КОМПОЗИЦИОННЫЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ КЛАПАНА ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ КЛАПАНОВ
COMPOSITE DYNAMIC VALVE SEAL ASSEMBLY FOR HIGH TEMPERATURE CONTROL VALVES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Изобретение, в целом, относится к технологическим управляющим клапанам, таким как раздвижные клапаны, и, в частности, к управляющим раздвижным клапанам, содержащим композиционный динамический уплотнительный узел, функционирующий при высоких температурах.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Технологический управляющий клапан применяется в системах или процессах, где требуется регулировка или управление технологическими гидропотоками. Такие управляющие клапаны могут быть сконфигурированы как раздвижные клапаны, поворотные клапаны, шаровые клапанов и т.д. Путем установления положения элемента управления, такого как пробка клапана, относящегося к седлу клапана, можно точно регулировать поток жидкости через управляющий клапан. Пробка клапана скользит или движется относительно седла клапана в пределах корпуса клапана. Некоторые управляющие клапаны могут содержать корпус, при этом пробка клапана скользит в пределах этого корпуса. Поскольку пробка клапана скользит в пределах корпуса клапана, предотвращение прохождения потока жидкости между пробкой клапана и корпусом клапана (или гнездом) является важным. В то же время желательным является также уменьшение трения и сведение к минимуму износа и сцепления между пробкой клапана и корпусом клапана (или гнездом).
[0003] В некоторых управляющих клапанах уплотнитель может быть включен в саму пробку клапана или он может быть включен в корпус клапана (или гнезда) или крышку клапана. Независимо от этого уплотнение должно предотвратить прохождение жидкости между пробкой клапана и корпусом клапана или его крышкой. Как для предотвращения прохождения жидкости между элементом управления и корпусом клапана или его крышкой, так и для уменьшения трения, возникающего между элементом управления и корпуса клапана или его крышкой, в уплотнитель некоторых раздвижных клапанов включены относительно мягкие материалы. Такие уплотнения представлены подпружиненными уплотнениями с манжетами, функционирующими под давлением, выполненными из беспримесного, запломбированного или усиленного политетрафторэтиленового кожуха с антикоррозийной пружиной, выполненной из нержавеющей стали, никеля или сплавов на основе кобальта. Другие фторполимеры, сверхвысокий молекулярный полиэтилен и полиуретан также применяют при выплавке кожуха. Другие применяемые типы уплотнителей включают синтетические уплотнительные кольца, уплотнительные кольца крестообразного сечения, опорные кольца с износными кольцами на основе ПТФЭ (политетрафторэтилен) и металлическими монолитными уплотнениями на основе ПТФЭ. Хотя мягкие уплотнители и мягкие материалы уменьшают трение и обеспечивают высокое качество, они, как правило, не эффективны в условиях высокой температуры, так как материал может расплавиться, приобрести ползучесть или иным образом ухудшиться в качестве в условиях высоких температур. Все эти мягкие материалы используются только в условиях сравнительно низких температур, ниже 600°F (ниже около 316°С).
[0004] Стандартные высокотемпературные раздвижные управляющие клапаны обычно имеют встроенные монолитные, тяжелографитовые уплотнительные кольца, выдерживающие высокие температуры. Хотя графитовые уплотнительные кольца способны выдерживать высокие температуры, в целом, "они не обеспечивают оптимальное уплотнение между пробкой клапана и его корпусом (или гнездом) или его крышкой, потому что не обладают эластичностью, податливостью и упругостью. Графитовые уплотнительные кольца могут быть повреждены трением, созданным между пробкой клапана и его корпусом (или гнездом), и они относительно уязвимы к частицам и загрязняющим веществам в частицах движущегося потока или загрязняющим веществам, прилипающим к пробке клапана или корпусу клапана (или гнезду). Несоответствие в монолитных графитовых материалах приводит к большим запорным утечкам, чем при использовании мягкой резины или пластических податливых материалов, применяемых в условиях низких температур. Кроме того, графитовые уплотнительные кольца имеют относительно высокий коэффициент трения, что приводит к чрезмерному трению и износу во время движения пробки клапана. Чрезмерное трение и износ ведут к ухудшению качества и ранним сбоям в работе уплотнителя и/или элемента управления.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Раздвижной управляющий клапан содержит корпус клапана с входным и выходным отверстиями. Входное и выходное отверстия соединены текучей средой посредством канала потока текучей среды. Седло клапана расположено в канале потока текучей среды. Элемент управления с возможностью скольжения взаимодействует с седлом клапана для управления потоком текучей среды посредством корпуса клапана. Уплотнительный узел расположен между элементом управления и корпусом клапана. Уплотнительный узел содержит композиционное уплотнительное кольцо, расположенное между первым опорным кольцом и вторым опорным кольцом. Элемент смещения расположен рядом с одним из опорных колец, и стопорное кольцо удерживает элемент смещения рядом с опорным кольцом таким образом, чтобы усилие, создаваемое элементом смещения, передавалось на опорное кольцо и, таким образом, на композиционное уплотнительное кольцо.
