Патент на изобретение №2349817

(54) УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ КОЛЬЦО ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к арматуростроению. Уплотнительное кольцо трубопроводной арматуры содержит тонкостенное полое металлическое кольцо с установленным внутри него наполнителем, выполненное в форме кольцеобразного кожуха с профилированной полостью и средства ее перекрытия с возможностью их соединения между собой. Наполнитель образован путем спиральной намотки фольги расширенного графита на кольцо с последующим обжимом его до внутреннего поперечного сечения тонкостенного полого металлического кольца. Профилированная полость кольцеобразного кожуха может быть выполнена U-образной, а средство ее перекрытия – в виде плоского кольца. Кольцеобразный кожух с профилированной полостью и средство ее перекрытия могут быть выполнены в виде зеркальных полуторов с лопастями, расположенными по их краям. Фольга расширенного графита выполнена либо гладкой, либо тисненой и может быть прокатана до плотности 0,6-1,2 г/см³. Обжим кольца из фольги расширенного графита до поперечного сечения тонкостенного полого металлического кольца осуществляют до плотности 1,2-1,8 г/см³. Тонкостенное полое металлическое кольцо выполнено из любого нижеуказанного металла: аустенитной нержавеющей стали, никеля, инконеля, алюминия, титана. Изобретение повышает надежность уплотнения трубопроводной арматуры. 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано, в частности, для обеспечения герметичности затворов шаровых кранов, предназначенных для эксплуатации на объектах магистральных газа- и нефтетрубопроводов, в химическом, энергетическом и транспортном машиностроении.

С точки зрения пропускной способности и простоты эксплуатации шаровые краны идеально подходят для самых разных условий. Их применение, например, на магистральных трубопроводах позволяет повысить качество их эксплуатации. Являясь полнопроходной арматурой, имеющей цилиндрический проходной канал, соответствующий внутреннему диаметру трубопровода, шаровые краны имеют минимальное гидравлическое сопротивление движению транспортируемой среды, обеспечивают беспрепятственное прохождение дефектоскопов и различных очистительных устройств. Однако существуют такие условия эксплуатации, при которых применение шаровых кранов теоретически допустимо, но на сегодняшний день ограничено из-за невозможности обеспечения необходимого уровня безопасности. У шаровых кранов поверхности шарового затвора и седла, соприкасающиеся во время герметичного разобщения частей трубопровода, называются уплотнительными и являются запорной парой. Герметичность обеспечивается уплотнительными элементами, размещенными в седлах. В шаровом кране распределение напряжений/деформаций при его открывании и закрывании оказывает прямое воздействие на затвор, что при предельных нагрузках может вызвать эрозию уплотнительных элементов в месте дросселирования, особенно при абразивной и загрязненной рабочей среде. Поэтому к уплотнительным элементам (материалу и конструкции) предъявляются высокие требования. Они должны обладать достаточной прочностью, низким коэффициентом трения, высокой стойкостью к абразивному и кавитационному износу, имеющим место в момент открывания и закрывания крана за счет образования узкой щели между седлом и шаровым затвором. При этом они должны обеспечить постоянную и полную герметичность в затворе не только тогда, когда кран длительное время находится в открытом или закрытом состоянии, но и после нескольких циклов открытия-закрытия как при высоких, так и при низких температурах, а главное после функционирования в условиях длительного дросселирования при большом перепаде давления.

Известно седло запорного органа арматуры трубопроводной (RU №2206008 С1, 10.06.2003 г.), содержащее основу, расположенный со стороны запорного органа уплотнительный слой и проходное отверстие, при этом уплотнительный слой содержит металл, который находится в расплавленном состоянии при рабочей температуре использования арматуры и в твердом состоянии при нормальной температуре, и имеет мембрану, удерживающую расплавленный металл. Известное устройство имеет ограниченное применение. Оно не может быть применено на магистральных трубопроводах для транспортировки газа и нефти по причинам взрывоопасности. Не может быть применено в химическом и энергетическом машиностроении в силу сложности и большой стоимости эксплуатации. Поэтому с точки зрения надежности привлекательными выглядят трубчатые уплотнения.

