ЗАПОРНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО КЛАПАНА С ВЫРАВНИВАНИЕМ ДАВЛЕНИЯ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ
SHUT-OFF SEAL FOR HIGH-TEMPERATURE VALVE WITH PRESSURE EQUALIZATION AND CORRESPONDING METHODS

Притязание на приоритет
Данная заявка имеет преимущество даты подачи заявки на патент США № 62/368,033, поданной 28 июля 2016 г. под названием «Запорное уплотнение для высокотемпературного клапана с выравниванием давления и соответствующие способы».
Область техники
Настоящее изобретение относится вообще к регулирующим клапанам, сбалансированным по давлению, (разгруженным регулирующим клапанам - примечание переводчика) для эксплуатации в условиях высоких температур. Более конкретно, варианты осуществления настоящего изобретения относятся к разгруженным регулирующим клапанам содержащим запорную уплотнительную систему, когда клапан находится в закрытом положении.
Уровень техники
Разгруженные регулирующие клапаны требуют динамического уплотнения между разгруженным плунжером затвора и втулкой, в которой упомянутый затвор скользит вверх и вниз. В разгруженном регулирующем клапане давление на верхнюю часть плунжера затвора почти равно давлению на нижнюю часть плунжера затвора, достигаемое обычно посредством отверстий, которые проходят через плунжер затвора. Данный эффект «разгрузки» плунжера затвора позволяет перемещать плунжер затвора за счет больших перепадов давления клапана при минимальной нагрузке привода. Данный разгружающий эффект уменьшает общую стоимость клапана, поскольку для регулирования потока через клапан могут быть использованы менее мощные приводы.
Для уплотнения между затвором и втулкой для поддержания давления в камере на верхнюю часть плунжера затвора обычно используют динамическое уплотнение. Динамическое уплотнение обычно размещается на внешнем диаметре плунжера затвора и может представлять собой графитовое или металлическое поршневое кольцевое уплотнение для высокотемпературных применений. Некоторые высокотемпературные применения требуют, чтобы уровни протечки были очень низкими и соответствовали нормам герметичности класса V по ANSI/FCI 70-2, когда клапан закрыт. Высокотемпературные динамические уплотнения обычно соответствуют только нормам герметичности класса III или класса IV по ANSI/FCI 70-2. В высокотемпературных применениях (+500°F) текучая среда из камеры через плунжер затвора будет обходить динамическое уплотнение в некоторой степени, поскольку клапан не способен обеспечивать герметичность затвора класса V по ANSI/FCI 70-2 без реализации затвора с сервоуправлением. Затворы с сервоуправлением содержат больше элементов, вносят ограничения по стабильности и к тому же более дорогие.
Раскрытие изобретения
Данное краткое изложение приведено для представления выбора концепций в упрощенной форме. Данные концепции более подробно описаны ниже в подробном описании вариантов осуществления изобретения. Данное краткое изложение не имеет целью ни определение ключевых или существенных признаков заявленного объекта патентования, ни использование для ограничения объема заявленного объекта патентования.
В некоторых вариантах осуществления клапанный узел включает корпус клапана, содержащий камеру фиксатора седла и кольцо седла, примыкающее к внутренней боковой стенке камеры фиксатора седла. Основное кольцо седла выполнено с возможностью контакта с первой частью плунжера затвора в одном кольцевом участке прежде чем вторая часть плунжера затвора входит в контакт с плавающим седлом клапана во время хода закрытия плунжера затвора. Упомянутый клапанный узел включает статическое уплотнение, расположенное радиально между с кольцом седла и внутренней боковой стенкой камеры фиксатора седла.