[0006] В другом варианте реализации изобретения уплотнительный узел для высокотемпературного раздвижного управляющего клапана содержит композиционное уплотнительное кольцо, расположенное между первым опорным кольцом и вторым опорным кольцом. Элемент смещения расположен рядом со вторым опорным кольцом, и стопорное кольцо расположено рядом с элементом смещения. Композиционное уплотнительное кольцо может быть изготовлено из ПТФЭ и металла.
[0007] В еще одном варианте реализации изобретения кольцевой уплотнительный узел может быть расположен в кольцевой канавке, выполненной в элементе управления.
[0008] В еще одном варианте реализации изобретения кольцевой уплотнительный узел может быть расположен в кольцевой канавке, выполненной в корпусе клапана.
[0009] Описанный в данном документе кольцевой уплотнительный узел обеспечивает превосходные возможности уплотнителя в условиях высокой температуры, уменьшая или минимизируя трение между элементом управления и корпусом клапана.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0010] ФИГ. 1 иллюстрирует поперечный разрез раздвижного управляющего клапана, выполненного в соответствии с принципами настоящего изобретения.
[0011] ФИГ. 2 иллюстрирует поперечный разрез в крупном масштабе элемента управления раздвижного управляющего клапана, проиллюстрированного на ФИГ. 1, в том числе композиционный уплотнительный узел; и
[0012] ФИГ. 3 иллюстрирует поперечный разрез в крупном масштабе сегмента элемента управления, в том числе композиционный уплотнительный узел.
[0013] В то время как изобретение допускает различные модификации и альтернативные конструкции, некоторые иллюстративные варианты реализации композиционного динамического уплотнительного узла клапана проиллюстрированы в графических материалах и будут описаны более подробно ниже. Однако следует понимать, что варианты реализации данного изобретение не ограничиваются описанными в данном документе формами, но, напротив, реализация данного изобретение должно охватывать все модификации, альтернативные конструкции и эквиваленты, попадающие в рамки сущности и объема изобретения, которые определены в приложенной формуле изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0014] Для целей дальнейшего обсуждения такие термины, как внутри, снаружи, радиально внутрь или радиально наружу, используются для обозначения относительного положения по отношению к центральной оси А штока клапана. Аналогичным образом, такие термины, как верхний, нижний, вверх или вниз, используются для обозначения относительной ориентации, когда управляющий клапан расположен так, как проиллюстрировано в графических материалах.
[0015] Ссылаясь на графические материалы, ФИГ. 1 иллюстрирует раздвижной управляющий клапан 10, собранный в соответствии с принципами раскрытого в данном документе примера настоящего изобретения и имеющий корпус клапана 12, вход текучей среды 14, выход текучей среды 16 и канал 18, соединяющий вход текучей среды 14 и выход текучей среды 16. Хотя управляющий клапан проиллюстрирован на ФИГ. 1 в качестве раздвижного клапана, принципы этого изобретения могут быть применены как к другим типам управляющих клапанов, так и к таким клапанам, как, например, поворотные клапаны, шариковые клапаны, шаровые клапаны и т.д. Элемент управления, такой как пробка клапана 20, смонтирован с возможностью скольжения в пределах корпуса клапана 12, и с возможностью перемещения между закрытым положением (как проиллюстрировано на ФИГ. 1), которое предотвращает прохождение текучей среды через корпус клапана 12, и открытым положением (не проиллюстрировано), которое позволяет прохождение текучей среды через корпус клапана 12. В примере на ФИГ. 1 пробка клапана представляет собой сбалансированную пробку клапана 20. В других вариантах реализации изобретения пробка клапана может быть не сбалансирована. Клапан 10 содержит седельное кольцо 22, которое взаимодействует с пробкой клапана 20 для управления потоком текучей среды через корпус клапана 12. Управляющий клапан 10 также содержит шток клапана 26, сцепленный с пробкой клапана 20 и проходящий через крышку 28. Шток клапана 26 проходит вдоль оси А и подключен к приводу клапана (не проиллюстрирован) для перемещения пробки клапана 20 между проиллюстрированным закрытым положением, в котором пробка клапана 20 находится в контакте с седельным кольцом 22, тем самым предотвращая прохождение текучей среды через канал 18, и открытым положением, в котором пробка клапана 20 находится на расстоянии от седельного кольца 22, тем самым позволяя текучей среде проходить через канал 18.
