Высокотемпературные уплотнения для использования в поворотных клапанах - RU2659429C2
Код документа: RU2659429C2
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к уплотнениям, в частности к высокотемпературным уплотнениям для использования в поворотных клапанах.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Управляющие клапаны (например, раздвижные клапаны, поворотные клапаны, осевые клапаны, шаровые клапаны и т.д.) обычно применяются в промышленных процессах, таких как распределительные системы нефте- и газопроводов и установках для химической переработки, для контроля потока технологических текучих сред. В некоторых промышленных процессах, поворотные клапаны, такие как, например, двухстворчатые клапаны применяются для управления потоком технологических текучих сред. Двухстворчатые клапаны являются предпочтительными в некоторых способах применения изобретения, потому что они недороги в изготовлении, относительно легкие и обеспечивают быстрое и герметичное перекрытие.
[0003] Двухстворчатые клапаны содержат круглый диск, расположенный внутри корпуса клапана, предназначенный для регулировки потока текучей среды через клапан. Вал, который проходит через отверстие в корпусе клапана, присоединен к диску с целью вращения диска внутри корпуса клапана. Уплотнение (например, уплотнение из твердого металла или мягкое уплотнение) присоединено или закреплено на поверхности корпуса клапана посредством упора уплотнения. В закрытом положении, уплотняющая кромка на диске взаимодействует с уплотнением для предотвращения потока текучей среды через корпус клапана.
[0004] Различные типы уплотнений применяются для различных способов применения изобретения. Как правило, условия промышленного процесса, такие как давление, температура и тип технологических текучих сред, определяют требуемый тип компонентов клапана, в том числе типы уплотнений двухстворчатых клапанов, которые могут быть использованы. Общеизвестно, что относительно мягкие уплотнения обеспечивают лучшую герметизацию, чем более твердые уплотнения, поскольку мягкие уплотнения лучше принимают форму шероховатых поверхностей уплотнения, чем это делают относительно жесткие (например, менее податливые) уплотнения. Тем не менее, относительно мягкие уплотнения обычно имеют более низкие нормы температур эксплуатации, чем жесткие уплотнения, так как мягкие материалы, как правило, теряют свои свойства или разрушаются (например, расплавляются) в условиях высоких температур.
[0005] С целью использования в определенных вариантах изобретения, может потребоваться, чтобы уплотнения для двухстворчатых клапанов прошли специальные тесты и/или были сертифицированы в соответствии с определенными стандартами. Например, с целью применения в некоторых вариантах изобретения, уплотнение для двухстворчатого клапана должно пройти тест 607 Американского Нефтяного Института (API), называемый "Испытание на огнестойкость для клапанов на четверть оборота с мягким седловым уплотнением" ("Fire Test for Soft-Seated Quarter Turn Valves"). Этот стандарт охватывает требования к тестированию и оценке эксплуатационных параметров проходных клапанов на четверть оборота с мягким седловым уплотнением, когда клапаны помещаются в условия открытого огня. В частности, по этому тесту клапан обжигается при температуре около 982° по Цельсию (С) (1800° по Фаренгейту (F)), а затем требуется перекрытия клапана сразу после охлаждения клапана. Испытание API 607 гарантирует, что если промышленное предприятие или территория промышленного предприятия будет подвержено пожару, клапан будет должным образом перекрыт, предотвращая поток технологической текучей среды через распределительную систему трубопроводов. Таким образом, этот тест требует обеспечения надлежащей герметичности уплотнения после воздействия на него высоких температур. Как уже упоминалось выше, относительно жесткие или твердые уплотнения, такие как металлические уплотнения, часто применяются в таком варианте, потому что металлические уплотнения обычно имеют номинальные рабочие температуры, которые позволяют уплотнению выдерживать высокие температуры, такие как применяемые в вышеприведенном тестировании. Тем не менее, при применении таких относительно жестких или твердых уплотнений может быть трудным достичь желаемой степени герметичности перекрытия клапана, такой, которая достигается при применении относительно мягких уплотнений.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] В одном примере, уплотнение для использования с поворотным клапаном, описанное в данном документе, содержит первичное уплотнение для взаимодействия с элементом управления потоком, когда первичное уплотнение находится в первом состоянии, и вторичное уплотнение по меньшей мере частично расположенное внутри первичного уплотнения. В примере, первичное уплотнение должно предотвращать взаимодействие вторичного уплотнения с элементом управления потоком, когда первичное уплотнение находится в первом состоянии, и вторичное уплотнение должно взаимодействовать с элементом управления потоком, когда первичное уплотнение находится во втором состоянии.
[0007] В другом примере, уплотнение для использования в поворотном клапане, описанное в данном документе, содержит первичное уплотнение для охвата проема управления потоком клапана и для взаимодействия элемента управления потоком, и вторичное уплотнение, расположенное внутри первичного уплотнения и имеющее форму, соответствующую первичному уплотнению. В таком примере, вторичное уплотнение должно быть тверже, чем первичное уплотнение и должно взаимодействовать с элементом управления потоком, когда первичное уплотнение находится в состоянии частичной работоспособности.
[0008] В еще одном примере, уплотнение для использования в поворотном клапане, описанное в данном документе, содержит средства, предназначенные для первичного уплотнения, и средства, предназначенные для вторичного уплотнения. Средства для обеспечения первичного уплотнения предназначены для посадки впритык к элементу управления потоком, а средства, для обеспечения вторичного уплотнения не предназначены для посадки впритык к элементу управления потоком в то время, когда средства для обеспечения первичного уплотнения находятся в первом состоянии. Кроме того, средства для обеспечения вторичного уплотнения предназначены для посадки впритык к элементу управления потоком в то время, когда средства для обеспечения первичного уплотнения находятся во втором состоянии, отличном от первого состояния.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0009] ФИГ. 1А иллюстрирует частичный разрез спереди образца двухстворчатого клапана.
