 101 осуществляется посредством седла 103. Таким образом, седло 103 обеспечивает герметичность системы, при условии, что оно контактирует с наружной поверхностью шара 101, предназначенной для предотвращения прохода потока текучей среды F.
На фиг.2 схематично показана в увеличенном масштабе верхняя часть седла 103 крана 100, показанного на фиг.1. В частности, на фиг.2 показана область, обведенная кругом на фиг.1. Данная система имеет цилиндрическую симметрию относительно оси, параллельной направлению потока F, следовательно, конструкцию, схематично показанную на фиг.2, можно также обнаружить в других сечениях данной системы. Например, как можно видеть на фиг.1, конструкцию, показанную на фиг.2, можно также обнаружить в зеркальном отражении в нижней части крана 100, что подтверждает цилиндрическую симметрию системы.
Седло 103 содержит уплотнительную вставку 200, которая будет в дальнейшем подробно описана со ссылкой на фиг.4. Уплотнительная вставка 200 имеет такую конструкцию, которая позволяет прижать ее к шару 101 шарового крана 100. В частности, уплотнительная вставка 200 имеет круглое центральное отверстие, диаметр которого соответствует диаметру сферической оболочки шара 101, вокруг которой, прижимаясь, располагается эта уплотнительная вставка 200. Внутренняя поверхность 200а уплотнительной вставки 200 (то есть, поверхность кольцевой структуры, окружающей ее центральное отверстие) непосредственно прижимается к наружной поверхности шара 101, обеспечивая тем самым герметичность крана.
Седло 103 содержит две части, выполненные таким образом, чтобы между этими двумя частями можно было поместить уплотнительную вставку 200. В частности, седло 103 содержит первую часть 105 и вторую часть 104. Первая часть 105 расположена с напорной стороны - со стороны входа крана. Вторая часть 104 расположена с низовой стороны - со стороны выхода крана. Таким образом, вторая часть 104 направлена к шару 101, а первая часть 105 направлена к корпусу 102 крана.
Первая часть 105 содержит основание 105а. В основании 105а первой части 105 выполнено углубление 110 для размещения в нем по меньшей мере части уплотнительной вставки 200. В частности, как схематично показано на фиг.2, углубление 110 позволяет расположить в нем уплотнительную вставку 200 примерно на половину ее толщины. Углубление 110 выполнено в той части основания 105а, которая обращена к шару 101. Углубление 110 может выполняться с соответствующим размером для размещения уплотнительной вставки 200 на различные доли ее толщины. Углубление 110 в основании 105а первой части 105 можно выполнить даже так, чтобы оно позволяло поместить в него уплотнительную вставку 200 на всю ее толщину.
Конструкция второй части 104 позволяет ей соединяться с первой частью 105 таким образом, чтобы удерживать уплотнительную вставку 200 в нужном положении. Вторая часть 104 может быть выполнена, например, в форме фиксирующего кольца, как схематично показано на фиг.2. Во второй части 104 может быть выполнено углубление 111, соответствующее углублению 110 в первой части 105, чтобы уплотнительная вставка 200 располагалась в пространстве, образованном этими углублениями 110 и 111. Таким образом, углубление 111 выполняют на той поверхности второй части 104, которая обращена к первой части 105. Если углубление 110 в основании 105а первой части позволяет поместить уплотнительную вставку 200 по всей толщине, то нет необходимости выполнять углубление 111 во второй части 104.
Первая и вторая части 105 и 104 удерживаются в контакте между собой при помощи крепежных деталей 106. В показанном на фиг.2 варианте крепежные детали 106 представляют собой винты. В частности, в основании 105а первой части 105 выполнено отверстие с резьбой, а во второй части 104 выполнено отверстие, в которое может заходить головка винта. В таком варианте выполнения первую часть 105 можно прочно прикрепить винтом ко второй части 104.
В показанном на фиг.2 примере в первой части 105 также выполнена канавка 107, примыкающая к углублению 110. Канавка 107 выполнена так, что в ней можно поместить уплотняющую прокладку, например графитовую или армированную металлом спирально-навитую прокладку, которая будет непосредственно контактировать с уплотнительной вставкой 200.
Первая часть 105 также содержит выступающий участок 112. Участок 112 выступает из основания 105а в направлении, противоположном углублению 110, следовательно, участок 112 обращен в сторону, противоположную шару 101. Как показано на фиг.2, участок 112 может содержать одну или несколько канавок 109, в каждую из которых можно поместить одно или несколько уплотнительных элементов, например кольцевых прокладок, изготовленных из эластомерного материала.