Известно уплотнение для фланцевого соединения (SU №300689 А1, 07.04.1971 г.), содержащее тонкостенное полое металлическое кольцо с наполнителем, в качестве которого применено вещество, изменяющее объем при переходе из одного агрегатного состояния в другое, при этом тонкостенное металлическое кольцо снабжено устройством для нагрева и/или охлаждения наполнителя. В этом уплотнении упругость достигается за счет создания плотного контакта наполнителя с тонкостенным металлическим кольцом путем изменения объема наполнителя при изменении его агрегатного состояния. Известное устройство требует наличия средства, которое могло бы отслеживать изменение контактного давления в месте контакта металлического кольца с уплотняемыми поверхностями при изменении температуры окружающей среды.

Известно уплотнение, выполненное в виде тонкостенного трубчатого элемента (US №4067585 А, 10.01.1978 г.). Трубчатый элемент имеет в поперечном сечении нечетное число изгибов, сопряженных своими концами. Выступы соседних изгибов обращены в разные стороны. Наружные края изгибов образуют плоские поверхности, перпендикулярные продольной оси трубчатого элемента. При осевом сжатии трубчатый элемент упруго деформируется при линейной зависимости деформации от усилия сжатия. При снижении усилия сжатия трубчатый элемент упруго восстанавливает свою первоначальную высоту. Изготовление такого уплотнения, имеющего гофрообразную наружную поверхность, сложная техническая проблема.

Известно седло трубопроводной арматуры (SU №1798576 А1, 28.02.93 г.), уплотнение которого выполнено в виде металлического пустотелого полутора, края которого введены в канавки седла. Учитывая, что полутор должен одновременно обладать жесткостью и упругостью, его установка в седло вызовет определенные трудности. Эти трудности возрастут при проведении ремонтных работ на арматуре в полевых условиях.

Поэтому более предпочтительными являются уплотнительные элементы, образованные металлической оболочкой и наполнителем, заключенным в металлическую оболочку, поскольку их установка проще.

Известен уплотнительный элемент для соединений, находящихся под воздействием высоких температур (FR №2476259, 21.08.1981 г., GB №2069631, 26.08.1981 г.), образованный металлической оболочкой и наполнителем, заключенным в эту оболочку. Металлическая оболочка выполнена в форме кольцеобразного кожуха, имеющего в поперечном сечении форму кольца, концы которого, вытянутые вдоль кожуха, сварены между собой. В известной конструкции трудно обеспечить полное совпадение наружного профиля наполнителя с внутренним профилем кольцеобразного кожуха. Как следствие – неравномерная упругость по периметру уплотнительного элемента.

Известно уплотнение для фланцевого соединения (JP №59-1904, 14.01.1984 г.), которое состоит из упругого и жесткого колец, объединенных в единое целое тонкой оболочкой из пластического металла. Жесткое кольцо служит направляющей при деформировании упругого кольца, деформация которого происходит при сжатии фланцевого соединения. Уплотнение сложно в изготовлении, а наличие в уплотнении жесткого кольца увеличивает его поперечные размеры, поэтому его не представляется возможным применить в качестве уплотнительного элемента в шаровых кранах.

Опыт эксплуатации уплотнений из расширенного графита показал, что он наиболее полно отвечает требованиям обеспечения герметичности узлов арматуры, поскольку материал не стареет, не затвердевает, его свойства не изменяются в процессе длительной эксплуатации. Известно уплотнение (JP №2-62749, 26.12.1990 г.), содержащее пленочную трубчатую оболочку из аустенитной нержавеющей стали, заполненную упругой набивкой из расширенного графита. Два края оболочки герметично сварены между собой. Приложенное к прокладке усилие затяжки в силу эластичности наружной оболочки полностью воспринимается упругой набивкой. Механизм герметизации такой уплотнительной прокладки практически ничем не отличается от механизма герметизации сальниковых набивок. Ее деформация в основном происходит за счет наличия воздушных пор в упругой набивке. В силу этого упругость такого уплотнения мала, поэтому не может быть применена в качестве уплотнения шарового крана.

