УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Данное изобретение относится к трубопроводной арматуре и, в частности, к уплотнительным элементам для использования в трубопроводной арматуре.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Трубопроводная арматура часто используются для управления расходом жидкостей в производственных процессах. Условия производственного процесса, а именно: диапазон температур и давлений, как правило, определяют тип уплотнительного элемента, который может использоваться в трубопроводной арматуре. В условиях высоких температур часто используются металлические уплотнительные элементы, т.к. более мягкие, неметаллические уплотнительные элементы (например, из фторопласта) могут сублимироваться или воспламеняться при нагревании до температур свыше 450 градусов по Фаренгейту. Тем не менее, металлические уплотнительные элементы чаще всего не позволяют достичь герметичной отсечки (например, класса VI ANSI). Поворотный затвор с тройным эксцентриситетом позволяет достичь герметичной отсечки, находясь в условиях воздействия высоких температур, при использовании уплотнительного элемента, содержащего слоистый графитопластик, но такой затвор требует дорогостоящего, крупногабаритного исполнительного механизма для приведения в действие регулирующего элемента (например, диска) в затворе.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Пример уплотнительного элемента для использования в трубопроводной арматуре включает в себя кольцеобразный элемент, состоящий из первой части и второй части. Между первой и второй частями зафиксирована сжимаемая уплотняющая часть. Первая и вторая части имеют первую и вторую криволинейные поверхности, соответственно, примыкающие к поверхности герметизации сжимаемой уплотняющей части. Криволинейные поверхности позволяет регулирующему элементу сжать уплотняющую часть до контакта с криволинейными поверхностями во время перемещения регулирующего элемента в положение закрытия.

[0004] Другой пример уплотнительного элемента для использования в трубопроводной арматуре включает в себя кольцеобразный элемент, состоящий из первой части и второй части. Первая и вторая части держат уплотняющую часть и имеют первую и вторую криволинейные поверхности, соответственно, примыкающие к поверхности герметизации уплотняющей части. Радиусы кривизны криволинейных поверхностей рассчитаны таким образом, чтобы начальная точка контакта регулирующего элемента с уплотнительным элементом находилась на поверхности герметизации во время перемещения регулирующего элемента в положение закрытия.

[0005] Другой пример уплотнительного элемента для использования в трубопроводной арматуре включает фиксирующий элемент для уплотнительного элемента. Фиксирующий элемент имеет первый и второй элемент, выполненный с возможностью обеспечить контакт регулирующего элемента с уплотнительным элементом до контакта с фиксирующим элементом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0006] Фиг. 1 представляет собой пространственное изображение поворотного дискового затвора в частично разобранном виде с примером уплотнительного элемента.

[0007] Фиг. 2 представляет собой вид в поперечном разрезе фрагмента поворотного дискового затвора на Фиг. 1.

[0008] Фиг. 3 представляет собой увеличенный вид в поперечном разрезе примера кольцеобразного элемента, используемого с примером уплотнительного элемента на Фиг. 1.

[0009] Фиг. 4 представляет собой увеличенный вид в поперечном разрезе примера уплотнительного элемента на Фиг. 1, изображающий начальную точку соприкосновения регулирующего элемента с примером уплотнительного элемента.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Несмотря на то, что следующие примеры уплотнительных элементов описываются в связи с поворотными дисковыми затворами, они могут также быть использованы с любой другой поворотной трубопроводной арматурой (например, шаровыми клапанами, поворотными регулирующими клапанами Fisher® Vee-Ball™ и т.д.). В производственных процессах, например, систем распределения нефти и газа, а также установок для химической переработки, расходом жидкостей часто управляют с помощью трубопроводной арматуры (например, поворотных дисковых затворов, шаровых клапанов и т.д.). Как правило, характеристики перекрытия трубопроводной арматуры влияют на ход и показатели производственного процесса. Обычно, трубопроводная арматура не может достичь герметичной отсечки (например, класса VI ANSI) без мягкого (напр., эластомерного) уплотнения. Тем не менее, условия производственного процесса, как правило, обусловливают тип уплотнительных элементов, которые могут быть использованы в трубопроводной арматуре. Например, уплотнительный элемент из фторопласта (ПТФЭ), позволяющий трубопроводной арматуре достичь герметичной отсечки, может воспламениться и/или сублимироваться, находясь в условиях воздействия температур свыше 450 градусов по Фаренгейту. По этой причине фторопластовые уплотнительные элементы обычно не подходят для применений в условиях высокой температуры. Металлические уплотнительные элементы, с другой стороны, обычно могут выдерживать высокие температуры, поэтому они традиционно используются в трубопроводной арматуре, которая находится в условиях воздействия высоких температур. Тем не менее, металлическое уплотнение обычно не позволяет достичь герметичной отсечки. Более того, уплотнительные свойства металлического уплотнения обычно ухудшаются при охлаждении уплотнения с повышенной температуры до температуры окружающей среды. В результате, трубопроводная арматура с металлическим уплотнением, находящаяся в условиях воздействия высоких рабочих температур, может значительно протекать при охлаждении ее до температуры окружающей среды, влияя, таким образом, на ход и показатели производственного процесса и затрудняя обслуживание трубопроводной арматуры.

