металлическая уплотнительная прокладка с эластомерной подложкой для использования с регуляторами для текучей среды

Формула изобретения

1. Уплотнительная прокладка для использования с клапаном, содержащая:

по существу дисковидное эластомерное кольцо и

по существу дисковидное металлическое кольцо, соединенное с эластомерным кольцом для образования уплотнительной поверхности;

отверстие, выполненное по существу около центра металлического кольца;

держатель прокладки, выполненный с полостью, причем указанный держатель и полость имеют такой размер, чтобы принять эластомерное кольцо и металлическое кольцо;

отверстие, выполненное по существу около центра держателя; и

стопор прокладки, выполненный с возможностью прикрепления к штоку клапана, причем отверстие держателя прокладки и отверстие металлического кольца имеют такой размер, чтобы принять стопор прокладки, с обеспечением возможности для стопора прокладки соединить держатель прокладки, эластомерное кольцо и металлическое кольцо со штоком клапана, позволяя обеспечить соединение уплотнения с седлом клапана с помощью металлического кольца.

2. Прокладка по п.1, в которой металлическое кольцо соединено с эластомерным кольцом посредством химического связующего.

3. Прокладка по п.1, в которой предусмотрена возможность комбинации с регулирующим расход элементом для использования с клапаном.

4. Прокладка по п.3, в которой держатель прокладки удерживает металлическое кольцо и эластомерное кольцо.

5. Прокладка по п.4, в которой эластомерное кольцо отлито заодно с держателем прокладки для образования неглубокой полости или кольцевой канавки для приема металлического кольца.

6. Прокладка по п.3, в которой эластомерное кольцо соединено с металлическим кольцом посредством химического связующего.

7. Прокладка по п.1, в которой эластомерное кольцо соединено с металлическим кольцом посредством химического связующего для соединения металлического кольца с эластомерным кольцом.

8. Регулятор для текучей среды, использующий уплотнительную прокладку по п.1.

9. Регулятор по п.8, также содержащий адаптер штока для соединения держателя прокладки со штоком привода.

10. Регулятор по п.8, в котором уплотнительная поверхность выполнена с возможностью взаимодействия с седлом клапана для управления потоком текучей среды между входом и выходом текучей среды регулятора для текучей среды.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение по существу относится к регуляторам для текучей среды, а точнее к металлической уплотнительной прокладке, имеющей эластомерную подложку, для использования с регуляторами для текучей среды.

Уровень техники

Клапаны и регуляторы для текучей среды широко используются в системах управления технологическими процессами для управления расходом и/или давлением различных текучих сред (например, жидкостей, газов и т.п.). В частности, для уменьшения давления текучей среды и регулировки давления по существу с постоянным значением обычно используется регулятор для текучей среды. Обычный регулятор для текучей среды имеет вход, на который обычно подают текучую среду под относительно высоким давлением, а на выходе получают относительно низкое давление. Значение входного давления уменьшают до значения выходного давления путем ограничения потока через отверстие для соответствия изменяющимся характеристикам потребителя. Например, регулятор для газа, связанный с какой-либо частью оборудования (например, бойлером), может принимать газ достаточно высокого и отчасти непостоянного давления от источника газоснабжения и может регулировать газ, так чтобы он имел низкое по существу постоянное давление, подходящее для безопасного и надежного использования с оборудованием.

Регуляторы текучей среды обычно управляют расходом и давлением текучей среды с использованием диафрагмы, к верхней и нижней поверхностям которой прикладывают силу заданного или управляющего давления. Диафрагма перемещает регулирующий расход элемент или дроссельный элемент (например, уплотнительную прокладку клапана) в ответ на разность давления на выходе и заданного или управляющего давления для изменения ограничения потока, которые задают с помощью регулирующего расход элемента или дроссельного элемента для достижения по существу постоянного низкого давления на выходе. Диафрагму можно подсоединить непосредственно или через связь (например, рычаг) к уплотнительной прокладке для обеспечения ее взаимодействия с седлом клапана (например, с кольцом седла), закрепленном вокруг отверстия регулятора, которое гидравлически соединяет вход регулятора с его выходом.