[0010] ФИГ. 1В показан вид в поперечном сечении части образца двухстворчатого клапана по ФИГ. 1А, содержащего образец высокотемпературного уплотнения в соответствии с принципами настоящего изобретения.
[0011] ФИГ. 1С иллюстрирует увеличенный вид в поперечном разрезе части образца двухстворчатого клапана по ФИГ. 1В, содержащего образец высокотемпературного уплотнения в состоянии полной работоспособности.
[0012] ФИГ. 1D иллюстрирует увеличенный вид в поперечном разрезе части образца двухстворчатого клапана по ФИГ. 1В, содержащего образец высокотемпературного уплотнения в состоянии частичной работоспособности.
[0013] ФИГ. 1Е иллюстрирует поперечное сечение образца высокотемпературного уплотнения, показанного на ФИГ. 1В и 1С, в состоянии полной работоспособности.
[0014] ФИГ. 2 иллюстрирует увеличенный вид в поперечном разрезе образца двухстворчатого клапана и образца высокотемпературного уплотнения по ФИГ. 1С с образцом пружины.
[0015] ФИГ. 3 иллюстрирует увеличенный вид в поперечном разрезе образца двухстворчатого клапана и образца высокотемпературного уплотнения по ФИГ. 1С с образцами прокладок.
[0016] ФИГ. 4А иллюстрирует увеличенный вид в поперечном разрезе образца двухстворчатого клапана и образца высокотемпературного уплотнения по ФИГ. 1С, содержащего образец изогнутой секции, при этом образец уплотнения находится в состоянии полной работоспособности.
[0017] ФИГ. 4В иллюстрирует увеличенный вид в поперечном сечении образца двухстворчатого клапана по ФИГ. 4А с образцом высокотемпературного уплотнения, содержащего изогнутую секцию, при этом образец уплотнения находится в состоянии частичной работоспособности.
[0018] ФИГ. 4С иллюстрирует поперечное сечение образца высокотемпературного уплотнения по ФИГ. 4А, с образцом изогнутой секции.
[0019] ФИГ. 5А иллюстрирует увеличенный вид в поперечном сечении образца двухстворчатого клапана, содержащего образец высокотемпературного плоского уплотнения в состоянии полной работоспособности.
[0020] ФИГ. 5В иллюстрирует увеличенный вид в поперечном сечении образца двухстворчатого клапана по ФИГ. 5А, содержащего образец высокотемпературного плоского уплотнения в состоянии частичной работоспособности.
[0021] ФИГ. 5С иллюстрирует вид в поперечном сечении образца высокотемпературного плоского уплотнения по ФИГ. 5А.
[0022] ФИГ. 6А иллюстрирует увеличенный вид в поперечном сечении образца двухстворчатого клапана, содержащего образец высокотемпературного консольного уплотнения в состоянии полной работоспособности.
[0023] ФИГ. 6В иллюстрирует увеличенный вид в поперечном сечении образца двухстворчатого клапана по ФИГ. 6А, содержащего образец высокотемпературного консольного уплотнения в состоянии частичной работоспособности.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ
[0024] Некоторые примеры проиллюстрированы на вышеуказанных фигурах и подробно описаны ниже. При описании этих примеров, для идентификации одинаковых или сходных элементов используются одинаковые или идентичные номера ссылок. Эти фигуры не обязательно должны быть приведены в масштабе, и некоторые особенности, и некоторые изображения на графических материалах могут быть показаны в увеличенном масштабе или в виде схемы для ясности и/или краткости. Кроме того, несколько примеров были описаны по всему данному подробному описанию. Любые особенности из любого примера, могут быть включены в, быть заменой или иным способом скомбинированы с другими особенностями из других примеров.
[0025] В общем, образец высокотемпературных уплотнений, описанный в данном документе, обуславливает уплотнительные преимущества мягких уплотнений, и также сохраняет работоспособность после возникновения пожара или другого воздействия высокой температуры для обеспечения надежного уплотнения и перекрытия. Более конкретно, образцы уплотнений, описанные в данном документе, обеспечивают герметизацию относительно мягким уплотнением, когда мягкое уплотнение находится в состоянии полной работоспособности, а также обеспечивает эффективную герметизацию твердым уплотнением, когда мягкое уплотнение находится в состоянии частичной работоспособности, в таких случаях, как например, после возникновения пожара или другого события повышения температуры. Кроме того, образец высокотемпературных уплотнений, описанный в данном документе, более легкий в изготовлении и/или сборке, чем другие известные высокотемпературные уплотнения и, таким образом, расходы на производство и эксплуатацию могут быть снижены.
[0026] Поворотные клапаны (например, двухстворчатые клапаны) содержат диск, который вращается внутри корпуса клапана с целью открытия и закрытия перепускного канала, который служит входом и выходом клапана. Уплотнение (например, металлическое уплотнение или мягкое эластомерное уплотнение) присоединено к корпусу клапана вокруг перепускного канала, и уплотняющая кромка диска взаимодействует с уплотнением в закрытом положении, чтобы предотвратить поток текучей среды через перепускной канал. Для различных вариантов изобретения применяются различные типы уплотнений. Для применения в некоторых вариантах изобретения, может потребоваться, чтобы эти уплотнения прошли определенные тесты и/или получили необходимые сертификаты.
