Клапан сильфонный

Область техники

Изобретение относится к области трубопроводной арматуры и может быть использовано в химической, энергетической, нефтегазовой и других отраслях промышленности.

Уровень техники

Известна трубопроводная арматура, устанавливаемая на трубопроводах и емкостях, предназначенная для управления (перекрытия, регулирования, распределения, смешивания, фазоразделения) потоком рабочей среды (жидких, газообразных, газожидкостных, порошкообразных, суспензий и т.п.) путем изменения площади проходного сечения [ГОСТ Р 52720-2007].

Известны клапаны, у которых запирающий или регулирующий элемент перемещается параллельно оси потока рабочей среды [ГОСТ Р 52720-2007].

Известны запорные клапаны (вентили) - запорная и регулирующая арматура, конструктивно выполненная в виде клапана, в которых запирающий элемент перемещается параллельно оси потока рабочей среды.

Запорные клапаны, как и другие виды запорной арматуры, применяются для полного перекрытия проходного сечения, а, следовательно, потока рабочей среды.

Запирающий элемент, которым в запорном клапане чаще всего является золотник, в процессе эксплуатации запорного клапана обычно находится в крайних положениях «открыто» или «закрыто».

Для регулирования расхода среды путем изменения проходного сечения успешно применяются регулирующие клапаны, также существуют и запорно-регулирующие клапаны, совмещающие эти функции.

До 1982 года (до вступления силу ГОСТ 24856-81, который в настоящее время заменен на ГОСТ Р 52720-2007) клапаны, в которых затвор перемещается при помощи резьбовой пары шпиндель - ходовая гайка, назывались вентилями, однако это наименование было упразднено.

Сейчас клапаном называют и арматуру с резьбовым шпинделем (передающим крутящий момент от привода), и арматуру с гладким штоком (передающим поступательное усилие от привода).

Клапаны вентильного типа управляются вручную или электроприводом, а клапаны с гладким штоком - гидро-, пневмо- или электромагнитным приводом, а также механическим приводом от других устройств.

Запорные клапаны с быстродействующими поршневыми пневматическими приводами входят в состав защитной арматуры и носят название отсечные.

Клапаны широко распространены как запорная арматура, что объясняется возможностью обеспечения хорошей герметизации в запорном органе при сравнительной простоте конструкции.

Клапаны применяются для жидких и газообразных сред с широким диапазоном рабочих параметров: давления - от вакуума 5⋅10^-3 мм рт.ст. до 250 МПа, температуры - от -200 до +600°C и используются на трубопроводах относительно небольших диаметров, так как в случае больших размеров приходится иметь дело с существенным возрастанием усилий для управления клапаном и усложнять конструкцию для обеспечения правильной посадки затвора на седло корпуса.

Известна сильфонная арматура, уплотнение подвижных элементов относительно внешней среды в которой обеспечивается сильфонным узлом, главным элементом которого является сильфон - гофрированная трубка.

Металлический сильфон при помощи сварки или пайки соединяется с верхними или нижними кольцами (или деталями другой формы), образуя так называемую сильфонную сборку.

Сильфонная сборка своей верхней частью неподвижно и герметично соединяется с корпусными деталями арматуры, а нижней - со штоком или золотником клапана, перекрывая таким образом возможность выхода рабочей среды во внешнюю через средства герметизации подвижного штока.

Поступательное перемещение штока для управления золотником происходит внутри сильфона, который может изменять свою длину за счет деформации гофров сильфона.

Сильфонные клапаны (клапаны сильфонные) обычно используются для работы с такими средами, утечка которых в окружающую среду недопустима.

Преимуществом сильфонных клапанов перед сальниковыми является исключение утечки рабочей среды в атмосферу в пределах срока службы сильфонного узла, что достигается путем существенного усложнения конструкции и соответственно более высокой стоимости клапана, но ремонт сильфона клапана при его усталостном разрушении представляет собой сложную операцию по замене сильфонной сборки, поэтому в таких случаях клапан необходимо менять на новый.

