КЛАПАН, ОСНАЩЕННЫЙ КЕРАМИЧЕСКИМ ЗАТВОРОМ С ЗАЩИЩЕННЫМИ ЗАПИРАЮЩИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ Российский патент 2015 года по МПК F16K47/04 F16K1/34 

Настоящее изобретение истребует приоритет предварительной заявки на патент США №61/315,717, зарегистрированной 19 марта 2010 г., озаглавленной «Клапаны, оснащенные керамическим затвором для защиты запирающих поверхностей», и включенной сюда в полном объеме.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к регулирующим клапанам и в частности к клапанам, имеющим керамический затвор с защищенными запирающими поверхностями.

Уровень техники

Регулирующие клапаны часто применяются в установках или системах управления производственными процессами для управления прохождением текучих сред, применяемых в этих процессах. Обычно управляющие клапаны включают в себя затвор или затворное устройство с клапанной пробкой (например, металлическая клапанная пробка) и клапанным седлом, которые располагаются на пути прохождения текучей среды с целью управления прохождением текучей среды по проточному каналу между входом и выходом. Шток или шпиндель клапана оперативно связывает клапанную пробку с приводом, например с пневматическим приводом, ручным приводом и т.п. Привод перемещает пробку между открытым положением, в котором пробка отделена зазором от клапанного седла, позволяя текучей среде проходить через проточный канал, и закрытым положением, в котором клапанная пробка герметично прижата к клапанному седлу, блокируя прохождение текучей среды через проточный канал.

При работе в жестких условиях, например в нефтехимической промышленности, регулирующие клапаны могут подвергаться экстремальным эрозионным воздействиям, которые могут привести к быстрому износу или сокращению срока службы клапанного затвора (т.е. клапанного седла, клапанной пробки и т.п.). Например, клапанный затвор может подвергаться воздействию потока рабочих текучих сред, содержащих захваченные твердые частицы (например, керамическую катализаторную пыль). Эти захваченные потоком частицы могут повреждать (например, снимать материал) и/или приводить к быстрому износу запирающую поверхность клапанного седла и/или запирающую поверхность клапанной пробки, изготовленную из металла, в результате прохождения потока текучей среды с захваченными твердыми частицами между входом и выходом клапана. Такое повреждающее воздействие обостряется в применениях с высоким перепадом давления, поскольку твердые частицы могут сталкиваться с металлическими поверхностями клапанного седла и/или клапанной пробки, двигаясь на относительно высоких скоростях. Запирающая поверхность клапанного седла и/или клапанной пробки, поврежденная или изношенная в результате такого воздействия, становится непригодной для управления прохождением текучей среды, в результате чего срок эксплуатации клапанного затвора значительно сокращается.

Для работы в жестких условиях эксплуатации часто применяют клапанные седла и/или клапанные пробки, изготовленные из керамических материалов, что позволяет снизить вероятность повреждения и/или износа, вызванного крайне эрозионными рабочими текучими средами, способными повредить металлические клапанные седла и/или металлические клапанные пробки, тем самым увеличивая срок службы клапанного седла и/или клапанной пробки. Однако, обладая высокой устойчивостью к указанным выше эрозионным или коррозионным воздействиям твердых частиц и подобных веществ, такие керамические клапанные пробки и/или клапанные седла могут оказаться неспособными выдерживать значительные осевые усилия со стороны привода, часто требующиеся для герметичного блокирования потока текучей среды. Например, привод отсечного клапана прикладывает относительно большую запирающую нагрузку или усилие к клапанной пробке, когда клапанная пробка прижимается к клапанному седлу для относительно плотного запирания и предотвращения или блокирования потока текучей среды через проточный канал клапана. Под воздействием таких высоких нагрузок клапанная пробка и/или клапанное седло, изготовленные из керамики, могут сломаться, разбиться или потрескаться.

Раскрытие изобретения

В одном представленном варианте клапанное затворное устройство включает клапанное седло, состоящее из некерамического материала и имеющее вставную гильзу, состоящую из керамического материала. Запирающий элемент имеет первичный элемент управления потоком и вторичный элемент управления потоком. Вторичный элемент управления потоком изготовлен из керамического материала и установлен в полости запирающего элемента. Первичный элемент управления потоком герметично прижимается к некерамическому материалу клапанного седла, а вторичный элемент управления потоком перемещается внутри канала вставной гильзы для того, чтобы регулировать прохождение текучей среды через клапанное седло тогда, когда элемент управления потоком отдаляется от некерамического материала клапанного седла.

В другом варианте устройство клапанного затвора содержит клапанное седло, изготовленное из металлического материала, оснащенное вставкой, которая изготовлена из керамического материала. Сборная клапанная пробка имеет первичную металлическую запирающую поверхность и вторичную керамическую регулирующую поверхность, окруженную указанной металлической запирающей поверхностью. Регулирующая поверхность перемещается по отношению к каналу вставки с целью снижения перепада давления на металлической запирающей поверхности при отодвигании клапанной пробки от клапанного седла.

