СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ЗАДВИЖКИ
SYSTEMS AND METHODS FOR VALVE SEALING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение в целом относится к способам и системам для уплотнения задвижки.
Уровень техники
В результате выполнения операций по переработке нефти, в которых происходит обработка сырой нефти, часто образуются остаточные масла, которые имеют очень малую ценность. Ценность остаточных масел может быть увеличена с использованием процесса, известного как замедленное коксование. Остаточные масла, при обработке в установке замедленного коксования, нагреваются в печи до температуры, достаточной для образования деструктивной перегонки, при которой существенная часть остаточного масла преобразуется или “крекируется” в полезные нефтепродукты, а остальное выдается как остаточный побочный нефтесодержащий продукт, который перекачивается в большой сосуд, известный как коксовый барабан.
Производство кокса представляет собой периодический процесс. Каждая установка замедленного коксования обычно содержит более одного коксового барабана. При замедленном коксовании, подаваемый материал представляет собой обычный остаток из вакуумных перегонных колонн и часто включает в себя другие тяжелые нефтепродукты. Подаваемый материал нагревается при его подаче к одному из коксовых барабанов. Подаваемый материал приходит к коксовому барабану с температурой, лежащей в диапазоне 465,6-487,8 °C (870-910 °F). Обычное верхнее манометрическое давление барабана лежит в диапазоне 103,4-241,3 кПа (15-35 PSI). Исходное сырье установки коксования находится в коксовом барабане в виде горячей жидкой суспензии. В этих условиях происходит крекирование, и получаемые более легкие фракции вытекают из верхней части коксового барабана и направляются к ректификационной колонне, где они разделяются на парообразные и жидкие продукты. Также образуется твердый остаток, называемый коксом, который остается в барабане. Когда коксовый барабан заполнен, остаточное масло из печи перенаправляется к другому коксовому барабану. Когда коксовый барабан наполнен до требуемой вместимости, и после перенаправления исходного сырья к другому барабану, обычно в барабан подается пар для удаления парообразных углеводородов с твердого материала. Материал, остающийся в коксовом барабане, охлаждается и гасится. По мере охлаждения барабана образуется твердый кокс, который должен быть извлечен из барабана для обеспечения повторного использования барабана. В то время как кокс охлаждается в одном барабане и в то время как охлажденный твердый кокс извлекается из этого барабана, второй барабан используется для принятия непрерывно производимого исходного сырья для образования кокса, являясь частью процесса, выполняемого установкой замедленного коксования. Использование множества коксовых барабанов обеспечивает непрерывную работу печи и ректификационной колонны нефтеперерабатывающего завода. Период переключения между барабанами зачастую лежит в диапазоне 10-24 часов.
В обычных операциях коксования, элементы, участвующие в операции коксования, испытывают существенные перепады температур. Например, коксовый барабан наполняется входящим побочным продуктом с температурой около 482,2 °C (900 °F) и затем, после гашения, охлаждается приблизительно до температур окружающей среды. Не удивительно, что это повторяющееся циклическое изменение температуры может создавать или вызывать значительные проблемы, включающие в себя резкое изменение распределения тепла среди различных компонентов системы задвижки. Нагретый остаточный побочный продукт, используемый в операциях коксования, приходит в контакт не только с коксовым барабаном, но и с задвижкой и с компонентами седла. Это нагревание и последующее охлаждение может приводить к расширению различных элементов в системе задвижки. Как указано ранее, процесс замедленного коксования обычно содержит по меньшей мере два сосуда, в результате чего, пока один сосуд наполняется, другой очищается от материала и подготавливается к принятию другой партии побочного продукта. Таким образом, во время нерабочей части цикла, когда сосуд очищается от своего содержимого, он охлаждается и возвращается в состояние равновесия. Именно этот циклический характер выдачи горячего остаточного побочного продукта в охлажденный коксовый барабан и последующего охлаждения побочного продукта приводит к возникновению перепада температуры и напряжения в коксовом барабане, в задвижке, в частях задвижки и в трубопроводе. Именно циклическая загрузка и разгрузка и циклическое наложение напряжения и снятие напряжения коксового барабана, задвижки или трубопровода называется циклическим изменением температуры. Циклическое изменение температуры обычно приводит к ослаблению или усталости коксового барабана, задвижки и ее частей, что может приводить к уменьшению срока службы компонентов. Неравномерные распределения тепла или перепады температуры, существующие между различными компонентами системы седла, могут приводить к уменьшению срока службы компонентов задвижки и корпуса задвижки.