[0011] Поворотный затвор с тройным эксцентриситетом позволяет достичь герметичной отсечки, если используется в условиях высокой температуры, при использовании уплотнительного элемента, сделанного из слоистого графитопластика. Как правило, уплотнительный элемент в затворе с тройным эксцентриситетом соединен с регулирующим элементом, а седло затвора является неотъемлемой частью корпуса. Для достижения герметичной отсечки регулирующий элемент в корпусе затвора приводится в движение исполнительным механизмом, который, как правило, является более крупногабаритным и дорогостоящим, чем исполнительные механизмы, применяемые с другими типами конструкции затворов.

[0012] Пример уплотнительного элемента, описанного здесь, может обеспечить герметичную отсечку (напр., класса VI) при высоких температурах в течение всего срока службы. Также, пример уплотнительного элемента может сохранять герметичную отсечку при охлаждении затвора с высокой температуры до температуры окружающей среды. Пример уплотнительного элемента включает в себя кольцеобразный элемент, состоящий из первой части и второй части, расположенной против первой части. Первая и вторая части держат уплотняющую часть. Первая и вторая части имеют первую и вторую криволинейные поверхности, соответственно, примыкающие к поверхности герметизации уплотняющей части. Первая и вторая криволинейные поверхности позволяют начальной точке контакта регулирующего элемента и уплотнительного элемента находиться на поверхности герметизации при перемещении регулирующего элемента в положение закрытия. Радиусы кривизны криволинейных поверхностей рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить первый зазор между регулирующим элементом и первой частью, и второй зазор между регулирующим элементом и второй частью при первоначальном контакте регулирующего элемента с поверхностью герметизации.

[0013] Уплотняющая часть может быть сжимаемой. В примере уплотнительного элемента со сжимаемой уплотняющей частью первая и вторая криволинейные поверхности дают возможность регулирующему элементу сжать уплотняющую часть до контакта с первой или второй криволинейной поверхностью при движении регулирующего элемента в положение закрытия. Когда регулирующий элемент находится в положении закрытия, уплотняющая часть сжимается таким образом, чтобы уплотняющая часть и как минимум одна из криволинейных поверхностей обеспечивали уплотнение регулирующего элемента. В течение срока службы примера уплотнительного элемента уплотняющая часть изнашивается. Когда уплотняющая часть находится в изношенном состоянии, регулирующий элемент по-прежнему соприкасается с поверхностью герметизации до контакта с первой или второй криволинейной поверхностью. Тем не менее, когда регулирующий элемент находится в положении закрытия, первая криволинейная поверхность, уплотняющая поверхность и вторая криволинейная поверхность обеспечивают уплотнение регулирующего элемента.

[0014] Фиг. 1 представляет собой пространственное изображение поворотного дискового затвора 100 в частично разобранном виде, который включает в себя пример уплотнительного элемента 102. Дисковый затвор 100, показанный на фиг. 1, может подвергаться широкому диапазону температур и давлений при управлении потоком рабочих жидкостей. Затвор 100 имеет корпус 104, определяющий проход потока жидкости 106, и имеющий впуск и выпуск. Удерживающее кольцо 108 вставлено в корпус затвора 104 для фиксации примера уплотнительного элемента 102. Регулирующий элемент 110 (напр., диск, шар и т.д.) расположен в проходе потока жидкости 106. Регулирующий элемент 110 функционально связан со штоком 112, который поворачивает регулирующий элемент 110 из положения 1 (напр., положение открытия) в положение 2 (напр., положение закрытия). Регулирующий элемент 110, показанный на фиг. 1, находится в плотно закрытом положении для образования уплотнения жидкости между регулирующим элементом 110 и примером уплотнительного элемента 102.