В дополнительных вариантах осуществления, способ образования клапанного узла включает образование корпуса клапана, содержащего вход, выход и камеру фиксатора седла. Упомянутый способ включает размещение плавающего кольца седла рядом внутренней боковой стенкой камеры фиксатора седла, размещение статического уплотнения радиально между кольцом седла и внутренней боковой стенкой камеры фиксатора седла и размещение затвора в камере фиксатора седла. Затвор включает плунжер затвора с первой частью и второй частью. Первая часть плунжера затвора выполнена с возможностью контакта с основным кольцом седла в одном кольцевом участке прежде чем вторая часть плунжера затвора входит в контакт с плавающим седлом клапана во время хода закрытия затвора.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой вид в вертикальном разрезе подузла корпуса клапана в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 представляет собой увеличенный вид в вертикальном разрезе узла запорного уплотнения подузла корпуса клапана в соответствии с фиг. 1.
Фиг. 3 представляет собой другой увеличенный вид в вертикальном разрезе точки контакта между плунжером затвора и плавающим кольцом седла, показанной на фиг. 2.
Вариант (варианты) осуществления изобретения
Приведенные в данном документе чертежи представляют собой, в некоторых случаях, не реальные виды какого-либо конкретного клапана, затвора, седла или уплотнения, а только идеализированные представления, которые используются для описания вариантов осуществления настоящего изобретения. Кроме того, одинаковые элементы в чертежах могут иметь одинаковые ссылочные позиции.
Разные варианты осуществления настоящего изобретения относятся к вариантам осуществления разгруженного регулирующего клапана, содержащего запорную уплотнительную систему, включающую по меньшей мере одно статическое уплотнение и по меньшей мере одно динамическое уплотнение. Ссылаясь на фиг. 1, показан вид в вертикальном разрезе клапанного узла 2 в соответствии с по меньшей мере одним вариантом осуществления. Подузел 2 корпуса клапана может содержать корпус 4 клапана, содержащий вход 6, выход 8 и камеру 10 фиксатора седла. Понятно, что вход 6 может также действовать как выход, а выход 8 может также действовать как вход, поскольку разгруженный регулирующий клапан настоящего изобретения представляет собой запорное уплотнение двунаправленного действия. Затвор 12 может быть расположен в и выполнен с возможностью перемещения внутри камеры 10 фиксатора седла. На фиг. 1 затвор 12 показан в закрытом положении (т.е. текучая среда не проходит через клапан). Затвор 12 может содержать плунжер 14 затвора, занимающий часть камеры 10 фиксатора седла. Подузел 2 корпуса клапана может содержать разгруженный клапан. Соответственно, плунжер 14 затвора может включать множество отверстий 15 для выравнивания давления, проходящих через него и позволяющих текучей среды выравнивать давление над плунжером 14 клапана, тем самым уменьшая усилие, оказываемое приводом для открытия и закрытия клапана.
В по меньшей мере некоторых вариантах осуществления плунжер 14 затвора может содержать кольцевой фланец 16, выполненный с возможностью примыкания к внутренней боковой стенке камеры 10 фиксатора седла. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, камера 10 фиксатора седла может быть образована посредством сбалансированной по давлению (pressure-balanced - PB) втулки 18, фиксатора 20 седла, основного кольца 22 седла и плавающего кольца 24 седла. РВ втулка 18 и фиксатор 20 седла могут образовать по меньшей мере часть внутренней боковой стенки камеры 10 фиксатора седла. Плавающее кольцо 24 седла может удерживаться между РВ втулкой 18 и фиксатором 20 седла, как более подробно описано ниже. Плавающее кольцо 24 седла может быть расположено в камере 10 фиксатора седла так, что плунжер 14 затвора контактирует с плавающим кольцом 24 седла по меньшей мере по существу только тогда, когда затвор 12 находится в закрытом положении (т.е. когда затвор 12 прилегает к или находится на основном кольце 22 седла). Плунжер 14 затвора может содержать динамическое уплотнение 26, которое может также называться РВ уплотнением или РВ уплотнительным кольцом. Динамическое уплотнение 26 может быть расположено на внешнем диаметре плунжера 14 затвора так, чтобы примыкать к внутренней боковой стенке 27 РВ втулки 18. Динамическое уплотнение 26 способствует уплотнению затворной или втулочной камеры 28 камеры 10 фиксатора седла, расположенной выше плунжера 14 затвора от отверстия для текучей среды между плунжером 14 затвора и РВ втулкой 18. В по меньшей мере некоторых вариантах осуществления, динамическое уплотнение 26 может быть размещено в канавке, расположенной на участке кольцевого фланца 16. В качестве неограничивающего примера, динамическое уплотнение 26 может представлять собой графитовое или металлическое поршневое кольцевое уплотнение. Динамическое уплотнение необходимо для поддержания уравновешивающего давления только когда затвор перемещается и не находится на основном кольце седла.
