Регулирующий клапан с динамически нагруженной нажимной буксой с каналом утечки и с независимым вторичным уплотнением - RU2555420C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение касается в целом регулирующих клапанов и, в частности, устройства динамически нагруженной нажимной буксы, предназначенной для применения в регулирующих клапанах, а также регулирующих клапанов, содержащих такое устройство.

Уровень техники

Общеизвестно, что такие перерабатывающие предприятия, как нефтеперерабатывающие заводы, очистительные предприятия, химические заводы или целлюлозно-бумажные комбинаты, состоят из множества схем управления производством, связанных друг с другом для производства различных продуктов. В этих схемах управления задействованы клапаны регулирования потока, в которых обычно применяется регулирующий орган, например клапанный плунжер, клапанный диск, шар или другой соответствующий регулирующий орган, позволяющий управлять прохождением потока текучей среды, например газа, пара, воды или химического вещества через систему.

В целом очевидно, что для разных конкретных применений подходят разные конфигурации регулирующих клапанов. Например, если нужен быстрооткрывающийся клапан с узким диапазоном регулируемых значений, можно применить поворотный регулирующий клапан, например дисковый затвор. В альтернативном случае, когда требуется осуществить точный контроль в широком диапазоне регулируемых значений, можно применить регулирующий клапан со штоком поступательного движения. В любой конфигурации такие регулирующие клапаны обычно подключают к управляющему устройству (например, к приводу), которое контролирует точное значение степени открывания клапана в соответствии с управляющим сигналом. В каждом случае шток клапана входит внутрь корпуса клапана и соединяется с регулирующим органом.

Для предотвращения или минимизации утечек вдоль штока клапана в регулирующих клапанах обычно вокруг штока клапана помещают уплотнение (набивку). В таких клапанах часто применяется фиксирующий фланец и нажимная букса, оказывающие давление на уплотнение клапана. Обычно уплотнение клапана разделяют на два отдельных уплотнительных пакета, разделенных фонарным кольцом. При таком устройстве в корпусе клапана возле фонарного кольца предусматривается канал утечки, обеспечивающий прохождение текучей среды. Это позволяет обслуживающему персоналу определять состояние уплотнения ниже фонарного кольца.

Краткое описание чертежей

На Фигуре 1 представлен (в качестве примера существующего уровня техники) вид в разрезе регулирующего клапана с поворотным штоком, снабженного динамически нагруженной нажимной буксой, и с каналом утечки, проходящим сквозь корпус клапана.

На Фигуре 2 представлен (в качестве другого примера существующего уровня техники) увеличенный местный вид в разрезе регулирующего клапана со штоком поступательного движения и также снабженного другим устройством динамически нагруженной нажимной буксы с двойным уплотнительным пакетом.

На Фигуре 3 представлен увеличенный местный вид в разрезе четырех различных типичных вариантов воплощения устройств уплотнительных комплектов, в каждом из которых показана пара уплотнительных пакетов, разделенных одним или несколькими фонарными кольцами.

На Фигуре 4 представлен вид в разрезе динамически нагруженного уплотнительного комплекта, установленного в клапан в соответствии с настоящим изобретением.

На Фигуре 5 представлен увеличенный местный вид в разрезе сборки по Фигуре 4.

Осуществление изобретения

Хотя в данном описании подробно представлен один из вариантов воплощения настоящего изобретения, следует понимать, что законный объем изобретения определяется формулой изобретения, представленной в конце настоящего патента. Данное подробное описание следует рассматривать только в качестве примера, оно не описывает все возможные варианты воплощения настоящего изобретения, поскольку описать все возможные варианты его воплощения не представляется возможным, во всяком случае, с практической точки зрения. Исходя из материала, изложенного в этом раскрытии, квалифицированные специалисты в данной области смогут разработать один или несколько альтернативных вариантов воплощения изобретения, пользуясь либо уже существующими технологиями, либо технологиями, разработанными после регистрации настоящего патента. На такие дополнительные варианты воплощения будет распространяться действие формулы настоящего изобретения, определяющей его объем.

