СЕДЛО ШАРОВОГО КЛАПАНА Российский патент 2006 года по МПК F16K5/06 

Изобретение относится к запорной арматуре, в частности к седлам шаровых кранов.

Известно седло шарового клапана, выполненное в виде отформованного кольцевого блока из упруго деформируемого уплотнительного материала, одна часть которого установлена в кольцевую канавку корпуса клапана, а другая выполнена с возможностью контакта по боковой поверхности сферического запорного элемента (см. патент США №5904337 А от 18.05.99, № заявки 0352888, 05.03.98, МКИ F 16 K 5/06, ИСМ в.70, №10, 2000).

Недостатком данной конструкции является то, что при больших давлениях рабочей среды полимерный эластичный материал седла " течет", что приводит к его повреждению и разгерметизации. Применение более твердых и прочных материалов не обеспечивает герметичности узла из-за их малой упругости и эластичности.

Известно седло шарового клапана, состоящее из двух уплотнительных деталей разной твердости, установленных в выемку на внутренней поверхности корпуса, одна из которых является несущей и осуществляет удаление загрязняющих веществ с поверхности сферического запорного элемента перед соприкосновением его со второй уплотнительной деталью, отформованной из мягкого эластичного полимерного материала (см. патент США №6047952 А от 11.04.00, №з-ки 115049, 14.07.98, МКИ F 16 K 5/06, ИСМ в.70, №7, 2001).

Данная конструкция частично устраняет недостатки в вышеописанном аналоге. В данной конструкции использовано два уплотнительных элемента разной жесткости, один из которых работает как грязесъемник и опорный элемент, что снижает доступ загрязнений в зону трения седла со сферической поверхностью запорного элемента.

Недостатком данной конструкции является то, что при больших давлениях и повышенных температурах рабочей среды эластомерный материал седла "течет", что приводит к его повреждению и разгерметизации. При работе с рабочей средой в виде нефти, насыщенных высокомолекулярных соединений, на рабочей поверхности сферического запорного элемента образуются прочно прикрепленные наросты из смол, солей, которые твердому эластичному материалу удалить затруднительно. При повышенных температурах рабочей среды 200...250°С эластомерный материал размягчается, снижаются его показатели прочности, твердости, быстро повреждается механически (абразивными частицами) и химически (ускорения процессов старения и коррозии при повышенной температуре). При температуре 300...500°С рабочей среды используют только монолитные седла из металла, изготовление которых очень трудоемко, т.к. нет полимерных материалов, которые могли бы работать в таких условиях.

Известна конструкция седла шарового клапана, которая включает корпус с кольцевой проточкой, обращенной к уплотняемой поверхности сферического элемента, в которую установлен одной частью кольцевой блок, причем другая часть кольцевого блока выполнена с возможностью контакта по наружной поверхности сферического элемента, при этом кольцевой блок включает в себя несколько кольцевых тел, одни из которых выполнены из первого элементного изделия с более высокими показателями твердости и прочности, например из стали, а другие тела выполнены из второго элементного изделия - уплотнительного, более мягкого и пластичного, термостойкого, например, графита, причем кольцевые тела из второго элементного изделия расположены в промежутке между кольцевыми телами, выполненными из первого элементного изделия (см. патент РСТ WO 99/02904 А1 от 21.01.99 г. Кл. Р 16 К 5/06 - прототип).

Данное изобретение обладает преимуществом по сравнению с приведенными аналогами, т.к. обеспечивает работоспособность при высоких температурах рабочей среды за счет применения металлических и содержащих графит (графлекс) изделий в качестве уплотнительных элементов.

Недостатком устройства является то, что в процессе эксплуатации при открытии и закрытии клапана, когда имеют место высокие скорости потока среды, происходит износ и промыв кольцевых тел из второго элементного изделия, а из-за неравномерной температурной деформации тонкостенных кольцевых тел из первого элементного изделия они не могут самостоятельно выполнять уплотняющую функцию, а лишь выполняют функцию опорных и предохранительных элементов.

