МЕМБРАННЫЙ РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН, ИМЕЮЩИЙ УНИВЕРСАЛЬНОЕ УСТАНОВОЧНОЕ МЕСТО ДЛЯ МЕМБРАНЫ
MEMBRANE CONTROL VALVE WITH UNIVERSAL INSTALLATION SEAT FOR MEMBRANE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к мембранным регулирующим клапанам потока. Более конкретно, настоящее изобретение относится к мембранному регулирующему клапану потока, который содержит корпус клапана и крышку, в которых могут быть размещены мембраны различных типов для модификации регулирующего клапана для систем, имеющих различные характеристики текучей среды.
Уровень техники
Известно, что технологические установки, такие как нефтеперерабатывающие установки, химические установки или целлюлозно-бумажные комбинаты, состоят из многочисленных контуров управления технологическим процессом, соединенных вместе, для изготовления различных потребительских товаров. Каждый из указанных контуров управления технологическим процессом сконструирован для поддерживания некоторого важного технологического параметра, такого как давление, поток, уровень или температура, в пределах необходимого рабочего диапазона для обеспечения качества конечного продукта. Каждый из указанных контуров принимает извне и создает внутри себя нагрузочные возмущения, которые воздействуют на технологический параметр и управление контуров управления технологическим процессом в установке. Для уменьшения влияния указанных нагрузочных возмущений технологические параметры обнаруживаются датчиками или передатчиками и передаются в устройство управления технологическим процессом. Устройство управления технологическим процессом обрабатывает принятую информацию и вносит изменения или модификации в технологический контур для возвращения указанного технологического параметра к надлежащему значению после возникновения нагрузочного возмущения. Модификации обычно осуществляются путем изменения потока через конечный регулирующий элемент некоторого типа, такой как регулирующий клапан. Регулирующий клапан управляет протекающей текучей средой, такой как газ, пар, вода или химическое соединение, для компенсирования указанного нагрузочного возмущения и поддержания регулируемого технологического параметра насколько возможно ближе к желательному управляющему или заданному значению.
В целом подразумевается, что для некоторых применений в частности могут быть подходящими различные конфигурации регулирующего клапана. Например, если подходящей является быстродействующая задвижка с узким диапазоном регулирования, может быть использован поворотный регулирующий клапан, такой как двустворчатая заслонка. Согласно другому варианту реализации, если требуется точное управление в большом диапазоне регулирования, может быть использован регулирующий клапан со скользящим штоком. В любой конфигурации такие регулирующие клапаны в целом соединены с регулирующим устройством, таким как привод, который управляет точной величиной открытия регулирующего клапана в ответ на управляющий сигнал. Таким образом, при проектировании процесса инженер-технолог должен учитывать различные требования к проекту и конструктивные ограничения. Например, разработчик должен определить тип используемого клапана, его размер, тип привода и т.п.
В некоторых системах, особенно в пневматически управляемых технологических системах для текучей среды, привод для любого данного устройства управления технологическим процессом с текучей средой может содержать мембранный исполнительный механизм. Типичные мембранные исполнительные механизмы содержат корпус, содержащий подпружиненный мембранный узел. Мембранный узел функционально соединен с элементом управления потоком посредством штока клапана или другим приводным стержнем для управления величиной открывания устройства управления технологическим процессом с текучей средой.
Некоторые действующие системы требуют точного управления характеристиками потока текучей среды во всем рабочем диапазоне регулирующего клапана. Для такого точного управления используются мембранные регулирующие клапаны. Мембранный регулирующий клапан одного типа содержит клетку, вставленную в канал потока текучей среды. Управляющий мембранный узел, содержащий, по меньшей мере, управляющую мембрану, перемещается относительно одного конца клетки, который действует в качестве седла, для управления потоком текучей среды, протекающей через клапан. Такие регулирующие клапаны с управляющими мембранами в частности являются предпочтительными для систем, в которых требуется точное управление характеристиками потока текучей среды по всему рабочему диапазону клапана. Регулирующие клапаны с управляющими мембранами также обеспечивают более надежное уплотнение в закрытом положении, в частности при условиях низкого расхода.
В регулирующем клапане могут использоваться различные типы управляющих мембран на основании системных требований или характеристик. Например, в высокотемпературных системах может потребоваться, чтобы металлическая мембрана выдерживала без разрушения высокие температуры. С другой стороны, в низкотемпературных системах может быть допущено использование эластомерной мембраны, изготовление которой является менее дорогостоящим. Эластомерные мембраны также могут быть предпочтительными в системах, в которых возможна химическая реакция металлических мембран с технологической текучей средой.