Краткое описание графических материалов

На Фиг.1 показан известный регулирующий клапан, в котором применяется известное клапанное затворное устройство.

На Фиг.2А показан вариант регулирующего клапана, в котором установлено клапанное затворное устройство по описанному здесь варианту.

На Фиг.2В показана в увеличенном виде часть клапанного затворного устройства, показанного на Фиг.2А.

На Фиг.3А показаны регулирующий клапан и клапанное затворное устройство, представленные на Фигурах 2А и 2В, в промежуточном положении.

На Фиг.3В показана в увеличенном виде часть клапанного затворного устройства, изображенного на Фиг.3А.

На Фиг.4А показаны регулирующий клапан и клапанное затворное устройство, представленные на Фигурах 2А, 2В, 3А и 3В, в открытом положении.

На Фиг.4В показана в увеличенном виде часть клапанного затворного устройства, изображенного на Фиг.4А.

Осуществление изобретения

В целом, описанный здесь вариант клапанного затворного устройства можно применять для работы с сильно эрозионными рабочими текучими средами, например с такими рабочими текучими средами (например, содержащими водород текучими средами), в которых содержатся твердые частицы (например, керамического катализатора), часто приводящие к повреждению или эрозии традиционных компонентов клапанного затвора. Описанный здесь вариант клапанного затворного устройства может служить значительно дольше, чем традиционный клапанный затвор.

Более конкретно, представленное клапанное затворное устройство имеет регулирующую часть или осуществляет регулирующую функцию отдельно от запирающей части или функции. Кроме того, представленное клапанное затворное устройство передает часть перепада давления на регулирующий участок клапанного затворного устройства, тем самым делая минимальным перепад давления на запирающей части клапанного затворного устройства. В дополнение к этому относительно большая нагрузка или толчковое усилие может прикладываться к запирающей части клапанного затворного устройства, в то время как любая нагрузка, воздействующая на регулирующую часть клапанного затворного устройства, может быть минимизирована.

В частности, описанное здесь затворное устройство включает клапанное седло, состоящее из металлического материала и содержащее вставку, изготовленную из керамического материала. Сборная клапанная пробка представленного затворного устройства имеет первичную металлическую посадочную поверхность и вторичную керамическую регулирующую поверхность, окруженную указанной металлической поверхностью. В процессе работы регулирующая поверхность перемещается по отношению к каналу вставки для того, чтобы уменьшить перепад давления на металлической запирающей поверхности в процессе отделения сборной клапанной пробки от клапанного седла. Таким образом, затворное устройство включает керамическую регулирующую поверхность или керамический затвор для защиты металлических или запирающих поверхностей затворного устройства.

На Фиг.1 показан известный сборный регулирующий клапан 100 (например, проходной запорно-регулирующий клапан углового типа), в котором установлено известное клапанное затворное устройство 102, пригодное для применения в жестких условиях эксплуатации (например, для работы с сильно эрозионными текучими средами, в условиях высокого давления и т.п.). Как показано на Фиг.1, традиционный сборный регулирующий клапан 100 включает клапанный корпус 104, в котором образован проточный канал 106 для прохождения текучей среды между входным или боковым отверстием 108 и выходным (или нижним) отверстием 110. В этом примере вход 108 расположен под углом по отношению к выходу 110. Клапанная головка 112 прикреплена к клапанному корпусу 104 с помощью крепежных деталей 114 и соединяет клапанный корпус 104 с приводом (не показан). В клапанной головке 112 также помещена уплотнительная система 116, предотвращающая утечку рабочей текучей среды в окружающую среду.

Клапанное затворное устройство 102 включает элемент управления потоком или клапанную пробку118 и клапанное седло или седельное кольцо 120, расположенные в проточном канале 106. Привод (например, пневматический привод, электрический привод, гидравлический привод и т.п.) может быть оперативно связан с клапанной пробкой 118 через клапанный шток 122 и может перемещать клапанную пробку 118 по отношению к седельному кольцу 120 для управления прохождением текучей среды через проточный канал 106 между входом 108 и выходом 110. Фиксатор кольца или бобышка 124 фиксирует положение седельного кольца 120 внутри клапанного корпуса 104 и имеет удлиненный корпус, вытянутый для защиты поверхности 128 выхода 110 от вредных воздействий процесса, например от истирания, коррозии, эрозии и т.п. В представленном на Фиг.1 примере седельное кольцо 120 и бобышка 124 представляют собой отдельные детали, изготовленные таким образом, что бобышка 124 соединена тугой посадкой с седельным кольцом 120, тем самым удерживая седельное кольцо 120 в фиксированном положении внутри клапанного корпуса 104. В других вариантах бобышка 124 может быть изготовлена как одно целое с седельным кольцом 120, образуя практически единую деталь.

В процессе работы привод перемещает клапанный шток 122, а следовательно, и клапанную пробку 118 между закрытым положением, в котором клапанная пробка 118 герметично прижата к седельному кольцу 120, предотвращая или ограничивая прохождение текучей среды через проточный канал 106 от входа 108 к выходу 110, и полностью открытым положением или положением максимального потока, в котором клапанная пробка 118 отделена зазором от седельного кольца 120, позволяя текучей среде проходить по проточному каналу 106 между входом 108 и выходом 110.