[0027] Например, для применения в некоторых вариантах изобретения, может потребоваться, чтобы уплотнение для двухстворчатого клапана прошло тест 607 Американского Нефтяного Института (API), называемый "Испытание на огнестойкость для клапанов на четверть оборота с мягким седловым уплотнением" ("Fire Test for Soft-Seated Quarter Turn Valves"). Этот стандарт охватывает требования к тестированию и оценке эксплуатационных параметров проходных клапанов на четверть оборота с мягким седловым уплотнением, когда клапаны помещаются в условия открытого огня. В частности, по этому тесту клапан обжигается при температуре в около 982°С (1800°F), а затем требуется перекрытие клапана сразу после охлаждения клапана. Таким образом, этот тест требует обеспечения надлежащей герметичности уплотнения после воздействия на него высоких температур. Другие стандарты и сертификаты включают стандарты Национальной ассоциации инженеров-коррозионистов (NACE).
[0028] Некоторые известные пожаробезопасные уплотнения применяют уплотнение из тетрафторэтилена (ТФЭ), зажатые в металлический картридж, который затем приваривают к металлическому носителю. ТФЭ уплотнение взаимодействует с уплотняющей кромкой диска клапана. Во время пожара или другого случая воздействия высокой температуры, ТФЭ уплотнение разрушается, а металлический картридж затем взаимодействует с диском, чтобы запечатать клапан. Однако эти известные пожаробезопасные уплотнения зачастую трудно и дорого изготавливать из-за их формы и структуры. В частности, металлические картриджи этих известных высокотемпературных уплотнений содержат множество сложных углов и кромок для зажима ТФЭ уплотнения, и часто производятся с применением длительной и дорогостоящей обработки режущим инструментом с особо высокой точностью.
[0029] Образец высокотемпературного уплотнения, описанный в данном документе, обеспечивает эффективное уплотнение в условиях низких температур, обеспечивает эффективную закупорку (например, перекрытие) во время и после воздействия высоких температур или после чрезмерной наработки циклов, увеличил период эксплуатации и значительно сократил расходы на производство и эксплуатацию. В общем, образец высокотемпературного уплотнения, описанный в данном документе, содержит первичное уплотнение (например, мягкое уплотнение), которое предназначено для герметизации клапана в первом состоянии (например, состояние полной работоспособности, перед возникновением пожара, при нормальных условиях эксплуатации) и вторичное уплотнение (например, металлическое уплотнение), по меньшей мере частично расположенное внутри первичного уплотнения, которое предназначено для герметизации клапана во втором состоянии (например, после потери свойств первичным уплотнителем, после пожара, и т.д.). В некоторых примерах, вторичное уплотнение содержит согнутую или изогнутую секцию для захвата (например, ограничение в перемещении, удержание) какого-то количества первичного уплотнения между вторичным уплотнением и уплотняющей кромкой диска.
[0030] В частности, образец высокотемпературного уплотнения, описанный в данном документе, содержит первичное уплотнение, выполненное из относительно мягкого материала, и вторичное уплотнение, выполненное из материала, обладающего более высокой температурой плавления, чем первичное уплотнение, и расположенное внутри первичного уплотнения. Относительно мягкое уплотнение обеспечивает более податливый уплотняющий стык с уплотняющей кромкой диска, чем твердое уплотнение и, таким образом, обеспечивает лучшее уплотнение (например, более герметичное перекрытие) при нормальных рабочих условиях. Кроме того, в случае пожара или другого случая воздействия высокой температуры, которое ухудшает свойства или другим способом негативно влияет на мягкое уплотнение (например, из-за чрезмерного износа), образец высокотемпературного уплотнения задействует твердое уплотнение для плотного прижатия к диску, так как твердое уплотнение имеет более высокую рабочую температуру и/или температуру плавления, чем мягкое уплотнение.
[0031] Кроме того, образец высокотемпературного уплотнения, описанного в данном документе, более легкий в изготовлении, чем другие известные высокотемпературные уплотнения. В частности, затраты на производство образца высокотемпературного уплотнения и время, необходимое для сборки образцов уплотнений значительно снижаются. Твердое уплотнение, которое может быть, например, металлическим, может быть согнуто или сформировано в какую-либо форму. Как следствие, мягкое уплотнение, которое может состоять из мягкого материала (например, ПТФЭ), может быть сформовано (например, инжектировано, залито, и т.д.) на поверхности твердого уплотнения. В других примерах, твердое уплотнение может быть введено в относительно мягкое уплотнение или присоединено к относительно мягкому уплотнению.
[0032] В первом состоянии, например, когда клапан работает при температуре ниже пороговой температуры, мягкое уплотнение взаимодействует с диском клапана, чтобы обеспечить более эффективное уплотнение, чтобы в свою очередь предотвратить поток технологической текучей среды. В некоторых примерах, пороговая температура определяется максимальной рабочей температурой мягкого уплотнения. Если уплотнение нагревается выше пороговой температуры, и мягкое уплотнение теряет свои свойства или оно разрушается из-за этого повышения температуры, то твердое уплотнение высвобождается и взаимодействует с диском, чтобы герметизировать клапан и предотвратить поток технологических текучих сред. В этом втором состоянии или положении, мягкое уплотнение может терять свои свойства или разрушаться из-за действия высокой температуры, а твердое уплотнение обеспечивает контакт уплотнения с диском для предотвращения потока технологической текучей среды и обеспечения надлежащего перекрытия.
[0033] Обращаясь теперь к фигурам, ФИГ. 1А, которая иллюстрирует частичный разрез спереди образца двухстворчатого клапана 100. В этом примере, двухстворчатый клапан 100 снабжен образцом высокотемпературного уплотнения 102 (например, уплотняющего кольца). Двухстворчатый клапан 100 также содержит диск 104 и валы 106, 108. Валы 106, 108 прикреплены к задней стороне диска 104 и поворачивают диск 104 внутри корпуса 110 клапана, чтобы пропустить или предотвратить поток текучей среды через корпус клапана 110. Валы 106, 108 расположены в соответствующих отверстиях 112, 114 в корпусе клапана 110 и поворачиваются с помощью соответствующих подшипников 116, 118. Подшипники 116, 118 могут быть представлены любым типом подшипников, известным специалистам в данной области техники, позволяющим поворачиваться валам 106, 108 и диску 104 внутри корпуса клапана 110.
[0034] В открытом положении, валы 106, 108 повернуты таким образом, что диск 104 находится параллельно потоку текучей среды и, таким образом, обеспечивается неограниченный существенно поток через корпус клапана 110. В закрытом положении (например, положение, проиллюстрированное на ФИГ. 1А), валы 106, 108 повернуты так, что диск 104 блокирует проход корпуса клапана 110 и предотвращает протекание текучей среды через корпус клапана 110. Проиллюстрированный двухстворчатый клапан 100 может, например, быть использован для контроля потока технологических текучих сред, таких как природный газ, нефть, вода и т.д.
[0035] Поперечное сечение двухстворчатого клапана 100 проиллюстрировано на ФИГ. 1 В. Как показано, двухстворчатый клапан 100 содержит образец высокотемпературного уплотнения 102, диск 104 (например, элемент управления потоком), вал 106 и корпус клапана 110. Корпус клапана 110 образует перепускной канал 120 (например, проем управления потоком) между входом 122 и выходом 124, когда двухстворчатый клапан 100 установлен в технологической системе текучей среды (например, распределительная система трубопроводов). В примерах, описанных в данном документе, вход 122 и выход 124 может быть либо входом, либо выходом для потока технологических текучих сред через клапан 100, в зависимости от направления потока текучей среды. В проиллюстрированном примере двухстворчатый клапан 100 находится в закрытом положении. Двухстворчатый клапан 100 может быть размещен в канале потока текучей среды между источником подачи входного потока и источником подачи выходного потока для управления потоком текучей среды между ними. В процессе работы диск 104 функционирует между закрытым положением (например, положение, показанное на ФИГ. 1В) для предотвращения потока текучей среды между входом 122 и выходом 124, и открытым положением (когда диск 104 располагается параллельно потоку), чтобы позволить протекание текучей среды между входом 122 и выходом 124.
[0036] В проиллюстрированном примере, уплотнение 102 присоединено к поверхности 126 корпуса клапана 110 с помощью упора уплотнения 128. Упор уплотнения 128 образует гидравлический затвор между диском 104 и уплотнением 102. Упор уплотнения 128 выполнен с возможностью обеспечения упрощенного доступа к уплотнению 102 для технического обслуживания с целью его замены, а также предотвращает прямое воздействие технологической текучей средой на уплотнение 102. Упор уплотнения 128 съемно соединен или закреплен на поверхности 126 с помощью механических крепежей 130а, 130b (также показанных на ФИГ. 1А), таких как, например, болтов, или любого другого механического крепежа (ей). Когда образец клапана 100 прикреплен (например, болтами) к трубопроводу подачи входного потока и/или трубопроводу подачи выходного потока (например, через фланцы трубопровода), сила зажима между трубопроводом (ами) и клапаном 100 способствует плотному зажиму уплотнения 102 к поверхности 126 и образованию гидравлического затвора между ними. Более конкретно, образец конструкции зажима обеспечивает уплотнение между упором уплотнения 128, корпусом клапана 110, и уплотнением 102, посредством формирования тесного контакта между ними с целью предотвращения, по существу, потока технологической текучей среды между упором уплотнения 128 и корпусом клапана 110. В проиллюстрированном примере двухстворчатый клапан 100 имеет два механических крепежа 130а, 130b. Тем не менее, в других примерах, двухстворчатый клапан 100 имеет большее количество или меньшее количество механических крепежей. Кроме того, рядом с упором уплотнения 128, корпусом клапана 110 и уплотнением 102 могут быть предусмотрены прокладки для улучшения эксплуатационных параметров уплотнения, как описано более подробно ниже.
[0037] В проиллюстрированном примере, образец высокотемпературного уплотнения 102 должен взаимодействовать с уплотняющей кромкой 132 диска 104, чтобы герметизировать клапан 100 и предотвратить поток технологической текучей среды через проход 120. Когда клапан 100 закрыт, диск 104 поворачивается таким образом, что уплотняющая кромка 132 диска 104 скользит по уплотнению 102 в закрытое положение (например, положение, показанное на ФИГ. 1В). В проиллюстрированном примере уплотнение 102 имеет такую форму, чтобы изгибаться и обеспечивать противодействующую силу в радиальном направлении внутрь (например, к центру клапана) и к уплотняющей кромке 132 диска 104. Уплотнение 102 изгибается или расширяется в радиальном направлении, в то время как уплотняющая кромка 132 диска 104 скользит мимо уплотнения 102 в закрытое положение. После того, как диск 104 поворачивается в закрытое положение (например, положение, показанное на ФИГ. 1В), диск 104 становится в положение перпендикулярно потоку текучей среды, а уплотнение 102 герметичное взаимодействует с уплотняющей кромкой 132 диска 104, чтобы предотвратить поток текучей среды через клапан 100.
[0038] В закрытом положении, стык (например, точки контакта или поверхность) между уплотнением 102 и уплотняющей кромкой 132 диска предотвращает поток технологической текучей среды через канал 120. Сила смещения от уплотнения 102, и давление от потока технологической текучей среды в направлении потока (в направлении, указанном стрелкой), воздействует на уплотнение 102 в направлении потока текучей среды и, следовательно, по направлению к уплотняющей кромке 132 диска 104, что обеспечивает достаточно плотную герметизацию между уплотнением 102 и диском 104, который предотвращает утечку технологической текучей среды вокруг диска 104 и через проход 120 в корпусе клапана 110.
[0039] Как упоминалось выше, в рабочем режиме, диск 104 поворачивается от закрытого положения, чтобы предотвращать поток текучей среды, через перепускной канал 120 между входом 114 и выходом 116 (например, в направлении потока, указанном стрелкой), к открытому положению, чтобы позволять поток текучей среды через перепускной канал 120 корпуса клапана 102. Для управления потоком технологической текучей среды через клапан 100, устройство управления клапаном может быть оперативно присоединено к клапану 100 и в целом формирует пневматический сигнал к приводу клапану в ответ на управляющий сигнал от контроллера процесса, который может быть частью распределенной системы управления. Привод клапана может быть присоединен к валам 106, 108, таким образом, что пневматический сигнал перемещает привод клапана, который, в свою очередь, поворачивает валы 106, 108.
[0040] ФИГ. 1С и 1D иллюстрируют увеличенные участки поперечного сечения, показанного на ФИГ. 1В. В частности, ФИГ. 1С иллюстрирует образец уплотнения 102 в первом состоянии (например, состояние полной работоспособности, без разрушения, исправное состояние, и т.д.) и ФИГ. 1D иллюстрирует образец уплотнения 102 во втором состоянии (например, состояние частичной работоспособности, потеря свойств, и т.д.). Кроме того, ФИГ. 1Е иллюстрирует вид поперечного сечения образца уплотнения 102 в первом состоянии.
[0041] Как показано на ФИГ. 1С и 1D, образец уплотнения 102 содержит первое уплотнение 134 (например, первичное уплотнение) и второе уплотнение 136 (например, вторичное уплотнение). Уплотнение 102 закреплено внутри корпуса клапана 110 между упором уплотнения 128 и поверхностью 126 корпуса клапана 110. В частности, часть второго уплотнения 136 (например, часть по внешнему радиусу) зажата между упором уплотнения 128 и корпус клапана 110. В проиллюстрированном примере, второе уплотнение 136 по меньшей мере частично расположено внутри (например, заключено в, герметизировано в, т.д.) первого уплотнения 134 и имеет форму, которая по существу соответствует (например, подогнано, соответствует) форме первого уплотнения 134. В проиллюстрированном примере первое уплотнение 134 является мягким уплотнением, как правило, выполненное из более мягкого материала, а второе уплотнение 136 является твердым уплотнением, как правило, выполненное из более твердого или жесткого материала. Например, в некоторых случаях, первое уплотнение 134 выполнено из тетрафторэтилена (ТФЭ), политетрафторэтилена (ПТФЭ), тефлона, сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМП), каучука, смол перфторалкоксила (ПФА) и/или любого другого подходящего мягкого материала, применяемого для уплотнения, а второе уплотнение 136 выполнено из металла такого, как, например, нержавеющая сталь (например, S13600).
[0042] Образец уплотнения 102, проиллюстрированный на ФИГ. 1С, находится в первом состоянии, которое может соответствовать состоянию, например, перед воздействием температуры, превышающую эксплуатационную, и/или температуры, приводящей к потере свойств первого уплотнения 134. Во время работы, диск 104 находится в закрытом положении и уплотняющая кромка 132 взаимодействует с уплотняющей частью 138 (например, часть по внутреннему радиусу) первого уплотнения 134. В нормальном рабочем состоянии, первое уплотнение (например, мягкое уплотнение) не подвергалось воздействию температур выше его рабочего диапазона и, таким образом, не испытывало потери свойств или разрушения. Как уже упоминалось выше, при нормальных условиях работы ниже пороговой температуры первого уплотнения 134 (например, 148°С (300°F), 260°С (500°F), 315-371°С (600-700°F), 980°С (1800°F)), первое уплотнение 134 остается неповрежденным и способно плотно прижиматься к уплотняющей кромке 132 диска 104. Первое уплотнение 134, выполненное из относительно мягкого материала, как правило, обеспечивает более совместимую уплотняющую поверхность и, таким образом, герметичное перекрытие при нормальных условиях эксплуатации.
[0043] В проиллюстрированном примере уплотнение 102, которое содержит первое уплотнение 134 и второе уплотнение 136, имеет согнутую или имеющую изогнутую форму секцию для обеспечения гибкости, а также силы смещения в радиальном направлении внутрь по направлению к уплотняющей кромке 132 диска. Первое уплотнение 134 и второе уплотнение 136 могут обеспечить те же или разные величины сил, направленных радиально внутрь.
[0044] ФИГ. 1D иллюстрирует образец уплотнения 102 во втором состоянии, которое может представлять собой, например, потерю свойств или разрушение. Как упоминалось выше, после возникновения пожара или воздействия высокой температуры, первое уплотнение 134 может испытывать потерю свойств или иметь пониженные герметичные свойства. В некоторых случаях, это может произойти тогда, когда клапан нагревается до температуры, выше пороговой температуры (например, 148°С (300°F), 260°С (500°F), 315-371°С (600-700°F), 980°С (1800°F)) первого уплотнения 134. В таком состоянии, второе уплотнение 136 прижимается к уплотняющей кромке 132 диска 104, чтобы герметизировать клапан 100 и предотвратить поток технологической текучей среды. В частности, уплотняющая часть 140 (например, уплотняющая кромка, часть по внутреннему радиусу) второго уплотнения 136 взаимодействует с уплотняющей кромкой 132 диска 104. Как упоминалось выше, второе уплотнение 136 имеет такой размер и форму, чтобы изгибаться и обеспечивать силу смещения в радиальном направлении внутрь по направлению к уплотняющей кромке 132 диска. В частности, второе уплотнение 136 выполнено с возможностью взаимодействия с уплотняющей кромкой 132 диска 104, когда первое уплотнение 134 испытывает потерю свойств или выведено из эксплуатации иным способом, чтобы высвободить уплотняющую часть 140 второго уплотнения 136.
[0045] В некоторых примерах, второе уплотнение 136 выполнен из материала, имеющего более высокую температуру плавления и/или температуру эксплуатации, чем первое уплотнение 134, такой как, например, металл, имеющий температуру плавления выше 980°С (1800°F). В таком примере, образец уплотнения 102 отвечает требованиям теста API 607, потому что второе уплотнение 136 обеспечивает надежную герметизацию, когда первое уплотнение 134 испытывает потерю свойств или разрушение. Уплотнение 102 также обеспечивает надежную герметизацию в случае, когда первое уплотнение 134 изнашивается или теряет свои свойства из-за износа. Второе уплотнение 136, которое выполнено из относительно твердого материала, более устойчиво к износу и обеспечивает эффективность вторичного уплотнения, если более мягкий материал первого уплотнения 134 изнашивается во время работы.
[0046] Образец высокотемпературного уплотнения 102 может быть изготовлен различными способами. В некоторых примерах, второе уплотнение 136 изготавливается в первую очередь, путем оттеснения или формовки второго уплотнения 136 из куска металла. После того, как второе уплотнение 136 изготовлено, первое уплотнение 134 сформовано (например, инжектировано, залито, и т.д.) на поверхность второго уплотнения 136, образуя тем самым образец высокотемпературного уплотнения 102, проиллюстрированного на ФИГ. 1Е. В других примерах, первое уплотнение 134 и второе уплотнение 136 выполнены независимо друг от друга, а второе уплотнение 136 может быть помещено в первое уплотнение 134, которое, как правило, состоит из более мягкого материала. Первое уплотнение 134 и второе уплотнение 136 могут быть соединены друг с другом силой трения (например, стык между двумя материалами), клеем или любым другим подходящим механизмом(ами) крепления. В некоторых примерах, изогнутая форма второго уплотнения 136 и соответствующая форма первого уплотнения 134 предохраняют первое уплотнение 134 от смещения из второго уплотнения 136.
[0047] В проиллюстрированном примере второе уплотнение 136 расположено обычно в центре первого уплотнения 134. Однако в других примерах, второе уплотнение 136 может быть смещено внутри первого уплотнения 136 (т.е. толщина первого уплотнения 134 на втором уплотнении 136 может отличаться на противоположных сторонах). Кроме того, как показано на ФИГ. 1С и 1Е, первое уплотнение 134 охватывает большую часть длины второго уплотнения 134 (например, от внутренней радиальной кромки к наружной радиальной кромке). В других примерах, первое уплотнение может быть гораздо меньше, и, например, может покрывать только внутреннюю радиальную часть второго уплотнения 136 вокруг уплотняющей части 140 второго уплотнения 136.
[0048] В некоторых примерах, как показано на ФИГ. 2, может быть включена пружина 200 для смещения образца высокотемпературного уплотнения 102 в радиальном направлении внутрь (например, к центру корпуса клапана 110) в направлении уплотняющей кромки 132 диска 104. Как показано, пружина 200 расположена внутри полости 202, образованной между первым уплотнением 134 и упором уплотнения 128. Когда клапан 100 (показан на ФИГ. 1А и 1В) закрыт, диск 104 поворачивается таким образом, что уплотняющая кромка 132 скользит по первому уплотнению 134 в закрытое положение. Пружина 200 позволяет уплотнению 102 сжиматься, когда диск 104 поворачивается в исходное положение и смещает уплотнение 102 в радиальном направлении внутрь, чтобы создать достаточно герметичное уплотнение между уплотнением 102 (например, первое уплотнение 134) и уплотняющей кромкой 132 диска 104. В случае пожара или другого случая воздействия высокой температуры, при котором первое уплотнение теряет свои свойства, пружина 200 может способствовать смещению второго уплотнения 136 в радиальном направлении внутрь по направлению к уплотняющей кромке 132 диска 104.
[0049] Как показано на ФИГ. 3, образец уплотнения 102 может быть присоединен между поверхностью 126 корпуса клапана 110 и упором уплотнения 128 посредством первой прокладки 300 и второй прокладки 302 (например, графитовые прокладки). В частности, первая и вторая прокладки 300, 302 расположены по обе стороны от второго уплотнения 136 (например, часть по внешнему радиусу), чтобы способствовать герметизации между корпусом клапана 110, упором уплотнения 128 и уплотнением 102. В некоторых примерах, прокладки 300, 302 способствуют проведению технического обслуживания гидравлического затвора в случае пожара или другого случая значительного повышения температуры. Прокладки 300, 302 могут иметь относительно высокий предел эксплуатационной температуры для обеспечения надлежащей герметизации.
[0050] ФИГ. 4А-4С иллюстрируют образец второго уплотнения 136, имеющий согнутую или изогнутую секцию 400 в уплотняющей части 140. ФИГ. 4А иллюстрирует уплотнение 102 в первом состоянии (например, когда первое уплотнение 134 не испытывает ухудшения характеристик), а ФИГ. 4В иллюстрирует уплотнение 102 во втором состоянии (например, когда первое уплотнение 134 испытывает потерю своих свойств). ФИГ. 4С иллюстрирует поперечное сечение уплотнения 102, где показано второе уплотнение 136, содержащее изогнутую секцию 400. Как показано на ФИГ. 4А и 4В, уплотнение 102 присоединено между упором уплотнения 128 и корпусом клапана 110. Уплотняющая часть 140 второго уплотнения 136 содержит изогнутую секцию 400, которая проходит по направлению к уплотняющей кромке 132 диска 104. В первом состоянии, проиллюстрированном на ФИГ. 4А, уплотняющая часть 138 первого уплотнения 136 взаимодействует с уплотняющей кромкой 132 диска. Первое состояние может возникнуть, когда уплотнение 102 находится в нормальном рабочем состоянии при температуре ниже пороговой, которая может быть представлена, например, максимальной рабочей температурой первого уплотнения 134.
[0051] Во втором состоянии, проиллюстрированном на ФИГ. 4В, большая часть первого уплотнения 134 испытало потерю свойств (например, расплавилась, разрушилась), оставляя только второе уплотнение 136 плотно прижатым к диску 104. Однако, в данном примере, какое-то количество первого уплотнения 134 захватывается (например, ограничивается в перемещении, схватывается, удерживается и т.д.) между изогнутой секцией 400, кромкой 140 и уплотняющей кромкой 132 диска 104. Профиль, образованный между этими поверхностями, создает полость (например, пустота, выемка, угловая полость, и т.д.), где может аккумулироваться первое уплотнение 134 или уменьшенное его количество.
[0052] Во время работы, при возникновении пожара или другого случая значительного повышения температур, первое уплотнение 134 теряет свои свойства (например, изнашивается, плавится). Когда это происходит, уплотняющая часть 140 второго уплотнения 136 проходит вниз (например, посредством силы смещения, создаваемой формой второго уплотнения 136) по направлению к уплотняющей кромке 132 диска 104. Когда уплотняющая часть 140 второго уплотнения 136 взаимодействует с уплотняющей кромкой 132 диска 104, формируется полость (например, пустота, выемка и т.д.), которая удерживает какое-то количество первого уплотнения 134, потерявшего свои свойства. Во втором состоянии, например, после охлаждения уплотнения 102, это количество первого уплотнения 134, захваченного посредством изогнутой секции 400, может быть возвращен обратно в первоначальное рабочее состояние путем затвердевания или застывания. В таком примере, уплотнение 102 обеспечивает улучшенную герметизацию, когда наступает случай значительного повышения температуры, поскольку оставшийся захваченный более мягкий материал первого уплотнения 134 обеспечивает стык мягкого материала между вторым уплотнением 136 и уплотняющей кромкой 132 диска 104.
[0053] ФИГ. 5А-5С иллюстрируют образец высокотемпературного плоского уплотнения 500 для использования в поворотных клапанах. ФИГ. 5А иллюстрирует образец уплотнения 500 в первом состоянии (например, состояние полной работоспособности или неразрушенное состояние), а ФИГ. 5В иллюстрирует образец уплотнения 500 во втором состоянии (например, состояние частичной работоспособности или разрушенное состояние). Как показано, аналогично образцу уплотнения 102 описанного выше, уплотнение 500 присоединено между упором уплотнения 502 и корпусом клапана 504. Уплотнение 500 должно взаимодействовать с уплотняющей кромкой 506 диска 508. В некоторых примерах, уплотнение 500 рассматривается как плоское уплотнение или плоская уплотняющая прокладка. Как показано на ФИГ. 5А и 5С, уплотнение 500 содержит первое уплотнение 510 и второе уплотнение 512. Второе уплотнение 512 расположено по меньшей мере частично в первом уплотнении 510. В некоторых примерах, первое уплотнение 510 выполнено из относительно мягкого материала (например, ПТФЭ, ТФЭ, СВМП, ПФА), а второе уплотнение 512 выполнено из относительно твердого материала (например, металла). В первом состоянии, как показано на ФИГ. 5А, первое уплотнение 510 взаимодействует с уплотняющей кромкой 506 диска 508. В некоторых примерах, уплотнение 500 гнется по уплотняющей кромке 506 диска 508, как показано. Во втором состоянии, как показано на ФИГ. 5В, например, когда случился пожар или другой случай воздействия высокой температуры, то второе уплотнение 512 взаимодействует с уплотняющей кромкой 506 диска 508. В некоторых примерах, в которых первое уплотнение 510 выполнено из относительно мягкого материала, имеющего относительно низкую температуру плавления, первое уплотнение 510 разрушается во время пожара или другого случая воздействия высокой температуры. В результате, второе уплотнение 512 проходит вниз (например, радиально внутрь) и взаимодействует с уплотняющей кромкой 506 диска 508. Второе уплотнение 512 размещается так, чтобы непрерывно взаимодействовать с диском 508, но когда первое уплотнение 510 находится в состояние полной работоспособности, первое уплотнение 510 взаимодействует с диском 508.
[0054] В некоторых примерах, уплотнение 500 может быть изготовлено путем литья (например, литье под давлением) первого уплотнения 510 на второе уплотнение 512. В других примерах, первое уплотнение 510 может быть отлито отдельно, а второе уплотнение 512 может быть помещено в первое уплотнение 510. Первое уплотнение 510 может быть присоединено ко второму уплотнению 512 посредством силы трения, клея или любого другого механизма (ов) крепления. Издержки на производство образца высокотемпературного плоского уплотнения 500 значительно ниже, чем издержки на производство других известных высокотемпературных уплотнений.
[0055] ФИГ. 6А и 6В иллюстрируют пример увеличенного вида в поперечном разрезе поворотного клапана, содержащего образец высокотемпературного консольного уплотнения 600. ФИГ. 6А иллюстрирует образец уплотнения 600 в первом состоянии (например, состояние полной работоспособности или неразрушенное состояние), а ФИГ. 6В иллюстрирует образец уплотнения во втором состоянии (например, состояние частичной работоспособности или разрушенное состояние). Как показано, аналогично образцам уплотнения 102 и 500, описанным выше, уплотнение 600 присоединено между упором уплотнения 602 и корпусом клапана 604. Уплотнение 600 должно взаимодействовать с уплотняющей кромкой 606 диска 608. Образец уплотнения 600 содержит первое уплотнение 610 и второе уплотнение 612, а второе уплотнение 612 расположено по меньшей мере частично в первом уплотнении 610. Второе уплотнение 612 имеет фланцевую часть 614 и изогнутую уплотняющую часть 616. В проиллюстрированном примере, фланцевая часть 614 присоединена между прокладкой 618, корпусом клапана 604 и упором уплотнения 602.
[0056] Как проиллюстрировано, изогнутый профиль второго уплотнения 612 обеспечивает податливость и, таким образом, силу смещения по отношению к диску 608, когда уплотнение 600 взаимодействует с диском 608. Когда диск 608 поворачивается в акрытое положение (например, проиллюстрированное положение), уплотнение 600 изгибается, в то время как уплотняющая кромка 606 диска 608 поворачивается в закрытое положение. В некоторых примерах, первое уплотнение 610 выполнено из более мягкого материала (например, ТФЭ, ПТФЭ, СВМП, ПФА), а второе уплотнение 612 выполнено из более твердого материала (например, металла) или материала, обладающего более высокой рабочей температурой, чем первое уплотнение 610. В первом состоянии, как показано на ФИГ. 6А, первое уплотнение 610 взаимодействует с уплотняющей кромкой 606 диска 608. В некоторых примерах, уплотнение 600 изгибается по отношению к уплотняющей кромке 606 диска 608, как проиллюстрировано. В примере, показанном на ФИГ. 6А, в первом состоянии, первое уплотнение работоспособно и взаимодействует с уплотняющей кромкой 606 уплотнения 608, чтобы предотвратить поток текучей среды через клапан.
[0057] Во втором состоянии, как показано на ФИГ. 6В, например, когда происходит пожар или значительное повышение температуры, уплотняющая часть 616 второго уплотнения 612 взаимодействует с уплотняющей кромкой 606 диска 608. В некоторых примерах, в которых первое уплотнение 610 выполнено из более мягкого материала, обладающего более низкой температурой плавления, первое уплотнение 610 теряет свои свойства (например, изнашивается, плавится, разрушается). В таком примере, второе уплотнение 612 изгибается радиально внутрь и взаимодействует с уплотняющей кромкой 606 диска 608 для обеспечения плотного прижатия к диску 608 и предотвращения потока технологической текучей среды.
[0058] Образцы высокотемпературных уплотнений 102, 500 и 600, описанные выше, были проиллюстрированы в рамках двухстворчатого клапана. Тем не менее, образцы высокотемпературных уплотнений 102, 500 и 600 и их разновидности, могут быть использованы в других клапанах управления процессом, таких как, например, шаровых клапанах или других поворотных клапанах, способных вместить твердое или мягкое уплотнение. Кроме того, образцы высокотемпературных уплотнений 102, 500 и 600 были проиллюстрированы в рамках двухстворчатого клапана, содержащего внецентровой или офсетный диск. Тем не менее, образцы высокотемпературных уплотнений 102, 500 и 600, описанных в данном документе, также могут быть использованы в двухстворчатых клапанах, содержащих концентрические или выровненные диски.
[0059] Образцы высокотемпературных уплотнений 102, 500 и 600, описанные в данном документе, преимущественно обеспечивают эффект стыка мягкого уплотнения и надлежащей герметизации после пожара или другого случая воздействия высокой температуры. В частности, образцы высокотемпературных уплотнений 102, 500 и 600 содержат первое уплотнение, которое обеспечивает эффект относительно мягкого или совместимого уплотнения. Кроме того, в случае, когда образцы высокотемпературных уплотнений 102, 500 и 600, по меньшей мере частично теряют свои свойства, образцы высокотемпературных уплотнений 102, 500 и 600 содержат второе уплотнение, чтобы обеспечить эффективную герметизацию и, таким образом, надлежащее перекрытие клапана.
[0060] Хотя некоторые из устройств были описаны в данном документе, объем охвата данного патента не ограничивается ими. Наоборот, этот патент охватывает все методы, устройства и изделия, в известной степени, подпадающие под объем прилагаемой формулы изобретения, либо буквально, либо в соответствии с теорией эквивалентов.
Реферат
Изобретение относится к высокотемпературным уплотнениям (102) для использования в поворотных клапанах (100). Образец уплотнения для использования в поворотным клапанах содержит первичное уплотнение (134), взаимодействующее с элементом управления потоком (104), когда первичное уплотнение находится в первом состоянии, и вторичное уплотнение (136), по меньшей мере, частично расположено внутри первичного уплотнения (134). Первичное уплотнение (134) должно удерживать вторичное уплотнение (136) от взаимодействия с элементом управления потоком (104), когда первичное уплотнение (134) находится в первом состоянии, и вторичное уплотнение (136) должно взаимодействовать с элементом управления потоком (104), когда первичное уплотнение (134) находится во втором состоянии. Изобретение повышает надежность уплотнения. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 15 ил.