На участке внутренней боковой стенки камеры 10 фиксатора седла между плавающим кольцом 24 седла, РВ втулкой 18 и фиксатором 20 седла может быть также расположено статическое уплотнение 30, называемое также РВ затворным уплотнением. Ссылаясь на фиг. 2, плавающее кольцо 24 седла может удерживаться между РВ втулкой 18 и фиксатором 20 седла. Нижняя часть 32 РВ втулки 18 может включать выступ 34, прилегающий к кольцевой углубленной поверхности 36, образованной в РВ втулке 18. Выступ 34 нижней части 32 РВ втулки 18 может быть расположен рядом с верхней поверхностью 38 плавающего кольца 34 седла. Кольцеобразная углубленная поверхность 36 нижней части 32 РВ втулки 18 может быть расположена рядом с радиально внешней поверхностью 40 плавающего кольца 34 седла. Плавающее кольцо 24 седла может включать кольцеобразное продольное удлинение 42, продолжающееся вниз из нижней поверхности 44 плавающего кольца 24 седла. Таким образом, поперечное сечение плавающего кольца 24 седла может иметь перевернутую L-образную форму, если смотреть в плоскости, проходящей вдоль продольной оси плавающего кольца 24 седла. Нижняя поверхность 46 РВ втулки 18 может примыкать к верхней поверхности 48 фиксатора 20 седла. Верхняя часть фиксатора 20 седла может включать выступающий вверх фланец, образующий выступающую плоскую поверхность 52. Кольцеобразное углубление в радиально внутренней части выступающей плоской поверхности 52 может образовать кольцевой паз 54, выполненный с возможностью приема части кольцеобразного продольного удлинения 42 плавающего кольца 24 седла. Статическое уплотнение 30 может быть размещено в кольцевой полости, расположенной радиально между продольным удлинением 42 плавающего кольца 24 седла и кольцевой углубленной поверхностью 36 РВ втулки 18 и расположенной продольно между выступом 38 РВ втулки 18 и выступающей плоской поверхностью 52 фиксатора 20 седла.
™
Статическое уплотнение 30 может включать кольцевую уплотняющую пружину 58, расположенную в С-образной уплотняющей оболочке 60. Кольцевая уплотняющая пружина 58 может независимо активизировать статическое уплотнение. В качестве неограничивающего примера, кольцевая уплотняющая пружина 58 может представлять собой спиральную пружину, такую как одновитковая или двухвитковая спиральная пружина. Кольцевая уплотняющая пружина 58 может включать один или более высокопрочных материалов, включающих, помимо прочих, никель, Elgiloy, Inconel и Incoloy. С-образная кольцевая уплотняющая оболочка 60 может включать один или более материалов, включающих, помимо прочих, серебро, никель, Inconel и Monel.