Известно металлическое уплотнительное кольцо (US №5622372, 22.04.1997 г.), содержащее металлическую трубу, свернутую в кольцо, и заключенный в металлическую трубу сердечник из композиционного материала. Согласно изобретению вставляемый в трубу сердечник образуют путем придания полосе композиционного материала цилиндрической формы (спирали) и соединения концов этой полосы друг с другом. Плотность сформированного таким образом сердечника ниже плотности исходного материала за счет образования воздушных пустот в спирали. При приложении усилия затяжки к такому уплотнительному кольцу в начальный момент происходит только деформация металлической трубы. По мере достижения трубой определенной величины поверхности контактирования с уплотняемыми поверхностями (определенной величины относительного объемного сжатия) начинается упругая деформация сердечника. Таким образом, деформация уплотнительного кольца оказывается разделенной на две стадии: первоначальная деформация одной металлической трубы и только после достижения этой деформации определенной величины, когда внутренняя поверхность металлической трубы войдет в плотный контакт с сердечником, наступает совместная деформация металлической трубы и сердечника. Следствием этого является пониженная упругость уплотнительного кольца.

Наиболее близким по своей технической сущности по отношению к заявляемому изобретению является металлическое уплотнительное кольцо (RU №2218495 С1, 10.12.2003 г.), содержащее кольцеобразную трубчатую оболочку и заключенный в нее сердечник. Сердечник выполнен из отдельных блоков, спрессованного порошка из фольги расширенного графита, прокатанной до плотности 0,6-1,2 г/см³, причем блоки сердечника, установленные в металлической трубе с натягом, представляют собой таблетки и/или цилиндрические стержни.

В известном металлическом уплотнительном кольце в трубчатую оболочку сначала устанавливают с натягом спрессованные из расширенного графита блоки, а затем осуществляют ее изгиб на кольцо. При этом внутренняя сторона трубчатой оболочки испытывает напряжение сжатия, а наружная – напряжение растяжения. В силу этого плотность блоков расширенного графита претерпит изменение. С внутренней стороны уплотнительного кольца плотность каждого графитового блока будет увеличена, и это изменение плотности будет постепенно меняться до нейтральной линии изгиба уплотнительного кольца. С наружной же стороны уплотнительного кольца за счет ее удлинения контакт между соседними блоками будет нарушен. Поэтому такое уплотнение будет иметь неравномерную плотность в поперечном сечении, а поэтому плотность контакта шарового затвора и седла будет неравномерной, что скажется на герметичности соединения.

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в обеспечении равномерной плотности в поперечном сечении уплотнительного кольца.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать конструкцию уплотнительного кольца трубопроводной арматуры, в частности, для шаровых кранов.

Технический результат достигается тем, что в уплотнительном кольце трубопроводной арматуры, содержащем тонкостенное полое металлическое кольцо с установленным внутри него наполнителем, согласно изобретению наполнитель образован путем спиральной намотки фольги расширенного графита на кольцо с последующим обжимом его до внутреннего поперечного сечения тонкостенного полого металлического кольца, которое выполнено в форме кольцеобразного кожуха с профилированной полостью и средства ее перекрытия с возможностью их соединения между собой.

Технический результат достигается тем, что в уплотнительном кольце трубопроводной арматуры профилированная полость кольцеобразного кожуха выполнена U-образной, а средство ее перекрытия – в виде плоского кольца.

Технический результат достигается также тем, что в уплотнительном кольце трубопроводной арматуры кольцеобразный кожух с профилированной полостью и средство ее перекрытия выполнены в виде зеркальных полуторов с лопастями, расположенными по их краям.

Технический результат достигается также тем, что в уплотнительном кольце трубопроводной арматуры средство перекрытия профилированной полости кольцеобразного кожуха выполнено в виде двух диаметрально расположенных лопастей, расположенных на кольцеобразном кожухе.