Известен вентиль, содержащий корпус, шток с запорным органом, соединенный со шпинделем и удерживаемый от проворота штифтом, установленным в отверстии запорного органа и обоими концами, контактирующего с продольными пазами в сильфонной втулке [Справочник конструктора трубопроводной арматуры. - Л.: Машиностроение, 1987, стр. 91, рис. 2.34].

Недостатком данного вентиля являются его большие габариты из-за некомпактного расположения основных узлов, в том числе узла соединения шпинделя со штоком и сильфонного узла, а также большое количество деталей, снижающих надежность работы вентиля.

Известен клапан, содержащий корпус, крышку, втулку с сальниковым узлом, шток, соединенный штифтом с запорным органом, и нажимную сальниковую втулку с наружными выступами, размещенными в пазах крышки, и с продольным пазом, в котором установлена шпонка, связанная со штоком и удерживающая его от вращения [SU №1687980, F16K 1/00, 29.06.89].

Известен клапан, содержащий корпус, крышку, втулку, сильфон, стакан и запирающий элемент, соединенный со штоком при помощи штифта [RU №26623, F16K 1/00, 30.05.2002].

Недостатком вышеуказанных устройств является недостаточная надежность соединения штока с запорным органом из-за отсутствия ограничения от выпадения соединительного штифта под воздействием потока рабочей среды в трубопроводе и передачи осевого усилия на штифт при закрытии клапана.

Известен сильфонный клапан, содержащий корпус, шток, сильфон, запорный орган и сильфонную втулку с продольными пазами, в которые вставлен штифт, связанный со штоком и удерживающий его от вращения [RU 28904, F16K 1/50, 19.12.2002].

Недостатком RU 28904 является то, что запорный орган соединен при помощи сварки с сильфоном и жестко соединен со штоком, что исключает возможность его замену при ремонтах арматуры и ненадежно ограничивает рабочий ход запорного органа из-за того, что штифт в положении "открыто" упирается в торец вращающейся втулки.

В обычных конструкциях сильфонных клапанов без втулок при их ремонте корпус клапана необходимо подвергать шлифовке, что является весьма сложным и трудоемким процессом без вырезки из трубопровода. При этом после шлифовки увеличивается зазор между золотником и корпусом, что приводит к ухудшению центровки золотника, повышению вероятности перекоса золотника при рабочем ходе и соответственно к нарушению герметичности клапана в положении "закрыто".

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату аналогом (прототипом) является клапан сильфонный, содержащий корпус, запорный орган и шток, герметизированный сильфоном, который соединен с корпусом сильфонной втулкой, имеющей одинаковые по длине и вытянутые вдоль оси штока продолговатые отверстия для концов штифта, установленного перпендикулярно оси штока для прикрепления в нему запорного органа. Продолговатые отверстия в сильфонной втулке выполнены в виде пазов для движения концов штока и расположены со стороны нижнего торца сильфонной втулки, которая охватывает сильфон и место соединения штока с запорным органом, расположенное ниже уровня сильфона на длину этих продолговатых пазов. При этом верхние стенки продолговатых пазов ограничивают рабочий ход клапана в положении "ОТКРЫТО", а штифт установлен под углом 90° к оси патрубков клапана сильфонного в отверстия в запорном органе и совмещенного с ними отверстия в штоке, которое выполнено вытянутым в направлении сильфона вдоль оси штока так, что образует при нахождении в нем штифта гарантированный зазор [RU 2250404 F16K 1/50 F16K 1/48. Опубл. 20.04.2005 (прототип)].

Недостатком сильфонного клапана RU 2250404 (прототипа) является я необходимость выполнения сильфонной втулки толстостенной с продольными пазами, в которых двигаются концы штифта для исключения вращение золотника и скручивания сильфона при перемещении клапана, а также одновременный износ внутренней поверхности сильфонной втулки и боковой поверхности золотника при открытии/закрытии клапана, что, с одной стороны, приводит к увеличению усилия на приводе для обеспечения перемещений золотника, а, с другой стороны, к появлению необходимости одновременной замены износившейся пары трения золотник-втулка, для чего приходится менять и весь сильфонный узел целиком и втулку.