На Фигуре 1 показаны применяемые в настоящее время клапанное уплотнение и нажимная букса сальника, установленные в типичный регулирующий клапан 10, применяемый в системах управления технологическими процессами, при этом показанный на Фигуре 1 регулирующий клапан 10 является регулирующим клапаном 10 с поворотным штоком. Этот регулирующий клапан 10 включает корпус 12 клапана, клапанный вход 14, клапанный выход 16 и проточный канал 18, проходящий от входа 14 до выхода 16. Проточный канал 18 содержит канал управления 20, а в канале управления 20 расположен подвижный регулирующий орган 22. В представленном на Фигуре 1 варианте воплощения регулирующий орган 22 регулирующего клапана 10 является регулирующим органом поворотного действия. Регулирующий орган 22 по Фигуре 1 может быть, например, клапанным диском, сферой или шаром, или любым другим поворотным регулирующим органом. В варианте воплощения по Фигуре 1 регулирующий орган 22 связан с клапанным штоком 24, являющимся поворотным штоком, как было указано выше. Клапанный шток 24 оперативно связан с приводом, которым может быть привод любого типа, обычно применяемого в данной области. Регулирующий орган 22 располагают в канале управления 20 таким образом, чтобы положением регулирующего органа 22 внутри канала управления 20 можно было управлять с помощью привода, тем самым регулируя величину потока текучей среды, проходящего через управляющий канал. Регулирующий клапан 10 содержит сальниковую коробку 28, которая в представленном здесь примере расположена внутри корпуса 12 клапана, а внутри этой сальниковой коробки 28 располагается первичный уплотнительный пакет (по существующему уровню техники).

Как показано на Фигуре 1, регулирующий клапан 10 включает нажимную буксу 32, располагающуюся вокруг участка клапанного штока 24 и включающую нижний участок 34, который, входя в сальниковую коробку 28, оказывает давление на первичный уплотнительный пакет 30. Нажимная букса 32 удерживается на своем месте фиксирующим фланцем 36, который может соответствующим образом крепиться болтами к корпусу 12 клапана (либо непосредственно к корпусу клапана, либо к головке клапана, если у данного клапана имеется головка). Между фиксирующим фланцем 36 и нажимной буксой 32 помещают ряд тарельчатых пружинных шайб 38. Следовательно, регулируя усилие прижима фиксирующего фланца 36 болтами, можно управлять величиной силы, сжимающей уплотнительный пакет 30. Регулирующий клапан 10 также содержит нижний фиксирующий фланец 40, также соответствующим образом прикрепленный болтами к корпусу 12 клапана. Этот нижний фиксирующий фланец 40 нажимает на втулку 42, которая, в свою очередь, сжимает вторичный уплотнительный пакет 44, также расположенный в сальниковой коробке 28. Регулируя силу прижатия болтами нижнего фиксирующего фланца 40, можно управлять силой, сжимающей вторичный уплотнительный пакет 44. Следовательно, для того, чтобы надлежащим образом сжимать как первичный уплотнительный пакет 30, так и вторичный уплотнительный пакет 44, необходимо иметь два фиксирующих фланца (верхний фиксирующий фланец 36 и нижний фиксирующий фланец 40). Имеется канал утечки 46, обычно проходящий сквозь корпус 12 клапана. Как первичный уплотнительный пакет 30, так и вторичный уплотнительный пакет 44 содержат фонарные кольца (детальнее показанные на Фигуре 3), позволяющие отвести в канал утечки 46 любые утечки текучей среды, не устраненные действием любого из уплотнительных пакетов 30, 44. В показанном варианте воплощения конструкции вторичный уплотнительный пакет 44 является статическим и представляет собой средство для заделки уплотнительного отверстия. Во многих применениях этот вторичный уплотнительный пакет может не применяться.