Технический результат достигается также тем, что в уплотнительном кольце трубопроводной арматуры кольцеобразный кожух с профилированной полостью и средство ее перекрытия в поперечном сечении представляют собой круг.

Технический результат достигается тем, что в уплотнительном кольце трубопроводной арматуры кольцеобразный кожух с профилированной полостью и средство ее перекрытия в поперечном сечении представляют собой эллипсоидный овал.

Технический результат достигается также тем, что в уплотнительном кольце трубопроводной арматуры фольга расширенного графита выполнена либо гладкой, либо тисненой.

Технический результат достигается тем, что в уплотнительном кольце трубопроводной арматуры фольга расширенного графита прокатана до плотности 0,6-1,2 г/см³.

Технический результат достигается тем, что в уплотнительном кольце трубопроводной арматуры обжим кольца из фольги расширенного графита до поперечного сечения тонкостенного полого металлического кольца осуществлен до плотности 1,2-1,8 г/см³.

Технический результат достигается тем, что в уплотнительном кольце трубопроводной арматуры тонкостенное полое металлическое кольцо выполнено из любого нижеуказанного материала: аустенитной нержавеющей стали, никеля, инконеля, алюминия, титана.

Отличительная особенность заявляемого уплотнительного кольца трубопроводной арматуры состоит в том, что наполнитель изготовлен в соответствии с поперечным сечением тонкостенного полого металлического кольца путем спиральной намотки фольги расширенного графита на кольцо с последующим обжимом до нужного профиля, а тонкостенное полое металлическое кольцо выполнено в виде кольцеобразного кожуха с профилированной полостью и средства ее перекрытия с возможностью их соединения между собой. В результате такое уплотнительное кольцо имеет везде одну и ту же плотность. Поэтому плотность контакта шарового затвора и седла будет одинаковой по всему пятну контакта, что обеспечит надежную герметичность соединения.

Эти и другие особенности заявляемого изобретения будут приведены ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображены:

фиг.1 – принципиальная конструкция шарового крана,

фиг.2 – место А (фиг.1),

фиг.3 – уплотнительное кольцо трубопроводной арматуры,

фиг.4 – разрез по Б-Б (фиг.3),

фиг.5 – разрез по Б-Б (вариант),

фиг.6 – разрез по Б-Б (вариант),

фиг.7 – разрез по Б-Б (вариант),

фиг.8 – вариант объединения кольцеобразного кожуха с нажимным кольцом,

фиг.9 – вариант объединения кольцеобразного кожуха с нажимным кольцом.

Шаровой кран 1 (фиг.1) содержит корпус 2, выполненный с центральной полостью 3 и соединенными с ней цилиндрическими радиальными каналами 4. В центральной полости 3 соосно расположена шаровая пробка 5 с каналом 6, перпендикулярным оси 7 вращения шаровой пробки. Поворот шаровой пробки 5 осуществляют приводом 8. Ось 7 и канал 6 проходят через центр шаровой поверхности. В радиальных каналах 4 корпуса 2 вплотную к шаровой пробке 5 установлены седла, выполненные в виде уплотнительных колец 9 и нажимных колец 10 (фиг.2). Предварительное прижатие уплотнительных колец 9 к уплотнительной поверхности шаровой пробки 5 осуществлено с помощью присоединительных фланцев 11, действующих в осевом направлении на нажимные кольца 10. Регулировку усилия прижима осуществляют с помощью сменных прокладок 12, устанавливаемых между корпусом 2 и фланцами 11, закрепленных на корпусе 2 с обеих его сторон. Фланцы 11 замыкают конструкцию и образуют шаровой кран в сборе (фиг.1).

Уплотнительное кольцо трубопроводной арматуры 9 (фиг.3) содержит тонкостенное полое металлическое кольцо 13 с наполнителем 14, при этом тонкостенное полое металлическое кольцо выполнено в виде кольцеобразного кожуха 15 с профилированной полостью 16 и средства ее перекрытия 17 с возможностью их соединения между собой (фиг.4).

