запорный клапан

Формула изобретения

ЗАПОРНЫЙ КЛАПАН, содержащий корпус, соединенный с приводом запорный орган в виде тарели, седло, внутренняя поверхность которого выполнена ступенчатой, размещенную в проходном отверстии седла защитную втулку, наружная поверхность которой выполнена ступенчатой, причем на большей ступени втулки и на меньшей ступени седла выполнены канавки и в них размещены уплотнительные кольца, а втулка, контактирующая поверхностями своих ступеней с ответными поверхностями ступеней седла, размещена с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения от имеющегося в корпусе ограничителя до торца меньшей ступени седла, при этом в стенке седла выполнено боковое сквозное отверстие, а канавка большей ступени втулки удалена от торца указанной ступени на расстояние большее, чем диаметр упомянутого бокового отверстия, отличающийся тем, что меньшие ступени седла и втулки выполнены равной длины, в тарели со стороны седла выполнена расточка с кольцевой канавкой на цилиндрической поверхности и в канавке размещено уплотнительное кольцо, в дне тарели выполнено сквозное отверстие, тарель снабжена шайбой, контактирующей со стенками расточки, имеющей диаметр, равный наружному диаметру меньшей ступени втулки, а толщину, равную глубине расточки, причем шайба установлена с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения, сквозное боковое отверстие седла герметично заглушено, а ограничитель выполнен в виде шайбы, жестко закрепленной в корпусе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано при конструировании запорной арматуры, преимущественно для тупиковых отводов трубопроводов, транспортирующих газообразные среды, в том числе и с механическими примесями, например, природный и попутный нефтяной газ.

Известен запорный клапан как тип запорной арматуры.

Корпус этого запорного устройства герметично встраивается в трубопровод, а перекрытие пропускного канала для рабочей среды в корпусе осуществляется запорным органом, состоящим из седла на пропускном канале корпуса и затвора в виде плоской или конусной тарелки, путем приведения их в контактное состояние с помощью штока, связанного с силовым приводом. При этом затвор перемещается возвратно-поступательно вдоль оси уплотнительной поверхности седла, а уплотнение запорного органа обеспечивается либо металлом его деталей, либо наплавкой коррозионностойкой стали или стеллита на детали запорного органа, либо латунными или стальными кольцами, устанавливаемыми в концентрические расточки или проточки на поверхностях, обращенных друг к другу седла и затвора, или только седла или затвора запорного органа.

Для обеспечения герметичности запорного органа вышеуказанных запорных устройств требуется тщательная пригонка затвора к седлу, что составляет определенные трудности по мере увеличения диаметра проходного канала. К тому же наличие в рабочей среде механических примесей и их налипание на открытые уплотнительные поверхности седла и затвора приводят к изменениям геометрии этих поверхностей, что исключает возможность их плотного прилегания друг к другу для обеспечения герметичности соединения.

Известен также запорный клапан, в котором герметизация запорного органа обеспечивается уплотнительным кольцом в виде шайбы с центральным каналом, изготовленным из резины или фторопласта и установленным в концентрической расточке тарелки затвора с обращенной к седлу стороны. Данная конструкция не нуждается в пригонке затвора к седлу, однако, как и в конструкциях-аналогах, уплотнительные поверхности седла и затвора не изолированы от рабочей среды и подвергаются воздействию содержащихся в ней механических примесей, что приводит к изменению конфигурации этих поверхностей не только за счет налипания на них твердой фракции, но и за счет эрозии этих поверхностей, что не обеспечивает плотного прилегания их друг к другу, а следовательно, и надежного герметичного перекрытия пропускного канала.

Известен также запорный клапан, содержащий корпус, в котором установлено седло с внутренней ступенчатой поверхностью, на меньшей ступени которого в кольцевой канавке размещено уплотнительное кольцо. Для предохранения указанного кольца от действия рабочей среды в проходном отверстии седла размещена защитная втулка, наружная поверхность которой также выполнена ступенчатой. Большая ступень втулки снабжена уплотнительным кольцом. Защитная втулка размещена в седле с возможностью осевого перемещения под действием запорного органа. При этом перемещение защитной втулки ограничено с одной стороны упором, имеющимся в корпусе, а с другой стороны - торцом меньшей ступени седла.

