КЛАПАН ОБРАТНЫЙ С ОСЕВЫМ НАПРАВЛЕНИЕМ ПОТОКА Российский патент 2004 года по МПК F16K15/06 

Предлагаемое изобретение относится к области арматуростроения, в частности к клапанам обратным для газовых магистралей высокого давления.

Известен клапан обратный самоуплотняющийся, содержащий расположенный с возможностью перемещения в трубчатом корпусе запорный орган, нагруженный пружиной сжатия, с усилием против направления потока, и поджимаемый к выполненному во входном канале седлу (1). Запорный орган, в области уплотняющих поверхностей, выполнен ограниченно податливым. Уплотнительные поверхности запорного органа и седла выполнены криволинейными. В запорном органе, в области, примыкающей к уплотнительной поверхности, выполнен кольцевой канал, сообщающийся с радиальными отверстиями. Пружина сжатия установлена с опорой в днище глухого отверстия запорного органа и предварительно нагружена установочным винтом, входящим в резьбовое отверстие, выполненное в корпусе.

Недостатком известного клапана является наличие податливой зоны на поверхности запорного органа, подверженной износу и повреждению, что снижает герметичность клапана в процессе эксплуатации. Другим недостатком клапана является сложность настройки клапана на рабочее давление, т.к. перемещение запорного органа в трубчатом корпусе совершается с трением “металл по металлу”, и требуется его учет в усилии нагружения пружины, что затруднено в процессе эксплуатации при выполнении таких операций установочным винтом. Кроме того, конструкция клапана не предусматривает возможность замены внутренних элементов, что затрудняет его ремонт.

Известен также запорный клапан, содержащий наружный корпус и размещенный в нем внутренний корпус, образующие кольцевой проход для регулируемой среды (2). Во внутреннем корпусе с возможностью перемещения вдоль продольной оси клапана установлен запорный орган с конусной и цилиндрической частями поверхности, поджимаемый конусной частью к седлу, установленному в наружном корпусе, во внутренней зоне входного канала. Горизонтальная часть поверхности запорного органа является контактной с внутренней поверхностью внутреннего корпуса. Седло выполнено с конической поверхностью, вписывающейся в профиль входного канала, при этом угол конуса поверхности, контактирующей с поверхностью запорного органа, отличен от угла конической поверхности последнего. Запорный орган снабжен механизмом перемещения и выводится из внутреннего корпуса усилием пружины, установленной на штоке, соединенном с поршнем, перемещающемся в гильзе, закрепленной в вершине конусной части внутреннего корпуса резьбовым соединением. Внутреннее пространство гильзы соединено с внутренним пространством внутреннего корпуса радиальными отверстиями, одно из которых является дроссельным. В теле запорного органа выполнено, как минимум, одно радиальное отверстие, соединяющее кольцевой канал с внутренней полостью внутреннего корпуса.

Недостатком конструкции известного клапана является ограниченный диапазон, причем, невысоких давлений, в котором возможно использование клапана. Это обусловлено недостаточной обтекаемостью внутренних поверхностей, имеющих стыки конусных и цилиндрических поверхностей и недостаточной жесткостью крепления механизма перемещения запорного органа во внутреннем корпусе. Наличие стыков в местах сопряжений конических и цилиндрических поверхностей запорного органа и внутреннего корпуса при высоких давлениях ухудшает гидродинамические характеристики проходного канала, что может стать причиной нестабильной работы клапана. Крепление механизма перемещения запорного органа в вершине конусной части внутреннего корпуса не обеспечивает достаточной жесткости узла, что при высоких давлениях может привести к вибрациям запорного органа, дополнительным нерасчетным воздействиям его на поверхность седла, ведущим к разрушению последнего, к повреждению контактирующих поверхностей внутреннего корпуса и запорного органа и, как следствие, к потере герметичности клапана и повышению его шумовых характеристик.