[0015] Фиг. 2 представляет собой вид в поперечном разрезе поворотного дискового затвора 100, который включает в себя пример уплотнительного элемента 102. Пример уплотнительного элемента 102, описываемый здесь, включает в себя кольцеобразный элемент 200, соединенный (напр., лазерной сваркой, или механически, слесарно, и/или с помощью химического средства) с внутренней периферийной поверхностью 202 в достаточной степени гибкого, кольцеобразного держателя 204. При движении регулирующего элемента 110 в положение закрытия, регулирующий элемент 110 контактирует с элементом 200, что приводит к изгибу держателя 204. Сменный элемент 200 располагается на внутренней периферийной поверхности 202 держателя 204 так, чтобы сменный элемент 200 не контактировал с удерживающим кольцом уплотнения 108 или корпусом затвора 104 при изгибе держателя 204 во время работы. Сменный элемент 200 включает в себя первую часть 206 и вторую часть 208, расположенную напротив первой части 206. Первая часть 206 и вторая часть 208 держат кольцеобразную уплотняющую часть 210. Первая часть 206 может быть соединена (напр., при помощи сварки, связующего вещества, или любого подходящего соединителя) со второй частью 208 для определения величины внутреннего пространства для уплотняющей части 210. В примере уплотнительного элемента 102, показанном на фиг. 1 и 2, уплотняющая часть 210 зафиксирована между первой 206 и второй 208 частями. Как описано более детально ниже, при движении регулирующего элемента 110 в положение закрытия, начальная точка контакта 400 (фиг. 4) между регулирующим элементом 110 и элементом 200 находится на поверхности герметизации 212 уплотняющей части 210.

[0016] На виде в поперечном разрезе, представленном на фиг. 2, держатель 204 имеет фланцевую часть 214 с прямым сечением и эластичную часть 216 с криволинейным сечением. Криволинейное сечение эластичной части 216 придает эластичность держателю 204. Тем не менее, любое другое сечение или форма, придающие эластичность держателю 204, могут быть использованы. Эластичная часть 216 держателя 204 обеспечивает силу упругости по отношению к регулирующему элементу 110 и позволяет примеру уплотнительного элемента 102 следовать за регулирующим элементом 110 и поддерживать уплотнение жидкости при движении или отклонении регулирующего элемента 110 в положении закрытия в связи с изменениями технологического состояния, например, большим падением давления.

[0017] Между держателем 204 и корпусом затвора 104 существует зазор для предварительной нагрузки 218 для воздействия на пружинную силу, создаваемую держателем 204, при входе регулирующего элемента 110 в уплотнительный элемент 102. Например, увеличение зазора предварительной нагрузки 218 увеличивает пружинную силу, создаваемую держателем 204. Пружинная сила держателя 204 по отношению к регулирующему элементу 110 обеспечивает образование уплотнения жидкости между примером уплотнительного элемента 102 и регулирующим элементом 110 при движении последнего в положение закрытия. К фланцевой части 214 держателя 204 присоединены (напр., при помощи клея) две прокладки (не показаны) для создания постоянного уплотнения, чтобы предотвратить выход рабочей жидкости между корпусом затвора 104 и удерживающим кольцом затвора 108.

[0018] Фиг. 3 представляет собой увеличенное изображение в поперечном разрезе примера элемента 200, являющегося частью примера уплотнительного элемента 102 на фиг. 1. Первая часть 206 и вторая часть 208 сделаны из металла (напр., нержавеющей стали) для придания жесткости элементу 200. Уплотняющая часть 210 включает в себя три слоя 300, 302 и 304, сделанные из сжимаемого материала (напр., слоистого графитопластика) и отделенные друг от друга слоями металлической (напр., из нержавеющей стали) фольги 306 и 308, которые предотвращают адгезию и/или переход сжимаемых слоев 300, 302 и 304 к регулирующему элементу 110. Как будет более детально описано ниже, регулирующий элемент 110 сжимает уплотняющую часть 210 до контакта с первой частью 206 или со второй частью 208 при перемещении регулирующего элемента 110 в положение закрытия.