Известные регулирующие клапаны с управляющими мембранами предназначены для использования управляющей мембраны одного типа. Например, в известных регулирующих клапанах с управляющими мембранами может использоваться либо металлическая мембрана, либо эластомерная мембрана. В целом, металлическая мембрана не может быть заменена эластомерной мембраной, и наоборот, поскольку металлические и эластомерные мембраны имеют различные формы, коэффициенты упругости и т.п., поэтому для них требуются корпуса различных конфигураций.
Краткое описание графических материалов
На фиг.1 показан перспективный вид мембранного регулирующего клапана согласно настоящему изобретению.
На фиг.2 в разрезе показан вид клапанной части регулирующего клапана, показанного на фиг.1.
На фиг.3 в разрезе показан увеличенный вид установочного места для мембраны на пересечении крышки и корпуса регулирующего клапана, показанного на фиг.2, причем указанное установочное место содержит эластомерную мембрану.
На фиг.4 в разрезе показан увеличенный вид установочного места для мембраны на пересечении крышки и корпуса регулирующего клапана, показанного на фиг.2, причем указанное установочное место содержит металлическую мембрану.
Осуществление изобретения
Несмотря на то, что следующий текст содержит подробное описание примерных вариантов реализации настоящего изобретения, следует подразумевать, что объем защиты настоящего изобретения определен пунктами приложенной формулы. Подробное описание должно рассматриваться только как иллюстрация и не содержит всех возможных вариантов реализации настоящего изобретения, поскольку описание каждого возможного варианта реализации было бы нецелесообразным, если не невозможным. По ознакомлении с настоящим описанием специалисты будут в состоянии осуществить по меньшей мере один из дополнительных вариантов реализации с использованием известной технологии или технологии, разработанной после даты подачи настоящей заявки. Такие дополнительные варианты реализации также должны находиться в пределах объема защиты пунктов приложенной формулы, образующих настоящее изобретение.
На фиг.1 и 2 показан регулирующий клапан 20 такого типа, который обычно используется в системах управления технологическим процессом. Регулирующий клапан 20 содержит корпус 22 клапана, входное отверстие 26 клапана, выходное отверстие 24 клапана и проточный канал 28, который проходит между входным отверстием 26 и выходным отверстием 24. Проточный канал 28 содержит входной канал 32, выходной канал 30 и управляющий канал 34.
Как показано на фиг.2, регулирующий клапан 20 содержит выполненный с возможностью перемещения управляющий компонент 36, который в описанном примере имеет форму мембраны 38, и затвор 40 клапана. Затвор 40 соединен со штоком 41 клапана, причем затвор 40 и шток 41 имеют такой размер и расположены таким образом, что затвор 40 размещен в управляющем канале 34. Управляющий компонент 36 также может содержать картридж 42, который содержит затвор 40 и седло 43 клапана, которые взаимодействуют друг с другом для управления текучей средой, протекающей через клапан 20. Регулирующий клапан 20 содержит крышку 44, скобу 46 (показана на фиг.1), привод 48, соединенный со скобой 46, а также может содержать установочное приспособление 52 клапана. Показанный привод 48 является пневматическим приводом, который может быть соответствующим образом соединен с установочным приспособлением 52 или любым другим механизмом для управления приводом 48. Привод 48 содержит корпус 54 мембраны, имеющий верхнюю часть 56 и нижнюю часть 58, которые соединены вдоль кольцевого соединения 60.
Привод 50 согласно данному варианту реализации является пневматически управляемым мембранным приводом, известным в уровне техники. В других вариантах реализации могут использоваться приводы других типов. Кроме того, привод может быть саморегулирующимся приводом, который не зависит от входных сигналов из установочного приспособления. Привод 50 может содержать внутреннюю пластину мембраны (не показана), которая соответствующим образом соединена с выходным валом (не показан), а выходной вал в свою очередь соединен со штоком клапана. В приводе 48 расположен подходящий смещающий узел (не показан). Смещающий узел плотно опирается на пластину мембраны. При подаче установочным приспособлением 52 текучей среды в верхнюю или нижнюю части корпуса внутренняя мембрана перемещается в верхнем направлении или в нижнем направлении (как показано на фиг.1) и перемещает выходной вал вверх или вниз. Выходной вал, в свою очередь, перемещает шток клапана, который перемещает затвор 40 (как показано на фиг.2) относительно седла 43 для управления текучей средой, протекающей через клапан 20.