Для работы не в жестких условиях текучей среды (например, при работе с неэрозионными текучими средами, при работе с относительно низкими перепадами давления и т.п.) клапанную пробку 118 и/или клапанное седло 120 в типичном случае изготовляют из металлического материала, например из нержавеющей стали или из любого другого подходящего металлического материала. Однако в жестких условиях работы посадочная поверхность 130 клапанной пробки 118 и/или запирающая поверхность 132 седельного кольца 120 могут быстро изнашиваться или получать повреждения. Например, при работе с высокими перепадами давления текучая среда (например, жидкость, газ, пар и т.п.) на входе 108 клапана 100 обычно имеет относительно высокое давление, которое снижается до значительно более низкого давления на выходе 110 клапана 100. Относительно большой перепад давления на клапане 100 значительно повышает скорость прохождения текучей среды через проточный канал 106 клапанного корпуса 104. Повышенная скорость прохождения текучей среды через клапан 100 может привести к образованию турбулентного потока, который может оказывать воздействие нежелательными усилиями или иными факторами текучей среды, способными привести к повреждению (например, к снятию материала) поверхности 130 седельного кольца 120 и/или поверхности 132 клапанной пробки 118, тем самым сокращая срок службы седельного кольца 120 и/или клапанной пробки 118.

В дополнение к указанному или вместо указанного в жестких условиях работы (например, в нефтехимической промышленности) клапанное затворное устройство 102 может подвергаться воздействию сильно эрозионных и/или коррозионных текучих сред, что может привести к быстрому износу или к снятию материала поверхности 130 и/или поверхности 132 и к существенному сокращению срока службы клапанного затворного устройства 102. Например, на клапанную пробку 118 и/или седельное кольцо 120 могут воздействовать рабочие текучие среды, содержащие захваченные потоком твердые частицы (например, керамическая катализаторная пыль), способные приводить к износу или выходу из строя поверхностей 130 и/или 132. Кроме того, такое эрозионное воздействие усиливается в том случае, когда сильно эрозионные рабочие текучие среды, содержащие захваченные твердые частицы (например, керамическую катализаторную пыль), находятся в условиях относительно высокого перепада давления, а следовательно, проходят через клапанное затворное устройство 102 на повышенной скорости, вследствие чего твердые частицы могут ударяться в поверхности 130 и/или 132 на относительно высокой скорости. Воздействие скоростных потоков таких эрозионных текучих сред на поверхности 130 и/или 132 может привести к быстрому ухудшению качества и/или износу (например, к потере материала) этих поверхностей и к значительному сокращению срока службы клапанного затворного устройства 102.

Для работы в условиях эрозионных текучих сред часто применяют изготовленные из керамических материалов клапанные пробки и/или клапанные седла, поскольку керамические материалы обладают относительно высокой устойчивостью к воздействию эрозионных или коррозионных текучих сред и высоких перепадов давления, что продлевает срок службы клапанных пробок и/или клапанных седел. Например, в показанном на Фиг.1 варианте клапанная пробка 118 и/или клапанное седло 120 могут быть изготовлены из керамического материала. В этом случае бобышка 124 фиксирует положение керамического седельного кольца 120 внутри клапанного корпуса 104. Однако для соединения такой клапанной пробки 118 с клапанным штоком 122 может потребоваться сложный механизм механического крепления. В дополнение к этому или вместо этого, как указывалось выше, керамическая клапанная пробка 118 может получить повреждение (например, сломаться, разбиться, треснуть и т.п.) под воздействием осевых усилий и/или запирающих нагрузок, прикладываемых к клапанной пробке 118 через привод для герметичного запирания клапана в случае применения его в качестве отсечного клапана.

На Фиг.2А показан предлагаемый вариант регулирующего клапана 200, выполненный с описанным здесь клапанным затворным устройством 202, пригодный для работы в условиях высокого перепада давления и/или в крайне эрозионных или коррозионных условиях, например в условиях работы с текучими средами, содержащими захваченные потоком твердые частицы (например, керамическую каталитическую пыль). На Фиг.2В показана в увеличенном виде часть предлагаемого клапанного затворного устройства 202 по Фиг.2А.

Показанный на Фигурах 2А и 2В клапан 200 включает клапанный корпус 204, в котором образован проточный канал 206 между входным или боковым отверстием 208 и выходным или нижним отверстием 210. Клапанное затворное устройство 202 располагается в проточном канале 206 клапанного корпуса 204 для управления прохождением текучей среды между входом 208 и выходом 210. В представленном варианте вход 208 расположен под углом по отношению к выходу 210. Клапанная головка 212 прикреплена к клапанному корпусу 204 (например, с помощью крепежных деталей), а также соединяет клапанный корпус 204 с приводом (не показано). Привод оперативно связан с клапанным затворным устройством 202 через клапанный шток 214.