[0019] На виде в поперечном разрезе, представленном на фиг. 3, первая часть 206 и вторая часть 208 имеют форму многоугольника. Первая часть 206 имеет первую криволинейную поверхность 310, а вторая часть 208 имеет вторую криволинейную поверхность 312. Первая криволинейная поверхность 310 и вторая криволинейная поверхность 312 ориентированы так, чтобы быть обращенными к проходу потока жидкости 106. Более того, первая 310 и вторая 312 криволинейные поверхности примыкают друг к другу и находятся рядом с поверхностью герметизации 212, которая также ориентирована таким образом, чтобы быть обращенной к проходу потока жидкости 106. Поверхность герметизации 212 уплотняющей части 210 является также криволинейной. Таким образом, первая криволинейная поверхность 310, вторая криволинейная поверхность 312 и поверхность герметизации 212 образуют выпуклость, внутреннюю периферийную поверхность 314 элемента 200, которая определяет внутренний диаметр примера уплотнительного элемента 102.

[0020] Радиус кривизны первой криволинейной поверхности 310 является большим, чем радиус кривизны второй криволинейной поверхности 312. На поперечном разрезе примера элемента 200, показанном на фиг. 3, радиус кривизны первой криволинейной поверхности 310 составляет 0,242 дюйма, радиус кривизны второй криволинейной поверхности 312 составляет 0,306 дюйма. Центры кривизны 316 и 318 первой криволинейной поверхности 310 и второй криволинейной поверхности 312 составляют 0,099 дюйма и 0,075 дюйма, соответственно, от внешней поверхности 320 первой части 206, расположенной сбоку от первой криволинейной поверхности 310. Центр 316 первой криволинейной поверхности 310 находится на 0,048 дюйма дальше от внешней периферийной поверхности 322 элемента 200, чем центр 318 второй криволинейной поверхности 312. Геометрические размеры, приведенные выше, являются лишь примером, и поэтому могут быть использованы другие размеры без отступления от объема настоящего изобретения.

[0021] Поверхность герметизации 212 является также криволинейной и имеет радиус кривизны 1 и радиус кривизны 2, которые имеют центры, совпадающие с центрами 316 и 318 первой криволинейной поверхности 310 и второй криволинейной поверхности 312, соответственно. Также, радиусы кривизны поверхности герметизации 212 практически равны радиусам первой 310 и второй 312 криволинейной поверхности, соответственно. Таким образом, часть поверхности герметизации 212 с радиусом кривизны 1 прилегает к первой криволинейной поверхности 310, а часть поверхности герметизации 212 с радиусом кривизны 2 прилегает ко второй криволинейной поверхности 312. На фиг. 3 средняя точка 324 поверхности герметизации 212 находится на пересечении радиусов кривизны 1 и 2 поверхности герметизации 212, чтобы поверхность герметизации 212 находилась по ходу движения регулирующего элемента 110 так, чтобы регулирующий элемент 110 контактировал с поверхностью герметизации 212 до контакта с первой криволинейной поверхностью 310 или второй криволинейной поверхностью 312 при движении в положение закрытия. Как будет более подробно указано ниже, первая 310 и вторая 312 криволинейная поверхности дают возможность регулирующему элементу 110 сжать уплотняющую часть 210 до контакта с первой частью 206 или второй частью 208 для образования уплотнения жидкости, достигающего герметичной отсечки (напр., класса VI ANSI).