На Фигуре 2 показан другой традиционный вариант конструкции, в котором другую традиционную нажимную буксу 32А устанавливают так, чтобы она сжимала другой традиционный уплотнительный пакет 30А, при этом с помощью фиксирующего фланца 36, удерживающего нажимную буксу 32А в нужном положении, можно регулировать это положение. Фиксирующий фланец 36 крепится к корпусу клапана посредством крепления болтами к головке клапана 26. В этом случае между фиксирующим фланцем 36 и нажимной буксой 32А также помещают тарельчатые пружинные шайбы 38. Как и в варианте воплощения по Фигуре 1, здесь также имеется канал утечки 46, проходящий сквозь головку 26, а уплотнительный комплект содержит верхний уплотнительный пакет и нижний уплотнительный пакет, разделенные фонарными кольцами (детальнее показанными на Фигуре 3), что позволяет отвести в канал утечки 46 любые утечки, не устраненные нижним уплотнительным пакетом. В варианте воплощения, показанном на Фигуре 2, клапанный шток 24 представляет собой шток 24В поступательного движения, оперативно связанный с регулирующим органом так, как связан любой традиционный регулирующий орган со штоком поступательного движения (не показано).

На Фигуре 3 показаны четыре (4) традиционных уплотнительных комплекта. В каждом из вариантов воплощения, представленных на Фигуре 3, уплотнительный комплект содержит верхний уплотнительный пакет А и нижний уплотнительный пакет В, разделенные одним или несколькими фонарными кольцами L. Каждое из фонарных колец L содержит отверстие Р, и это отверстие Р сообщается с каналом утечки 46, описанным выше.

На Фигурах 4 и 5 показан регулирующий клапан 110, собранный в соответствии с описываемым вариантом воплощения настоящего изобретения. Представленный регулирующий клапан 110 является регулирующим клапаном с поворотным штоком. Однако, прочитав настоящее описание, квалифицированные специалисты в данной области легко смогут применить представленные здесь идеи к регулирующим клапанам с поступательным движением штока, в которых клапанный шток связан, например, с плунжером клапана, с клапанной пробкой или с каким-либо другим регулирующим органом поступательного движения. Этот регулирующий клапан 110 включает корпус 112 клапана, клапанный вход 114, клапанный выход 116 и проточный канал 118, проходящий от входа 114 до выхода 116. Клапанный вход 114, клапанный выход 116 и проточный канал 118 можно увидеть только на Фигуре 4. Проточный канал 118 включает канал управления 120, при этом в канале управления 120 располагается подвижный регулирующий орган 122. Канал управления 120 и регулирующий орган 122 можно видеть только на Фигуре 4. И в этом варианте воплощения по Фигурам 4 и 5 регулирующий орган 122 также представляет собой поворотный регулирующий орган 122А, связанный с клапанным штоком 124, который в варианте воплощения по Фигурам 4 и 5 является поворотным штоком 124А. В альтернативном случае представленные здесь идеи можно применить к штоку поступательного движения, например к штоку 24В, показанному на Фигуре 2. Регулирующий орган 122А по Фигуре 4 может представлять собой, например, клапанный диск, сферу или шар, или любой другой поворотный регулирующий орган. Клапанный шток 124 оперативно связан с приводом, который может представлять собой приемлемый привод любого типа, применяющийся в данной области. Регулирующий орган 122 располагают в канале управления 120 таким образом, чтобы положением этого регулирующего органа 122 в канале управления 120 можно было управлять с помощью привода, тем самым регулируя расход текучей среды, проходящей через канал управления 120. Регулирующий клапан 110 содержит отверстие 127, диаметр которого позволяет поместить в нем клапанный шток 124. Корпус 112 клапана содержит сальниковую коробку 128, и внутри сальниковой коробки 128 помещается первичный уплотнительный пакет 130. Размеры этого уплотнительного пакета подобраны так, чтобы он помещался вокруг клапанного штока 124.