Известен также клапан обратный с осевым направлением потока, содержащий наружный литой корпус, в сферической полости которого жестко закреплен внутренний конусообразный корпус (3). Во внутреннем корпусе подвижно, посредством механизма перемещения, установлен запорный орган с рабочей поверхностью в виде части сферы, имеющий контактирующую с торцом внутреннего корпуса поверхность ответной формы. Запорный орган снабжен механизмом перемещения, содержащим пружину сжатия, установленную на штоке, перемещающемся в подшипниках скольжения, зафиксированных в направляющей втулке. Пружина служит для закрытия клапана, открытие которого происходит под действием гидродинамических сил проходящего потока. На внутренней поверхности наружного корпуса, во входном канале клапана, установлено седло, закрепленное посредством резьбы на поверхности канала и обращенной к ней поверхности седла. Седло выполнено в виде цилиндра и контактирует с поверхностью сферы запорного органа конической поверхностью на торце. В зоне резьбовой поверхности седла установлено герметизирующее уплотнение. Форма седла с конической контактной и цилиндрической частями, конусная поверхность внутреннего корпуса и сферическая форма внутренней полости в наружном корпусе определяют форму кольцевого канала между поверхностями наружного и внутреннего корпусов в виде сопла Вентури.

Недостатком клапана является возможность повреждения уплотнений при установлении седла, что снизит герметичность клапана, являющуюся одним из параметров, определяющих применимость арматуры для магистральных трубопроводов, т.е. возможность использования ее при высоких давлениях, и надежность конструкции. Размещение герметизирующего уплотнения на боковой поверхности седла не позволяет рассчитать усилие его сжатия в посадочном гнезде и точно определить первоначальную форму уплотнения, достаточную для обеспечения требуемой герметичности. Кроме того, резьбовое соединение на боковой поверхности седла, подвергающегося боковым ударным нагрузкам со стороны запорного органа, со временем деформируется, обуславливая смещение седла и снижение герметичности клапана. Герметичность клапана может быть снижена и из-за формирующихся в процессе работы на поверхностях подшипников скольжения и штока отложений из частичек примесей и механических включений, содержащихся в потоке транспортируемой среды.

Наиболее близким к заявляемому клапану, обратному по назначению и технической сущности, является обратный клапан с осевым направлением потока, содержащий наружный корпус с входным и выходным каналами, в полости которого, в пазах, выполненных на внутренней поверхности входного и выходного каналов, посредством резьбовых соединений закреплены внутренний конусообразный корпус запорного органа и седло в виде кольца (4). На внутреннем корпусе посредством механизма перемещения, размещенного в полости внутреннего корпуса, подвижно установлен запорный орган с рабочей поверхностью в виде части сферы. Механизм перемещения запорного органа включает пружину сжатия, установленную на штоке, перемещающемся в подшипниках скольжения, зафиксированных в направляющей втулке. Пружина служит для закрытия клапана, открытие которого происходит под действием гидродинамических сил проходящего потока. Седло выполнено в виде кольца с конической поверхностью, контактирующей с поверхностью сферы запорного органа. Конусная поверхность седла, установленного во внутренней полости наружного корпуса, и сферическая форма внутренней полости в наружном корпусе определяют форму кольцевого канала между поверхностями наружного и внутреннего корпусов, образуя с входным патрубком проходное сечение клапана в виде сопла Вентури.

Недостатком обратного клапана является его ненадежность в условиях эксплуатации при высоких и переменных давлениях транспортируемых сред и возможность снижения герметичности. В результате воздействий на седло нагрузок, возникающих при срабатывании запорного органа, резьбовое крепление седла подвергается боковым ударным нагрузкам. При превышении расчетных давлений в транспортируемой среде возникают нагрузки, ведущие к деформации резьбовых креплений седла и внутреннего корпуса запорного органа. При деформации резьбового крепления седла и внутреннего корпуса возникает изменение их положения, утрачивается герметичность клапана.

Вероятность изменения положения седла и внутреннего корпуса, в результате деформации их резьбовых креплений, снижает надежность клапана и накладывает ограничения на диапазон давлений транспортируемой среды, для которых предназначается обратный клапан.

Боковым нагрузкам подвергаются также резьбовые соединения на боковых поверхностях ребер жесткости, которыми крепится внутренний корпус. Эти нагрузки являются переменными по направлению и обуславливаются воздействием потока транспортируемой среды, проходящей через клапан, на запорный орган. При длительной эксплуатации и больших нагрузках резьбовые соединения тоже подвергаются деформации.