[0016] Ссылаясь на ФИГ. 2 и 3, уплотнительный узел клапана 30 находится в кольцевой канавке 32, образованной в пробке клапана 20, как проиллюстрировано на левой стороне ФИГ. 2. Кроме того, уплотнительный узел 30 может быть расположен в кольцевой канавке 33, образованной в корпусе клапана 12, как проиллюстрировано на правой стороне ФИГ. 2. Несмотря на это, уплотнительный узел 30 может содержать композиционное уплотнительное кольцо 34, изготовленное из политетрафторэтилена (ПТФЭ)/смеси металлов. В одном варианте реализации изобретения композиционное уплотнительное кольцо 34 может быть образовано корпусным сегментом 36 из ПТФЭ, который содержит металлическое усиливающее кольцо 38 (см. Фиг. 3), встроенное в корпусной сегмент 36 из ПТФЭ. Металлическое усиливающее кольцо 38 может быть выполнено из практически любого прочного металла, такого как, например, нержавеющая сталь S31600. Металлическое усиливающее кольцо 38 имеет "Z-образное" поперечное сечение. Металлическое усиливающее кольцо 38 может содержать первый сегмент 40, имеющий первую внутреннюю кромку 42 и вторую внешнюю кромку 44, и второй сегмент 46, имеющий первую внутреннюю кромку 48 и вторую внешнюю кромку 50. Первый сегмент 40 и второй сегмент 46 могут быть отдалены друг от друга и ориентированы главным образом перпендикулярно к оси А. Первый сегмент 40 и второй сегмент 46 могут быть расположены в параллельных плоскостях в одном примере. Третий сегмент 52 содержит первую внутреннюю кромку 54 и вторую внешнюю кромку 56. Внутренняя кромка 54 третьего сегмента 52 соединена с внутренней кромкой 42 первого сегмента 40, а внешняя кромка 56 третьего сегмента 52 может быть соединена с внешней кромкой 50 второго сегмента 46, как проиллюстрировано, например, на ФИГ. 3. В других вариантах реализации изобретения третий сегмент 52 может быть обращен так, что внешняя кромка 56 третьего сегмента соединена с внешней кромкой 44 первого сегмента 40, а внутренняя кромка 54 третьего сегмента 52 соединена с внутренней кромкой 48 второго сегмента 46. Несмотря на это, металлическое усиливающее кольцо 38 преобразует осевые нагрузки, приложенные к уплотнительному узлу 30, в радиальную деформацию композиционного уплотнительного кольца 34, чтобы сформировать гидравлический затвор между пробкой клапана 20 и корпусом клапана 18, в то время как ПТФЭ корпус 36 обеспечивает гладкое соединение между пробкой клапана 20 и корпусом клапана 12.
[0017] Композиционное уплотнительное кольцо 34 может быть расположено между первым опорным кольцом 60 и вторым опорным кольцом 62. Первое и второе опорные кольца 60, 62 могут быть выполнены из любого закаливаемого материала, такого, например, как нержавеющая сталь S41600. Первое и второе опорные кольца 60, 62 поддерживают надлежащее позиционирование композиционного уплотнительного кольца 34 в пределах кольцевой канавки 32, а также обеспечивают антиэкструзионную защиту композиционного уплотнительного кольца 34. Первое и второе опорные кольца 60, 62 также защищают композиционное уплотнительное кольцо 34 от факторов окружающей среды, таких как высокие температуры и давление. Элемент смещения 64, такой как пружина Бельвиля, например, спирально-навитая прокладка или крышка на болтах, может быть расположен рядом со вторым опорным кольцом 62. Элемент смещения 64 прикладывает осевое усилие ко второму опорному кольцу 62, которое передается композиционному уплотнительному кольцу 34. Металлическое усиливающее кольцо 38 преобразует осевое усилие в радиальную деформацию корпусного сегмента 36 из ПТФЭ. Корпусной сегмент 36 из ПТФЭ расширяется наружу (т.е. радиально), формируя герметичное уплотнение корпуса клапана 12. Внешнее расширение корпусного сегмента 36 из ПТФЭ также способствует смазке соединения элемента управления 20 и корпуса клапана 12, тем самым уменьшая трение при движении элемента управления 20. Стопорное кольцо 70 сохраняет элемент смещения 64 в позиции по отношению ко второму опорному кольцу 62. Стопорное кольцо 70 может быть по меньшей мере частично расположено в кольцевой щели 72, образованной в элементе управления 20 или корпусе клапана 12. Стопорное кольцо 70 предотвращает элемент смещения 64 от отделения от второго опорного кольца 62.
[0018] В соответствии с одним или более описанных примеров, предложен композиционный уплотнительный узел, который обеспечивает превосходную уплотнительную способность, в то же самое время уменьшая трение между элементом управления и корпусом клапана, для высокотемпературных управляющих клапанов. Так как композиционный корпус уплотнения выполнен из ПТФЭ и металла, композиционный корпус уплотнения преобразует осевую нагрузку в радиальную деформацию, которая обеспечивает лучшее уплотнение и одновременно смазывает соединение между элементом управления и корпусом клапана.
[0019] Предшествующее подробное описание дано только для ясности понимания и не должно подразумевать никаких ограничений, тогда как модификации будут очевидны специалистам в данной области техники.