В известном устройстве уплотнительная поверхность запорного органа не защищена от действия рабочей среды в то время, когда запорный орган отведен от седла. При наличии в рабочей среде механических примесей уплотнительная поверхность подвергается износу, вследствие которого снижается герметичность места соединения запорного органа и седла.

Причем этот недостаток возрастает по мере увеличения диаметра перекрываемого пропускного канала.

Этим объясняется то обстоятельство, что запорные клапана не изготавливаются с диаметрами пропускного канала более 200 мм, как это следует из ГОСТ 9697-87 "Клапаны запорные. Основные параметры".

Целью изобретения является расширение диапазона герметично перекрываемых запорным клапаном каналов в трубопроводах в сторону увеличения диаметра прохода, путем обеспечения изоляции уплотнительных поверхностей запорного органа от контакта с твердой фракцией механических примесей рабочей среды как в состоянии открытия так и в процессе и состоянии закрытия запорного клапана.

Для достижения этой цели у запорного клапана, содержащего корпус, соединенный с приводом запорный орган в виде тарели, седло внутренняя поверхность которого выполнена ступенчатой, размещенную в проходном отверстии седла защитную втулку, наружная поверхность которой выполнена ступенчатой, причем на большей ступени втулки и на меньшей ступени седла выполнены канавки и в них размещены уплотнительные кольца, а втулка, контактирующая поверхностями своих ступеней с ответными поверхностями ступеней седла, размещена с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения от имеющегося в корпусе ограничителя до торца меньшей ступени седла, при этом в стенке седла выполнено боковое сквозное отверстие, а канавка большей ступени втулки удалена от торца указанной ступени на расстояние большее, чем диаметр упомянутого бокового отверстия, меньшие ступени седла и втулки выполнены с равной длиной, в тарели со стороны седла выполнена расточка с кольцевой канавкой на цилиндрической поверхности и в канавке размещено уплотнительное кольцо, в дне тарели выполнено сквозное отверстие, тарель снабжена шайбой, контактирующей со стенками расточки, имеющей диаметр, равный наружному диаметру меньшей ступени втулки, а толщину, равную глубине расточки, причем шайба установлена с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения, сквозное боковое отверстие седла герметично заглушено, а ограничитель выполнен в виде шайбы, жестко закрепленной в корпусе.

Сопоставительный анализ предложенный конструкции запорного клапана с прототипом показывает, что его отличие от прототипа, где уплотнительные поверхности тарели затора не изолированы от рабочей среды, состоит в том, что меньшие ступени седла и втулки выполнены с равной длиной. В тарели со стороны седла выполнена расточка с кольцевой канавкой на цилиндрической поверхности и в канавке размещено уплотнительное кольцо, в дне тарели выполнено сквозное отверстие. Тарель снабжена шайбой, контактирующей со стенками расточки, имеющей диаметр, равный наружному диаметру меньшей ступени втулки, а толщину - равную глубине расточки, причем шайба установлена с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения, сквозное боковое отверстие седла герметично заглушено, а ограничитель выполнен в виде шайбы, жестко закрепленной в корпусе.

Перечисленные отличия позволяют утверждать, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "Новизна".

Сравнение предлагаемого технического решения запорного клапана с другими техническими решениями в данной и смежных областях техники не позволило выявить в них признаки, отличающие предлагаемое техническое решение от прототипа, что позволяет утверждать о соответствии критерию "Cущественные отличия".

На чертеже изображен предлагаемый запорный клапан.