Надежность обратного клапана и его герметичность могут быть снижены и из-за формирующихся в процессе работы на поверхностях штока механизма перемещения запорного органа и подшипников скольжения отложений из частичек примесей и механических включений, содержащихся в потоке транспортируемой среды.

Кроме того, известный клапан характеризуется сложностью разборки и сборки (при необходимости выполнения ремонта), требующих специальных приспособлений, в частности, для снятия седла и при выемке запорного органа, что трудно осуществимо в полевых условиях. В случае отказа клапана его приходится извлекать из магистральной линии для доставки на ремонтную базу, что влечет необходимость отключения трубопровода на длительный срок и обуславливает экономические потери транспортирующего предприятия. А деформация резьбовых соединений в креплениях седла и внутреннего корпуса запорного органа делает клапан вообще неразборным, и ремонт требует специальных приспособлений, предназначенных для срезания деформированных резьбовых креплений внутрикорпусных элементов клапана.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности конструкции клапана путем обеспечения стабильной герметичности в процессе всего срока эксплуатации и упрощение процесса ремонта.

Поставленная цель достигается тем, что в клапане обратном с осевым направлением потока, содержащем наружный корпус с входным и выходным каналами, во внутренней полости которого жестко закреплен с образованием кольцевого канала с профилем в виде сопла Вентури внутренний конусообразный корпус, в котором посредством механизма перемещения установлен запорный орган с рабочей поверхностью в виде части сферы, контактирующей с седлом, выполненным в виде кольца с контактной конусной поверхностью, вписывающей седло в профиль кольцевого канала, при этом механизм перемещения снабжен пружиной сжатия, установленной на штоке, перемещающемся в подшипниках скольжения, установленных в направляющей втулке, жестко закрепленной во внутреннем корпусе, а седло и внутренний корпус установлены в кольцевых пазах, выполненных соответственно на внутренних поверхностях входного и выходного каналов наружного корпуса, согласно изобретению седло и внутренний корпус зафиксированы на поверхностях пазов, перпендикулярных продольной оси клапана, и фиксация произведена резьбовыми крепежными элементами, кроме того, между седлом и поверхностью его фиксации размещено уплотнение, выполненное из материала, обладающего упругой деформацией, например, из графитсодержащего материала, например, из графлекса, а направляющая втулка снабжена накидной гайкой, в кольцевой проточке которой, выполненной в торцевой части, установлен скребок в виде кольца из эластичного материала, контактирующий с поверхностью штока.

Размещение седла в кольцевом пазу во входном канале наружного корпуса и фиксация его на поверхности паза, перепендикулярной продольной оси клапана, обеспечивает возможность разгрузки данного узла при ударных воздействиях запорного органа, т.к. ударное воздействие воспринимается торцевой поверхностью кольцевого паза, принадлежащей наружному корпусу. Резьбовые крепежные элементы в креплении седла в кольцевом пазу не подвергаются боковым ударным нагрузкам и не ослабляются в процессе эксплуатации клапана, что обеспечивает стабильное положение его внутрикорпусных элементов и повышает надежность клапана.

Крепление седла и внутреннего корпуса резьбовыми крепежными элементами, равномерно распределенными по окружности на поверхностях кольцевых пазов, перпендикулярных продольной оси клапана, обеспечивает съемность седла и внутреннего корпуса клапана, т.к. резьбовое крепление внутрикорпусных узлов на торцевых поверхностях кольцевых пазов облегчает их извлечение для ремонта. При проведении обслуживания или ремонта в полевых условиях в наружный корпус могут быть установлены исправные внутрикорпусные узлы, что сократит время отключения магистрали.

Использование для уплотнения, установленного между седлом и поверхностью его фиксации, материала со свойствами упругой деформации, например, графитсодержащих материалов, в частности, графлекса, позволяет не только рассчитать точную первоначальную форму уплотнения, необходимую и достаточную для обеспечения герметичности клапана при высоких давлениях, но и обеспечивает сохранность заданной формы и свойств уплотнения в течение всего срока эксплуатации клапана.