Уплотнительная прокладка клапана обычно содержит эластомерную уплотнительную прокладку, которая обеспечивает уплотняющее взаимодействие уплотняющей поверхности с седлом клапана для ограничения потока текучей среды через отверстие (т.е. закрытое положение). Уплотнительную прокладку обычно изготавливают из эластомерного материала, который обеспечивает такие характеристики, как упругость, гибкость и т.д., для обеспечения герметичности относительно седла клапана, даже если взаимодействующие поверхности этой прокладки и/или седла клапана смещены и/или изношены.

Тем не менее, эластомерные уплотнительные прокладки могут быть подвержены быстрому износу и эрозии при использовании в жестких условиях (например, текучая среда с относительно высокой скоростью течения, относительно высокие температуры и/или текучие среды, вступающие в химическую реакцию с эластомерными материалами) и, таким образом, их область применения ограничена. При возникновении эрозии эластомерная уплотнительная прокладка может разорваться на мелкие части, что приведет к загрязнению текучей среды (т.е. может произойти разрыв). Более того, износ упругой уплотнительной прокладки может привести к неправильному функционированию регулятора, т.е. недостаточному уплотнению седла клапана, и необходимости перекрытия или обвода технологической системы для замены прокладки.

В некоторых известных типах клапанов используется уплотнительная прокладка из металла (например, стали). Металлическая уплотнительная прокладка может выдерживать значительно более жесткие условия, чем описанные выше. Такие прокладки надежны и имеют прочную поверхность, которая высокоустойчива к разрывам и повреждениям, вызываемым твердыми примесями в текучей среде. Тем не менее, металлическая уплотнительная прокладка может по причине отклонения по вертикали не обеспечивать достаточное и надежное уплотнение при взаимодействии с седлом клапана для ограничения потока текучей среды через отверстие. Таким образом, применение металлических уплотнительных прокладок часто ограничено теми областями, где не требуется надежное уплотнение. Проблема отклонения по вертикали может возникнуть по причине рассогласования между металлической прокладкой и металлическим седлом клапана (например, кольцом металлического седла), что, таким образом, может привести к нежелательным протечкам. Изменения структуры или размеров компонентов, возникающие, например, по причине несовершенства процесса изготовления и/или при установке уплотнительнои прокладки клапана могут привести к такому рассогласованию.

Раскрытие изобретения

В одном примере уплотнительная прокладка содержит по существу дисковидное эластомерное кольцо и по существу дисковидное металлическое кольцо, соединенное с эластомерным кольцом для образования уплотнительной поверхности.

В другом варианте регулирующий расход элемент для использования с клапаном содержит подложку и уплотнение, соединенное с подложкой, причем подложка выполнена по существу упругой, а уплотнение по существу жестким.

Еще в одном варианте осуществления изобретения регулятор для текучей среды содержит корпус, который имеет диафрагму, расположенную внутри корпуса и рабочим образом соединенную со штоком привода. Регулятор для текучей среды также содержит клапан, который имеет седло. Второй дисковидный элемент соединен с первым дисковидным элементом для образования уплотнительной поверхности с целью создания уплотняющего взаимодействия с седлом клапана. Держатель прокладки удерживает первый и второй дисковидные элементы, а фиксатор соединяет держатель прокладки, а также первый и второй дисковидные элементы со штоком привода.

Краткое описание чертежей

На фиг.1А приведен разрез известного регулятора для текучей среды, имеющего упругую уплотнительную прокладку.

На фиг.1В приведен увеличенный разрез части известного регулятора для текучей среды, изображенного на фиг.1А.

На фиг.2А приведен вид в перспективе примера металлической уплотнительной прокладки с эластомерной подложкой, присоединенной к держателю прокладки.

На фиг.2В приведена в разобранном виде уплотнительная прокладка, изображенная на фиг.2А.

На фиг.3 приведен пример системы для контроля текучей среды, в которой имеется регулятор, аналогичный показанному на фиг.1А, но с применением уплотнительной прокладки, изображенной на фиг.2А.

На фиг.3В приведен увеличенный разрез части регулятора, изображенного на фиг.3А.

Осуществление изобретения

В общем случае описанную здесь уплотнительную прокладку можно использовать с устройствами для регулировки расхода текучей среды (например, регулятором для текучей среды), которые имеют регулирующий расход элемент в форме диска. В частности, предлагаемая уплотнительная прокладка, которая описана здесь, имеет особые преимущества при работе в жестких условиях, таких как области, включающие работу с текучей средой высокой скорости и/или температуры, текучей средой химически несовместимой с эластомерным материалом и т.п. Упругая уплотнительная прокладка может подвергаться коррозии и повреждениям при использовании в таких жестких условиях. Уплотнительную прокладку изготавливают только из металла, но, с другой стороны, она может выдерживать жесткие условия эксплуатации, однако по причине отклонения по вертикали может не обеспечивать соответствующего надежного уплотнения при взаимодействии с металлическим седлом клапана (например, неправильное выравнивание уплотнительной прокладки и седла клапана).

