ГРАФИТОВЫЙ/МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ КЛАПАНА ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ КЛАПАНОВ Российский патент 2018 года по МПК F16K3/24 F16K3/30 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Изобретение, в целом, относится к технологическим управляющим клапанам, таким как раздвижные клапаны, и, в частности, к управляющим раздвижным клапанам, содержащим графитовый/металлический 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 в результате трения пробки клапана и его корпуса (или гнезда), 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 металлическое/выполненное из гибкого графита 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 металлическое/выполненное из гибкого графита уплотнительное кольцо.

[0006] В другом варианте реализации изобретения уплотнительный узел для высокотемпературного раздвижного управляющего клапана содержит металлическое/графитовое 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. Металлическое/графитовое уплотнительное кольцо может содержать кольцо, выполненное из гибкого графита, обрамленное по меньшей мере с трех сторон тонким металлическим кожухом.

[0007] В еще одном варианте реализации изобретения уплотнительный узел может быть расположен в кольцевой канавке, выполненной в элементе управления.

[0008] В еще одном варианте реализации изобретения уплотнительный узел может быть расположен в кольцевой канавке, выполненной в корпусе клапана.

[0009] Описанный в данном документе уплотнительный узел обеспечивает превосходные возможности уплотнителя в условиях высокой температуры, уменьшая или минимизируя трение между управляющим элементом 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 металлический/графитовый уплотнительный узел; и

[0012] ФИГ. 3 иллюстрирует поперечный разрез в крупном масштабе сегмента элемента управления, в том числе металлический/графитовый уплотнительный узел.

[0013] ФИГ. 4 иллюстрирует дополнительный поперечный разрез в крупном масштабе металлического/графитового уплотнительного узла, проиллюстрированного на ФИГ. 3.

[0014] В то время как изобретение допускает различные модификации и альтернативные конструкции, некоторые иллюстративные варианты реализации металлического/графитового уплотнительного узла 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

[0015] 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.

[0016] 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. Управляющий элемент, 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 20 представляет собой сбалансированную пробку клапана. В других вариантах реализации изобретения пробка клапана 20 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.

[0017] Ссылаясь на ФИГ. 2 и 4, 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 металлический/графитовый уплотнительный узел уплотнительное кольцо 34. В одном варианте реализации изобретения металлическое/графитовое уплотнительное кольцо 34 может содержать графитовое кольцо 36, встроенное внутри металлического кожуха 37. Металлический кожух 37 может быть выполнен из тонкой металлической фольги, с толщиной в диапазоне от около 0,001 до около 0,005 дюйма (от около 0,0254 мм до около 0,127 мм). В одном предпочтительном варианте реализации изобретения металлическая фольга содержит прочный металлический сплав, такой как, например, N07718 или N07750. Металлический кожух 37 защищает графитовое кольцо 36 от фрикционного повреждения во возвратно-поступательном движении пробки клапана 20. Металлический кожух 37 может также уменьшать трение между пробкой клапана 20 и корпусом клапана 12. Например, в других вариантах реализации металлическая фольга может быть покрыта серебром, или металлическая фольга может включать более мягкие металлы, такие как алюминий, медь, или бронзу. Как проиллюстрировано на ФИГ. 4, графитового кольца 36 установлено в металлическом кожухе 37, металлический кожух 37, обрамляющий графитовое кольцо 36 с трех сторон (как проиллюстрировано в поперечном сечении на ФИГ. 4), в то время как четвертая сторона (т.е. верхняя сторона, как проиллюстрировано на ФИГ. 4) остается открытой. Металлический кожух 37 обычно имеет "U" форму в поперечном сечении, включая нижнюю сторону 39, и внутреннюю боковую стенку 41, и внешнюю боковую стенку 43. Внутренняя боковая стенка 41 и внешняя боковая стенка 43 направлены вверх, почти перпендикулярно нижней стороне 39. Внутренняя боковая стенка 41 и внешняя боковая стенка 43 имеют высоту Н, которая по величине превосходит толщину Т графитового кольца 36. Другими словами, внутренняя боковая стенка 41 и внешняя боковая стенка 43 выступают над (как проиллюстрировано на ФИГ. 4) графитовым кольцом 36.

[0018] Металлическое/графитовое 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 как, например, нержавеющая сталь S41600. Первое и второе опорные кольца 60, 62 поддерживают правильное положение металлического/графитового уплотнительного кольца 34 внутри кольцевой канавки 32 (или кольцевой канавки 33), а также обеспечивающие антиэкструзионную защиту для металлического/графитового уплотнительного кольца 34. Первое и второе опорные кольца 60, 62 также защищают металлическое/графитовое уплотнительное кольцо 34 от факторов окружающей среды, таких как высокая температура и давление. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на ФИГ. 1-4, второе опорное кольцо 62 расположено по меньшей мере частично внутри металлического кожуха 37. В результате, второе опорное кольцо 62 имеет меньший радиальный размер, чем первое опорное кольцо 60.

[0019] 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 графитовому кольцу 36. Это осевое усилие обуславливает расширение графитового кольца 36 в радиальном направлении наружу, тогда как графитовое кольцо 36 подвергается сжатию между первым опорным кольцом 60 и вторым опорным кольцом 62. Так как графитовое кольцо 36 расширяется в радиальном направлении наружу, графитовое кольцо 36 отталкивает металлический кожух 37 от корпуса клапана 12, что обеспечивает отличное жидкостное уплотнение между уплотнительным узлом 30 и корпусом клапана 12. 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. Кроме того, стопорное кольцо может быть по меньшей мере частично расположено в кольцевой щели в корпусе клапана 12. Стопорное кольцо 70 предотвращает элемент смещения 64 от отделения от второго опорного кольца 62.