Конструкция корпуса 102 крана 100 позволят устанавливать в него седло 103. Показанный в разрезе корпус 102 крана имеет первое углубление 102а, предназначенное для размещения в нем основания 105а первой части 105 седла 103, а также второе 102b и третье 102с углубления, предназначенные для размещения выступающего участка 112 первой части 105 седла 103.
Седло 103 также может располагаться в корпусе 102 крана таким образом, чтобы иметь возможность перемещения относительно этого корпуса. Действительно, как показано на фиг.2, между корпусом 102 крана и основанием 105а первой части 105 седла 103, а также между корпусом 102 крана и краями выступающего участка 112 первой части 105 седла 103 имеется пространство. Это позволяет седлу 103 перемещаться в направлении, параллельном потоку F. В частности, это позволяет седлу 103 перемещаться по направлению либо к шару 101, либо к корпусу 102 крана.
Это позволяет точно регулировать значение давления, которое будет прижимать седло 103, включая уплотнительную вставку 200, к шару 101, в результате чего можно с высокой точностью регулировать герметичность.
В частности, в корпусе 102 имеется полость 108, позволяющая расположить в ней упругие средства, воздействующие на седло 103 таким образом, чтобы прижимать его к шару 101.
Полость 108 располагается в соответствии с положением первого углубления 102а корпуса крана таким образом, чтобы упругие средства, помещенные в эту полость, могли оказывать воздействие на основание 105а первой части 105 седла 103. Эти упругие средства могут представлять собой, например, пружины. Такие упругие средства прижимают все седло 103 к шару 101, повышая тем самым герметичность. В частности, такие упругие средства могут, например, прикладывать к седлу необходимое усилие, обеспечивающее герметичность даже при низких значениях давления, например, до 1 бара.
Выступающий участок 112 первой части 105 седла 103 дополнительно содержит систему отверстий 113, конструкция которых позволяет уплотнительному материалу поступать в канавку 114, накрываемую шаром 101, в том случае, когда вставка 200 не может обеспечить герметичность. Это может быть использовано, например, в случае изнашивания и истирания вставки 200.
Кроме того, система включает в себя углубление 115, в котором может помещаться, например, кольцевое уплотнение, не позволяющее уплотнителю выходить из системы отверстий 113 в направлении от канавки 114. Это позволяет эффективно направлять уплотнитель в канавку 114.
Кроме того, система содержит металлическое аварийное уплотнение 116, предназначенное обеспечить герметичное уплотнение в случае повреждения вставки 200.
На фиг.3а схематично показана в увеличенном масштабе в разрезе часть седла согласно одному из вариантов осуществления изобретения. На фиг.3b схематично показано полное трехмерное изображение в разобранном виде системы, показанной на фиг.3а. В частности, на фиг.3а и 3b подробно показана система уплотнителей, применяемых с седлом согласно одному из вариантов осуществления изобретения. Седло, показанное на фиг.3а и 3b, подобно седлу, показанному на фиг.2. В частности, седло, показанное на фиг.3а, содержит первую часть 105, вторую часть 104 и уплотнительную вставку 200. Вторая часть 104 изготовлена в виде фиксирующего кольца. Уплотнительная вставка 200 по всей толщине помещается в углублении 110, выполненном в первой части 105 седла. В связи с этим нет необходимости выполнять углубление во второй части 104 для размещения в нем части уплотнительной вставки 200. Таким образом, вторая часть 104 имеет практически плоскую поверхность, форма которой позволяет ей соединяться с поверхностью первой части 105, в которой уплотнительная вставка 200 помещается по всей толщине.
Кроме того, вторая часть 104 прикрепляется к первой части 105 посредством крепежных деталей 106, например винтов.
Система содержит уплотнительную прокладку 107а, установленную в канавке 107, расположенной вплотную к углублению, в котором помещается уплотнительная вставка 200. Прокладка 107а может быть выполнена, например, в виде армированной металлом спирально-навитой прокладки.
Кроме того, система включает в себя две канавки на выступающем участке 112 первой части 105 седла. Первая канавка позволяет размещать в ней графитную прокладку 109а.
Конструкция второй канавки позволяет размещать в ней систему, состоящую из последовательно расположенных первого опорного кольца 109b, уплотнительной кольцевой прокладки 109 с и второго опорного кольца 109d. На практике уплотнительную кольцевую прокладку 109 с помещают между первым и вторым опорными кольцами 109b и 109d. Опорные кольца 109b и 109d могут быть изготовлены, например, из политетрафторэтилена (ПТФЭ) или из наполненного ПТФЭ.