В отличие от приведенных выше известных уплотнительных прокладок предлагаемая уплотнительная прокладка содержит металлическую кольцевую часть, соединенную с эластомерной кольцевой частью. Металлическая кольцевая часть предлагаемой уплотнительной прокладки имеет уплотнительную поверхность для взаимодействия с седлом клапана (например, металлическим кольцом седла), которое задает размеры отверстия регулятора, которое гидравлически соединяет вход регулятора с выходом. В жестких рабочих условиях металлическая кольцевая часть имеет жесткую, прочную и надежную поверхность, которая имеет высокое сопротивление коррозии, разрыву и/или повреждениям, вызванным твердыми включениями в текучей среде, а также защищает эластомерную подложку от эрозии и повреждения. Кроме того, эластомерная подложка или эластомерная кольцевая часть обеспечивает наличие по существу упругой поверхности, которая позволяет металлическому кольцу сдвигаться или перемещаться при взаимодействии с металлическим кольцом седла для обеспечения достаточного уплотнения. Сдвиг или перемещение металлического кольца позволяет выполнить самосовмещение уплотнительной прокладки и металлического кольца седла, что минимизирует или практически устраняет проблему отклонения по вертикали, которая может произойти по причине рассогласования между металлическим кольцом седла и прокладкой.

Перед тем как приступить к более подробному описанию уплотнительной прокладки, приведем ниже краткое описание известного регулятора для текучей среды со ссылкой на прилагаемые чертежи 1А и 1В. Обычно узел 100 регулятора для текучей среды содержит корпус 101, в котором имеется привод 102 для управления работой регулирующего расход или дроссельного элемента 104 клапана 106. В приведенном примере привод 102 содержит верхний корпус 108 и нижний корпус 110, где находятся пластины 112 и 114 диафрагмы, которые удерживают диафрагму 116 в рабочем взаимодействии со штоком 118. Диафрагма 116 также зажата между корпусами 108 и 110, как указано на фиг.1, и образует тем самым нижнюю камеру 120 для текучей среды, которая имеет переднее по ходу течения входное отверстие 122 и верхнюю камеру 124 для текучей среды, которая имеет заднее по ходу течения выходное отверстие 126. В других вариантах привод 102 может являться поршневым.

Нижний корпус 110 прикреплен к корпусу 128 регулятора. Корпус 128 имеет вход 130 для подсоединения к переднему по ходу течения трубопроводу, по которому протекает рабочая текучая среда под относительно высоким давлением, и выход 132 для подсоединения к заднему по ходу течения трубопроводу, в который регулятор 100 выпускает рабочую текучую среду под относительно низким давлением. Корпус 128 является главной границей давления регулятора 100 и поддерживает поверхность седла или кольцо 134 седла, которое установлено в корпусе 128 и которое задает отверстие 136, обеспечивающее проход потока текучей среды для обеспечения связи между входом 130 и выходом 132.

Шток 118 подвижно соединен с приводом 102, а элемент 104 присоединен к нижнему концу 138 штока 118 с возможностью перемещения от кольца 134 или по направлению к нему, чтобы разрешить или ограничить поток текучей среды через отверстие 136 при работе от привода 102. В приведенном примере пружина 137 отклоняет элемент 104 в закрытое положение и обеспечивает силу нагрузки, действующую в обратном направлении, которая действует на диафрагму 116. Перемещение элемента 104 вызвано разностью давлений относительно диафрагмы 116, причем эта разность давлений пропорционально разности между фактическим давлением на выходе 132 и требуемым давлением на входе 132.