[0022] Фиг. 4 изображает увеличенный вид в поперечном разрезе регулирующего элемента 110, контактирующего с примером уплотнительного элемента 102, изображенным на фиг. 1. Как показано на фиг. 4, радиусы кривизны первой 310 и второй 312 криволинейных поверхностей рассчитаны так, чтобы начальная точка контакта 400 между регулирующим элементом 110 и элементом 200 была на поверхности герметизации 212 при движении регулирующего элемента 110 в положение закрытия. При первоначальном контакте регулирующего элемента 110 с поверхностью герметизации 212 радиусы кривизны первой 310 и второй 312 криволинейных поверхностей обеспечивают первый зазор 402, между регулирующим элементом 110 и первой частью 206, и второй зазор 404, между регулирующим элементом 110 и второй частью 208. Второй зазор 404 может быть, как минимум, в два раза больше, чем первый зазор 402. В примере уплотнительного элемента 102, показанном на фиг. 4, первый зазор 402 составляет 0,004 дюйма, а второй зазор 404 составляет 0,008 дюйма. Тем не менее, могут применяться другие зазоры без отступления от объема настоящего изобретения. В дополнение к этому, радиусы кривизны первой криволинейной поверхности 310 и второй криволинейной поверхности 312 дают возможность соответствующей первой части 206 и второй части 208 поддерживать и сжимать уплотняющую часть 210 для предотвращения значительной деформации уплотняющей части 210 под действием потока жидкости. Если радиусы кривизны первой 310 и второй 312 криволинейных поверхностей являются слишком короткими, первая часть 206 и вторая часть 208 могут недостаточно поддерживать и сжимать уплотняющую часть 210 для предотвращения значительной деформации уплотняющей части 210 под действием потока жидкости.

[0023] После того, как регулирующий элемент 110 соприкасается с поверхностью герметизации 212, держатель 204 отклоняется во время продолжения движения регулирующего элемента 110 в положение закрытия. Сила упругости держателя 204 по отношению к силе регулирующего элемента 110, двигающегося в положение закрытия, вызывает сжатие уплотняющей части 210 регулирующим элементом 110, образуя, таким образом, уплотнение жидкости между уплотнительной поверхностью 212 и регулирующим элементом 110. Сжатие уплотняющей части 210 позволяет уплотнительному элементу 102 достичь герметичной отсечки (напр., класса VI ANSI) между уплотнительным элементом 102 и регулирующим элементом 110.

[0024] Когда регулирующий элемент 110 достигает закрытого положения, регулирующий элемент 110 задействует поверхность герметизации 212 и, по меньшей мере, одну из криволинейных поверхностей 310 и 312. В примере уплотнительного элемента 102, показанном на фиг. 4, регулирующий элемент 110 сжимает уплотняющую часть 210 и задействует поверхность герметизации 212, а также первую криволинейную поверхность 310 при нахождении в положении закрытия.

[0025] В течение срока службы примера уплотнительного элемента 102, описываемого здесь, регулирующий элемент 110 может взаимодействовать с поверхностью герметизации 212 десятки тысяч раз. Со временем, уплотняющая часть 210 приходит в изношенное состояние. В результате, начальная точка контакта 400 между регулирующим элементом 110 и элементом 200 перемещается вдоль внутренней периферийной поверхности 314 элемента 200. Тем не менее, первая и вторая криволинейные поверхности 310 и 312 позволяют начальной точке контакта 400 между регулирующим элементом 110 и элементом 200 оставаться на поверхности герметизации 212 в течение всего срока службы уплотнительного элемента 102. Поэтому, несмотря на возможное уменьшение первого 402 и второго 404 зазоров при изнашивании уплотняющей части 210, первая криволинейная поверхность 310 и вторая криволинейная поверхность 312 позволяют регулирующему элементу 110 избежать контакта с первой 206 и второй 208 частями до взаимодействия регулирующего элемента 110 с поверхностью герметизации 212.

[0026] При нахождении регулирующего элемента 110 в положении закрытия и износе уплотняющей части 210 регулирующий элемент 110 сжимает уплотняющую часть 210 и взаимодействует с поверхностью герметизации 212, а также первой 310 и второй 312 криволинейными поверхностями. Таким образом, регулирующий элемент 110 может взаимодействовать с уплотняющей частью 210, чтобы дать возможность примеру уплотнительного элемента 102 достигнуть герметичной отсечки (напр., класса VI) при высокотемпературных применениях в течение срока службы примера уплотнительного элемента 102. Также, пример уплотнительного элемента 102 не может рассчитывать на вторичную поверхность герметизации, а также ни одной частью примера уплотнительного элемента 102 нельзя пренебрегать. В дополнение к этому, пример уплотнительного элемента 102 может поддерживать герметичную отсечку при охлаждении примера уплотнительного элемента 102 с высокой температуры до температуры окружающей среды.

[0027] Несмотря на то, что здесь был описан определенный пример устройства, объем запатентованного изобретения им не ограничивается. Напротив, данный патент защищает все устройства, подпадающие под действие формулы изобретения.