Картридж 42 содержит входное отверстие 62 и выходное отверстие 64. Выходное отверстие 64 картриджа расположено между седлом 43 клапана и мембраной 38. Затвор 40 клапана взаимодействует с седлом 43, когда мембрана 38 находится в закрытом положении, для предотвращения протекания текучей среды через клапан 20.
Крышка 44 может содержать монтажный фланец 70, который покрывает монтажную часть 72 корпуса 22 клапана. Для соединения крышки 44 с корпусом 22 могут быть использованы крепежные элементы (не показаны). Согласно другим вариантам реализации крышка 44 может быть соединена с корпусом 22 другими средствами, такими как сварка, адгезивы, резьба, зажимы, и т.п. Мембрана 38 зафиксирована в клапане 20 между крышкой 44 и корпусом 22 вблизи монтажного фланца 70 и монтажной части 72. Крышка 44 и корпус 22 выполнены с возможностью размещения между ними мембран 38 различных типов. Например, мембраны 38, выполненные из различных материалов и имеющие различные размеры и различные формы, и т.п., могут быть установлены в клапан 20 на основании системных требований без необходимости использования новой крышки 44 или корпуса 22. Таким образом, описанный в настоящей заявке регулирующий клапан 20 содержит универсальный корпус и крышку, как будет описано подробно ниже.
Ниже со ссылкой на фиг.3 более подробно описано монтажное место 71 для мембраны 38. Монтажное место 71, показанное на фиг.3, содержит эластомерную мембрану 38, расположенную между монтажным фланцем 70 и монтажной частью 72. Как описано выше, мембрана 38 зафиксирована в клапане 20 в области монтажного фланца 70 крышки 44 и монтажной части 72 корпуса 22 клапана. Монтажный фланец 70 содержит, по существу, плоскую установочную поверхность 74, которая переходит в круговую арочную поверхность 76, и первую кольцевую удерживающую поверхность 78. Первая кольцевая удерживающая поверхность 78 сформирована наружной юбочной частью 80, которая проходит по меньшей мере частично поверх монтажной части 72 корпуса 22 клапана.
Монтажная часть 72 корпуса 22 содержит установочную поверхность 82 корпуса, имеющую углубленную канавку 84. Установочная поверхность 82 обращена к установочной поверхности 74 крышки. Установочная поверхность 82 корпуса переходит во вторую кольцевую удерживающую поверхность 86. Вторая кольцевая удерживающая поверхность 86 сформирована поднятым вверх кольцевым выступом 88 монтажной части 72. Поднятый вверх кольцевой выступ 88 расположен на некотором расстоянии от первой кольцевой удерживающей поверхности 78 и таким образом формирует кольцевой зазор 90. Кольцевой зазор 90 обеспечивает возможность самоцентрирования крышки 44 при ее соединении с корпусом 22 клапана. Более конкретно, кольцевой зазор 90 обеспечивает возможность небольшого смещения крышки 44 и корпуса 22 относительно друг друга при навинчивании крышки 44 на корпус 22, в результате чего создается прочное резьбовое соединение.
Часть мембраны 38 зажата между установочной поверхностью 74 крышки и установочной поверхностью 82 корпуса. Прижимная шайба 92, имеющая корпус 93, расположена между мембраной 38 и установочной поверхностью 74. Прижимная шайба 92 предпочтительно может быть выполнена из износостойкого металла для обеспечения соединения и уплотнения типа металл-металл. Прижимная шайба 92 может содержать уступ или выступ 94, который проходит за периметр мембраны 38 между монтажным фланцем 70 и поднятым вверх выступом 88. Таким образом, прижимная шайба 92 зажата непосредственно между монтажным фланцем 70 и монтажной частью 72. Таким образом, зажим и уплотнение типа металл-металл могут быть сформированы независимо от типа используемой мембраны. Согласно одному варианту реализации, как показано на фиг.3, мембрана 38 выполнена из эластомерного материала.
Прижимная шайба 92 сжимает часть эластомерной мембраны 38. Сжатая часть 96 мембраны может проходить в наружном направлении до периметра мембраны 38 и может иметь уменьшенную толщину по сравнению с несжатой частью мембраны 38. Прижимная шайба 92 сжимает часть мембраны 38 во время сборки, поскольку общая толщина прижимной шайбы 92 и несжатой мембраны 38 больше, чем общая высота поднятого вверх выступа 88 и толщина уступа или выступа 94. Указанные относительные толщины обеспечивают возможность сжатия части мембраны 38 при сборке клапана 20, в результате чего достигается хорошее уплотнение между мембраной 38 и корпусом клапана 22. Кроме того, толщина уступа или выступа 94 образует ограничитель сжатия, который обеспечивает целостность металлического соединения, сформированного между установочной поверхностью крышки 74, уступом или выступом 94 и поднятым вверх выступом 88, причем толщина уступа или выступа 94 также предотвращает чрезмерное сжатие мембраны 38. Таким образом, заданное усилие сжатия может быть установлено выбором толщины уступа или выступа 94. Дополнительная герметизация может быть осуществлена посредством кольцевого уплотнения 98, расположенного в углубленной канавке 84.