Клапанное затворное устройство 202 содержит сборную клапанную пробку или запирающий элемент 216, содержащий первичный элемент 218 управления потоком и вторичный элемент 220 управления потоком. Клапанное затворное устройство 202 также включает клапанное седло 222, содержащее запирающую поверхность 224 и вставную гильзу 226. В этом примере первичный элемент 218 управления потоком и запирающая поверхность 224 состоят из некерамического материала, а вторичный элемент 220 управления потоком и вставная гильза 226 состоят из керамического материала. В некоторых вариантах клапанное седло 222 и первичный элемент 218 управления потоком могут быть изготовлены из одного и того же некерамического материала. В альтернативном варианте клапанное седло 222 может состоять из первого некерамического материала, а первичный элемент 218 управления потоком может состоять из второго некерамического материала, отличающегося от первого некерамического материала. Аналогично, вставная гильза 226 и вторичный элемент 220 управления потоком могут состоять из одного и того же керамического материала. В альтернативном варианте вставная гильза 226 может быть изготовлена из первого керамического материала, а вторичный элемент 220 управления потоком может быть изготовлен из второго керамического материала, отличающегося от первого керамического материала.

Некерамический материал может включать металлический материал, высокопрочный металлический сплав, такой как, например, никель, сплав на основе никеля, материал, обладающий высокой прочностью, некерамический материал, обладающий высокой устойчивостью к эрозии и коррозии, термопластический материал, высокоэластичный материал и/или любой другой некерамический материал (материалы). Керамический материал может включать, например, карбид, карбид вольфрама и/или любые другие керамические материалы, обладающие высокой устойчивостью к эрозионным и коррозионным условиям. В одном конкретном варианте первичный элемент 218 управления потоком и клапанное седло 222 состоят из сплава на основе никеля, а вторичный элемент 220 управления потоком и вставная гильза 226 состоят из карбида вольфрама.

Первичный элемент 218 управления потоком взаимодействует с запирающей поверхностью 224 или перемещается по отношению к ней с целью осуществления функции пропускания/блокирования или управления блокированием потока, предотвращая прохождение текучей среды через проточный канал 206, когда клапан 200 находится в закрытом положении. Вторичный элемент 220 управления потоком взаимодействует с вставной гильзой 226 или перемещается по отношению к ней для модуляции или регулирования потока текучей среды через проточный канал 206 между входом 208 и выходом 210. Как более ясно видно на Фиг.2В, первичный элемент 218 управления потоком включает запирающую поверхность 228 (например, металлическую запирающую поверхность), герметично прижимающуюся к запирающей поверхности 224 (например, металлической запирающей поверхности) клапанного седла 222 для обеспечения относительно плотного блокирования потока. Вторичный элемент 220 управления потоком включает регулирующую поверхность 230 (например, керамическую регулирующую поверхность), перемещающуюся по отношению к каналу 232 вставной гильзы 226 (например, керамической гильзы) для модулирования потока текучей среды. В этом примере запирающая поверхность 228 первичного элемента 218 управления потоком изготовлена как одно целое с телом 234 запирающего элемента 216. Однако в других примерах первичный элемент 218 управления потоком может представлять собой втулку, связанную (например, расположенную внутри) с поверхностью 236 (например, вырезом, канавкой, отверстием и т.п.) запирающего элемента 216.

Показанный запирающий элемент 216 включает полость 238, имеющую ось 240, коаксиально совмещенную с осью 242 клапанного седла 222, предназначенную для помещения вторичного элемента 220 управления потоком. В представленном варианте вторичный элемент 220 управления потоком включает вставку 244 клапанной пробки, имеющую основание 246 и удлиненную часть 248, вытянутую от основания 246. В положении соединения с запирающим элементом 216 основание 246 располагается внутри полости 238 запирающего элемента 216 таким образом, что удлиненный участок 248 вытянут к каналу 232 вставной гильзы 226. В этом примере вторичный элемент 220 управления потоком состоит из керамического материала и установлен (например, горячей посадкой) внутри полости 238 запирающего элемента 216 и окружен первичным элементом 218 управления потоком. Таким образом, в представленном варианте запирающий элемент 216 включает узел, содержащий металлическую запирающую поверхность 228 и керамическую регулирующую поверхность 230, окруженную металлической запирающей поверхностью 228. Однако в других примерах для крепления вторичного элемента 220 управления потоком к запирающему элементу 216 может быть задействован другой подходящий процесс (процессы) изготовления и/или крепежные детали (например, механические крепежные детали).

Кроме того, как будет подробнее описано ниже, удлиненный участок 248 создает мертвую зону или мертвую область 250 управления потоком (Фиг.2 В) для уменьшения перепада давления, воздействующего на металлическую посадочную поверхность 228 и/или металлическую запирающую поверхность 224, когда первичный элемент 218 отделяется от клапанного седла 222. Запирающий элемент 216 скользит внутри направляющей 251 (например, цилиндрической направляющей), которая направляет запирающий элемент 216 при перемещении запирающего элемента 216 под воздействием привода между первым положением (например, полностью закрытым положением) и вторым положением (например, полностью открытым положением).