Задача изобретения - улучшение работоспособности седла при высоких рабочих температурах за счет снижения эрозионного размыва уплотняющих изделий и абразивного, механического повреждения.

Поставленная задача достигается тем, что в седле шарового клапана, включающем кольцо с кольцевой проточкой, обращенной к уплотняемой поверхности сферического элемента, в которую установлена одна часть кольцевого блока, а другая - выполнена с возможностью контакта по уплотняемой поверхности сферического элемента, при этом кольцевой блок включает в себя несколько кольцевых тел, одни из которых выполнены из первого элементного изделия с более высокими показателями твердости и прочности, например из стали, а другие тела выполнены из второго элементного изделия - уплотнительного, более мягкого и пластичного, термостойкого, например графита, причем кольцевые тела из второго элементного изделия расположены в промежутке между кольцевыми телами, выполненными из первого элементного изделия, со стороны входного, выходного отверстий и сферического элемента кольцо выполнено с буферными элементами, создающими сопротивление потоку среды, кроме того:

- буферные элементы выполнены пористыми и проницаемыми, проволочными с упруго-демпфирующими свойствами - из "металлорезины",

- буферные элементы выполнены с игольчатыми или шипообразными элементами разного профиля в поперечном сечении, например в виде щетины, шипов, которые обращены к поверхностям сферического элемента и к входному, выходному отверстиям,

- буферные элементы выполнены с упругими свойствами,

- игольчатые элементы расположены под углом к поверхности прикрепления колец,

- буферные элементы выполнены в виде полых сотов разной формы, размеров, глубины, с различным углом наклона стенок сотов, обращенных к поверхностям сферического элемента, к входному, выходному отверстиям,

- буферные элементы со стороны входного, выходного отверстий корпуса выполнены L-образной формы,

- буферные элементы со стороны входного, выходного отверстий корпуса выполнены частично или полностью в виде кольцевых канавок, выступов, кольцевых ребер, разнообразного профиля, глубины, шага.

Суть изобретения заключается в том, что применены специальные буферные элементы торможения потока среды, которые снижают скорость потока в момент открытия и эрозионный износ уплотнительных элементов.

На фиг.1, 2 показаны продольные сечения седла в положении "открыто" и "начало открытия" соответственно, на фиг.3, 4, 5 - вид А на поверхность буферного элемента.

Седло шарового клапана включает кольцо 1 с кольцевой проточкой 2, обращенной к уплотняемой поверхности 3 сферического элемента 4, в которую установлена одна часть 5 кольцевого блока 6, а другая часть 7 - выполнена с возможностью контакта по уплотняемой поверхности 3 сферического элемента 4. Кольцевой блок 6 включает в себя несколько кольцевых тел (КТ) 8, 9, одни из которых КТ 8 выполнены из первого элементного изделия с более высокими показателями твердости и прочности, например из стали. Другие КТ 9 выполнены из второго элементного изделия - уплотнительного, более мягкого и пластичного, термостойкого, например, графита и расположены в промежутке между КТ 8, выполненными из первого элементного изделия, со стороны входного 10 (выходного) отверстий и сферического элемента 4 кольцо 1 выполнено с буферными элементами (БЭ) 11, 12, создающими сопротивление потоку среды. БЭ 11, 12 могут быть выполнены пористыми и проницаемыми: из керамики, из проволоки в виде сетки, группы сеток (спеченного многослойного пакета из сеток с разными или одинаковыми размерами ячеек), в виде проволочного изделия с упруго-демпфирующими свойствами - "металлорезины", которые в месте контакта со сферическим элементом 4 сопряжены с натягом. БЭ 11, 12 могут быть выполнены с игольчатыми, шипообразными элементами 13 разного профиля в поперечном сечении (фиг.5), например в виде щетины, шипов, которые обращены к поверхностям сферического элемента 4 и к входному 10 (выходному) отверстиям, причем игольчатые элементы 13 могут быть расположены под углом к поверхности прикрепления колец 1 и выполняются с упругими свойствами и в месте контакта со сферическим элементом сопрягаться с натягом (могут быть и жесткими, но сопряжение при этом - без натяга). БЭ 11, 12 могут быть выполнены в виде полых сотов 14 разной формы, размеров, шага, глубины, с различным углом наклона стенок сотов к направлению потока и к поверхности прикрепления колец 1 (фиг.3), обращенных к поверхностям сферического элемента, к входному 10 (выходному) отверстиям. БЭ 11 со стороны входного 10 (выходного) отверстий корпуса выполнены L-образной формы. БЭ 11 со стороны входного 10 (выходного) отверстий корпуса выполнены частично или полностью в виде кольцевых канавок, выступов, ребер 15 разного профиля, высоты, шага (фиг.1, 4). На фиг.2 показаны седло в момент открытия сферического элемента 4 и направления потоков среды. 16 - отверстие сферического элемента 4.