Согласно дополнительным вариантам реализации вместо поднятого вверх выступа 88 корпус клапана может содержать уступ или углубленную часть (не показаны), в которых может быть заперта прижимная шайба 92 для достижения контакта металлических поверхностей.
На фиг.4 показано монтажное место 71, содержащее металлическую мембрану 138. Металлическая мембрана 138 установлена между установочной поверхностью 74 крышки и установочной поверхностью 82 корпуса, подобно эластомерной мембране 38, показанной на фиг.3. Прижимная шайба 192 расположена между металлической мембраной 138 и установочной поверхностью 74. Прижимная шайба 192 не содержит уступа или выступа, в отличие от прижимной шайбы 92, показанной на фиг.3. Однако монтажное место, показанное на фиг.4, тем не менее обеспечивает контакт металлических поверхностей для формирования уплотнения между крышкой 44, прижимной шайбой 192, мембраной 138 и корпусом 22 клапана. Толщина прижимной шайбы 192 является достаточной для предотвращения прямого контакта между поднятым вверх выступом 88 и монтажным фланцем 74 крышки 44. Иными словами, толщина прижимной шайбы 192 вместе с толщиной мембраны 192 больше, чем высота поднятого вверх кольцевого выступа 88. В результате, во время использования клапана поддерживается надлежащий крутящий момент крепежного элемента. Кроме того, монтажная часть 72 может содержать скошенную поверхность 99 с наружной стороны поднятого вверх выступа 88, причем указанная скошенная поверхность 99 может облегчить выравнивание во время сборки клапана 20.
Установочные места мембраны, описанные выше, обеспечивают контакт металлических поверхностей независимо от типа мембраны, расположенной в установочном месте. Контакт металлических поверхностей поддерживает крутящий момент крышки и таким образом снижает потребность повторного зажатия крепежных элементов крышки в течение срока службы регулирующего клапана. Кроме того, описанные установочные места предпочтительно обеспечивают возможность замены мембран различных типов без замены крышки или корпуса клапана. Напротив, для замены мембраны необходимо заменить только саму мембрану и шайбу. Таким образом, описанные установочные места являются в значительной степени универсальными по своей природе и могут размещать в себе мембраны различных типов. Такая универсальность способствует обеспечению приблизительного равенства общей толщины прижимной шайбы и несжатой мембраны как для эластомерной мембраны, так и для металлической мембраны. Кроме того, описанные установочные места могут быть легко модифицированы для различных рабочих сред, а описанный выше регулирующий клапан даже может быть перемещен из одной действующей системы в другую действующую систему, причем для этого должны быть изменены только мембрана и шайба. Таким образом, описанные выше клапаны и установочные места являются более гибкими, чем известные регулирующие мембранные клапаны, что приводит к уменьшению потребности в различных запасных частей для клапанов различных типов. Такая гибкость также обеспечивает возможность повышения эффективности при изготовлении и экономии материалов для поставщиков, поскольку поставщик должен иметь запас частей для клапанов только одного типа.
Способ сборки мембранного регулирующего клапана содержит этапы, на которых берут крышку, содержащую монтажный фланец и первую установочную поверхность, которая переходит в первую кольцевую удерживающую поверхность, сформированную юбкой, берут корпус клапана, имеющий вторую установочную поверхность, обращенную к первой установочной поверхности, переходящей во вторую кольцевую удерживающую поверхность, которая сформирована поднятым вверх выступом, выбирают одну из эластомерной мембраны и металлической мембраны и зажимают выбранную одну из эластомерной мембраны и металлической мембраны между первой установочной поверхностью и второй установочной поверхностью.
Различные модификации и дополнительные варианты реализации настоящего изобретения станут очевидными для специалистов по ознакомлении с настоящим описанием. Соответственно, настоящее описание должно рассматриваться только как иллюстративное и предлагается специалистам с целью описания наилучшего варианта реализации настоящего изобретения. Детали настоящего изобретения могут быть изменены без отступления от идеи изобретения, при этом сохраняется исключительное использование всех модификаций, которые находятся в пределах объема защиты пунктов приложенной формулы.