Входное отверстие 122 обеспечивает для входа текучей среды создание гидравлического соединения через линию управления давлением нагрузки (не показана) по давлению нагрузки или управляющему давлению (например, через контроллер регулятора) в камеру 120. Отверстие 126 обеспечивает создание прохода для текучей среды, находящегося в гидравлическом соединении по заднему по ходу течения давлению (т.е. выходному давлению) в верхнюю камеру 124 через линию управления заднего по ходу течения потока (не показана). Пружина 137 и давление нагрузки совместно с выходным давлением действуют на диафрагму 116 через верхнюю 124 и нижнюю 120 камеры для создания разности давлений, которая приводит к перемещению диафрагмы 116 и позволяет элементу 104 переместиться к седлу 134 или от него для разрешения или ограничения потока текучей среды через регулятор 100. Таким образом, элемент 104 откроется (т.е. текучая среда потечет через клапан редуктора), когда давление нагрузки преодолеет усилие пружины и давление на выходе, прилагаемое к диафрагме 116 через верхнюю камеру 124.

Давление нагрузки в регуляторе 100 из примера, изображенного на фиг.1, может подаваться контрольным устройством, которое контролирует или регистрирует изменения выходного давления (т.е. управляемое давление), таким как контроллер регулятора или усилитель. Однако в другом варианте может быть использованы другие типы регуляторов, такие как регулятор с автоматическим управлением, регулятор с нагрузкой давлением и другие.

Элемент 104 изображен на фиг.1А и 1В и наиболее четко показан на фиг.1А как клапан дискового типа. Элемент 104 содержит уплотнительную прокладку 142, крепление или держатель 144 прокладки, стопор прокладки 146 и адаптер штока 148. Уплотнительная прокладка 142 взаимодействует с кольцом седла 134 для ограничения потока текучей среды через регулятор 100. Уплотнительная прокладка 142 имеет по существу форму диска, как указано на фиг.1В, причем ее изготавливают из эластомерного материала. Однако дисковидное кольцо можно изготовить из металла, если регулятор 100 работает в более жестких условиях.

Как было упомянуто выше, уплотнительную прокладку, изготовленную исключительно из металла, часто используют только в областях, где недостаточно надежного уплотнения (например, плотного закрывания). Такие металлические уплотнительные прокладки могут не обеспечивать надежного уплотнения при взаимодействии с кольцом 134 и, таким образом, могут привести к нежелательным утечкам по причине отклонения по вертикали, которая возникает из-за рассогласования между металлической уплотнительной прокладкой 142 и металлическим кольцом 134.

На фиг.2А приведен пример осуществления уплотнительного устройства 200 для уплотнения прокладкой, содержащего дисковидное металлическое кольцо 202, имеющее эластомерное кольцо или подложку 204. Дисковидное металлическое кольцо 202 и эластомерное кольцо или эластомерная подложка 204 может быть присоединена к креплению или держателю 206 прокладки. Крепление или держатель 206 имеет полость 207, в которое входит эластомерное кольцо или подложка 204 и металлическое кольцо 202. Металлическое кольцо 202 обеспечивает прочную и надежную поверхность для применения в жестких условиях эксплуатации, причем эластомерная дисковидная подложка 204 позволяет металлическому кольцу 202 сдвигаться или перемещаться (т.е. самостоятельно выравниваться) при взаимодействии с кольцом седла (например, кольцо 134 седла, фиг.3В) для минимизации отклонения по вертикали, вызванного, например, рассогласованием по причине несовершенства изготовления и/или установки компонентов. Металлическое кольцо 202 можно изготавливать из металла, такого как сталь, а упругую эластомерную подложку 204 можно изготовить из эластомерного материала, такого как фторкаучук (FKM), неопрен, нитрил и прочие.

Как показано на фиг.2В, отверстие 208 по существу около центра крепления или держателя 206 и отверстие 210 по существу около центра металлического кольца 202 имеют такой размер, чтобы принять стопор прокладки (например, стопор 304 прокладки на фиг.3В). Эластомерное кольцо или подложка 204 могут быть отлиты заодно с креплением или держателем 206. Таким способом, неглубокую полость или кольцевую канавку 209 для приема металлического диска создают с помощью механической обработки и/или в момент отлива эластомерного кольца или подложки 204 с креплением или держателем 206 (например, неглубокое литье). В другом варианте осуществления изобретения эластомерную подложку 204 можно прикрепить к креплению или держателю 206 или присоединить к нему посредством химического связующего (например, клея) или с помощью любого другого пригодного механизма (механизмов) крепления. Еще в одном варианте осуществления изобретения металлическое кольцо 202 можно прикрепить к эластомерной подложке 204 или присоединить к ней посредством химического связующего (например, клея) или с помощью любого другого пригодного механизма (механизмов) крепления.