В известных конструкциях сильфонных клапанов с сильфонными втулками, например, по RU 2250404 (прототип), необходимо при ремонте менять всю одинаково изнашиваемую пару втулка-запорный орган и сильфонный узел, что по стоимости практически сопоставимо со стоимостью нового сильфонного клапана.

Задачей изобретения является устранение недостатков известных конструкций сильфонных клапанов, повышение надежности функционирования и ремонтопригодности сильфонного клапана.

Технический результат

Технический результат, получаемый при промышленной реализации и использовании изобретения - повышение надежности функционирования и ремонтопригодности сильфонного клапана.

Сущность изобретения

Отличительной характерной особенностью предлагаемого сильфонного клапана является наличие запрессовываемой в корпус гильзы, внутри которой перемещается золотник и с внутренней поверхностью которой контактируют при перемещении золотника внутри гильзы кольцевые наплавки из износостойкого материала на поверхности золотника в местах контакта золотник-гильза.

Гильзу выполняют тонкостенной, не подвергающейся скручивающим усилия и работающей внутренней поверхностью только на износ, конструктивно не связанной с сильфонным узлом, самой дорогой частью сильфонного клапана.

Наличие кольцевых наплавок из износостойкого материала на поверхности золотника в местах контакта золотник-гильза предотвращает износ золотника и обеспечивает преимущественный износ внутренней поверхности гильзы в местах контакта золотник-гильза, поэтому при требуемой замене изношенной гильзы нет необходимости в замене всей сильфонной сборки и/или золотника, что существенно упрощает, ускоряет и удешевляет ремонт, повышает ремонтопригодность сильфонного клапана и обеспечивает возможность повышения герметичности клапана после ремонта без замены запорного органа.

При ремонте изношенную гильзу из корпуса выпрессовывают за нижний торец, поскольку ее посадка в корпус легкопрессовая и для извлечения гильзы из корпуса нужны минимальные усилия.

Характерными конструктивными особенностями исполнения гильзы в изобретении является наличие диаметрально расположенных в боковых стенках сквозных отверстий, сообщающихся с выполненными на наружной поверхности гильзы выемками, обеспечивающими переток рабочей среды из надзолотникового пространства в патрубок отвода рабочей среды, что повышает надежность функционирования клапана и исключает повреждение сильфонного узла и корпуса клапана при герметичном перемещении золотника внутри гильзы при открытии клапана и при разогреве рабочей среды в надзолотниковом пространстве.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в клапане сильфонном, содержащем корпус с патрубками подвода и отвода рабочей среды, крышку, герметизированный сильфоном шток и запорный орган в виде подвижно прикрепленного к штоку золотника, согласно изобретения внутри корпуса установлена гильза с возможностью перемещения в ней золотника, а на поверхности золотника в местах контакта золотника с гильзой выполнены кольцевые наплавки из износостойкого материала.

Гильза выполнена тонкостенной, не подвергающейся скручивающим усилиям и работающей внутренней поверхностью на износ в местах контакта с золотником и установлена в корпус легкопрессовой посадкой.

В боковых стенках гильзы выполнены сквозные отверстия, сообщающиеся с выемками на наружной поверхности гильзы, выполненными с обеспечением возможности перетока рабочей среды из надзолотникового пространства в патрубок отвода рабочей среды при перемещении золотника внутри гильзы при открытии клапана и/или при разогреве рабочей среды в надзолотниковом пространстве.

Золотник прикреплен к штоку посредством диаметрального отверстия в нижней части штока, двух диаметральных отверстий в боковых стенках золотника и сопрягаемого с ними штифта, при этом диаметральные отверстия в боковых стенках золотника преимущественно выполнены расположенными между кольцевыми наплавками из износостойкого материала.

Клапан сильфонный может содержать механический привод, электропривод, гидропривод, пневмопривод, электромагнитный привод или быстродействующиий поршневой пневматический привод.

Крышка клапана может быть выполнена в виде крышки-стойки с возможностью присоединения к ней привода.

Клапан сильфонный преимущественно изготавливают из коррозионо-стойкой стали аустенитного класса, например, из стали 08Х18Н10Т по ГОСТ 563.