Снабжение направляющей втулки накидной гайкой, обеспечивающей стабильность сборки подшипниковых узлов и предохраняющей от попадания в них примесей из потока рабочей среды, и установка в кольцевом пазу гайки, выполненном в торцевой части, контактирующей с поверхностью штока, скребка в виде кольца из эластичного материала, предотвращает загрязнение поверхности штока, исключает залипание и заклинивание запорного органа, что повышает надежность клапана.

На фиг.1 показан описываемый клапан обратный с осевым направлением потока в разрезе.

На фиг.2 представлен выносной элемент Р.

На фиг.3 - выносной элемент С.

На фиг.4 показан выносной элемент Т.

Клапан содержит наружный корпус 1 с входным А и выходным Б каналами. Во внутренней полости наружного корпуса установлены внутрикорпусные узлы, представленные внутренним корпусом 2, который образует кольцевой канал В для прохода рабочей среды, и кольцевым седлом 3. В полости Г внутреннего корпуса установлен запорный орган 4 с рабочей поверхностью в виде части сферы. Механизм перемещения запорного органа содержит шток 5, установленный в подшипниках скольжения 6 и промежуточной втулке 7, зафиксированных накидной гайкой 8 и контргайкой 9 в направляющем элементе Д, являющемся частью корпуса 2 (на фиг.3). Запорный орган 4 прижат пружиной 10 к седлу 3, установленному в кольцевом пазу 11, выполненному на границе входного канала. Седло зафиксировано на поверхности 12 кольцевого паза посредством резьбовых элементов 13, равномерно распределенных по окружности. Между седлом и поверхностью 12 размещено уплотнение 14, выполненное в виде плоского кольца из графлекса.

В кольцевом пазу Е накидной гайки, выполненном в торцевой ее части, установлен скребок 15 в виде кольца из эластичного материала и демпфирующее кольцо 16, зафиксированные шайбой 17 (на фиг.2 и 4).

В хвостовой части внутреннего корпуса выполнена камера разгрузки Ж, соединенная дроссельным каналом И с полостью Г.

Положение внутреннего корпуса в полости наружного корпуса 1 определено кольцевым пазом К и зафиксировано резьбовыми крепежными элементами 18 на торцевой поверхности кольцевого паза, перпендикулярной продольной оси клапана. Поверхность Л внутреннего корпуса, являющаяся “опорной” для запорного органа, дополнена цилиндрической проточкой М, а запорный орган снабжен направляющим кольцом Н.

Клапан изображен закрытым при направлении потока по стрелке П.ружиной 10 запорный орган 4 прижимается к седлу 3, закрывая входной канал А. При этом шток 5 находится в крайне правом положении. При увеличении давления среды и превышении гидродинамических сил потока над усилием пружины запорный орган отходит от поверхности седла 3, открывая проход рабочей среде в кольцевой канал В и сжимая пружину 10. Усилие сжатия пружины определяется рабочим давлением в потоке рабочей среды и задается подбором пружины. Шток 5 перемещается в подшипниках скольжения 6, создавая при этом в камере разгрузки Ж повышенное давление. Поверхность штока при этом движении очищается от прилипших на ней частичек примесей скребком 15, снабженным демпфирующим кольцом 16, зафиксированным шайбой 17 в кольцевом пазу Е, выполненном в торцевой части накидной гайки 8. Давление из камеры разгрузки Ж через канал И сбрасывается в полость Г и оказывает противодействие усилию сжатия пружины, чем предотвращается удар при подходе запорного органа к торцевой поверхности Л внутреннего корпуса 2. Благодаря направляющему кольцу М запорный орган устанавливается в цилиндрической проточке Н внутреннего корпуса и клапан открывается, обеспечивая проход рабочей среды. Это положение клапана является рабочим.

При повышении давления в магистрали или регулируемом объекте (на чертеже не показаны), в момент превышения давления (при направлении потока по стрелке П) в выходном канале Б над давлением во входном канале А, воздействие гидравлических сил на запорный орган 4 исключается, и под действием пружины 10 он прижимается к седлу 3, зафиксированному на поверхности 12 кольцевого паза резьбовыми крепежными элементами 13. Графлексовое кольцевое уплотнение 14 прижато к поверхности 12 кольцевого паза усилием резьбовых крепежных элементов 13, передаваемым поверхностью седла. Это обеспечивает необходимую герметичность фиксации седла. Клапан герметично закрыт, предотвращая движение потока транспортируемой среды в обратную сторону.

