Уплотнительный узел для шаровых клапанов и шаровой клапан, содержащий такой уплотнительный узел
Изобретение относится к уплотнению клапанов, используемых в нефтяной и газодобывающей промышленности, в частности, но не обязательно, к шаровым клапанам, работающим при средних и высоких давлениях. Уплотнительный элемент (31) размещен с радиальным зазором в первом гнезде (31А) так, что по отношению к седлу (30) уплотнительный элемент (31) размещен свободно в направлении, параллельном центральной оси (А), когда указанное седло (30) установлено в корпусе (20) клапана и через указанное седло (30) внутри него проходит текучая среда под давлением, причем уплотнительный узел (101, 102) содержит средства против выдавливания, чтобы избежать выдавливания уплотнительного элемента (31) из указанного первого гнезда (31А) во время этапа открытия указанного клапана. Указанный уплотнительный узел обеспечивает исключительные уплотняющие характеристики при низких и средних давлениях, благодаря использованию уплотнительного элемента из термопластичного материала, и полностью устраняет недостатки, которые присущи уплотнительному узлу известного типа. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 13 ил.
Область техники
Изобретение относится к уплотнению клапанов, используемых в нефте- и газодобывающей промышленности, в частности, но не исключительно, к шаровым клапанам для применений, в которых давление находится в интервале от 0 до 450 бар. В частности, изобретение относится к усовершенствованному уплотнительному узлу для шаровых клапанов, предпочтительно для клапанов «поворотного» типа, и к шаровому клапану, содержащему такой усовершенствованный уплотнительный узел.
Предшествующий уровень техники
В области нефте- и газодобывающей промышленности используют шаровые клапаны для перекрытия движения текучей среды (нефти или природного газа), транспортируемой через трубопровод. Шаровые клапаны, как известно, содержат корпус клапана, шар, выполняющий функцию клапанного затвора для создания препятствия прохождению текучей среды, и седло, которое соединяется с шаром для создания перекрытия движения текучей среды. Между седлом и шаром клапана действует, по меньшей мере, один уплотнительный элемент, который обеспечивает уплотнение клапана и при этом допускает относительное взаимное перемещение седла и шара для открытия и закрытия самого клапана. Корпус клапана и седло выполнены оба полыми внутри для образования прохода для текучей среды между входным участком и выходным участком. Когда клапан находится в закрытом положении, шар блокирует проход для текучей среды между входным участком и выходным участком. В открытом положении шар образует зазор, который обеспечивает сообщение по текучей среде между указанными участками. В клапанах «поворотного» типа, широко известных в уровне техники, движение шара поддерживается двумя противоположными пальцами, определяющими ось вращения. В результате шар сохраняет одну единственную степень свободы во вращении относительно корпуса клапана. Такое вращение обеспечивается посредством внешнего привода.
Рабочие давления, на которые рассчитаны эти клапаны, находятся в сравнительно широком диапазоне и изменяются в зависимости от типа системы, для которой они предназначены. В связи с этим было разработано много решений, позволяющих удовлетворить существующие технические требования для каждой такой трубопроводной системы. Каждое решение включает в себя клапан с определенными конструктивными особенностями, которые делают его подходящим для соответствующего применения. В данной области техники известны клапаны, называемые клапанами с одинарным эффектом поршня («Single Piston Effect» [SPE]) и двойным эффектом поршня («Double Piston Effect» [DPE]).
В клапане SPE, подобно клапану DPE, используются первое седло и второе седло, размещенные выше и ниже по потоку от шара по отношению к направлению движения потока, соответственно. В клапане SPE уплотнение клапана выполнено исключительно первым седлом, обычно одним выше по потоку от шара относительно потока текучей среды. Если по какой-либо причине уплотнение первого седла в клапане SPE нарушается, второе седло, т.е. седло, размещенное в клапане SPE ниже по потоку, не может обеспечивать уплотнение шара. В то же время, второе седло необходимо, чтобы пропускать через него рабочую текучую среду, в частности, если рабочей текучей средой является газ. Это необходимо для предотвращения накапливания сжатой текучей среды в клапане, что потенциально является весьма опасным. Подобное качество необходимо также в том случае, когда шар поворачивают в закрытое положение. В этом случае сброс давления, существующего в зазоре, образованном шаром, должен происходить в направлении вниз по потоку от самого шара. В соответствии с существующими стандартами, в случае клапана SPE, давление необходимое для автоматического открытия седла («самосброса (давления)») должно быть меньше или равно 10% от рабочего давления.
С другой стороны, в клапанах типа DPE, если первое седло, т.е. седло, находящееся выше по потоку от шара по отношению к направлению потока, не должно обеспечивать уплотнение по какой-либо причине, то второе седло, т.е. находящееся ниже по ходу движения потока, должно обеспечить уплотнение. Как известно в уровне техники, для достижения такого результата седло выполнено так, что текучая среда находится между седлом и прилегающими к нему поверхностями корпуса клапана, создавая давление седла на шар и приводя в действие уплотнение. Другими словами, в клапанах типа DPE второе седло выполняет функцию герметичного закрытия клапана.
Указанные выше типы клапанов, определяемые в зависимости от получаемых технических результатов или рабочих характеристик, являются, таким образом, известными в данной области техники, и среди этих типов клапанов могут быть выявлены различные технические решения. По существу, в уровне техники каждый клапан выполнен с возможностью реализации предварительно заданного назначения за счет определенной геометрии уплотнительного узла, имея в виду совокупность седла и уплотнительных элементов. По существу, для изготовления клапана типа SPE или, в качестве альтернативы, клапана типа DPE производитель должен разработать определенную конфигурацию уплотнительного узла.
Известные технические решения не являются функционально гибкими. Действительно, в настоящее время седло, предназначенное для клапана SPE, не может быть использовано в конструкции клапана DPE, и наоборот. Таким образом, изготовитель должен знать тип устанавливаемого клапана и должен заранее обеспечить наличие определенных компонентов в соответствии с тем, какого типа должен быть изготовлен клапан, с одинарным эффектом поршня или двойным эффектом поршня. Поэтому, как известно в уровне техники, производитель должен изготовить и иметь в наличии запас из двух различных уплотнительных узлов, один, предназначенный для изготовления клапанов типа SPE, и один для изготовления клапанов типа DPE.
Другими словами, в настоящее время на рынке не известны взаимозаменяемые решения, которые позволяют производителю и прочим изготовить один тип седла, уменьшая тем самым количества имеющихся в наличии компонентов, в частности, седел, и которые, кроме того, позволяют пользователю модифицировать тип клапана, например, путем перехода от одинарного эффекта поршня к двойному эффекту поршня, или наоборот, просто путем воздействия на седло, при отсутствии необходимости модифицировать каким-либо образом корпус клапана и/или прилегающие к корпусу поверхности.
В трубопроводной системе могут быть использованы различные трубопроводы, каждый с определенными условиями по расходу и давлению, обеспечиваемыми с помощью соответствующих клапанов с уплотнением. Выбор клапана для каждого трубопровода должен быть сделан на этапе проектирования, а фактически включенный в состав клапан должен быть установлен на трубопроводе на этапе монтажа. Помимо определения характеристики, которую должен иметь клапан (DPE или SPE), на этапе проектирования должны быть определены средства, с помощью которых обеспечивается уплотнение в соответствии с условиями эксплуатации.
В частности, в известных решениях в случаях применений для газа и в гидравлике при низких и высоких давлениях применяют уплотнения с использованием эластомерного вставного элемента. Такой уплотнительный элемент, известный в уровне техники, обычно выполнен в виде резинового уплотнительного кольца круглого сечения, приспособленного для герметичного закрытия, производимого между седлом и шаром. Упомянутый резиновый уплотнительный элемент обеспечивает уплотнение также в случае чистовой обработки поверхности шара, в результате которой эта поверхность не имеет дефектов или во всех случаях имеет заданную шероховатость. Другими словами, резиновое уплотнительное кольцо круглого сечения позволяет получить уплотнение при низкой стоимости изготовления, поскольку отсутствует необходимость усиливать допуски, повышать чистоту обработки поверхности или уменьшать погрешности формы шара.
Однако использование резинового уплотнительного кольца круглого сечения в качестве уплотнительного элемента связано с некоторыми недостатками, первым из которых является опасность выдавливания уплотнения, т.е. в случае высоких рабочих давлений само кольцо деформируется и/или частично вытесняется из гнезда с последующим нарушением уплотнения вследствие разрыва кольца. В таких условиях клапан не может обеспечить герметичность уплотнения.
Таким образом, ограничением клапанов, имеющих резиновое уплотнительное кольцо круглого сечения в качестве единственного уплотнительного элемента, является отсутствие надежности для клапанов, работающих с высокими давлениями газа или жидкости, при этом под высокими величинами давления понимаются давления выше 100 бар.
Для повышения герметичности клапана даже при высоких величинах давления текучей среды известны предлагаемые на рынках решения, которые включают в себя в качестве уплотнительного элемента эластомерное кольцо, имеющее по существу треугольное, точнее дельтовидное поперечное сечение, называемое дельтовидным кольцом. Примеры уплотнений с использованием дельтовидного кольца описаны в патентных документах WO 2013/02123238 и WO 2011/0343536.
Такое решение, хотя оно и улучшает уплотнение при высоких температурах, также не является полностью удовлетворительным для устранения вышеупомянутых недостатков (выдавливание/разрыв). Хотя, как было отмечено выше, уплотнительные элементы, изготовленные из эластомерного материала, могут обеспечить хорошее уплотнение при низком давлении, они оказываются не подходящими для работы при высоких давлениях, поскольку обладают низким сопротивлением механической усталости. Помимо этого, вследствие деформируемости материала, из которого изготовлены уплотнительные элементы, они могут быть выдавлены из гнезда, в котором размещены. Эластомер изнашивается и повреждается ещё быстрее при использовании в условиях агрессивных сред, которые имеют место, прежде всего, при обработке углеводородов в газообразной форме.
Наряду с упомянутыми решениями, в данной области техники известны клапаны, в которых для уплотнения между седлом и шаром используются элементы из термопластичного материала. Примерами используемых материалов являются политетрафторэтилен (ПТФЭ) с различными составляющими, полиамид (ПА), полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), полиоксиметилен (ПОМ), политрифторхлорэтилен (ПТФХЭ) и тому подобные, весьма твердые термопластичные полимеры. Эти уплотнительные элементы или вставные элементы, изготовленные из термопластичных материалов, обычно вставляют с натягом в соответствующие гнезда, имеющиеся в седле клапана. Следовательно, при проектировании этих уплотнительных систем очень важным является контроль соответствия размеров вставного элемента и седла. Во многих случаях обеспечивается использование средств прижатия для фиксации положения уплотнительного элемента в соответствующем гнезде.
По отношению к использованию резиновых уплотнительных колец круглого сечения или дельтовидных колец термопластичные уплотнительные элементы позволяют предотвратить контакт метал-метал между седлом и шаром также при высоких рабочих давлениях, поскольку они являются менее деформируемыми по сравнению с резиной. С другой стороны, недостатком, связанным с использованием термопластичных материалов, является необходимость иметь очень низкие величины допусков на механическую обработку и/или отклонений при сборке компонентов клапана, и очень малую шероховатость поверхности шара. Поэтому для обеспечения хорошего качества уплотнения шар должен быть подвержен чистовой обработке поверхности посредством шлифования. В то же время уплотнительные элементы, выполненные из эластомерного материала, используемые в настоящее время, не подходят для создания хорошего уплотнения при низком давлении. В области техники, к которой относится изобретение, в частности, в газодобывающей промышленности, шаровые клапаны должны работать с текучими средами в газообразном состоянии, которые могут находиться при низких давлениях или при высоких давлениях порядка 450 бар или более. Для того чтобы обеспечить работу при низком и указанном высоком давлениях, некоторые известные решения (также описанные в патентных документах WO 2013/02123238 и WO 2011/0343536) используют два уплотнительных элемента, один из которых выполнен из эластомерного материала, а другой из термопластичного материала.
При этом в случае низких давлений уплотнение обеспечивается с помощью эластомерного материала. При высоких давлениях уплотнение преимущественно обеспечивает уплотнительный элемент, выполненный из термопластичного материала. В то же время эластомерный материал должен выполнять функцию компенсации эластичных деформаций шара клапана, обусловленных высокими рабочими давлениями текучих сред. Вместе с тем, эластомерный материал подвергается значительным деформациям в процессе открытия клапана при максимальном давлении, что создает для уплотнения условия высоких напряжений вплоть до повреждения материала вследствие разрыва. Проблема, дополнительно усиливается в условиях агрессивных сред. Следовательно, решение, которое использует комбинацию термопластичного уплотнительного элемента с эластомерным уплотнительным элементом, также имеет вполне определенные ограничения по надежности и износостойкости. Кроме того, эти решения требуют проведения сложных работ по изготовлению гнезд для размещения уплотнительных колец. В этой связи следует отметить, что гнездо для дельтовидного кольца является очень сложным для изготовления, в то время как гнездо для термопластичного элемента требует менее строгих допусков. Операции по сборке уплотнительного узла с двумя скомбинированными элементами (с одним эластомерным и другим термопластичным) также представляются весьма сложными.
В соответствии с вышеизложенным, основная задача изобретения заключается в создании более совершенного уплотнительного узла для шарового клапана, который позволяет устранить недостатки, присущие уплотнительным системам, известным в уровне техники.
В рамках решения этой проблемы задача изобретения заключается в создании узла для промышленных шаровых клапанов, который обеспечивает получение исключительного уплотнения, как при низких, так и при высоких температурах.
Другая задача изобретения заключается в создании уплотнительного узла, для которого требуются более простые обработка седла и операции по сборке по сравнению с необходимыми при использовании традиционных решений.
Следующая задача изобретения заключается в создании уплотнительного узла, который позволяет улучшить уплотнение, в том числе при рабочих параметрах и, в частности, в газовой и жидкой среде, и которая подвержена многочисленным и периодически повторяющимся циклам открытия и закрытия при высоком давлении.
Ещё одна задача изобретения заключается в создании уплотнительного узла, содержащего седло, которое является взаимозаменяемым, т.е. допускающим замену в одном и том же корпуса клапана для того, чтобы изменить тип клапана, а именно, от клапана SPE типа к клапану DPE типа и, наоборот, при отсутствии необходимости каким-либо образом модифицировать или видоизменить корпус клапана.
Не последней задачей изобретения является создание уплотнительного узла, который является надежным и может быть легко изготовлен при конкурентных затратах.
Раскрытие изобретения
Изобретение относится, таким образом, к уплотнительному узлу для промышленного шарового клапана, при этом указанный клапан содержит по меньшей мере один корпус клапана и шар, размещенный в указанном корпусе клапана. Уплотнительный узел в соответствии с изобретением содержит по меньшей мере одно седло, вставляемое внутрь корпуса клапана, которое установлено вокруг центральной оси, образуя осевую полость для прохода находящейся под давлением текучей среды. Упомянутое седло содержит первое гнездо на первой передней поверхности, обращенной в сторону шара, когда это седло установлено в корпусе клапана. Первое гнездо содержит закрытую донную поверхность, которая расположена в плоскости, проходящей поперек указанной центральной оси.
Уплотнительный элемент выполнен из термопластичного материала для создания уплотнения, предотвращающего прохождение текучей среды между седлом и шаром клапана. Такой уплотнительный элемент имеет форму кольца и размещен внутри первого гнезда. Уплотнительный узел в соответствии с изобретением отличается, в частности тем, что уплотнительный элемент размещен в указанном гнезде с радиальным зазором, чтобы он мог свободно перемещаться относительно седла в направлении, параллельном центральной оси, когда седло установлено внутри корпуса клапана и через осевую внутреннюю полость седла проходит текучая среда под давлением.
Уплотнительный узел, кроме того, содержит средства против выдавливания, позволяющие предотвратить выдавливание уплотнительного элемента из указанного первого гнезда во время осуществления этапа открытия указанного клапана.
Уплотнительный узел в соответствии с изобретением позволяет полностью исключить использование закладного элемента из эластомерного материала, возлагая функцию уплотнения исключительно на уплотнительный элемент, выполненный из термопластичного материала, и решая, таким образом, проблемы, связанные с износом уплотнения и усталостным поведением материала, которые присущи уплотнительным элементам, выполненным из эластомерного материала, при этом уплотнительный узел позволяет использовать уплотнительный элемент из термопластичного материала с достижением исключительно высоких степеней уплотнения. С помощью предложенного уплотнительного узла может быть достигнуто оптимальное уплотнение при давлениях вплоть до 420 бар, и, таким образом, уменьшены проблемы, связанные с ухудшением уплотнения вследствие износа и усталости материала. В этой связи можно отметить, что поскольку при закрытии клапана давление увеличивается, механическое давление уплотнительного элемента на шар и, следовательно, давление, действующее на само уплотнение, увеличивается. Во время этапа открытия клапана давление уменьшается и, следовательно, усилие, которое прижимает уплотнительный элемент к шару, также уменьшается, что ограничивает процессы износа и механической усталости. В то же время возможность перемещения уплотнительных элементов относительно седла благодаря свободному размещению уплотнительного элемента относительно исходного седла обеспечивает компенсацию упругой деформации шара, обусловленной действием давления текучей среды.
Уплотнительный узел в соответствии с изобретением обеспечивает более высокую прочность и надежность при низких давлениях по сравнению с закладным уплотнительным элементом из эластомера. Кроме того, наличие термопластичного уплотнительного элемента обеспечивает снижение трения и уменьшение, таким образом, величины крутящего момента при открытии клапана по сравнению с решением, в котором используют уплотнение из эластомера.
Уплотнительный узел в соответствии с изобретением может быть использован также применительно к клапанам, в которых используется уплотнение шара типа PMSS (с основным металлическим и вторичным мягким уплотнением), и в которых имеет место контакт метал-метал между передней поверхностью уплотнения и шаром.
Краткое описание чертежей
Другие характерные особенности и преимущества изобретения будут более очевидными из последующего подробного описания с использованием не ограничивающих примеров и ссылками на чертежи.
На фиг. 1 показан шаровой клапан, содержащий две уплотнительные системы в соответствии с изобретением, которые действуют выше и ниже по ходу движения потока относительно шара, вид в разрезе;
на фиг. 2 - шаровой клапан типа SPE (с одинарным поршневым эффектом), в котором установлен уплотнительный узел в соответствии с первым возможным вариантом осуществления изобретения, вид в разрезе в радиальном сечении;
на фиг. 3 - шаровой клапан типа DPE (с двойным поршневым эффектом), в котором установлен уплотнительный узел в соответствии с вариантом осуществления изобретения, альтернативным представленному на фиг. 2, вид в разрезе в радиальном сечении;
на фиг. 4 - уплотнительный узел на фиг. 2, вид с пространственным разделением деталей;
на фиг. 5 и 6 - уплотнительный узел на фиг. 2, увеличенный вид;
на фиг. 7 и 8 - шаровой клапан типа SPE (с одинарным поршневым эффектом), в котором установлен уплотнительный узел согласно второму возможному варианту осуществления изобретения, вид в радиальном разрезе и подробный вид, соответственно;
на фиг. 9 - шаровой клапан типа DPE (с двойным поршневым эффектом), в котором установлен уплотнительный узел в соответствии изобретением в варианте, альтернативном представленному на фиг. 7, вид в радиальном разрезе;
на фиг. 10 и 11 - шаровой клапан типа SPE (с одинарным поршневым эффектом), в котором установлен уплотнительный узел согласно третьему возможному варианту осуществления изобретения, вид в радиальном разрезе и подробный вид, соответственно;
на фиг. 12 и 13 - шаровой клапан типа DPE (с двойным поршневым эффектом), в котором установлен уплотнительный узел согласно ещё одному возможному варианту осуществления изобретения, вид в радиальном разрезе и подробный вид, соответственно.
Одинаковые номера и буквенные обозначения на фигурах относятся к одним и тем же конструктивным элементам и компонентам.
Варианты осуществления изобретения
На фиг. 1 представлен клапан 1 «поворотного» типа, содержащий уплотнительный узел в соответствии с изобретением. Клапан 1 предназначен для установки на трубопроводе для транспортирования текучей среды и содержит корпус 20, имеющий полость 21, в которой размещен полый внутри шар 10, приспособленный для перекрытия потока Q текучей среды и создания прохода 12 для потока, как это известно для клапанов такого типа. Показанный на фиг. 1 клапан 1 содержит первый уплотнительный узел 101 и второй уплотнительный узел 102, функционально связанные с шаром 10 для создания перекрытия движения текучей среды на противоположных частях шара 10, выше и ниже по ходу движения потока текучей среды внутри клапана, соответственно. В частности, две системы 101, 102 обеспечивают уплотнение, по меньшей мере, при нахождении шара 10 в закрытом положении. Здесь и далее в описании будет упомянут и рассмотрен первый уплотнительный узел 101, который действует выше по потоку от шара 10, но аналогичные соображения применимы также к уплотнительному узлу 102, находящемуся ниже по потоку.
Уплотнительный узел 101 в соответствии с изобретением содержит седло 30, установленное внутри корпуса 20 клапана. Седло 30 размещено как тело вращения вокруг центральной оси А и содержит осевую полость 35 для прохода текучей среды (жидкости или газа) под давлением. Центральная ось А определяет направление потока текучей среды, когда седло 30 вставлено в корпус 20 клапана и клапан 1 открыт. Направление потока устанавливается, конечно, условиями работы системы трубопроводов, в которой монтируют клапан. Как показано на виде с пространственным разделением деталей на фиг. 4, седло 30 содержит первое гнездо 31А, выполненное на первой передней поверхности 30А седла 30. Когда седло 30 установлено в корпусе 20 клапана, упомянутая передняя поверхность 30А, как и первое гнездо 31А, обращена в сторону шара 10. Первое гнездо 31А проходит вокруг центральной оси А в виде кольца, образованного двумя коаксиальными цилиндрическими поверхностями. Первое гнездо 31А, кроме того, ограничено донной поверхностью 310, которая расположена предпочтительно на поперечной плоскости, по существу ортогональной (перпендикулярной) центральной оси А. Донная поверхность 310 гнезда закрыта так, что первое гнездо 31А открыто только со стороны передней поверхности 30А седла 30.
Уплотнительный узел 101 содержит уплотнительный элемент 31, выполненный из термопластичного материала и размещенный в первом гнезде 31А (как показано на фиг. 1 и фиг. 2) для создания уплотнения между седлом 30 и шаром 10. Такой уплотнительный элемент 31 имеет форму кольца, выполненного с возможностью вставления в первое гнездо 31А. Уплотнительный элемент 31 для уплотнения по текучей среде под давлением между седлом 30 и шаром 10 предпочтительно выполнен из вышеупомянутых ПТФЭ (с различными составляющими), ПА, ПЭЭК, ПОМ, ПТФХЭ и тому подобных термопластичных полимеров, обладающих высокой твердостью.
В соответствии с настоящим изобретением уплотнительный элемент 31 размещен с радиальным зазором в первом гнезде 31А так, чтобы он мог свободно перемещаться, по отношению к седлу 30, в пределах первого гнезда 31А. В частности, понятие «свободно перемещаться» означает возможность обеспечения уплотнительному элементу 31 перемещения в направлении, параллельном центральной оси А, когда седло 30 установлено в корпусе 20 клапана и через него протекает находящаяся под давлением текучая среда. Понятие «радиальный зазор» означает условие, при котором площадь поперечного сечения уплотнительного элемента 31, вычисленная в плоскости, расположенной ортогонально центральной оси А, меньше площади поперечного сечения первого гнезда 31А, вычисленной в той же плоскости.
В этой связи в соответствии с возможным, но не единственным вариантом осуществления, площадь поперечного сечения первого гнезда 31А превышает площадь поперечного сечения уплотнительного элемента 31 на величину от 1% до 5%. Предпочтительно, но не обязательно, площадь поперечного сечения указанного первого гнезда 31А превышает площадь поперечного сечения уплотнительного элемента 31 на величину от 1% до 3%.
Фиг. 5 и 6 поясняют принцип, посредством которого обеспечивается уплотнение с помощью уплотнительного элемента 31. Как показано на фиг. 5, уплотнительный элемент вставлен в первое гнездо 31А с радиальным зазором, указанным ссылочным обозначением R, при этом текучая среда под давлением через седло не проходит. На фиг.6 радиальный зазор R показан увеличенным лишь в целях пояснения.
В ситуации, показанной на фиг. 6, через внутренний канал седла 30 протекает текучая среда под давлением. На седло 30 действует усилие в направлении шара 10 под действием упругих средств и давления, которое приложено к задним поверхностям 30В, 50'' седла 30, в соответствии с принципами, которые будут описаны далее более подробно. В то же время текучая среда под давлением движется вверх через зазор, существующий между шаром 10 и передней поверхностью 30А седла 30, и постепенно проникает в первое седло 31А за счет радиального зазора R. Благодаря закрытой ограничивающей донной поверхности 310 первого седла 31А на уплотнительный элемент 31 действует давление Р текучей среды в направлении шара 10, и, таким образом, создается уплотнение по текучей среде.
Термопластичный уплотнительный элемент 31 прижимается к шару 10 непосредственно под действием давления Р текучей среды, и необходимость использования для этого какого-либо внешнего источника энергии отсутствует. В этой связи уплотнительный элемент 31 можно рассматривать как «самоустанавливающийся» в осевом направлении. Кроме того, уплотнение преимущественно усиливается при повышении давления текучей среды, поскольку усилие, действующее на уплотнительный элемент 31 за счет давления, возрастает. В то же время, хотя жесткость уплотнительного элемента 31 превышает жесткость эластомерного элемента, благодаря влиянию усилия давления, действующего на уплотнительный элемент 31 в направлении шара 10, уплотнение при низких давлениях улучшается в наибольшей степени со всеми преимуществами, которые дает износостойкость, обусловленная твердостью термопластичного материала.
В соответствии с другим аспектом изобретения седло 30 содержит средства против выдавливания, чтобы предотвратить освобождение уплотнительного элемента 31 во время этапа открытия клапана 1. На этом этапе за счет геометрии системы седло-шар и благодаря проходному каналу 12, выполненному в шаре 10, два участка уплотнительного элемента 31, расположенных с противоположных сторон относительно центральной оси А, не контактируют с поверхностью шара 10. Упомянутое условие «свободного размещения» может привести к возможному выдавливанию уплотнительного элемента на этих противоположных участках. Средства против выдавливания, за счет создания, с их помощью, упора для останова осевого перемещения уплотнительного элемента 31 в первом гнезде 31А, позволяют устранить этот возможный недостаток.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления седло 30 содержит на передней поверхности 30А второе гнездо 33А. Это второе гнездо 33А также проходит вокруг центральной оси А и открыто в сторону шара 10. В этом варианте осуществления средства против выдавливания включают в себя кольцо 33 против выдавливания (здесь и далее называемое передним кольцом 33), размещенное во втором гнезде 33А и выступающее за пределы указанной передней поверхности 30А так, что оно образует границу свободного перемещения уплотнительного элемента 31. Кольцо 33 против выдавливания предпочтительно выполнено из металлического материала и предпочтительно разомкнутого типа, т.е. содержит два расположенных близко друг к другу конца. Такая «разомкнутая» конструкция кольца 33 способствует его вводу во второе гнездо 33А, что может осуществляться, таким образом, с помощью зазора. Расположенные близко друг к другу концы кольца 33 разомкнутой формы присоединены к седлу 30 посредством штифтов (на фигурах не показаны), которые вставляют в специальные отверстия (на фигурах также не показаны), которые проходят от части передней поверхности 30А ко второму гнезду 33А. Указанное кольцо 33 против выдавливания выступает за пределы передней поверхности 30А при отсутствии контакта с шаром 10 клапана 20. В некоторых случаях применения, в которых рабочее давление относительно низкое, кольцо 33 против выдавливания может быть также выполнено из ПЭЭК или другого материала, обладающего подобными свойствами.
На фиг. 4 детально отображена форма элементов, которые образуют уплотнительный узел 101 в соответствии с изобретением. Первое гнездо 31А ограничено внешней цилиндрической поверхностью 311 и внутренней цилиндрической поверхностью 312, коаксиально расположенными вокруг центральной оси А. Эти цилиндрические поверхности 311, 312 расположены напротив внешней поверхности 311А и внутренней поверхности 311В указанного уплотнительного элемента 31, соответственно. В закрытом состоянии клапана внешняя цилиндрическая поверхность 311А уплотнительного элемента 31 упирается в/контактирует с внутренней поверхностью 311 первого седла 31А под действием давления текучей среды. Предпочтительно первое гнездо 31А проходит с преобладанием вдоль осевого направления, т.е. параллельно центральной оси А. Это означает, что протяженность первого гнезда 31А, измеренная вдоль центральной оси, больше чем расстояние, измеренное в радиальном направлении, ортогональном центральной оси А, между внешней цилиндрической поверхностью 311 и внутренней цилиндрической поверхностью 312, образующими первое гнездо.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения уплотнительный элемент 31 имеет на внешней поверхности 311А кольцеобразное гнездо 32А, в котором размещено уплотнительное кольцо 32. По существу, последнее образует дополнительное уплотнение вокруг уплотнительного элемента 31, точнее, между внешней цилиндрической поверхностью 311А уплотнительного элемента 31 и внешней цилиндрической поверхностью первого гнезда 31А. По существу, уплотнительное кольцо 32 предотвращает стравливание давления, действующего вокруг уплотнительного элемента 31, с прохождением текучей среды из первого гнезда 31А над местом контакта уплотнительного элемента 31 с шаром 10.
Кольцевое гнездо 32А может быть образовано канавкой, которая выполнена в уплотнительном элементе 31, посередине между передней поверхностью и задней поверхностью 31′ уплотнительного элемента 31 (такие определения получили здесь и далее эти поверхности), как показано, например, в варианте, показанном на фиг. 2 и 3. В качестве альтернативы, кольцевое гнездо 32А может быть образовано уступом, выполненным на задней поверхности 31′ уплотнительного элемента 31, как показано в вариантах на фиг. 8 - 13.
В соответствии с возможным вариантом осуществления изобретения уплотнительное кольцо 32 образовано кольцом с круглым сечением, предпочтительно изготовленным из эластомерного материала. В качестве альтернативы, в соответствии с решениями, описанными более подробно далее, в кольцевое гнездо 32А может быть вставлено уплотнение в виде кольца с U-образной формой сечения или уплотнение типа манжеты (простой или двойной).
Как видно на изображении с пространственным разделением деталей, представленном на фиг. 4, уплотнительный элемент 31 содержит переднюю поверхность, которая обращена в сторону указанного шара 10, когда указанное седло 30 вставлено в корпус 20 клапана, и заднюю поверхность 31′, которая обращена в сторону закрытой донной поверхности 310 указанного первого гнезда 31А. Предпочтительно задняя поверхность 31′ расположена ортогонально относительно центральной оси А, т.е. относительно цилиндрических поверхностей 311А, 311В уплотнительного элемента 31. Согласно первому возможному варианту осуществлению, как показано на фиг. 2 - 6, задняя поверхность 31′ расположена на одной единственной плоскости, проходящей ортогонально относительно центральной оси А.
Передняя поверхность уплотнительного кольца 31 содержит первый участок 133А, расположенный с наклоном относительно указанной центральной оси А, предназначенный для вхождения в контакт с шаром 10 и обеспечения уплотнения в случае заполнения седла 30 текучей средой под давлением. Передняя поверхность кольца содержит также второй участок 133В, на который действуют средства против выдавливания в соответствии с перемещением (свободным перемещением) уплотнительного элемента 31 под действием усилия давления.
В этом отношении в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления второе гнездо 33А образовано двумя основными поверхностями 43А, 43В (показаны на фиг. 5), которые проходят по радиальным плоскостям, ортогональным к центральной оси А, расположенным на расстоянии друг от друга. В частности, второе гнездо 33А продолжается большей частью в радиальном направлении, и это свидетельствует о том, что протяженность второго гнезда 33А, измеренная в радиальном направлении, ортогональном центральной оси А, превышает расстояние, измеренное вдоль направления, параллельного центральной оси А, между параллельными плоскостями, в которых расположены основные поверхности 43А, 43В, образующие само гнездо 33А.
Предпочтительно кольцо 33 против выдавливания имеет, по существу, трапецеидальное поперечное сечение, которое определяется в радиальной плоскости по отношению к указанной центральной оси А. В частности, кольцо 33 против выдавливания устанавливают так, что наклонная поверхность 333 трапецеидального сечения обращена в сторону шара 10. Переднее кольцо 33 образует упорную контактную поверхность 331, которая обращена в сторону второго участка 133В передней поверхности 133 уплотнительного элемента 31 и расположена на расстоянии от этого участка. Понятие «расположена на расстоянии» означает условие, определенное в отсутствии текучей среды под давлением, когда между упорной поверхностью 331 и вторым участком 133В образован определенный зазор (обозначенный на фиг. 5 как G1), и этот зазор допускает, при наличии текучей среды под давлением, осевое (свободное) перемещение уплотнительного элемента 31 в направлении шара 10. Такое осевое перемещение прекращается, когда второй участок 133В уплотнительного элемента 31 вступает в контакт с упорной поверхностью 331 переднего кольца 33.
В соответствии с другим аспектом изобретения передняя поверхность 30А седла 30 имеет профиль, по существу совпадающий с профилем внешней поверхности шара 10. Как показано на фиг. 4, передняя поверхность 30А имеет первый участок 300А, по существу, перпендикулярный центральной оси А, и второй участок 300В, имеющий наклон относительно той же центральной оси А, обеспечивающий совпадение с профилем шара 10. При этом уплотнительный элемент 31 и переднее кольцо 33 выступают за пределы такого второго участка 300В в соответствии с описанными выше характерными особенностями изобретения.
Седло 30, в целом, содержит переднюю часть 30′, которая проходит между передней поверхностью 30А и задней поверхностью 30В, расположенной противоположно передней поверхности 30А и обращенной к корпусу 20 клапана. С задней стороны седло 30 содержит одно или более гнезд 34В, которые проходят в седло от поверхности 30В. В этих гнездах размещены упругие элементы 60, при этом один конец указанных упругих элементов действует на корпус 20 клапана, а другой конец оказывает действие на седло 30 так, что перемещает последнее в направлении шара 10, образуя при этом зазор, здесь и далее указанный ссылочным обозначением G2 (см. фиг. 2), между задней поверхностью 30В и поверхностью 20В корпуса 20 клапана, обращенной в сторону задней поверхности 30В. В частности, зазор G2 устанавливают таким, чтобы он был меньше зазора G1, образованного между упорной поверхностью 331 кольца 33 против выдавливания и вышеупомянутым вторым участком 133В уплотнительного элемента 31. Условие G1>G2 предпочтительно позволяет восстановить упругую деформацию, которой подвергается шар 10 под действием давления. Другими словами, при выполнении этого условия осевое перемещение уплотнительного элемента 31 является достаточным для обеспечения уплотнения шара 10 также и при действии на него упругой деформации.
В соответствии с другим аспектом передняя часть 30′ седла 30 содержит, кроме того, цилиндрическую внешнюю поверхность 30С, которая проходит параллельно центральной оси А между указанной передней поверхностью 30А и задней поверхностью 30В. Седло 30, помимо этого, содержит на внешней поверхности 30С канавку 40А, в которой может быть размещено дополнительное центральное уплотнительное кольцо 40, которое предпочтительно, но не обязательно, представляет собой кольцо с круглым сечением, выполненное из эластомерного материала (или в качестве альтернативы, манжетное уплотнение). Как пояснено более подробно далее, в первом варианте осуществления уплотнительный узел содержит центральное уплотнительное кольцо 40, размещенное в канавке 40А, чтобы сформировать клапан типа SPE. В альтернативном варианте осуществления уплотнительный узел не содержит указанное центральное уплотнительное кольцо 40, чтобы сформировать клапан типа DPE.
Седло 30, кроме того, содержит заднюю часть 30′′, которая проходит от задней поверхности 30В передней части 30′. Задняя часть 30′′ содержит первую цилиндрическую внешнюю поверхность 50′, которая проходит от указанной задней поверхности 30В параллельно центральной оси А и выступает в радиальном направлении (т.е. в направлении, ортогональном центральной оси А) меньше, чем внешняя поверхность 30С передней части 30′. Задняя часть 30′′ седла 30 содержит, кроме того, вторую цилиндрическую внешнюю поверхность 50′′, параллельную центральной оси А и выступающую в радиальном направлении, от центральной оси А, меньше, чем первая внешняя поверхность 50′. Указанные две поверхности 50′, 50′′ задней части 50 соединены посредством поверхности 50′′′ уступа, которая находится в поперечной, ортогональной центральной оси А, плоскости. Когда седло 30 установлено в корпуса 20 клапана, вторая цилиндрическая поверхность 50′′ и поверхность 50′′′ уступа образуют, вместе с корпусом 20 клапана, заднее гнездо 80, в котором размещены расположенные сзади уплотнительные элементы 51, 52′, 52′′, 53. В частности, упомянутое заднее гнездо 80 ограничено спереди поверхностью 50′′′ уступа и сзади поверхностью 25 корпуса 20 клапана, обращенной в сторону поверхности 50′′′ уступа.
Указанные расположенные сзади уплотнительные элементы 51, 52′, 52′′, 53 обеспечивают заднее уплотнение между седлом 30 и корпусом 20 клапана. В возможном варианте осуществления задние уплотнительные элементы включают в себя первый задний уплотнительный элемент 51 в виде кольца, первый задний уплотнительный элемент 52′ против выдавливания и второй задний уплотнительный элемент 52′′ против выдавливания, размещенные с противоположных сторон от первого заднего кольцевого уплотнительного элемента 51, чтобы предотвратить его выдавливание из заднего гнезда 80. Предпочтительно размещенные сзади уплотнительные элементы, кроме того, включают в себя графитовый уплотнительный элемент 53 в форме кольца, размещенный в заднем гнезде 80 между первым задним уплотнительным элементом 52′ против выдавливания и поверхностью 50′′′ уступа. Такой графитовый уплотнительный элемент 53 приспособлен для выполнения противопожарной функции.
В соответствии с другим аспектом задняя часть 30′′ седла 30 может содержать дополнительную канавку 54А, которая может быть выполнена на второй цилиндрической поверхности 50′′ и предназначена для размещения дополнительного уплотнительного кольца 54, предпочтительно кольца с круглым сечением, изготовленного из эластомера, или эластомерного манжетного уплотнения, используемого, кроме того, при наличии смазки в качестве уплотнения для консистентной смазки.
Для этой цели в седле 30 выполнен канал 77 для подачи смазки, который проходит между второй поверхностью 50′′ задней части 30′ и вторым участком 300В передней поверхности 30А. Упомянутый канал 77 образован двумя сообщающимися отверстиями, одно из которых проходит в осевом направлении, а другое в радиальном направлении, в соответствии с решением, которое хорошо известно в данной области техники.
Как упоминалось выше, уплотнительный узел 101 для шаровых клапанов в соответствии с изобретением является взаимозаменяемым, т.е. способным к выполнению функции уплотнения в клапанах типа DPE (с двойным эффектом поршня) или для осуществления функции «самосброса» в клапанах типа SPE (с одинарным эффектом поршня) во время этапа закрытия или в случае недостаточности уплотнения с помощью первым уплотнительным узлом клапана, который функционирует выше по потоку от шара 10 по отношению к направлению потока рабочей текучей среды.
В соответствии с другим, показанным на фиг. 2, аспектом ссылочным обозначением b указана точка уплотнения уплотнительного элемента 31, в то время как ссылочным обозначением В указана соответствующая ось, проходящая через точку b уплотнения и параллельная центральной оси А. Кроме того, на фиг. 2 можно идентифицировать часть передней поверхности 30А седла 30, находящуюся выше оси В, которая может быть подвержена действию давления текучей среды, например, в случае нарушения уплотнения в системе выше по потоку от шара 10. В закрытом положении клапана уплотнительный элемент 31 обеспечивает уплотнение шара 10. В результате текучая среда не проходит дальше точки b, и, таким образом, вступает в контакт с поверхностью седла 30 над осью В. При наличии в канавке 40А центрального кольца 40 текучая среда не проходит за пределы центрального кольца 40, и седло 30 ведет себя как «самосбрасывающее», т.е. автоматически открывающееся, седло. Конечно, когда давление текучей среды преодолевает усилие сопротивления упругого элемента 60, седло 30 отжимается от поверхности шара 10, и давление стравливается вниз по потоку от шара.
С другой стороны, при отсутствии в канавке 40А центрального кольца текучая среда проходит за пределы самой канавки, и постепенно проникает между задней поверхностью 30В седла 30 и корпусом 20 клапана в область, в которой размещены упругие элементы 60. Текучая среда распространяется до тех пор, пока не наталкивается на уплотнительные элементы (51, 52′, 52′′) и, в частности, задний кольцевой уплотнительный элемент 51, который обеспечивает заднее уплотнение между седлом 30 и корпусом 20 клапана. Текучая среда далее проходит вперед в заднее гнездо 80 и нажимает на заднее уплотнительное кольцо 51 сзади, что в результате обеспечивает заднее уплотнение. В то же самое время текучая среда оказывает на поверхность 50′′′ уступа давление, действие которого закрывает спереди гнездо 80, в котором размещены задние уплотнительные элементы. Давление на поверхность 50′′′ уступа передается как соответствующее усилие, действующее на седло 30 в направлении шара 10.
В целом усилие давления, которое действует на седло 30, отжимая его от шара 10, создается давлением, которое действует на переднюю часть 30А седла 20, находящуюся выше оси В (переднюю упорную поверхность). С другой стороны, на седло действует противодавление, которое действует на шар 10 и определяется давлением на задней поверхности 30В и на поверхности 50′′′ уступа. Общая задняя упорная поверхность седла 30, на которую действует упомянутое противодавление (сумма поверхностей 30В и 50′′′), больше, чем поверхность части передней поверхности 30А, находящейся выше оси В, на которую действует давление, стремящееся отжать седло от шара 10. Эта разность показана частью поверхности 50′′′ ниже оси В на фиг. 2 и фиг. 3, указанной ссылочным обозначением Х.
Упомянутая разность, определяет, таким образом, дисбаланс сил, благодаря которому седло 30, и, в частности, уплотнительный элемент 31, удерживается в контакте с шаром 10. Следовательно, текучая среда под давлением вследствие нарушения уплотнения системы выше по потоку от шара 10, удерживается на передней поверхности с помощью уплотнительного элемента 31 и сзади задних уплотнительных элементов, без протекания, таким образом, вниз по потоку от шара 10. Таким образом, в этом случае клапан 1 проявляет характеристику DPE (с двойным эффектом поршня).
Уплотнительный узел в соответствии с изобретением и, в частности, соответствующее седло 30, является взаимозаменяемым, поскольку оно может осуществлять функцию SPE (с одинарным эффектом поршня) или DPE (с двойным эффектом поршня) просто путем использования или исключения уплотнительного элемента, а именно, центрального уплотнительного кольца 40, размещаемого в канавке 40А, сохраняя при этом все другие характерные особенности формы и размеров и не замененные уплотнительные элементы.
Уплотнительный узел в соответствии с изобретением позволяет, таким образом, производителю клапана изготовить единственный тип клапана (с корпусом клапана, выполненным с возможностью размещения в нем седла 30 уплотнительного узла 1, описанного выше и показанного на сопровождающих фигурах), обеспечивая в результате предпочтительно один и тот же клапан для различных видов использования, просто посредством включения в состав уплотнительного узла, в процессе его сборки, вставного элемента в соответствии с изобретением, имеющего соответствующую конструкцию, т.е. с использованием или не использованием первого уплотнительного кольца 40, размещаемого в канавке 40А. Благодаря этому у производителя клапана отсутствует необходимость изготавливать и иметь в запасе различные типы клапана для использования в различных седлах, и в то же время он может иметь в запасе меньшее количество седел, поскольку одно и то же седло может быть использовано для изготовления клапанов типа SPE или клапанов типа DPE.
Фиг.7 и 8 относятся к клапану типа SPE, в котором уплотнительный узел в соответствии с изобретением отличается от уплотнительного узла, представленного на фиг. 2 и 3, только иной конструкцией уплотнительного элемента 31. Следует отметить, что в этом варианте осуществления задняя поверхность 31′ уплотнительного кольца 31 содержит два участка 311′, 311′′, которые расположены на расстоянии друг от друга и параллельны плоскостям, ортогональным центральной оси А. Задняя поверхность 31′ содержит также цилиндрическую поверхность 311′′′, которая расположена между двумя параллельными участками 311′, 311′′. В целом, в этом варианте осуществления участки 311′, 311′′, 311′′′ задней поверхности 31′ образуют уступ, т.е. гнездо 32А для уплотнительного кольца 32. В варианте, представленном на фиг. 7 - 9, уплотнительное кольцо 32 имеет форму кольца с круглым сечением, выполненного из эластомерного материала.
На фиг. 9 показан клапан типа DPE, в котором уплотнительный узел отличается от представленного на фиг. 7 и 8 только отсутствием центрального кольца 40 в канавке 40А. Такое выполнение обеспечивает функционирование в соответствии со вторым принципом, необходимым для клапана DPE.
Фиг. 10 и 11 относятся к другому типу клапана SPE, в котором уплотнительный узел в соответствии с изобретением отличается от показанного на фиг. 7 и 8 иным выполнением некоторых уплотнительных элементов. В частности, в этом варианте осуществления центральное уплотнительное кольцо (показано ссылочным номером 40′), размещенное в канавке 40А передней части 30′ седла 30, такое же, как и уплотнительное кольцо (показанное ссылочным номером 54′) (уплотнение для смазки), вставленное в канавку 54А, представляет собой U-образный кольцевой уплотнительный элемент.
В варианте, показанном на фиг. 10 и 11, уплотнительное кольцо (показанное ссылочным номером 32′) вставлено в канавку 32А, образованную в уплотнительном элементе 31, и представляет собой манжетное уплотнение, выполненное из термопластичного материала. Приведенная выше характеристика уплотнения, со ссылкой, в частности, на фиг. 11, означает уплотнительный элемент, образованный кольцеобразным телом 320, поперечное сечение которого (определенное в радиальной поперечной плоскости, проходящей через центральную ось А) имеет U-образную форму. Кольцо 320 вставлено в канавку 32А так, что две противоположные части U-образного профиля расположены параллельно центральной оси А. Кроме того, в кольце 320 размещена пружина 320А в виде кольца. Такая пружина 320А предназначена для того, чтобы кольцеобразный элемент обеспечивал контакт противоположных частей U-образного профиля с соответствующими цилиндрическими поверхностями канавки 32А при относительно ограниченном давлении. Кольцо 32′ типа манжетного уплотнения, кроме того, содержит замыкающий элемент 321 (создающий противодавление), который вставлен в кольцо 320 (с противоположной стороны от U) и обеспечивает размещение в кольце пружины 320А. Когда через седло 30 проходит текучая среда под давлением, поверхность внутреннего элемента 321, обращенная к задней поверхности 310 гнезда 31А, подвержена действию усилия, созданного давлением текучей среды. Это усилие передается на уплотнительный элемент 31 для его свободного перемещения в гнезде 31А в соответствии с описанными выше основными принципами действия уплотнения.
В варианте, представленном на фиг. 10, заднее уплотнительное кольцо (показанное ссылочным номером 51′) представляет собой манжетное уплотнение и имеет форму, подобную форме описанного выше уплотнительного кольца 32′. В частности, уплотнительное заднее кольцо 51′ содержит тело 510 в форме кольца, внутреннюю пружину 520 и замыкающий элемент 521. Во всех случаях в варианте, показанном на фиг. 10, заднее уплотнение включает в своем составе кольцо 52′ против выдавливания и графитовое кольцо 53, установленные между задним уплотнительным кольцом 51′ и поверхностью 50′′′ уступа седла 30. По отношению к варианту, показанному на фиг. 1 - 4, в варианте на фиг. 10 отсутствует кольцо против выдавливания, размещенное между задним уплотнительным кольцом и поверхностью 25 корпуса 20 клапана.
На фиг. 12 и 13 представлен другой клапан типа DPE, который отличается от других вариантов конструкцией некоторых уплотнительных элементов. В частности, в этом случае в полость 32А, образованную уплотнительным элементом 31 и первым гнездом 31А, вставлено уплотнительное кольцо (показанное ссылочным номером 32′′) типа «двойного манжетного уплотнения». По существу, это уплотнительное кольцо 32′′ можно представить себе как целое из двух расположенных напротив манжетных уплотнительных элементов. В частности, уплотнительное кольцо 32′′ содержит кольцо 361, изготовленное из термопластичного материала, которое образует две противолежащие части 361′, 361′′ U-образной формы, в каждую из которых вставлена кольцеобразная пружина 362′, 362′′. В каждую часть 361′, 361′′ включен замыкающий элемент 363′, 363′′, обеспечивающий ввод в каждую часть соответствующей кольцеобразной пружины 362′, 362′′.
В варианте, представленном на фиг.12 и 13, заднее уплотнение содержит два уплотнительных элемента типа «уплотнительной манжеты» (показанные ссылочными номерами 561, 562) между которыми размещено уплотнительное кольцо против выдавливания (показанное ссылочным номером 570). Предпочтительно может быть также использовано графитовое уплотнительное кольцо 53.
Со ссылкой на варианты, показанные на фиг. 10 - 13, следует отметить, что использование одинарных манжетных уплотнений или двойных манжетных уплотнений, изготовленных из термопластичного материала, допускает применение клапана при температурах, которые являются недопустимо высокими для эластомерного материала (например, резины). В то же время химическая инертность термопластичного материала допускает применения, которые не могут быть возможны для резины или других эластомерных материалов.
Уплотнительные элементы для передней части 30′ и задней части 30′′ седла 30 могут иметь различную форму, и могут быть использованы комбинации из этих описанных выше и представленных на фигурах уплотнительных элементов. Во всех случаях такие комбинации всегда возможны без какого-либо изменения конструкции седла 30, в котором выполнены гнезда для размещения различных элементов конструкции. Это соответствует взаимозаменяемости уплотнительного узла, соответствующего изобретению.
1. Уплотнительный узел (101, 102) для промышленного шарового клапана (1), содержащего по меньшей мере один корпус (20) клапана и шар (10), размещенный в упомянутом корпусе клапана, при этом указанный уплотнительный узел включает в себя:
по меньшей мере одно седло (30), вставляемое в упомянутый корпус (20) клапана, расположенное вокруг центральной оси (А) и образующее осевую полость (35) для прохода находящейся под давлением текучей среды, причем упомянутое седло (30) содержит первое гнездо (31А) на первой передней поверхности (30А) седла (30), которое обращено в сторону указанного шара (10), когда седло (30) установлено в указанном корпусе (20) клапана, указанное первое гнездо (31А) содержит закрытую донную поверхность (310), которая находится в плоскости, проходящей поперек указанной центральной оси (А);
уплотнительный элемент (31), выполненный из термопластичного материала, для создания уплотнения по текучей среде между указанным седлом (30) и указанным шаром (10) указанного клапана (1), причем указанный уплотнительный элемент (31) имеет форму кольца и размещен в указанном первом гнезде (31А);
отличающийся тем, что уплотнительный элемент (31) размещен с радиальным зазором в указанном первом гнезде (31А) так, что по отношению к указанному седлу (30) уплотнительный элемент (31) размещен свободно в направлении, параллельном центральной оси (А), когда указанное седло (30) установлено в указанном корпусе (20) клапана и через указанное седло (30) внутри него проходит текучая среда под давлением, причем указанный уплотнительный узел (101, 102) содержит средства против выдавливания, чтобы избежать выдавливания уплотнительного элемента (31) из указанного первого гнезда (31А) во время этапа открытия указанного клапана.
2. Уплотнительный узел (101, 102) по п. 1, в котором указанное седло (30) содержит второе гнездо (33А) на передней поверхности (30А), которое обращено в сторону указанного шара (10), когда седло (30) установлено в корпусе (20) клапана, и в котором упомянутые средства против выдавливания включают в себя кольцо (33) против выдавливания, размещенное в указанном втором гнезде (33А), которое выступает относительно указанной передней поверхности (30А) так, чтобы удерживать указанный уплотнительный элемент (31) в указанном первом гнезде (31А).
3. Уплотнительный узел (101, 102) по п. 1 или 2, в котором указанное первое гнездо (31А) образовано первой внешней цилиндрической поверхностью (311) и внутренней цилиндрической поверхностью (312), в сторону которых обращены внешняя поверхность (311А) и внутренняя поверхность (311В) указанного уплотнительного элемента (31) соответственно, и в котором указанный уплотнительный элемент (31) образует кольцевое гнездо (32А), в котором размещено уплотнительное кольцо (32) для создания уплотнения между указанной внешней поверхностью (311А) указанного первого гнезда (31А) и указанной внутренней поверхностью (311В) указанного уплотнительного элемента (31).
4. Уплотнительный узел (101, 102) по п. 2 или 3, в котором указанное второе гнездо (33А) проходит преимущественно в радиальном направлении, и упомянутое кольцо (33) против выдавливания имеет, по существу, трапецеидальное сечение, при этом указанное сечение определено в радиальной плоскости относительно указанной центральной оси (А), причем кольцо (33) против выдавливания установлено так, что наклонная передняя поверхность (333) указанного трапецеидального сечения обращена в сторону указанного шара (10).
5. Уплотнительный узел (101, 102) по любому из пп. 2-4, в котором указанный уплотнительный элемент (31) содержит переднюю поверхность (133А, 133В), которая обращена в сторону указанного шара (10), когда указанное седло (30) установлено внутри корпуса (20) клапана, и заднюю поверхность (31′), обращенную в сторону упомянутой донной поверхности (310) указанного первого гнезда (33А), при этом упомянутая передняя поверхность содержит первый участок (133А), имеющий наклон относительно указанной центральной оси (А) для создания уплотнения на указанном шаре (10), и второй участок (133В), причем упомянутое кольцо (33) против выдавливания содержит упорную поверхность (133), которая обращена в сторону упомянутого второго участка (133В) и находится от него на расстоянии.
6. Уплотнительный узел (101, 102) по любому из пп. 1-5, в котором площадь поперечного сечения указанного первого гнезда (31А) превышает площадь поперечного сечения указанного уплотнительного элемента (31) на величину от 1% до 5%, и в котором указанное поперечное сечение определено в радиальной плоскости, расположенной, по существу, ортогонально указанному осевому направлению (А).
7. Уплотнительный узел (101, 102) по любому из пп. 1-6, в котором площадь поперечного сечения указанного первого гнезда (31А) превышает площадь поперечного сечения указанного уплотнительного элемента (31) на величину от 1% до 3%, и в котором указанное поперечное сечение определено в радиальной плоскости, расположенной, по существу, ортогонально указанному осевому направлению (А).
8. Уплотнительный узел (101, 102) по любому из пп. 1-7, в котором указанный уплотнительный элемент (31) выполнен из материала, выбранного из группы, включающей в себя полиэфирэфиркетон, полиамид, политетрафторэтилен, полиоксиметилен, политрифторхлорэтилен.
9. Уплотнительный узел (101, 102) по любому из пп. 3-8, в котором уплотнительное кольцо (32) вставлено в указанную кольцевую канавку (32А), определенную упомянутым уплотнительным элементом, выбранным из группы, включающей в себя кольцо с круглым поперечным сечением, выполненным из эластомерного материала, кольцо типа уплотнительной манжеты, выполненное из термопластичного материала, и кольцо типа двойной уплотнительной манжеты, выполненное из термопластичного материала.
10. Уплотнительный узел (101, 102) по любому из пп. 1-9, в котором указанное седло (30) содержит переднюю часть (30′), которая проходит между указанной передней поверхностью (30А) и задней поверхностью (30В), противоположной указанной передней поверхности (30А) и обращенной в сторону корпуса (20) клапана, при этом указанный уплотнительный узел (101, 102) содержит упругие элементы (60), которые действуют с одной стороны указанного корпуса (20) клапана и с другой стороны указанного седла (30) так, чтобы прижимать указанное седло (30) к шару (10).
11. Уплотнительный узел по п. 10, в котором указанное седло (30) содержит внешнюю поверхность (30С), проходящую параллельно указанной центральной оси (А) между указанной передней поверхностью (30А) и указанной задней поверхностью (30В), при этом указанное седло (30) содержит канавку (40А), образованную на указанной внешней поверхности (30С), в которой размещено дополнительное центральное уплотнительное кольцо (40), предпочтительно изготовленное из эластомерного материала.
12. Уплотнительный узел (101, 102) по п. 11, в котором в указанной канавке (40А) размещено уплотнительное кольцо (40), предпочтительно изготовленное из термопластичного материала.
13. Уплотнительный узел (101, 102) по любому из пп. 10-12, в котором упомянутое седло (30) содержит заднюю часть (30′′), которая проходит от указанной задней поверхности (30В) указанной передней части (30′), при этом задняя часть (30′′) содержит:
первую цилиндрическую поверхность (50′), которая проходит от упомянутой задней поверхности (30В) передней части (30′) параллельно центральной оси (А) и выступает в радиальном направлении меньше, чем внешняя поверхность (30С) указанной передней части (30′);
вторую цилиндрическую поверхность (50′′), которая проходит параллельно центральной оси (А) и выступает в радиальном направлении меньше, чем упомянутая первая цилиндрическая поверхность (50′) упомянутой задней части (30′′);
поверхность (50′′′) уступа, которая находится между указанной цилиндрической поверхностью (50′, 50′′) в плоскости, по существу, ортогональной указанной центральной оси (А), при этом указанная поверхность (50′′′) уступа и указанная вторая цилиндрическая поверхность (50′′) образуют заднее гнездо (80), в котором размещены задние средства уплотнения (51, 52′, 52′′), имеющие форму кольца, при этом указанное гнездо закрыто спереди указанной поверхностью (50′′′) уступа.
14. Уплотнительный узел (101, 102) по п. 13, в котором указанные средства уплотнения включают в себя первый задний кольцеобразный уплотнительный элемент (51), первый задний уплотнительный элемент (52′) против выдавливания и второй задний уплотнительный элемент (52′′) против выдавливания, размещенные с противоположных сторон от указанного кольцевого уплотнительного элемента (51) для предотвращения выдавливания указанного кольцевого уплотнительного элемента (51) из заднего гнезда (80).
15. Уплотнительный узел (101, 102) по п. 13 или 14, в котором указанные средства уплотнения включают в себя графитовое уплотнительное кольцо (53), размещенное между задним уплотнительным элементом (52′′) против выдавливания и поверхностью (50′′′) уступа.
16. Уплотнительный узел (101, 102) по любому из пп. 13-15, которое содержит графитовое кольцо (53), размещенное в указанном заднем гнезде (80).
17. Уплотнительный узел (101, 102) по любому из пп. 1-16, в котором указанный уплотнительный элемент (31) обеспечивает уплотнение между седлом (30) и шаром (10) в точке (b) уплотнения, и в котором ось (В), проходящая через указанную точку (b) уплотнения и параллельно указанной центральной оси (А), позволяет идентифицировать переднюю упорную поверхность в вертикальной плоскости, проходящей через центральную ось (А), упорную поверхность, образованную участком указанной передней поверхности (30А), находящимся выше указанной базисной оси (В), а также заднюю упорную поверхность, содержащую указанную заднюю поверхность (30В) и указанную поверхность (50′′′) уступа, при этом указанная задняя упорная поверхность больше указанной передней упорной поверхности.
18. Шаровой клапан, отличающийся тем, что содержит уплотнительный узел (101, 102) по любому из пп. 1-17.