Запорный клапан содержит герметично встраиваемый между фланцами трубопровода металлический корпус 1 с седлом 2 и проходным отверстием 3, вдоль оси которого проходит связанный с силовым приводом шток 4. Шток 4 коаксиально соединен с дном металлической тарели запорного органа 5, имеющего возможность возвратно-поступательного перемещения вдоль оси проходного отверстия 3 за его пределами. Тарель 5 обращена в сторону седла 2 концентрической расточкой 6. В расточке 6 с упором в ее торец размещена металлическая шайба 7 с наружным диаметром и высотой, равными внутреннему диаметру и глубине расточки номинально, и центральным каналом 8, диаметр которого номинально равен диаметру проходящего через него штока 4. На цилиндрической поверхности проходного отверстия 3 последовательно в направлении от седла 2 размещены концентрические канавки 9 с уплотнительными резиновыми кольцами 10 и, открытая со стороны противоположной седлу, концентрическая расточка 11, образующая ступенчатую поверхность седла. На цилиндрической поверхности расточки 11, т. е. на большей ступени седла в непосредственной близости от кольцевой торцовой поверхности выполнено сквозное боковое отверстие 12. В проходном отверстии 3 размещена защитная втулка 13. Защитная втулка 13 имеет вид ступенчатого цилиндра с коаксиальным центральным проходным каналом 14. Защитная втулка 13 вставлена в проходное отверстие седла до упора своей кольцевой торцовой поверхности перехода от ступени с меньшим диаметром к ступени с большим диаметром в кольцевую торцовую поверхность седла, после чего сквозное боковое отверстие 12 герметично заглушено, например, резьбовой заглушкой 15 и резиновым уплотнительным кольцом 16. На ступени защитной втулки 13 с большим наружным диаметром, номинально равным диаметру расточки 11, выполнена наружная концентрическая канавка 17 с резиновым уплотнительным кольцом 18, отстоящая от кольцевой торцовой поверхности перехода на расстоянии, превышающем диаметр сквозного бокового отверстия 12. Длина и диаметр меньшей ступени защитной втулки 13 номинально равны длине и диаметру меньшей ступени седла 2. Длина расточки 11 превышает длину цилиндрической поверхности большей ступени защитной втулки 13 на некоторую величину, определяющую интервал возвратно-поступательного осевого перемещения защитной втулки 13 в проходном отверстии 3, т. к. с открытой стороны расточки 11 установлен жестко соединенный с корпусом 1 ограничитель 19 дальнейшего осевого перемещения защитной втулки 13 в направлении от седла 2, например, в виде плоской металлической шайбы с внутренним диаметром, меньшим диаметра расточки 11.

Боковая поверхность концентрической расточки 6 в тарели 5 снабжена концентрической внутренней канавкой 20 с резиновым уплотнительным кольцом 21. Боковая поверхность центрального канала 8 в шайбе 7 также снабжена по крайней мере одной внутренней концентрической канавкой 22 с уплотнительным резиновым кольцом 23. Наружный диаметр металлической шайбы 7 номинально равен диаметру цилиндрической поверхности меньшей ступени, защитной втулки 13 и диаметру меньшей ступени седла 2. В дне тарели 5 выполнено по крайней мере одно сквозное отверстие 24, эксцентричное оси тарели.

Предлагаемое запорное устройство работает следующим образом.

В открытом состоянии запорного устройства, когда запорный орган 5 и седло 2 отстоят друг от друга по оси на некотором расстоянии, рабочая среда через центральный проходной канал 14 защитной втулки 13 поступает в тупиковый отвод трубопровода, а тарель 5 находится в потоке рабочей среды с механическими примесями. При этом боковая поверхность расточки 6 в тарели 5 вместе с боковой поверхностью шайбы 7, радиальный зазор между которыми герметизирован резиновым уплотнительным кольцом 21, изолированы от негативного воздействия рабочей среды. Также от негативного воздействия рабочей среды изолированы боковая поверхность проходного отверстия 3 и наружная боковая поверхность защитной втулки 13, радиальный зазор между которыми герметизирован резиновыми уплотнительными кольцами 10 и 18, а также боковая поверхность центрального канала 8 в шайбе 7 и боковая поверхность проходящего через него штока 4, радиальный зазор между которыми герметизирован резиновым уплотнительным кольцом 23.

Закрытие запорного устройства заключается в осевом сближении тарели 5 с седлом 2 с помощью штока 4, приведенного в движение вдоль оси центрального проходного канала 14 с помощью силового привода, до состояния их контакта. В этот же момент наступает и контакт торцовых поверхностей шайбы 7 и защитной втулки.

При сбросе давления в полости тупикового отвода трубопровода под действием силы избыточного давления начнется осевое перемещение шайбы 7 вдоль штока 4 в направлении от дна тарели 15, снабженного отверстием 24.

Одновременно начнется и осевое перемещение защитной втулки 13, неразрывно контактирующей при этом своей торцовой поверхностью с торцовой поверхностью шайбы 7.