Таким образом, предлагаемое выполнение элементов клапана обеспечивает поддержание заданной герметичности клапана в закрытом состоянии, что повышает надежность клапана и возможность работы в потоках с переменным режимом.

Кроме того, графитсодержащие уплотнения являются термостойкими и холодостойкими и расширяют температурный диапазон использования клапанов.

Благодаря резьбовому креплению в полости наружного корпуса основных элементов клапана облегчается их извлечение и ремонт, а также ускоряется восстановление изделия путем замены его внутренних элементов.

Источники информации

1. Патент РФ 1838702, кл. F 16 К 15/02, 30.08.1993.

2. Заявка Германии 3610965 А1, кл. F 16 К 15/02, 08.10.1987.

3. Рекламный проспект фирмы “Моквелд” “Обратные клапаны”.

4. Патент США 5921276 А, кл. F 16 К 15/06, 13.07.1999.

Изобретение относится к области арматуростроения, в частности к клапанам обратным, и предназначено для перекрытия обратного потока в газовых магистралях высокого давления. Клапан содержит наружный корпус с входным и выходным каналами. Во внутренней полости корпуса жестко закреплен с образованием кольцевого канала с профилем в виде сопла Вентури внутренний конусообразный корпус. В последнем посредством механизма перемещения установлен запорный орган с рабочей поверхностью в виде части сферы, контактирующей с седлом. Седло выполнено в виде кольца с контактной конусной поверхностью, вписывающей седло в профиль кольцевого канала. Механизм перемещения снабжен пружиной сжатия, установленной на штоке. Шток перемещается в подшипниках скольжения, установленных в направляющей втулке. Последняя жестко закреплена во внутреннем корпусе. Седло и внутренний корпус установлены в кольцевых пазах, выполненных соответственно на внутренних поверхностях входного и выходного каналов наружного корпуса. Седло и внутренний корпус зафиксированы на поверхностях пазов, перпендикулярных продольной оси клапана. Фиксация произведена резьбовыми крепежными элементами. Между седлом и поверхностью его фиксации размещено уплотнение, выполненное из материала, обладающего упругой деформацией, например, из графитсодержащего материала. Направляющая втулка снабжена накидной гайкой, в кольцевой проточке которой, выполненной в торцевой части, установлен скребок в виде кольца из эластичного материала. Скребок контактирует с поверхностью штока. Изобретение направлено на повышение надежности клапана путем обеспечения стабильной герметичности в процессе всего срока эксплуатации. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Клапан обратный с осевым направлением потока, содержащий наружный корпус с входным и выходным каналами, во внутренней полости которого жестко закреплен, с образованием кольцевого канала с профилем в виде сопла Вентури, внутренний конусообразный корпус, в котором посредством механизма перемещения установлен запорный орган с рабочей поверхностью в виде части сферы, контактирующей с седлом, выполненным в виде кольца с контактной конусной поверхностью, вписывающей седло в профиль кольцевого канала, при этом механизм перемещения снабжен пружиной сжатия, установленной на штоке, перемещающемся в подшипниках скольжения, установленных в направляющей втулке, жестко закрепленной во внутреннем корпусе, а седло и внутренний корпус установлены в кольцевых пазах, выполненных соответственно на внутренних поверхностях входного и выходного каналов наружного корпуса, отличающийся тем, что седло и внутренний корпус зафиксированы на поверхностях пазов, перпендикулярных продольной оси клапана, и фиксация произведена резьбовыми крепежными элементами, кроме того, между седлом и поверхностью его фиксации размещено уплотнение, выполненное из материала, обладающего упругой деформацией, например из графитсодержащего материала, а направляющая втулка снабжена накидной гайкой, в кольцевой проточке которой, выполненной в торцевой части, установлен скребок в виде кольца из эластичного материала, контактирующий с поверхностью штока.2. Клапан обратный с осевым направлением потока по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала уплотнения, установленного между седлом и поверхностью его фиксации, использован, например, графлекс.