К тому же, поскольку кокс образуется с использованием давления, задвижка открытия-закрытия должна образовывать уплотнение для обеспечения нарастания давления в коксовом барабане. Это уплотнение в целом образовано с использованием жестких допусков между компонентами задвижки открытия-закрытия, например, между седлами и шибером. Тем не менее, эти жесткие допуски увеличивают силу, требуемую для смещения шибера между седлами для открывания и закрывания задвижки. Также, по причине наличия этого давления, обычно требуется повышение давления во внутренних отсеках задвижки открытия-закрытия, например, посредством подачи пара во внутренние отсеки. Если задвижка открытия-закрытия не обеспечивает хорошего уплотнения, образуется утечка большого количества пара, приводящая к увеличению общего количества пара, требуемого для производства. Во многих случаях, затраты на подачу пара для повышения давления в задвижке могут быть существенными. Соответственно, задвижки, которые предотвращают избыточную утечку пара, обеспечивают дополнительную экономичность системы.
В дополнение к применениям для открытия-закрытия для удаления кокса, эта же технология задвижки может быть использована в других применениях для переработки нефти. Например, отсекающие задвижки обычно используются для управления потоком нефтепродуктов. Эти применения содержат задвижки для удаления кокса, задвижки отводной линии, задвижки трансферной линии и другие применения. В этих применениях также может требоваться уравновешивание давления пара в корпусе задвижки с давлением в линии и предотвращение попадания потока нефтепродуктов в задвижку. Для этих задвижек также может быть полезным превосходным уплотнением для предотвращения потерь пара и излишнего обслуживания задвижки.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к системам задвижки для применений в трубопроводе для нефтепродукта и в задвижке открытия-закрытия для удаления кокса. В частности, настоящее изобретение относится к системам уплотнения и удерживания для предотвращения потерь пара при одновременном обеспечении требуемого уплотнения для предотвращения утечки продукта.
Эти и другие признаки и преимущества настоящего изобретения изложены в последующем описании и в прилагаемой формуле изобретения и будут понятны из их прочтения. Признаки и преимущества могут быть осуществлены и получены посредством инструментов и комбинаций, конкретно выделенных в прилагаемой формуле изобретения. К тому же, признаки и преимущества изобретения могут быть изучены при практическом осуществлении изобретения или могут стать очевидными при прочтении описания, изложенного далее в этом документе.
Краткое описание чертежей
Цели и признаки настоящего изобретения будут более подробно понятны из последующего описания и прилагаемой формулы изобретения при их прочтении совместно с прилагаемыми чертежами. При понимании, что эти чертежи иллюстрируют только типичные варианты осуществления изобретения и, следовательно, не являются ограничивающими объем изобретения, изобретение описано и объяснено более конкретно и подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
На Фиг. 1 показаны компоненты иллюстративной задвижки, которая может содержать элементы вариантов осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 2 показан вид в разобранном состоянии внутренних компонентов задвижки открытия-закрытия, которая может содержать элементы вариантов осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 3 показан вид в изометрии в разрезе седла в сборе иллюстративной задвижки;
На Фиг. 4 показан вид в разрезе варианта осуществления настоящего изобретения, содержащего ограничитель и сильфонное уплотнение;
На Фиг. 5 показан вид в перспективе в разрезе варианта осуществления настоящего изобретения, содержащего ограничитель и сильфонное уплотнение; и
На Фиг. 6 показан вид в разрезе варианта осуществления настоящего изобретения, содержащего ограничитель.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Далее следует описание вариантов осуществления настоящего изобретения. Следует понимать, что настоящее изобретение может принимать другие формы и очертания, и, следовательно, последующее описание является иллюстративным и не является ограничивающим, и объем изобретения ограничен пунктами прилагаемой формулы изобретения и их эквивалентами.
Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть использованы в нескольких типах задвижек, используемых в нефтеперерабатывающей промышленности. Один иллюстративный тип задвижки показан на Фиг. 1. Это иллюстративная задвижка 100 открытия-закрытия, обычно используемая в процессе удаления кокса. Эта иллюстративная задвижка 100 содержит основной корпус 101, который обычно прикреплен с возможностью отсоединения к верхней крышке 102. Верхняя крышка 102 обеспечивает образование газонепроницаемого или выдерживающего давление отсека для принятия по меньшей мере части шибера 104 во время работы. Нижняя крышка 103 также может быть прикреплена с возможностью отсоединения к основному корпусу 101 и также может обеспечивать образование газонепроницаемого, выдерживающего давление отсека для принятия по меньшей мере части шибера 104. Основной корпус 101 может содержать фланцы 105 основной линии для присоединения трубопровода основной линии, управление потоком которого может осуществлять задвижка 100. Иллюстративная задвижка 100 также может содержать дополнительные компоненты 106 для приведения в действие шибера 104. Во время процесса приведения в действие задвижки 100, шибер 104 смещается внутри основного корпуса 101 с обеспечением или исключением потока в основной линии (не показана), соединенной с фланцами 105 основной линии. Во время этого приведения в действие, шибер 104, или его части, может входить в верхнюю и нижнюю крышки 102, 103 и выходить из них.
Фиг. 2 представляет собой вид в разобранном состоянии некоторых внутренних компонентов иллюстративной задвижки 200. Эти компоненты содержат шибер 205, который обычно представляет собой устройство в форме пластины с отверстием или пустым пространством 206 шибера в нем. Эта иллюстративная задвижка 200 также содержит каркас 207 седла и держатели 208A и 208B седла. Во время приведения в открывающее действие, шибер 205 смещается вертикально (как видно на Фиг. 2) с обеспечением совмещения пустого пространства 206 шибера с соответствующими отверстиями или пространствами в каркасе 207, держателях 208A и 208B и в любом присоединенном трубопроводе, барабанах или другом оборудовании. Это совмещение пустых пространств обеспечивает поток жидкостей и газов в присоединенном трубопроводе, барабанах или другом оборудовании. Это совмещение показано в конфигурации на Фиг. 2.
Во время операции закрывания, шибер 205 смещается вертикально (как видно на Фиг. 2) с обеспечением совмещения сплошной области 210 пластины с отверстиями или пространствами в каркасе 207, держателях 208A и 208B и в любом присоединенном трубопроводе, барабанах или другом оборудовании. Это совмещение сплошной области 210 пластины с пустыми пространствами предотвращает поток жидкостей и газов в присоединенном трубопроводе, барабанах или другом оборудовании.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут быть описаны со ссылкой на Фиг. 3. Фиг. 3 представляет собой вид в перспективе поперечного разреза иллюстративной задвижки 300 открытия-закрытия. Эта иллюстративная задвижка содержит основной корпус 301, содержащий верхний фланец 302 основной линии и нижний фланец 303 основной линии для присоединения трубопровода основной линии (не показан). Внутри верхнего фланца 302 основной линии находится верхнее седло 304 в сборе для уплотнения задвижки 300 относительно ее шибера (не показан для ясности. Задвижка 300 также содержит нижнее седло 305 в сборе для уплотнения задвижки 300 относительно ее шибера (не показан). Шибер задвижки 300, во время приведения в действие, смещается между верхним седлом 304 в сборе и нижним седлом 305 в сборе, в то время как седло обеспечивает уплотнение против утечки пара или продуктов в трубопроводе.
На Фиг. 4 показан вид в разрезе иллюстративного седла 400 в сборе, которое может быть использовано в задвижке открытия-закрытия для удаления кокса, в отсекающей задвижке или в подобных устройствах. Это иллюстративное седло 400 в сборе содержит основание 401 седла, выполненное по конфигурации и форме с возможностью зацепления с основным корпусом задвижки, таким как основной корпус 301 задвижки. В иллюстративном варианте осуществления, основание 401 седла соединено с основным корпусом 301 задвижки посредством неподвижного соединения, в результате чего основание 401 седла остается в неподвижной ориентации относительно основного корпуса 301. Седло 400 в сборе дополнительно содержит внутреннюю втулку 403, которая может следовать контуру трубопровода основной линии, декоксирующего барабана или другого присоединенного компонента. Внутренняя втулка 403 неподвижно присоединена к основанию 401 седла, в результате чего они не перемещаются относительно основного корпуса задвижки во время приведения в действие задвижки. Внутренняя втулка 403 может быть присоединена к основанию 401 седла посредством посадки с натягом, фрикционной посадки, или просто может удерживаться в своем неподвижном положении с помощью фланца или другого аппаратного средства, которое присоединено посредством болтов или иным способом к внутренней втулке 403, прижимая ее к полке 418 в основании 401 седла.