Верхняя и радиально внутренняя часть плавающего кольца 24 седла может включать скошенную поверхность 62 рядом с верхней поверхностью 38 плавающего кольца 24 седла. Плунжер 14 затвора может включать радиально внешнюю скошенную поверхность 64, выполненную и ориентированную с возможностью контакта с плавающим кольцом 24 седла во время хода закрытия затвора 12. В разрезах, показанных на фиг. 2 и 3, плавающее кольцо 24 седла и плунжер 14 затвора могут быть выполнены с возможностью взаимодействия так, что во время хода закрытия затвора 12 внешняя скошенная поверхность 64 плунжера 14 затвора контактирует с плавающим кольцом 24 седла в одной точке 66 контакта, расположенной на нижнем крае скошенной поверхности 62 плавающего кольца 24 седла. Необходимо понимать, что в трехмерном пространстве одна точка 66 контакта проходит кольцеобразно по окружности нижнего края скошенной поверхности 62 плавающего кольца 24 седла. На фиг. 2 плунжер 14 затвора показан во время хода закрытия (т.е. сверху вниз) в аксиальном положении, в котором внешняя поверхность 64 плунжера 14 затвора вначале входит в контакт с плавающим кольцом 24 седла в их одной точке 66 контакта. Соответственно, фиг. 2 показывает кольцевую уплотняющую пружину 58 и С-образную кольцевую уплотняющую оболочку 60 статического уплотнения 30 в несжатом состоянии. Во время хода закрытия плунжера 14 затвора, внешняя поверхность 64 плунжера 14 затвора может вначале контактировать с одной точкой 66 контакта плавающего уплотнительного кольца 24, когда плунжер 14 затвора отделен от основного уплотнительного кольца 22 расстоянием, равным примерно 0,010 дюйм, в качестве неограничивающего примера. В конкретном варианте осуществления, когда затвор вначале контактирует с плавающим кольцом седла, он будет сжимать его в пределах от 0,005 до 0,010 дюйм, прежде чем он входит в контакт с основным кольцом седла. Он может продолжать сжимать плавающее кольцо седла в зависимости от деформаций, которые происходят в основном кольце седла. Обычно это составляет всего лишь дополнительные несколько тысячных долей дюйма. По мере того, как плунжер 14 затвора перемещается к основному кольцу 22 седла, статическое уплотнение 30 может подвергаться сжатию, как более подробно описано ниже.
Как более наглядно показано на фиг. 3, скошенная поверхность 62 плавающего кольца 24 седла и внешняя поверхность 64 плунжера 14 затвора могут быть ориентированы относительно друг друга под углом α, находящимся в пределах от примерно 1,5° до примерно 20°. В конкретном варианте осуществления, разностный угол α может быть равен примерно 3°±1°. Например, в некоторых вариантах осуществления угол α между скошенной поверхностью 62 плавающего кольца 24 седла и внешней поверхностью 64 плунжера 14 затвора может быть равен примерно 3°. В таких вариантах осуществления ход закрытия плунжера 14 затвора (т.е. в направлении вниз в соответствии с расположением клапанного узла, показанным на фиг. 1 и 2) может вынуждать плавающее кольцо 24 седла перемещаться вниз в по существу только аксиальном направлении при по существу отсутствии радиального перемещения для сжатия статического уплотнения 30. Таким образом, плавающее кольцо 24 седла 24 может быть уплотнено посредством контактной точки приложения статической линейной нагрузки, которая образует более надежное уплотнение, чем уплотнения, в которых используются скользящие поверхности. Например, частицы из «загрязненных» текучих сред или оксиды металлов, образующиеся в текучей среде вследствие коррозии, могут значительно меньше затруднять работу клапанного узла 2, раскрытого в данном документе, благодаря тому, что плунжер 14 затвора и плавающее кольцо 24 седла не содержат скользящих относительно друг друга поверхностей. Кроме того, отсутствие скользящих поверхностей предотвращает также трение между плунжером 14 затвора и плавающим кольцом 24 седла, устраняя нестабильность от внезапных выпусков трения, называемых также «скачкообразным движением», когда плунжер 14 затвора смещается назад от плавающего кольца 24 седла во время хода открытия.