Показанный на Фигуре 5 регулирующий клапан 110 содержит располагающуюся вокруг части клапанного штока 124 нажимную буксу 132, в которой имеется центральное отверстие 133. Эта нажимная букса 132 имеет первую или верхнюю часть 136 и вторую или нижнюю часть 138, при этом нижняя часть 138 заходит в сальниковую коробку 128, располагаясь таким образом, чтобы прикладывать сжимающее усилие к первичному уплотнительному пакету 130, что будет подробнее описано ниже. Нажимная букса 132 содержит упорную поверхность 140, которая в представленном примере имеет вид кольцеобразного фланца 142. На наружной поверхности верхней части 136 имеется резьба 144, а в центральном отверстии 133 имеется рассверленный участок 146, примыкающий к верхней части 136. В гайке 148 с резьбой имеется центральное отверстие 150, диаметр которого подобран в соответствии с диаметром клапанного штока 124, и размеры этой гайки с резьбой позволяют накручивать ее на резьбу 144 нажимной буксы 132. Вторичное уплотнительное кольцо 150 располагается в рассверленном участке 146 отверстия нажимной буксы 132. Втулка 152 имеет верхнюю часть 152а и нижнюю часть 152b и располагается в рассверленном участке 146 над вторичным уплотнительным кольцом 150. В показанном варианте воплощения втулка 152 располагается внутри рассверленного участка 146 таким образом, чтобы ее верхняя часть 152а прижималась к пружине 156, упирающейся во внутреннюю часть 154 гайки 148, а ее нижняя часть 152b прижималась ко вторичному уплотнительному кольцу 150. Таким образом, регулируя положение гайки 148 на резьбе 144, можно регулировать сжимающее усилие, прикладываемое ко вторичному уплотнительному кольцу 150. В показанном варианте воплощения между внутренней частью 154 гайки 148 и верхней частью 152а втулки 152 располагается пружина 156. Далее в представленном здесь варианте воплощения эта пружина 156 принимает форму тарельчатой пружинной шайбы 158.

Фиксирующий фланец 160 крепится к корпусу 112 клапана (или к головке клапана, если данный клапан содержит головку) регулируемым креплением в виде ряда крепежных болтов 162, проходящих сквозь отверстия 164. В фиксирующем фланце 160 имеется центральное отверстие 166, диаметр которого позволяет без помех принимать верхнюю часть 136 нажимной буксы 152, а также гайку 148. В фиксирующем фланце 160 также имеется направленная вниз поверхность 168. Пружина 170 располагается между упорной поверхностью 140 нажимной буксы 132. В представленном варианте воплощения пружина 170 имеет вид сложенных стопкой тарельчатых пружинных шайб 172. Таким образом, поскольку нажимная букса 132 оперативно связана через пружину 170 с фиксирующим фланцем 160, направленное вниз усилие нажатия на нажимную буксу 132 можно регулировать путем регулирования положения фиксирующего фланца 160 по отношению к корпусу 112 клапана.

Предпочтительно нижняя часть 138 нажимной буксы 132 содержит рассверленное отверстие 174, диаметр которого позволяет принимать цилиндрическую втулку 176. В показанном варианте воплощения эта втулка 176 служит направляющей для штока клапана. Нижняя часть 138 нажимной буксы 132 располагается так, чтобы нажимать на уплотнительный пакет 130. Предпочтительно уплотнительный пакет 130 может включать традиционные компоненты, например пару колец 178 из филаментной пряжи, разделенных ламинированными кольцами 180 и заключенных между верхней и нижней шайбами 182. Уплотнительный пакет 130 может не иметь в своем составе традиционного фонарного кольца, что и показано в данном варианте воплощения. Нижняя часть 138 нажимной буксы 132 совместно с втулкой 176 занимает положение, позволяющее оказывать давление на верхнюю часть уплотнительного пакета 130, например, путем нажатия на верхнюю шайбу 182.