Профилированная полость кольцеобразного кожуха может быть выполнена U-образной 18, а средство ее перекрытия – в виде плоского кольца 19 (фиг.4). Кольцеобразный кожух с профилированной полостью и средство ее перекрытия могут быть выполнены в виде зеркальных полуторов 20 с лопастями 21, расположенными по их краям (фиг.5). Средство перекрытия профилированной полости кольцеобразного кожуха может быть выполнено в виде двух диаметрально расположенных лопастей 22, расположенных на кольцеобразном кожухе 15 (фиг.6). Кольцеобразный кожух с профилированной полостью и средство ее перекрытия в поперечном сечении могут представлять собой круг 23 (фиг.6). Кольцеобразный кожух с профилированной полостью и средство ее перекрытия в поперечном сечении могут представлять собой эллипсоидный овал 24 (фиг.7). В зависимости от типа кольцеобразного кожуха и средства перекрытия его профилированной полости наполнитель в поперечном сечении может представлять собой либо круг (фиг.5, 6), либо эллипсоидный овал (фиг.7), либо U-образное сечение (фиг.4). Кольцеобразный кожух может быть соединен с нажимным кольцом 10 (фиг.8, 9). Выбор формы профилированной полости кольцеобразного кожуха и средства ее перекрытия определяются целым рядом факторов, в частности предполагаемыми размерами уплотнительного кольца, параметрами уплотняемой среды, технической возможностью и экономической целесообразностью изготовления наполнителя той или иной поперечной формы.

Наполнитель 14 образован путем спиральной намотки фольги расширенного графита на кольцо с последующим его обжимом до внутреннего поперечного сечения тонкостенного полого металлического кольца 13. В силу этого, обеспечивается одинаковый контакт наполнителя с тонкостенным полым металлическим кольцом по всей его длине, в котором он заключен. В результате уплотнительное кольцо будет иметь по всей своей длине постоянную плотность, а плотность контакта шарового затвора и седла будет одинаковой по всему пятну контакта, что обеспечивает надежную герметичность шарового крана. Соединение кольцеобразного кожуха и средства перекрытия профилированной полости кожуха осуществляется сваркой.

Тонкостенное полое металлическое кольцо 13 может быть выполнено либо из аустенитной нержавеющей стали, либо никеля, либо инконеля, либо алюминия, либо титана. Выбор материала кольца 13 определяется средой и условиями эксплуатации.

При навивке кольца из фольги расширенного графита, в зависимости от требуемого диаметра уплотнительного кольца трубопроводной арматуры, используют либо гладкую, либо тисненую. Тисненая фольга используется при изготовлении уплотнительных колец небольшого размера, поскольку тисненая структура фольги позволяет изогнуть ее на меньший диаметр без ее разрушения. При изготовлении уплотнительных колец значительных размеров используют гладкую фольгу, как имеющую меньшую стоимость.

Фольга расширенного графита может иметь плотность от 0,2 г/см³ до 2 г/см³, но наиболее предпочтительной для изготовления прокладки является фольга плотностью 0,6-1,2 г/см³. Нижний предел плотности обусловлен тем, что ниже этой величины графитовая фольга не обладает механической прочностью, достаточной для манипулирования с ней техническими средствами без ее разрушения. Верхний предел обусловлен тем, что при навивке кольца из такой графитовой фольги при ее обжиме до поперечного сечения тонкостенного полого металлического кольца не достичь качественного соединения слоев фольги между собой с образованием монолитной конструкции наполнителя.

Обжим кольца из фольги расширенного графита до поперечного сечения тонкостенного полого металлического кольца осуществляют до плотности 1,2-1,8 г/см³. При плотности расширенного графита 1,8 г/см³ упругая деформация наполнителя находится в пределах 10% от высоты наполнителя. Поэтому при небольших размерах уплотнительных колец целесообразно осуществлять обжим навитого кольца из фольги расширенного графита до 1,8 г/см³. До такой же плотности необходимо осуществить обжим кольца из фольги расширенного графита для уплотнительных колец, работающих в системах со значительным перепадом температур.

Заявляемое уплотнительное кольцо 9 позволило упростить типичный шаровой кран. Прежде всего потому, что уплотнительное кольцо 9 является седлом. Это позволило деформацию уплотнительного кольца 9 осуществить присоединительным фланцем 11, а требуемую величину деформации уплотнительного кольца обеспечить сменной прокладкой 12, устанавливаемой между корпусом 2 шарового крана и присоединительным фланцем 11. Благодаря этому можно получить с большой точностью требуемую упругую деформацию уплотнительного кольца, а следовательно, обеспечить постоянный контакт уплотнительного кольца с уплотняемой поверхностью шаровой пробки. При этом этот контакт будет иметь развитую поверхность, поскольку в результате деформации тонкостенное полое металлическое кольцо изменит свою форму и пятно контакта его с уплотняемой поверхностью шаровой пробки возрастет. При этом наполнитель 14, поскольку он образован из расширенного графита, в результате воздействия на него присоединительного фланца, его деформации становится упругой деформацией, которая отслеживает любые изменения в характере взаимодействия уплотнительного кольца с уплотняемой поверхностью шаровой пробки.

Заявляемое изобретение может быть использовано не только в качестве уплотнения шарового крана. Оно может быть применено, например, в качестве уплотнения соединительного узла трубопроводов, запорного вентиля, фланцевого соединения.

Формула изобретения

1. Уплотнительное кольцо трубопроводной арматуры, содержащее тонкостенное полое металлическое кольцо с установленным внутри него наполнителем, отличающееся тем, что наполнитель образован путем спиральной намотки фольги расширенного графита на кольцо с последующим обжимом его до внутреннего поперечного сечения тонкостенного полого металлического кольца, которое выполнено в форме кольцеобразного кожуха с профилированной полостью и средства ее перекрытия с возможностью их соединения между собой.

2. Уплотнительное кольцо трубопроводной арматуры по п.1, отличающееся тем, что профилированная полость кольцеобразного кожуха выполнена U-образной, а средство ее перекрытия – в виде плоского кольца.

3. Уплотнительное кольцо трубопроводной арматуры по п.1, отличающееся тем, что кольцеобразный кожух с профилированной полостью и средство ее перекрытия выполнены в виде зеркальных полуторов с лопастями, расположенными по их краям.

4. Уплотнительное кольцо трубопроводной арматуры по п.1, отличающееся тем, что средство перекрытия профилированной полости кольцеобразного кожуха выполнено в виде двух диаметрально расположенных лопастей, расположенных на кольцеобразном кожухе.

5. Уплотнительное кольцо трубопроводной арматуры по п.1, отличающееся тем, что кольцеобразный кожух с профилированной полостью и средство ее перекрытия в поперечном сечении представляют собой круг.

6. Уплотнительное кольцо трубопроводной арматуры по п.1, отличающееся тем, что кольцеобразный кожух с профилированной полостью и средство ее перекрытия в поперечном сечении представляют собой эллипсоидный овал.

7. Уплотнительное кольцо трубопроводной арматуры п.1, отличающееся тем, что фольга расширенного графита выполнена либо гладкой, либо тисненой.

8. Уплотнительное кольцо трубопроводной арматуры по п.1, отличающееся тем, что фольга расширенного графита прокатана до плотности 0,6-1,2 г/см³.

9. Уплотнительное кольцо трубопроводной арматуры по п.1, отличающееся тем, что обжим кольца из фольги расширенного графита до поперечного сечения тонкостенного полого металлического кольца осуществляют до плотности 1,2-1,8 г/см³.

10. Уплотнительное кольцо трубопроводной арматуры по п.1, отличающееся тем, что тонкостенное полое металлическое кольцо выполнено из любого нижеуказанного металла: аустенитной нержавеющей стали, никеля, инконеля, алюминия и титана.

РИСУНКИ