Аксиальное перемещение вниз плавающего кольца 24 седла, в ответ на ход закрытия плунжера 14 затвора, может сжимать кольцевую уплотняющую пружину 58 и С-образную кольцевую уплотняющую оболочку 60 статического уплотнения 30, образуя герметичные уплотнения между уплотняющей оболочкой 60 и нижней поверхностью 44 плавающего кольца 24 седла и выступающей плоской поверхностью 50 фиксатора 20 седла. Таким образом, ориентация открытой части С-образной кольцевой уплотняющей оболочки, показанная на фиг. 2, обеспечивает уплотнение в обоих направлениях между частью 28 камеры 10 фиксатора седла над плунжером 14 затвора и выходом 8 клапана. Это же справедливо, когда поток перемещается в противоположном направлении. Привод, приводящий в движение затвор 12, может быть выполнен так, чтобы оказывать достаточное усилие для сжатия статического уплотнения 30 после того, как внешняя поверхность 64 плунжера 14 затвора входит в контакт со скошенной поверхностью 62 плавающего кольца 24 седла. В вариантах осуществления, в которых кольцевая уплотняющая пружина 58 представляет собой спиральную пружину, спиральная пружина 58 может полностью восстанавливаться, даже после многократных сжатий, без ослабления или деформации, в отличие от клиновых уплотнений, используемых в данной области техники.
Необходимо понимать, что статическое уплотнение 30 может быть ограничено смежными частями плавающего кольца 24 седла, РВ втулки 18 и фиксатора 20 седла, чтобы предохранить статическое уплотнение 30 от «срыва», когда плунжер 14 затвора оттягивается под действием нагрузки высокого давления. Кроме того, размещение статического уплотнения 30 в полости между смежными частями плавающего кольца 24 седла, РВ втулки 18 и фиксатора 20 седла предохраняет статическое уплотнение 30 от повреждающих воздействий текучей среды, протекающей через клапан.
Дополнительные варианты осуществления изобретения включают способы изготовления клапанного узла. Такие способы могут включать образование корпуса клапана, содержащего вход, выход и камеру фиксатора седла. Динамическое уплотнение может быть размещено в кольцевой канавке, расположенной во внешнем диаметре кольцевого фланца плунжера затвора. Статическое уплотнение может быть размещено между продольным удлинением плавающего кольца седла, нижней поверхностью плавающего кольца седла, внутренней поверхностью втулки для уравновешивания давления и верхней поверхностью фиксатора седла. Внешняя поверхность плунжера затвора может быть ориентирована относительно внутренней поверхности плавающего кольца седла так, что во время хода закрытия плунжера затвора плунжер затвора контактирует с плавающим кольцом седла в одной точке контакта.
Клапанный узел 2 для разгруженного регулирующего клапана, образованный как описано в данном документе, обладает преимуществом обеспечения герметичного перекрытия в высокотемпературных применениях, превышающих 500°F, которые требуют также герметичности перекрытия класса V по ANSI/FCI 70-2 без элемента с сервоуправлением, поскольку клапаны с сервоуправлением содержат дополнительные элементы, которые часто приводят к ограничениям стабильности, и обычно более дорогие, чем клапаны без сервоуправления. Кроме того, герметичность перекрытия класса V может быть обеспечена посредством конфигурации плунжера 14 затвора, плавающего кольца 24 седла, РВ втулки 20 и фиксатора 20 седла, раскрытой в данном документе, даже если динамическое уплотнение 26 способно обеспечивать только герметичность перекрытия класса III или IV, когда плунжер 14 затвора находится в контакте с основным кольцом 22 седла. Таким образом, любая протечка из части 28 камеры фиксатора седла выше плунжера 14 затвора, которая обходит динамическое уплотнение 26, может быть уплотнена от выхода 8 клапана посредством статического уплотнения 30, когда затвор контактирует с основным кольцом 22 седла.
Хотя некоторые варианты осуществления описаны и показаны в сопроводительных чертежах, такие варианты осуществления являются только пояснительными и не ограничивающими объем изобретения, и данное описание не ограничено конкретными показанными и описанными конструкциями и расположениями, поскольку для специалиста в данной области техники будут очевидны различные другие дополнения и модификации к, и изъятия из, описанных вариантов осуществления. Таким образом, объем изобретения ограничен только буквальными формулировками и эквивалентами приведенной ниже формулы изобретения.