Износостойкие кольцевые наплавки на поверхности золотника в местах контакта золотника с гильзой выполняют из более износостойкого материала, чем материал гильзы.

В качестве износостойкого материала при изготовлении износостойких наплавок на поверхности золотника может быть использован материал ЦН-6 или ЦН-12М по ГОСТ 10051-75 или иной стойкий к коррозии и задиранию износостойкий материал.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами сильфонного клапана в сборе и в разнесенном виде, а также чертежами отдельных деталей и узлов, на которых показаны золотник 1, гильза 2, корпус 3, сильфонный узел в сборе 4, крышка-стойка привода 5, привод 6, шпильки прижима стойки привода к корпусу 7, шайбы крепления стойки к корпусу 8, гайки крепления стойки к корпусу 9, шпильки крепления привода к стойке 10, шайбы крепления привода к стойке 11, гайки крепления привода к стойке 12, штифт крепления золотника к сильфонному узлу 13, диаметрально расположенные отверстия 14 в боковых стенках золотника для штифта крепления золотника к сильфонному узлу 13, износостойкие кольцевые наплавки (концевые наплавки из износостойкого материала) 15 на боковых стенках золотника 1 в местах контакта золотник/гильза, уплотнительная наплавка 16 в месте контакта золотник/седло корпуса 3, отверстия 17 в боковых стенках гильзы 7, сообщающиеся с продольными выемками на наружной поверхности гильзы 7 для перетока рабочей среды из надзолотникового пространства в патрубок отвода рабочей среды при открытии клапана герметичном перемещении золотника внутри гильзы при открытии клапана и/или при разогреве рабочей среды в надзолотниковом пространстве в закрытом положении клапана.

На фиг. 1 показан общий вид варианта сильфонного клапана с приводом.

На фиг. 2 - сильфонный клапан с приводом в разобранном состоянии в разнесенном виде.

На фиг. 3 показано сечение сильфонного клапана без привода в сборе.

На фиг. 4 - взаимное расположение золотника, сильфонного узла и штифта крепления золотника к сильфонному узлу перед их сборкой и установкой в корпус сильфонного клапана.

На фиг. 5 - общий вид золотника с вырезом четверти, на котором показаны диаметрально расположенные отверстия для штифта крепления золотника к штоку сильфонного узла, кольцевые наплавки из износостойкого материала на поверхности золотника в местах контакта золотника с гильзой и кольцевой уплотнительной наплавкой в месте контакта золотник с седлом корпуса.

На фиг. 6 - общий вид гильзы с диаметрально расположенными сквозными отверстиями в боковых стенках, сообщающимися с выполненными на наружной поверхности гильзы пазами для перетока рабочей среды из надзолотникового пространства в патрубок отвода рабочей среды герметичном перемещении золотника внутри гильзы при открытии клапана герметичном перемещении золотника внутри гильзы при открытии клапана и/или при разогреве рабочей среды в надзолотниковом пространстве в закрытом положении клапана.

Осуществление изобретения

Предлагаемый сильфонный клапан, (фиг. 1, 3) изготавливается и собирается следующим образом (фиг. 2).

В корпус 3 легкопрессовой посадкой устанавливают тонкостенную гильзу 2, выполняющую функцию направляющей для золотника, функцию защитного элемента, предохраняющего корпус от износа при движении золотника в положения открыто/закрыто, а также функцию повышения герметичности и сохранения целостности конструкции и надежности функционирования в результате обеспечения возможности свободного перетока рабочей среды из надзолотникового пространства в патрубок отвода рабочей среды при герметичном перемещении золотника внутри гильзы при открытии клапана и/или при разогреве рабочей среды в надзолотниковом пространстве в закрытом положении клапана.

После запрессовки гильзы 2 в корпус 3 устанавливают сильфонный узел 4 с подвижно прикрепленным к нему золотником 1 посредством штифта 13.

Затем сверху устанавливают крышку-стойку 5 и прикрепляют ее к корпусу посредством шпилек 7, шайб 8 и гаек 9, герметизируя внутреннюю полость клапана.