Седло 400 в сборе дополнительно содержит подвижное седло 402, выполненное с возможностью перемещения относительно основания 401 седла и внутренней втулки 403. Подвижное седло 402 может быть присоединено с возможностью перемещения к основанию 401 седла с помощью серии конструкций и соединений, которые могут включать в себя пружины и ограничители. В иллюстративном варианте осуществления, подвижное седло 402 поджимается от основания 401 седла с помощью комплекта пружин (не показаны на Фиг. 4), сжатых между подвижным седлом 402 и основанием 401 седла. Эти пружины могут быть вжаты в соответствующие углубления как в основании 401 седла, так и в подвижном седле 402, посредством этого отталкивая подвижное седло 402 от основания 401 седла. Это смещение или усилие, в иллюстративном варианте осуществления, может быть направлено в направлении, параллельном центральной оси 420 присоединенного трубопровода или барабана или перпендикулярном лицевой поверхности шибера задвижки (в вертикальном направлении на Фиг. 4).
Перемещение подвижного седла 402 относительно основания 401 седла может быть ограничено посредством ограничителя 405, который зацеплен с углублением 406 основания в основании 401 седла и с углублением 407 седла в подвижном седле 402. Ограничитель 405 может содержать один или более фланцев 409 ограничителя у основания и один или более фланцев 408 ограничителя у седла, которые выполнены по форме с возможностью зацепления с выступом 410 основания и выступом 411 седла. Это зацепление между фланцем 409 ограничителя у основания и выступом 410 основания и между фланцем 408 ограничителя у седла и выступом 411 седла ограничивает перемещение подвижного седла 402 относительно основания 401 седла. Соответственно, в этих вариантах осуществления, подвижное седло 402 поджимается от основания 401 седла посредством сжатых пружин и в это же время удерживается на месте посредством ограничителя 405. Ограничитель 405 удерживает подвижное седло 402 на месте относительно основания 401 седла, когда подвижное седло 402 не находится в контакте с шибером (не показан). Тем не менее, когда подвижное седло 402 находится в контакте с шибером и прижато к основанию 401 седла за пределами ограничителя 405, подвижное седло 402 может изгибаться, следуя контуру шибера, с которым оно соприкасается, посредством этого образуя более плотное, более эффективное уплотнение.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут содержать углубление 414 под сильфон в седле и углубление 413 под сильфон в основании. Эти углубления 413, 414 образуют сильфонную камеру, окруженную основанием 401 седла, подвижным седлом 402 и внутренней втулкой 403. Эта камера содержит сильфон 415, который присоединен к основанию 401 седла и к подвижному седлу 402, образуя гибкое герметичное соединение между этими конструкциями. В некоторых вариантах осуществления, сильфон 415 может быть приварен к основанию 401 седла и к подвижному седлу 402. В некоторых вариантах осуществления, сильфон 415 может быть образован из металла, который не может быть непосредственно приварен к основанию 401 седла и/или к подвижному седлу 402 без специальных процедур. В этом случае, эти варианты осуществления могут содержать слой 416 присадочного прохода седла и/или слой 417 присадочного прохода основания, в которых могут быть приварены или иным образом нанесены подходящие материалы для обеспечения более эффективного приваривания сильфона 415 к основанию 401 седла и/или к подвижному седлу 402. Когда сильфон 415 присоединен к основанию 401 седла и к подвижному седлу 402, подвижное седло 402 может перемещаться относительно основания 401 седла посредством изгибания сильфона 415. Тем не менее, сильфон 415 предотвращает прохождение и утечку пара и других газов или текучих сред через границу между основанием 401 седла и подвижным седлом 402.