Показанный на Фигурах 2А и 2В клапан 200 включает бобышку 252, изготовленную как одно целое с клапанным седлом 222, составляя в совокупности с ним практически единую деталь конструкции. В этом примере бобышка 252 связана резьбовым соединением с клапанным корпусом 204 посредством крепежных деталей 254. В других вариантах бобышка 252 может быть зажата между наружным фланцем (не показано) клапанного корпуса 204 и расположенным ниже по течению трубопроводом (не показано). Кроме того, в других вариантах клапанное седло 222 может представлять собой седельное кольцо, зафиксированное внутри клапанного корпуса 204 посредством бобышки 252. В этом варианте бобышка 252 включает удлиненное тело 256, вытянутое для защиты поверхности 258 выхода 210 от негативного воздействия рабочих процессов, например от истирания, коррозии и т.п.

В показанном варианте вставная гильза 226, по меньшей мере, частично расположена или установлена (например, горячей посадкой) внутри отверстия 260 бобышки 252 и вытянута вдоль части удлиненного тела 256 бобышки 252. Как показано на чертеже, канал 232 вставной гильзы 226 имеет рельефную внутреннюю поверхность 262 (например, внутреннюю поверхность в форме трубки Вентури), предназначенную для оптимизации технических характеристик потока текучей среды, проходящего между входом 208 и 210. Внутренняя поверхность 262 канала 232 может быть образована с помощью шлифовки или любого другого соответствующего процесса (процессов). Однако в других вариантах внутренняя поверхность 262 канала 232 может линейно сужаться или может содержать отверстие любой другой приемлемой формы. В других альтернативных вариантах, где не задействован канал 252, вставная гильза 226 может быть, по меньшей мере, частично расположена внутри отверстия клапанного седла или седельного кольца с помощью, например, горячей посадки или с помощью любого другого процесса (процессов) изготовления. Такие примеры включают (не ограничивая) линейные клапаны, поворотные клапаны и/или другие подходящие устройства управления потоком.

В процессе работы привод может толкать или перемещать запирающий элемент 216 между закрытым положением или перемещением на ноль процентов (0%) длины хода и открытым положением или перемещением на 100 процентов длины хода. На Фиг.2А и 2В показан запирающий элемент 216 в закрытом положении 264 (т.е. при перемещении на ноль процентов длины хода) по отношению к клапанному седлу 222. В закрытом положении 264 металлическая посадочная поверхность 228 первичного элемента 218 управления потоком герметично прижата к металлической запирающей поверхности 224 клапанного седла 222, блокируя прохождение текучей среды через проточный канал 206 между входом 208 и выходом 210. Кроме того, при закрытом положении 264 клапана 200 максимальная длина или величина мертвой зоны или области 250 удлиненного участка 248 вторичного элемента 220 управления потоком располагается внутри канала 232 вставной гильзы 226.

Когда клапан находится в закрытом положении 264, то привод прикладывает значительную долю или часть (например, практически всю) запирающей нагрузки и/или толчкового усилия к металлической посадочной поверхности 228 первичного элемента 218 управления потоком и/или к металлической посадочной поверхности 224 клапанного седла 222, а усилия, прикладываемые к вторичному элементу 220 управления потоком (например, к керамической регулирующей поверхности 230) и к вставной гильзе 226, будут существенно минимизированы. Привод прикладывает запирающую нагрузку и/или толчковое усилие к первичному элементу 218 управления потоком и/или к клапанному седлу 222, поскольку посадочная поверхность 228 первичного элемента 218 управления потоком прижимается к запирающей поверхности 224 клапанного седла 222 прежде, чем критическая поверхность или область 266 вторичного элемента 220 управления потоком прижмется к критической поверхности или области 268 вставной гильзы 226. Следовательно, первичный элемент 218 управления потоком прижимается к клапанному седлу 222, в результате чего на первичный элемент 218 управления потоком действует обратное аксиальное усилие по оси 240. В закрытом положении 264 удлиненный участок 248 прижат к вставной гильзе 226, однако, аксиальное усилие в направлении оси 240 к поверхности 236 будет относительно малым или ничтожным. Следовательно, первичный элемент управления потоком защищает вторичный элемент управления потоком от запирающей нагрузки и/или толчковых усилий привода.

Таким образом, запирающие нагрузки и/или толчковые усилия привода, прикладываемые к вторичному элементу 220 управления потоком и/или вставной гильзе 226, будут небольшими или ничтожными. В этом примере посадочная поверхность 228 первичного элемента 218 управления потоком и запирающая поверхность 224 клапанного седла 222 состоят из металлического материала. Поэтому металлические поверхности 228 и/или 224 могут выдерживать относительно большие толчковые усилия привода и/или запирающие нагрузки, необходимые для достижения герметичного запирания или управления потоком. Кроме того, в случае износа металлических поверхностей 228 и/или 224, соответственно, первичного элемента 218 управления потоком и/или клапанного седла 222, эти металлические поверхности можно восстановить, например, с помощью механической обработки или любой другой обрабатывающей операции (операций), позволяющей получить гладкие запирающие поверхности, тем самым продлевая срок службы клапанного затворного устройства 202.

На Фигурах 3А и 3В показан запирающий элемент 216 в промежуточном положении 300. Когда первичный элемент 218 управления потоком перемещается между закрытым положением 264, показанным на Фиг.2А и 2В, и промежуточным положением 300, показанным на Фиг.3А и 3В, мертвая зона или область 250 (Фиг.3В) удлиненного участка 248 будет прижата к внутренней поверхности 262 канала 232 и будет перемещаться по отношению к каналу 232 вставной гильзы 226 на протяжении части полной длины хода первичного элемента 218 управления потоком (т.е. запирающего элемента 216). В процессе работы вторичный элемент 220 управления потоком перемещается внутри канала 232 вставной гильзы 226 по мере того, как посадочная поверхность 228 первичного элемента 218 управления потоком отделяется от запирающей поверхности 224 клапанного седла 222. Однако в процессе перемещения первичного элемента 218 управления потоком и вторичного элемента 220 управления потоком между закрытым положением 264 и промежуточным положением 300 мертвая зона или область 250 удлиненного участка 248 остается прижатой к каналу 232 вставной гильзы 226, ограничивая или блокируя прохождение текучей среды через проточный канал 206 клапана 200. Такое ограничение или блокирование прохождения текучей среды осуществляется, благодаря жестким допускам между наружной поверхностью мертвой зоны или области 250 удлиненного участка 248 и диаметром или размером канала 232 вставной гильзы 226.

Таким образом, мертвая зона или область 250 перемещается, плотно прижимаясь к каналу 232 вставной гильзы 226, образуя мертвую зону общей длины хода первичного элемента 218 управления потоком. Размеры этой мертвой зоны или области 250 удлиненного участка 248 можно подобрать такими, чтобы заданная полная длина хода содержала эффективную мертвую зону длины хода (например, 25% полной длины хода) первичного элемента 218 управления потоком при перемещении запирающего элемента 216 (а следовательно, и первичного элемента управления потоком 218) под воздействием привода между закрытым положением 264 и промежуточным положением (например, промежуточным положением 300).

При таком способе работы, когда первичный элемент 218 управления потоком отделяется от запирающей поверхности 224 и отдаляется от клапанного седла 222, текучая среда проходит через поверхности 228 и 224 и в направлении вторичного элемента 220 управления потоком. Однако поскольку вторичный элемент 220 управления потоком ограничивает или блокирует прохождение текучей среды через клапан 200, пока мертвая зона или область 250 удлиненного участка прижата к каналу 232, текучая среда высокого давления от входа 208 проходит через посадочную поверхность 228 первичного запирающего элемента 218 и/или запирающую поверхность 224 клапанного седла 222 без значительного перепада или разности давления. Другими словами, перепад давлений на посадочной поверхности 228 первичного элемента 218 управления потоком и/или на посадочной поверхности 224 клапанного седла 222 будет относительно малым или ничтожным. Снижение или минимизация перепада давления или разности давлений на посадочной поверхности 228 и/или на запирающей поверхности 224 значительно увеличивает срок службы поверхностей 228 и/или 224, а следовательно, и клапанного затворного устройства 202.

Представленный выше вариант дает преимущества в случае применения его в условиях высоких перепадов давления и/или крайне эрозионных текучих сред, содержащих твердые частицы (например, керамическая каталитическая пыль), способных привести к снятию материала или повреждению металлических поверхностей 228 и/или 224, соответственно, первичного элемента 218 управления потоком и клапанного седла 222. В этом варианте керамическая регулирующая поверхность 230 вторичного элемента 220 управления потоком перемещается по отношению к каналу 232 керамической вставной гильзы 226 для уменьшения перепада давления, который в противном случае воздействовал бы на металлические поверхности 228 и/или 224 в процессе отделения и отдаления запирающего элемента 216 от клапанного седла 222, как показано на Фигурах 3А и 3В.

На Фигурах 4А и 4В показан запирающий элемент 216 в полностью открытом положении 400 по отношению к клапанному седлу 222 и вставной гильзе 226. Как наиболее отчетливо видно на Фиг.4В, удлиненный участок 248 включает рельефный наконечник или конусообразный торец 402. Когда привод вынуждает запирающий элемент 216 перемещаться между промежуточным положением 300, показанным на Фиг.3А и 3В, и полностью открытым положением 400, показанным на Фиг.4А и 4В, конусообразный торец 402 позволяет текучей среде проходить через проточный канал 206 клапана 200, когда мертвая зона или область 250 выходит из канала 232. Другими словами, конусообразный торец 402 уменьшает жесткий допуск посадки между наружной поверхностью мертвой зоны или области 250 и внутренней поверхностью 262 канала 232, позволяя текучей среде проходить через клапан 200, когда мертвая зона или область 250 отделяется и отдаляется от канала 232 вставной гильзы 226. В дополнение к этому конусообразный торец 402 управляет скоростью прохождения текучей среды через канал 200, перемещаясь внутри канала 232 между первым положением и вторым положением, когда мертвая зона или область 250 отделяется от канала 232 в процессе перемещения удлиненного участка 248 между промежуточном положением 300 и открытым положением 400, когда удлиненный участок 248 примыкает к каналу 232.

В полностью открытом положении 400 первичный элемент 218 управления потоком отделен зазором от клапанного седла 222, а вторичный элемент 220 управления потоком отделен зазором от вставной гильзы 226, позволяя максимальному количеству текучей среды проходить через проточный канал 206 в корпусе клапана 204 между входом 208 и выходом 210. В процессе отдаления вторичного элемента 220 управления потоком от вставной гильзы 226 при перемещении между промежуточным положением 300 по Фиг.3А и 3В и полностью открытым положением 400 по Фиг.4А и 4В на вставной гильзе 226 и вторичном элементе 220 управления потоком образуется перепад давления текучей среды в канале 232. Таким образом, вторичный элемент 220 управления потоком (например, керамический затвор) защищает запирающие поверхности (т.е. посадочные поверхности 228 и/или запирающую поверхность 224). Вторичный элемент 220 управления потоком и вставная гильза 226 способны выдерживать относительно большой перепад давления или разность давлений и/или противостоять воздействию крайне эрозионных или коррозионных текучих сред, поскольку они изготовлены из керамического материала, способного оказывать сопротивление износу и ухудшению качества в таких условиях.

Как отмечалось выше, вторичный элемент 220 управления потоком перемещается по отношению к каналу 232 вставной гильзы 226 с целью снижения перепада давления, который бы в противном случае воздействовал на первичный элемент 218 управления потоком и клапанное гнездо 222 в процессе отделения запирающего элемента 216 от клапанного седла 222, как показано на Фиг.3А и 3В. Кроме того, как показано на Фиг.4А и 4В, вторичный элемент 220 управления потоком перемещается по отношению к вставной гильзе 226 с целью регулирования прохождение текучей среды по проточному каналу 206 между входом 208 и выходом 210.

Представленное здесь клапанное затворное устройство 202 позволяет с помощью одного клапана управлять регулирующей функцией клапанного затворного устройства 202 отдельно от запирающей функции клапанного затворного устройства 202. Благодаря разделению этих двух функций и прибавлению эффективной мертвой зоны к полной длине хода запирающего элемента 216, удается значительно снизить или ликвидировать перепад давления на металлических поверхностях 228 и 224, тем самым уменьшая вероятность повреждения или износа этих металлических поверхностей 228 и 224 и значительно увеличивая срок службы клапанного затворного устройства 202. Кроме того, отделение запирающих поверхностей 228 и 224 от регулирующих поверхностей 230 и вставной гильзы 226 позволяет в случае необходимости выполнять механическую обработку или восстановление металлических поверхностей 228 и/или 224, тем самым увеличивая срок службы клапанного затворного устройства 202.

Угловая форма клапанного корпуса 204 дает угловым клапанам преимущество в осуществлении слива, поскольку в таких клапанных корпусах или в проточных каналах нет каких-либо карманов или областей, где могли бы скапливаться текучая среда и/или осадок. Поэтому регулирующие клапаны углового типа обычно применяются в химической и нефтехимической промышленности, где часто требуется следить за остатками нефти и других жидкостей с коксующимися свойствами. Однако применение описанного здесь клапанного затворного устройства не ограничивается угловыми клапанами для текучей среды. В других вариантах могут быть задействованы такие виды клапанов, как, например, шаровые клапаны, поворотные клапаны, линейные клапаны и т.п.

Здесь описаны конкретные устройства, однако объем настоящего изобретения не ограничивается только ими. Напротив, настоящее изобретение охватывает все устройства, подпадающие под действие формулы изобретения как в явном виде, так и согласно доктрине эквивалентов.

Группа изобретений относится к арматуростроению и предназначено для управления прохождением текучих сред в установках или системах управления производственными процессами. Описаны клапанные затворные устройства (202), оснащенные керамическим затвором (210) с защищенными запирающими поверхностями. Один из вариантов клапанного затворного устройства включает клапанное седло (222), состоящее из некерамического материала и содержащее вставную гильзу (226), состоящую из керамического материала. Запирающий элемент (216) содержит первичный элемент (218) управления потоком и вторичный элемент (220) управления потоком. Вторичный элемент управления потоком состоит из керамического материала и установлен внутри полости (238) запирающего элемента (216). Первичный элемент управления потоком герметично прижимается к некерамическому материалу клапанного седла. В это время вторичный элемент управления потоком перемещается внутри канала (232) вставной гильзы с целью регулирования прохождения текучей среды через седло клапана, когда первичный элемент управления потоком отделяется от некерамического материала клапанного седла. Группа изобретений направлена на повышение срока службы клапанных затворных устройств. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Клапанное затворное устройство, предназначенное для применения с клапаном текучей среды и содержащее:
клапанное седло, состоящее из некерамического материала и содержащее вставную гильзу, состоящую из керамического материала; и
запирающий элемент, содержащий первичный элемент управления потоком и вторичный элемент управления потоком, при этом указанный вторичный элемент состоит из керамического материала и установлен в полости запирающего элемента, первичный элемент управления потоком должен герметично прижиматься к некерамическому материалу клапанного седла, а вторичный элемент управления потоком должен перемещаться внутри канала вставной гильзы с целью регулирования прохождения текучей среды через клапанное седло в то время, когда первичный элемент управления потоком отделяется от некерамического материала клапанного седла.

2. Клапанное затворное устройство по п.1, отличающееся тем, что первичный элемент управления потоком состоит из некерамического материала.

3. Клапанное затворное устройство по п.1, отличающееся тем, что некерамический материал содержит металлический сплав.

4. Клапанное затворное устройство по п.1, отличающееся тем, что керамический материал содержит карбид вольфрама.

5. Клапанное затворное устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит бобышку, фиксирующую положение клапанного седла и вставной гильзы внутри корпуса клапана текучей среды.

6. Клапанное затворное устройство по п.5, отличающееся тем, что бобышка содержит продолговатый корпус.

7. Клапанное затворное устройство по п.5, отличающееся тем, что вставная гильза установлена горячей посадкой в отверстие бобышки, а клапанное седло изготовлено как одно целое с бобышкой.

8. Клапанное затворное устройство по п.1, отличающееся тем, что вставная гильза включает канал с рельефной внутренней поверхностью.

9. Клапанное затворное устройство по п.1, отличающееся тем, что вторичный элемент управления потоком содержит клапанную пробку, имеющую основание, расположенное внутри полости запирающего элемента, и удлиненный участок с размером, позволяющим контактировать с вставной гильзой на протяжении части полного хода первичного элемента управления потоком для создания зоны непропускания текучей среды.

10. Клапанное затворное устройство по п.9, отличающееся тем, что удлиненный участок остается прижатым к вставной гильзе в процессе перемещения первичного элемента управления потоком между закрытым положением, в котором первичный элемент управления потоком герметично прижат к клапанному седлу, и промежуточным положением, в котором первичный элемент управления потоком отделяется от клапанного седла, а в процессе перемещения первичного элемента управления потоком между промежуточным положением и полностью открытым положением клапана текучей среды удлиненный участок отдаляется от вставной гильзы.

11. Клапанное затворное устройство по п.1, отличающееся тем, что вторичный элемент управления потоком перемещается по отношению к вставной гильзе с целью регулирования прохождения текучей среды между входом и выходом клапана текучей среды.

12. Клапанное затворное устройство по п.1, отличающееся тем, что вторичный элемент управления потоком установлен горячей посадкой внутрь полости запирающего элемента и окружен первичным элементом управления потоком.

13. Клапанное затворное устройство, содержащее:
клапанное седло, состоящее из металлического материала, и вставку, состоящую из керамического материала; и
сборную клапанную пробку, имеющую металлическую посадочную поверхность и керамическую регулирующую поверхность, окруженную металлической посадочной поверхностью, при этом регулирующая поверхность перемещается по отношению к каналу вставки с целью уменьшения перепада давления на металлической посадочной поверхности в процессе отделения сборной клапанной пробки от клапанного седла.

14. Клапанное затворное устройство по п.13, отличающееся тем, что металлический материал содержит металлический сплав, а керамический материал содержит карбид.

15. Клапанное затворное устройство по п.13, отличающееся тем, что регулирующая поверхность включает удлиненный участок, вытянутый к вставке клапанного седла.

16. Клапанное затворное устройство по п.15, отличающееся тем, что регулирующая поверхность образована элементом управления потоком, установленным горячей посадкой в полость сборной клапанной пробки.

17. Клапанное затворное устройство по п.13, отличающееся тем, что дополнительно содержит бобышку с отверстием для приема, по меньшей мере, части вставки, и при этом бобышка изготовлена вместе с клапанным седлом как единая деталь.

18. Клапанное затворное устройство по п.17, отличающееся тем, что вставка установлена горячей посадкой в отверстие втулки.

19. Клапанное затворное устройство для применения с клапанами текучей среды, содержащее:
средство для блокирования прохождения текучей среды через проточный канал корпуса клапана между входом и выходом, изготовленное из некерамического материала; и
средство для регулирования прохождения текучей среды через проточный канал корпуса клапана, изготовленное из керамического материала и связанное со средством блокирования таким образом, чтобы при открывании средства блокирования прохождения текучей среды для пропускания текучей среды между входом и выходом перепад давления текучей среды, проходящей по проточному каналу, на средстве блокирования прохождения текучей среды был небольшим или ничтожным.

20. Клапанное затворное устройство по п.19, отличающееся тем, что средство регулирования прохождения текучей среды дополнительно содержит средство для создания эффективной зоны непропускания текучей среды.