Сверху на крышку-стойку 5 устанавливают привод 6, обычно, но не обязательно включающее маховик, электропривод, шарнирную муфту.

Привод 6 крепят и фиксируют на крышке-стойке привода шпильками 10, шайбами 11 и гайками 12.

Предлагаемый сильфонный клапан функционирует следующим образом.

В приводе 6 вращательное движение от двигателя или маховика в одну сторону (например, по часовой стрелке) посредством органа управления преобразуется в поступательное движение штока из верхнего положения "открыто" в нижнее положение "закрыто". При этом шток совместно с золотником перемещается в нижнее положение, нижняя торцевая часть золотника сопрягается с герметизирующей поверхностью седла корпуса и перекрывает проходное сечение корпуса, клапан закрыт.

При создании вращательного движения в приводе в противоположную сторону (например, против часовой стрелки) шток посредством органа управления совместно с золотником перемещается в верхнее положение, открывая проходное сечение корпуса, клапан открыт.

При открытии клапана часть жидкости из надзалотниковой полости перетекает через отверстия и выемки в гильзе в подзолотниковую полость и в патрубок отвода рабочей среды не препятствуя открытию клапана и сохраняя герметичность в местах контакта гильза-золотник.

Предлагаемый сильфонный клапан ремонтируют следующим образом.

После снятия крышки-стойки привода и извлечения сильфонного узла проводят деффектацию состояния поверхностей пары трения гильза-золотник, а именно определяется степень износа внутренней поверхности гильзы в результате контакта с нею неизнашиваемой поверхностью кольцевых наплавок из изностостойкого материала на золотнике.

В случае наличия недопустимого износа внутренней поверхности гильзы ее извлекают за нижний торец и легкопрессовой посадкой устанавливают в корпус новую гильзу, после чего собирают сильфонный клапан целиком.

В результате большой заданной разности в твердости гильзы и кольцевых наплавок на золотнике, поверхности золотника износу практически не подвержены, а ремонт клапана можно оперативно производить без извлечения или вырезки клапана из трубопровода.

Предлагаемая конструкция сильфонного клапана обеспечивает уверенное достижение технического результата - повышение ремонтопригодности в результате уменьшения затрат времени и трудоемкости ремонта посредством исключения износа корпуса сильфонного клапана за счет применения тонкостенной, работающей только на износ сменный гильзы и практически неизнашиваемых кольцевых наплавок из износостойкого материала на поверхности запорного органа (золотника), что в конечном итоге существенно повышает надежность функционирования клапана и обеспечивает возможность повышения герметичности сильфонного клапана после ремонта без замены запорного органа.

Таким образом, все существенные признаки изобретения находятся в причинно-следственной связи с техническим результатом, получаемым от использования изобретения.

Конкретные материалы, особенности конструкции и технологии изготовления сильфонного клапана и/или его отдельных деталей выбирают обычным образом применительно к конкретным условиям его эксплуатации.

Изготовление опытных образцов и их испытание в реальных производственных условиях показали уверенное решение поставленной задачи и достижения требуемого технического результата.

В качестве отдельных элементов и узлов предлагаемого сильфонного клапана могут быть использованы различные известные в технике трубопроводной арматуры технологии, материалы и конструктивные решения, обычно применяемые при изготовлении запорной арматуры для химической, энергетической, нефтегазовой и других отраслей промышленности.

Проведенный анализ показывает также, что все общие и частные признаки изобретения являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе они не только достаточны для достижения цели изобретения, но и позволяют реализовать изобретение промышленным способом.

Учитывая новизну существенных признаков, техническое решение поставленной задачи, изобретательский уровень и существенность всех общих и частных признаков изобретения, доказанных в разделе «Уровень техники» и «Раскрытие изобретения», доказанную в разделе «Осуществление изобретения» техническую осуществимость и промышленную применимость изобретения, успешное решение поставленной изобретательской задачи и уверенное достижение требуемого технического результата при реализации и использовании изобретения, по нашему мнению, заявленное изобретение удовлетворяет всем требованиям охраноспособности, предъявляемым к изобретениям.