Кроме того, система включает в себя кольцевую прокладку 115а, помещенную в канавку 115, расположенную вблизи выхода системы отверстий 113. Форма кольцевой прокладки 115а позволяет удерживать уплотнитель, проходящий в системе отверстий 113, как подробно описано выше со ссылкой на фиг.2. Таким образом, кольцевая прокладка 115а способствует эффективному направлению уплотнителя к шару крана в каждом требуемом случае.
На фиг.4 схематично показана структура уплотнительной вставки 200 согласно одному из вариантов осуществления изобретения. В частности, показан вертикальный разрез участка кольцевой структуры.
Уплотнительная вставка 200 имеет многослойную структуру в направлении, перпендикулярном отверстию этой кольцевой структуры. Графитовые слои чередуются с металлическими слоями.
В частности, в примере, показанном на фиг.4, структура вставки содержит четыре графитовых слоя 201, 203, 205 и 207, чередующихся с металлическими слоями 202, 204 и 206.
Наружные части уплотнительной вставки образованы графитовыми слоями. В частности, на фиг.4 наружные части образованы слоями 201 и 207.
Графитовые слои 201, 203, 205 и 207 могут быть выполнены, например, в виде листов. Металлические слои 202, 204 и 206 могут быть скреплены с графитовыми слоями 201, 203, 205 и 207 благодаря особой структуре поверхностей этих металлических слоев. В частности, поверхности металлических слоев могут быть рифлеными для эффективного сцепления с графитовыми слоями. Например, на поверхностях металлических слоев можно сделать рифления, подобные тем, которые делают на поверхностях терок. Эти рифления позволяют металлическим слоям сцепляться с графитовыми слоями исключительно путем механического взаимодействия. На практике рифления на поверхностях металлических слоев имеют такую форму, которая позволяет им проникать в графитовые слои для сцепления с ними.
Толщина графитовых слоев может составлять от 0,5 мм до 1 мм. Металлические слои могут быть изготовлены, например, из стали, нержавеющей стали или из инконеля (Inconel).
Показанная на фиг.4 уплотнительная вставка 200 в общей сложности содержит семь слоев (четыре слоя графита и три слоя металла). Однако общее количество слоев, составляющих уплотнительную вставку, может варьироваться. Например, общее количество слоев, составляющих уплотнительную вставку, может варьироваться в зависимости от размера седла или даже крана, для которого предназначена данная уплотнительная вставка.
Внутренняя поверхность 200а уплотнительной вставки 200 представляет собой поверхность кольцевой структуры, которая окружает центральное отверстие вставки. Форма поверхности 200а позволяет ей находиться в непосредственном контакте с наружной поверхностью шара 101 крана 100, в результате чего обеспечивается герметичность крана. В показанном на фиг.4 варианте поверхность 200а выполнена наклонной, чтобы улучшить сцепление с поверхностью шара. В частности, в показанном на фиг.4 варианте уплотнительная вставка имеет кольцевую форму, в которой отверстие кольца выполнено в виде усеченного конуса. Большее основание этого усеченного конуса обращено к шару, что дополнительно повышает герметичность системы.
В альтернативном варианте поверхность 200а может быть изогнутой, и радиус ее кривизны может соответствовать радиусу кривизны шара 101.
Несмотря на то, что в описании представлены конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, специалисту в данной области техники будет очевидна возможность выполнения различных модификаций, вариаций и улучшений изобретения, исходя из представленной выше информации и в рамках формулы изобретения, не отклоняясь от общих принципов изобретения и не выходя за пределы его объема.
Например, настоящее изобретение можно использовать в шаровых кранах различных размеров, например размером от 5 см (2 дюймов) до 152 см (60 дюймов), Более того, и кран, и другие элементы могут быть изготовлены из различных материалов. Например, шар, корпус крана и седло могут быть изготовлены из различных видов стали, например, углеродистой стали, нержавеющей стали или из сталей с особыми свойствами. Кроме того, можно разработать шаровые краны только с одним седлом согласно настоящему изобретению, например только на входной стороне или только на выходной стороне крана, при этом на другой стороне крана седло может иметь обычную известную конструкцию. Или же наоборот, можно выполнить шаровые краны с двумя седлами согласно настоящему изобретению, и в таком случае кран будет как на входе, так и на выходе иметь седло согласно настоящему изобретению.
Кроме того, во избежание усложнения описания настоящего изобретения здесь не определены его границы, которые, видимо, будут очевидны для специалистов в данной области техники.
Таким образом, настоящее изобретение не ограничивается описанными выше вариантами его осуществления, а ограничивается только объемом, определенным в формуле изобретения.