Работа устройства. В момент открытия (закрытия) сферического элемента 4 (фиг.2) имеют место большой перепад давления, малая площадь проходного сечения, высокие скорости потока рабочей среды. Поток среды, проходит мимо БЭ 11 через щель образованную входным отверстием 10, а именно поверхностью БЭ 11 в виде канавок, ребер 15 или сот 14. При этом в потоке среды происходит появления смерчеобразных струй (вихрей) в лунках сотовой или межреберной рельефной поверхности, порожденных трением вязкого потока об обтекаемую поверхность, которые увеличивают сопротивление канала протоку среды в зависимости от конструктивных особенностей гребней (ребер) или сот, их формы, размеров и размера щели (см. В.В.Алексеев, И.А.Гачечепидзе и др. Смерчевой энергообмен на трехмерных вогнутых рельефах - структура самоорганизующихся течений их визуализация и механизмы обтекания поверхности // Труды второй Российской конференции по теплообмену Т.6. - М.: Изд-во МЭИ 1998, с.37-42). Применение сотов 14 позволяет ужесточить конструкцию, что важно при больших расходах, где имеют место большие скорости потока, т.к. на соты действуют значительные тангенциальные усилия со стороны потока среды. В каждой лунке сотов 14 образуются вихри-смерчи, вектор скорости которых, при правильно выбранных размерах лунок, направлен против движения основного потока, что приводит к динамическому его гашению, т.е. вихрь, возникший при обтекании лунки, гасит скорость потока и срабатывает давление среды. Выполнение ребер, выступов, канавок 15 или сот 14 наклонными к поверхности кольца 1 с образованием острого угла между их стенками и направлением потока среды увеличивают общее торможение потока, энергию вихрей и векторов их скоростей, направленных против потока среды. Выполнение БЭ 11 пористыми и проницаемыми: из керамики, из проволоки в виде сеток (спеченного многослойного пакета из сеток с разными или одинаковыми размерами ячеек), в виде изделия с упруго-демпфирующими свойствами - "металлорезины", позволяет сработать часть перепада давления среды до момента образования щели между седлом и отверстием 16 сферического элемента 4, т.к. рабочая среда просачивается и дросселируется, проходя через сеть многочисленных каналов порового пространства проницаемого БЭ 11, 12, при этом срабатывается определенная часть входного рабочего давления. При дальнейшем открытии сферического элемента 4 образуется щель, но часть входного рабочего давления уже сработана и скорость потока при открытии уменьшается.

Выполнение БЭ 11, 12 с игольчатыми элементами 13 разного профиля в поперечном сечении (фиг.5), например в виде щетины, шипов, которые обращены к поверхностям сферического элемента 4 и к входному 10 (выходному) отверстиям, позволяет сработать часть входного рабочего давления до образования щели между отверстием 16 сферического элемента 4 и седлом аналогично вышеописанному случаю.