Это одновременное осевое перемещение шайбы 7 и защитной втулки 13 закончится в момент упора защитной втулки 13 своим торцом, обращенным в обратную сторону от шайбы 7 в сторону, в ограничитель 19.

Причем, рабочий ход шайбы 7 и защитной втулки 13 конструктивно рассчитан таким образом, чтобы после его завершения боковая поверхность шайбы 7 полностью перекрывала канавку 20 в тарели 5 и ближайшую к тарели канавку 9 в проходном отверстии 3, в которых соответственно размещены резиновые уплотнительные кольца 21 и 10, а защитная втулка 13 полностью перекрывала своей наружной боковой поверхностью ближайшую к расточке 11 канавку 9 с уплотнительным кольцом 10. При этом в замкнутой кольцевой полости, образованной цилиндрической поверхностью расточки 11, боковой наружной поверхностью ступени с меньшим диаметром защитной втулки 13 и раздвинутыми на величину рабочего хода кольцевыми торцовыми поверхностями расточки 11 и защитной втулки 13, создается зона пониженного, по сравнению с нормальным атмосферным, давления.

В итоге проходной канал 14 окажется перекрыт для потока рабочей среды металлической шайбой 7 и уплотнительными резиновыми кольцами 21, 23 и 10, которые не подвергались негативному воздействию механических частиц рабочей среды ни в состоянии открытия запорного устройства ни в процессе и в состоянии его закрытия. Причем, т. к. кольца и посадочные места для них в проходном отверстии 3 защитной втулки 13 и шайбе 7 изготовлены в соответствии с требованием ГОСТ 9833-73 "Кольца резиновые уплотнительные круглого сечения для гидравлических и пневматических устройств", то согласно ГОСТ 18829-73, гарантируется герметичность перекрытия проходного канала 14 при перепаде давления по обе стороны шайбы 7 до 10 МПа и при диаметре канала до (500-2S) мм максимум: где 500 мм это максимально допускаемый по ГОСТ 9833-73 диаметр кольца, а S мм - допустимая по прочности свойствам толщина стенки защитной втулки 13 в зоне канавки 17, не превышающая 10 мм.

Приведение предлагаемого запорного устройства в первоначальное открытое состояние может быть произведено после того, как в отсеченном шайбой 7 пространстве вновь будет создано избыточное давление, равное давлению рабочей среды в трубопроводе, например, через обводной канал с малым диаметром прохода, открываемый-закрываемый с помощью запорного устройства известных конструкций.

При выравнивании давления по обе торцевые поверхности шайбы 7 под действием силы избыточного (по сравнению с разреженным в полости, между раздвинутыми в процессе закрытия кольцевыми торцовыми поверхностями расточки 11 и защитной втулки 13 давления произойдет перемещение защитной втулки 13 вдоль оси проходного отверстия 3 до состояния контакта кольцевых торцевых поверхностей расточки 11 и защитной втулки 13. Одновременно под действием этой же силы произойдет перемещение шайбы 7 вдоль общей оси штока 4, проходного отверстия 3 и тарели 5 до упора в дно тарели, 5 с вытеснением рабочей среды из пространства между шайбой 7 и дном тарели через отверстие 24. Затем с помощью силового привода шток 4 отодвигает тарель 5 от седла 2, возвращая ее в поток рабочей среды с механическими примесями. При этом уплотнительные поверхности изолированы от негативного воздействия механических примесей рабочей среды в течение всего процесса открытия запорного устройства и после его завершения.

Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом за счет введения новых отличительных признаков позволяет герметично перекрывать поток рабочей среды, в том числе и с механическими примесями, в проходном канале арматуры с диаметром, диапазон величин которого расширен в сторону увеличения более чем вдвое по сравнению с установленным ГОСТом 9697-87 "Клапаны запорные. Основные параметры" пределом в 200 мм для известных конструкций запорных клапанов, что и соответствует поставленной цели изобретения.

(56) Гуревич Д. Ф. "Трубопроводная арматура". Л. , 1981, с. 88 табл. 6.20.

Там же, с. 85 табл. 6.14

Авторское свидетельство СССР N 421836, кл. F 16 K 1/34, 1973.