Нажимная букса 132 имеет канал утечки 184, который в описываемом варианте воплощения проходит в целом радиально сквозь кольцеобразный фланец 142 наружу. Этот канал утечки 184 сообщается по текучей среде с центральным отверстием 133, проходящим сквозь нажимную буксу 132 и желательно, чтобы канал утечки 184 соединялся с трубопроводом 186, который в типичном случае подключен к определенному средству или механизму, предназначенному для предотвращения утечки или для обнаружения утечки. В том случае, когда после уплотнительного комплекта 130 сохраняется какая-либо утечка текучей среды, эта текучая среда будет направляться в пространство 188 между клапанным штоком 124 и отверстием 133 нажимной буксы 132.

Регулирующий клапан и/или уплотнительный комплект для регулирующего клапана, собранные в соответствии с одним или несколькими аспектами настоящего раскрытия, могут продлить и/или сделать максимальным срок службы такого клапанного уплотнения. В соответствии с представленным вариантом воплощения нагрузку на первичный уплотнительный пакет можно регулировать независимо от нагрузки на вторичное уплотнение. Следовательно, как к первичному уплотнительному пакету, так и ко вторичному уплотнительному пакету можно прикладывать желаемое усилие, не перегружая один из этих уплотнительных компонентов в ущерб другому уплотнительному компоненту.

Кроме того, при таком варианте воплощения сборки, как описан здесь, нет необходимости иметь канал утечки в корпусе клапана и/или в головке клапана. Также, если настоящее изобретение применяется к уже существующему регулирующему клапану, в котором имеется канал утечки, просверленный в головке клапана или в корпусе клапана, этот имеющийся канал утечки можно заглушить временной или постоянной заглушкой.

Квалифицированным специалистам в данной области будет понятно, что для многих клапанов желательно иметь средства, позволяющие определить наличие утечки в клапанном уплотнении, а также желательно иметь средства для улавливания такой утечки. В прошлом для решения этой проблемы применялось устройство двойного уплотнения, когда между двумя уплотнительными пакетами располагается канал утечки, и эти два уплотнительных пакета разделены фонарным кольцом. Такой подход может иметь один или несколько недостатков. Например, даже если приложить требуемое усилие к верхнему уплотнительному пакету, нижнему уплотнительному пакету будет передаваться только часть этого усилия. Очевидно, что от нижнего уплотнительного пакета требуется создавать уплотнение, адекватное давлению, существующему внутри регулирующего клапана, однако, усилие, прикладываемое к нижнему уплотнительному пакету, снижается первым уплотнительным пакетом. Более того, применение двух уплотнительных пакетов приводит к значительному увеличению трения клапанного штока, а большее упрочнение уплотнительного материала приводит к потере его уплотняющего усилия, тем самым приводя к увеличению вероятности утечек. Следовательно, тогда в корпусе клапана или в головке клапана необходимо будет иметь традиционный канал утечки. Высверливание традиционного канала утечки в корпусе клапана или в головке клапана приводит к повышению стоимости изготовления регулирующего клапана, а также создает дополнительные проблемы, связанные с установкой и обслуживанием, поскольку фонарное кольцо необходимо должным образом совместить с каналом утечки.

В соответствии с представленным вариантом воплощения появляется возможность решить различные существующие проблемы, связанные с уплотнениями, а также обеспечить выполнение функций утечки, не ухудшающие работу уплотнения. В соответствии с описанным примером к уплотнительному комплекту можно прикладывать усилие или нагрузку относительно точной или желаемой величины для воздействия на уплотнение, и это часто достигается с помощью динамически нагружаемых пружин. Можно также придерживаться изложенных здесь принципов настоящего изобретения для того, чтобы обеспечить надлежащую герметичность, используя минимальное количество уплотнительного материала. Такой подход минимизирует отрицательное воздействие теплового расширения уплотнительного материала, а также уменьшает трение, создаваемое уплотнением. Применение такого подхода дает возможность устанавливать менее пластичные антиэкструзионные кольца, предотвращающие выдавливание уплотнительного материала из уплотняемой области или снижающие вероятность такого выдавливания, а также позволяет устанавливать направляющие для штока в виде втулок или других приспособлений, удерживающих шток в надлежащем положении внутри уплотнительного комплекта, и применять гладкие, полированные клапанные штоки, поскольку такой подход уменьшает вызываемое уплотнением трение и минимизирует вероятные пути утечки.