Выполнение БЭ 11, 12 с упругими свойствами ("металлорезины", с упругими игольчатыми, шипообразными элементами 13) обеспечивает дополнительный эффект очистки поверхности 3 сферического элемента 4 от налипших частиц и предотвращения попадания абразивных частиц в зону трения седла с поверхностью 3, т.к. БЭ 11, 12 сопряжены с натягом со сферическим элементом 4. Более того, при входе БЭ 11, 12 в отверстие 16 сферического элемента 4 они распрямляются (нет натяга) и увеличиваются в размере, создавая дополнительный буфер, барьер потоку среды. Это отклоняет поток среды от КТ 9, КТ 8 и снижает их эрозионный износ. Выполнение БЭ 11 со стороны входного 10 (выходного) отверстий корпуса L-образной формы позволяет начать торможение потока задолго до входа в щелевое отверстие при открытии (закрытии) сферического элемента, что также снижает скорость потока.

БЭ 12 также способствует снижению скорости потока, омывающего КТ 8, КТ 9 с целью снижения их эрозионного износа, кроме этого, обеспечивается функция защиты их от механического повреждения абразивными частицами и частицами, которые налипли на поверхность 3 сферического элемента 4.

В результате применения БЭ 11, 12 разных конструкций происходит срабатывание части входного рабочего давления в момент открытия или закрытия сферического элемента 4, что обеспечивает уменьшение скорости потока в начальный момент открытия и снижения турбулентности потока. Это снижает энергию струй потока среды, которые воздействуют на КТ 8, КТ 9 седла и снижают их эрозионный размыв, особенно КТ 9, выполненных из мягкого волокнистого элементного уплотнительного изделия. Процессом срабатывания части входного рабочего давления можно управлять путем изменения параметров БЭ 11, 12 (размеров пор, пористости, геометрических размеров и др.).

Данная конструкция седла может быть использована в шаровой запорной, регулирующей, предохранительной арматуре работающей при температурах 200...800°С в различных отраслях промышленности.

Седло шарового клапана предназначено для использования в запорной арматуре. Седло шарового клапана включает кольцо с кольцевой проточкой, которая обращена к уплотняемой поверхности сферического элемента. В проточку установлена часть кольцевого блока, а другая часть выполнена с возможностью контакта по уплотняемой поверхности сферического элемента. Блок включает в себя несколько кольцевых тел. Тела выполнены из первого элементного изделия, например из стали, и из второго элементного изделия - уплотнительного, например из графита. Второе элементное изделие расположено в промежутке между телами первого элементного изделия. Со стороны входного и выходного отверстий и сферического элемента кольцо выполнено с буферными элементами, создающими сопротивление потоку среды. Изобретение обеспечивает улучшение работоспособности седла при высоких рабочих температурах. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Седло шарового клапана, включающее кольцо с кольцевой проточкой, обращенной к уплотняемой поверхности сферического элемента, в которую установлена одна часть кольцевого блока, а другая выполнена с возможностью контакта по уплотняемой поверхности сферического элемента, при этом кольцевой блок включает в себя несколько кольцевых тел, одни из которых выполнены из первого элементного изделия с более высокими показателями твердости и прочности, например из стали, а другие тела выполнены из второго элементного изделия - уплотнительного, более мягкого и пластичного, термостойкого, например графита, и расположены в промежутке между кольцевыми телами, выполненными из первого элементного изделия, отличающееся тем, что со стороны входного, выходного отверстий и сферического элемента кольцо выполнено с буферными элементами, создающими сопротивление потоку среды.2. Седло по п.1, отличающееся тем, что буферные элементы выполнены пористыми и объемно-проницаемыми, например, из проволочных сеток или из «металлорезины».3. Седло по п.2, отличающееся тем, что буферные элементы выполнены в виде шипов.4. Седло по п.1, отличающееся тем, что буферные элементы выполнены в виде полых сот.5. Седло по п.1, отличающееся тем, что буферные элементы со стороны входного и выходного отверстий корпуса выполнены частично или полностью в виде кольцевых канавок, или выступов, или ребер. 6. Седло по п.1, отличающееся тем, что буферные элементы выполнены с упругими свойствами.7. Седло по любому из пп. 3-5, отличающееся тем, что шипы, или соты, или выступы, или ребра расположены под углом к поверхности прикрепления.8. Седло по п.1, отличающееся тем, что буферные элементы со стороны входного и выходного отверстий корпуса выполнены L-образной формы.