[0020] В соответствии с одним или более описанных примеров, предложен уплотнительный узел, который обеспечивает превосходную уплотнительную способность, в то же самое время уменьшая трение между управляющим элементом и корпусом клапана, для высокотемпературных управляющих клапанов. Так как графитовое кольцо по меньшей мере частично находится внутри металлического кожуха, графитовое уплотнительное кольцо защищено от трения и факторов окружающей среды, обеспечивая отличное жидкостное уплотнение.

[0021] Предшествующее подробное описание дано только для ясности понимания и не должно подразумевать никаких ограничений, тогда как модификации будут очевидны специалистам в данной области техники.

Раздвижной управляющий клапан (10) содержит корпус клапана (12), седельное кольцо (22), расположенное внутри корпуса клапана, и пробку клапана (20) с возможностью скольжения внутри корпуса клапана, при этом пробка клапана и седло клапана взаимодействуют между собой для контроля потока текучей среды через управляющий клапан. Уплотнительный узел (30) расположен между пробкой клапана и седлом клапана, при этом уплотнительный узел содержит металлическое/графитовое уплотнительное кольцо (34), расположенное между первым опорным кольцом (60) и вторым опорным кольцом (62). Элемент смещения (64) расположен рядом со вторым опорным кольцом, и стопорное кольцо (70) расположено рядом с элементом смещения для удержания элемента смещения вблизи второго опорного кольца. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Раздвижной управляющий клапан, содержащий:

корпус клапана, имеющий входное и выходное отверстия, соединенные текучей средой посредством канала;

седельное кольцо, вмонтированное в канал;

элемент управления с возможностью скольжения в пределах корпуса клапана, при этом элемент управления и седельное кольцо взаимодействуют между собой для управления потоком текучей среды через корпус клапана; и

уплотнительный узел, имеющий металлическое/графитовое уплотнительное кольцо, расположенное между первым опорным кольцом и вторым опорным кольцом, элемент смещения, расположенный рядом со вторым опорным кольцом, и стопорное кольцо, удерживающее элемент смещения вблизи второго опорного кольца,

при этом металлическое/графитовое уплотнительное кольцо содержит графитовое кольцо и металлический кожух, который по меньшей мере частично окружает графитовое кольцо, причем металлический кожух содержит нижнюю сторону, внутреннюю боковую стенку и внешнюю боковую стенку, а второе опорное кольцо по меньшей мере частично расположено внутри металлического кожуха.

2. Раздвижной управляющий клапан по п. 1, отличающийся тем, что металлический кожух окружает графитовое кольцо с трех сторон.

3. Раздвижной управляющий клапан по п. 1, отличающийся тем, что металлический кожух имеет толщину в диапазоне от около 0,001 дюйма до около 0,005 дюйма (от около 0,0254 мм до около 0,127 мм).

4. Раздвижной управляющий клапан по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя боковая стенка и внешняя боковая стенка направлены вверх по существу перпендикулярно нижней стороне, образуя U-образую форму.

5. Раздвижной управляющий клапан по п. 4, отличающийся тем, что внутренняя боковая стенка и внешняя боковая стенка каждая имеет высоту, превышающую толщину графитового кольца.

6. Раздвижной управляющий клапан по п. 1, отличающийся тем, что второе опорное кольцо имеет меньшую радиальную величину, чем радиальная величина первого опорного кольца.

7. Раздвижной управляющий клапан по п. 1, отличающийся тем, что металлический кожух выполнен из чего-то одного из N07718, N07750, алюминия, меди и бронзы.

8. Раздвижной управляющий клапан по п. 1, отличающийся тем, что металлический кожух покрыт серебром.

9. Уплотнительный узел для высокотемпературного управляющего клапана, содержащий:

металлическое/графитовое уплотнительное кольцо, расположенное между первым опорным кольцом и вторым опорным кольцом;

элемент смещения, расположенный рядом со вторым опорным кольцом; и

стопорное кольцо, удерживающее элемент смещения относительно второго опорного кольца,

при этом металлическое/графитовое уплотнительное кольцо содержит графитовое кольцо и металлический кожух, по меньшей мере частично окружающий графитовое кольцо, причем металлический кожух содержит нижнюю сторону, внутреннюю боковую стенку и внешнюю боковую стенку, а второе опорное кольцо по меньшей мере частично расположено внутри металлического кожуха.

10. Уплотнительный узел по п. 9, отличающийся тем, что металлический кожух окружает графитовое кольцо с трех сторон.

11. Уплотнительный узел по п. 9, отличающийся тем, что металлический кожух имеет толщину в диапазоне от около 0,001 дюйма до около 0,005 дюйма (от около 0,0254 мм до около 0,127 мм).

12. Уплотнительный узел по п. 9, отличающийся тем, что внутренняя боковая стенка и внешняя боковая стенка направлены вверх по существу перпендикулярно нижней стороне, образуя U-образую форму.

13. Уплотнительный узел по п. 12, отличающийся тем, что внутренняя боковая стенка и внешняя боковая стенка каждая имеет высоту, превышающую толщину графитового кольца.

14. Уплотнительный узел по п. 9, отличающийся тем, что второе опорное кольцо имеет меньшую радиальную величину, чем радиальная величина первого опорного кольца.

15. Уплотнительный узел по п. 9, отличающийся тем, что металлический кожух выполнен из чего-то одного из N07718, N07750, алюминия, меди и бронзы.

16. Уплотнительный узел по п. 9, отличающийся тем, что металлический кожух покрыт серебром.