В предпочтительном варианте осуществления, сильфон 415 может быть выполнен из сплава Инконель. В другом варианте осуществления, сильфон 415 может быть выполнен из сплава Монель.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут быть описаны с дополнительной ссылкой на Фиг. 4. Эти варианты осуществления содержат одну или более набивочных коробок 412, образованных в форме углублений в подвижном седле 402. В эти набивочные коробки 412 может быть вставлен набивочный материал 404 для обеспечения скользящего уплотнения против утечки газов и жидкостей изнутри трубопровода, барабана или другого сосуда, с которым используется задвижка. Использование набивочных коробок 412 и набивочного материала 404 позволяет внутренней втулке 403 оставаться неподвижной, в то время как подвижное седло 402 смещается для компенсации изменений пластины шибера, при этом предотвращая утечку текучих срез через соединение между ними.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут быть описаны со ссылкой на Фиг. 5. Фиг. 5 представляет собой вид в разрезе седла 400 в сборе у положения ограничителя 405. Как видно на этом чертеже, одна функция ограничителя 405 заключается в предотвращении перемещения подвижного седла 402 от основания 401 седла. Пружины 510 могут быть сжаты между основанием 401 седла и подвижным седлом 402 для отталкивания подвижного седла от основания 401 седла. Тем не менее, это перемещение, побуждаемое усилиями пружин, должно быть ограничено для исключения разборки седла 400 в сборе и нежелательного перемещения подвижного седла 402. Это может быть обеспечено посредством ограничителей 405, которые содержат фланцы 408 и 409 ограничителя, которые зацеплены с выступом 410 основания и выступом 411 седла для ограничения перемещения подвижного седла 402 от основания 401 седла в направлении, параллельном оси 420 или перпендикулярном лицевой стороне 419 седла. Это зацепление предотвращает перемещение основания 401 седла в направлении 501A и предотвращает перемещение подвижного седла 402 в направлении 501B.
Подобным образом, ограничитель 405 может предотвращать перемещение в противоположном направлении, что может быть описано со ссылкой на Фиг. 6. В этих вариантах осуществления, ограничитель 405 имеет длину 603 между фланцами, которая представляет собой расстояние между внутренними сторонами фланцев, и общую длину 601, которая представляет собой расстояние между наружными краями фланцев. Эти расстояния могут быть заданы конкретно с обеспечением ограничения перемещения подвижного седла 402 относительно основания 401 седла. Например, длина 603 между фланцами может быть задана как превосходящая расстояние между наружными краями выступа 411 седла и выступа 410 основания - расстояние 604. Эта разница в расстояниях или длинах обеспечивает перемещение подвижного седла 402 до наружного предела от основания 401 седла. Таким же образом, общая длина 601 ограничителя 405 может быть задана как имеющая конкретную величину относительно размеров углубления 407 седла и углубления 406 основания. Это отношение длин может ограничивать минимальное расстояние между основанием 401 седла и подвижным седлом 402. Это ограничение может предотвращать смятие пружин 510, сильфона 415 и других частей седла в сборе.
В некоторых вариантах осуществления, ограничитель 405 также может ограничивать перемещение в еще одном направлении. Как видно на Фиг. 3 и 5, седло 400 в сборе может иметь круглую кольцеобразную форму вокруг центральной оси 420. В этой конфигурации, основание 401 седла может вращаться вокруг оси 420 относительно положения подвижного седла 402. Это вращение проиллюстрировано как направления 503A и 503B на Фиг. 5. Это относительное вращение может привести к изгибанию пружин и других частей задвижки и часто является нежелательным. Соответственно, это относительное перемещение 503A, 503B может быть ограничено или предотвращено посредством особо внимательного подбора относительных размеров ширин 605 и 607 ограничителя по отношению к ширинам 606 и 608 углубления. Когда ширины заданы как очень близкие друг другу, они могут обеспечивать перемещение параллельно оси 420, при этом ограничивая вращательное перемещение между основанием 401 и подвижным седлом 402. Соответственно, правильно выполненный по размерам ограничитель может ограничивать перемещение подвижного седла 402 относительно основания 401 седла во множестве направлений, посредством этого сохраняя требуемое совмещение и защищая детали от повреждения и износа.
Настоящее изобретение может иметь другие конкретные варианты осуществления без отхода от сущности и объема изобретения. Описанные варианты осуществления во всех отношениях являются иллюстративными и не являются ограничивающими. Следовательно, объем изобретения определен в прилагаемой формуле изобретения, а не в предшествующем описании. Все изменения, попадающие в объем значения и диапазон эквивалентности формулы изобретения, лежат в ее объеме.