На фиг.3 приведен пример регулятора 300 для текучей среды, аналогичного показанному на фиг.1А, но с применением уплотнительной прокладки 200, изображенной на фиг.2А. На фиг.3В приведен увеличенный вид части регулятора, изображенного на фиг.3А. Те детали регулятора 300, которые аналогичны таковым для регулятора 100, приведенного в качестве примера на фиг.1А и 1В, имеют те же позиционные обозначения.

Как показано на фиг.3А, дисковидный клапанный узел 302 содержит предлагаемое устройство 200 для уплотнительной прокладки, чашевидный держатель 206 прокладки, стопор 304 прокладки и адаптер 306 штока. Стопор 304 соединяет металлическое кольцо 202, эластомерное кольцо 204 и держатель 206 с адаптером 306 с помощью винтов 307 с головкой, которые входят в резьбовые отверстия 309 адаптера 306. В другом варианте осуществления изобретения стопор 304 можно прикрепить к адаптеру 306 с помощью других механических креплений и/или любого другого пригодного механизма (механизмов) крепления. Адаптер 306 соединяет узел 302 дискового клапана с нижним концом штока 118.

Пример, приведенный для устройства 200, не ограничен иллюстрациями на фиг.3А и 3В. Прокладку можно использовать для различных типов регуляторов для текучей среды (например, регуляторы газа, пара и др.), при этом клапаны имеют по существу дисковидный регулирующий расход элемент. В других вариантах осуществления изобретения шток 118 и, следовательно, узел 302 можно контролировать с помощью пружинного и/или поршневого привода.

При пробной работе давление нагрузки (т.е. давление, подаваемое контрольным устройством, таким как контроллер регулятора или усилитель) играет роль рабочей среды, которая создает нагрузку на диафрагму 116 из нижней камеры 120 через выходное отверстие 122 по линии управления давления нагрузки (не показана). Падение давления на выходе или сзади по ходу течения ниже требуемого значения приводит к увеличению давления нагрузки (т.е. давления, подаваемого контроллером регулятора), при этом увеличение нагрузки на диафрагму 116 через нижнюю камеру 120 приводит к тому, что диафрагма 116 перемещает узел 302 от кольца 142, что позволяет текучей среде перемещаться от входа 130 к выходу 132 и в заднюю по ходу течения систему (не показана).

Давление на выходе противодействует давлению нагрузки и действует на диафрагму 116 из верхней камеры 124 через выходное отверстие 126 по линии контроля (не показана). В приведенном примере, пружина 137 отклоняет элемент 104 в закрытое положение и обеспечивает силу обратной нагрузки, которая действует на диафрагму 116 и совместно с давлением на выходе противодействует давлению нагрузки. При увеличении давления на выходе оно передается в камеру 124 через выходное отверстие 126 и действует на пружину 137, чтобы диафрагма 116 переместила узел 302 в сторону кольца 137 для ограничения потока текучей среды через регулятор 300.

Когда узел 302 перемещается в сторону кольца 134, металлическая часть кольца 202 плотно соединяется с кольцом 134, чтобы ограничить или практически перекрыть поток текучей среды через регулятор 300. Кроме того, когда узел 302 соединяется с кольцом 134, эластомерная подложка 204 может вызвать перемещение, сдвиг или выравнивание металлической части кольца 202, так что он плотно соединяется с кольцом седла 134 (т.е. металлическая часть 202 выравнивает себя относительно кольца 134 для минимизации отклонения по вертикали) для уменьшения или предотвращения нежелательных протечек.

Как обсуждалось выше, уплотнительная прокладка 200 обладает тем преимуществом, что обеспечивает прочную и надежную металлическую поверхность 202, которая предохраняет эластомерную подложку 204 от повреждений при применении в жестких условиях эксплуатации. Кроме того, эластомерная подложка 204 обладает тем преимуществом, что его уплотняющие свойства позволяют металлической части 202 смещаться или перемещаться таким образом, что металлическая часть 202 может выравниваться так, что она автоматически компенсирует любые рассогласования относительно кольца седла при соединении с ним.

Хотя в данной заявке было описано конкретное устройство и изделия, объем данного патента этим не ограничен. Наоборот, данный патент относится ко всем устройствам и изделиям, покрываемым объемом прилагаемой формулы изобретения буквально или согласно теории эквивалентов.