Регулирующий клапан и/или уплотнительный узел, собранные в соответствии с представленным здесь вариантом воплощения настоящего изобретения, демонстрируют улучшенные функциональные характеристики по сравнению с существующими уплотнительными узлами, например с узлом SS-84, изготовляемым компанией Emerson. В соответствии с описанным вариантом воплощения улучшенный уплотнительный узел можно сделать более компактным и простым, аследовательно, данный уплотнительный узел можно применять в других изделиях. Такая улучшенная конструкция позволяет обеспечить независимую динамическую нагрузку на уплотнение, а также установку дополнительной втулки, позволяющей защитить шток. Кроме того, представленный в качестве примера вариант воплощения не требует высверливать канал утечки в корпусе клапана или в головке клапана. Операция разметки и высверливания канала утечки является сложной, и наличие такого канала создает прерывистую поверхность в уплотняемом отверстии. Следовательно, желательно создать конструкцию, в которой не нужен отдельный канал утечки в корпусе клапана и/или в головке клапана.

Представленный здесь в качестве примера вариант воплощения настоящего изобретения может давать еще несколько дополнительных преимуществ. Например, диаметр расстановки крепежных болтов можно сделать больше, чем у традиционных сборок, что позволяет улучшить конструкцию тарельчатых пружин. Кроме того, на вторичное уплотнительное кольцо, расположенное внутри описанной нажимной буксы, не оказывается давление. От этого вторичного уплотнительного кольца требуется только отводить любую утечку через уплотнение, например, в канал утечки, имеющийся в нажимной буксе и находящийся под атмосферным или близким к атмосферному давлением. Результатом применения описанной сборки может быть клапан, который в большей степени подходит для длительной службы с редким обслуживанием, например, в применениях, работающих с радиоактивными веществами.

Квалифицированные специалисты в данной области, основываясь на вышеуказанном описании, увидят возможности для разработки множества модификаций и альтернативных вариантов воплощения настоящего изобретения. Поэтому настоящее описание следует рассматривать только как иллюстративное и предлагающее квалифицированным специалистам в данной области наилучший вариант воплощения настоящего изобретения. Детали настоящего раскрытия можно варьировать, не выходя за рамки настоящего изобретения, а исключительное использование всех модификаций, охватываемых рамками формулы изобретения, защищено патентом.

Реферат

Регулирующий клапан включает корпус 112 клапана, шток клапана и регулирующий орган. Корпус клапана принимает шток и содержит сальниковую коробку 128, в которой размещается уплотнительный пакет 130. Нажимная букса 132 имеет отверстие 133, размер которого позволяет принимать шток, указанная нажимная букса содержит верхнюю часть 136, нижнюю часть 138 и упорную поверхность 140, при этом нижняя часть имеет размер, позволяющий ей проходить в головку клапана для того, чтобы воздействовать на уплотнительный пакет, прикладывая первое сжимающее усилие к уплотнительному пакету, при этом верхняя часть содержит резьбу 144 и верхнее рассверленное отверстие 146, в которое помещают вторичное уплотнительное кольцо 166. На резьбу верхней части нажимной буксы накручивают гайку 148, устанавливая ее таким образом, чтобы создать второе сжимающее усилие, прикладываемое ко вторичному уплотнительному кольцу, а между фиксирующим фланцем 160 и упорной поверхностью 140 нажимной буксы устанавливают пружину 170, при этом первое сжимающее усилие не зависит от второго сжимающего усилия. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула