CN101796333B - 高温球阀密封件 - Google Patents

Abstract

公开了一种高温球阀密封件，其实现四级切断，以用于550华氏度以上的操作温度。球阀密封件包括C密封件，C密封件被定位在主密封件和密封主体之间，以便在球阀处于关闭位置时防止流体流过二级流径。

Description

高温球阀密封件

技术领域

本公开内容涉及流体阀，并且更具体地说，涉及高温球型流体阀。 

背景技术

球阀被用于大量的工艺控制系统应用中，以控制工艺流体(这可以为液体、气体、浆等)的一些参数。虽然工艺控制系统可以使用控制阀以最终控制流体的压力、水平、pH或其它想要的参数，但是控制阀基本上控制流体流动的速度。 

一般地，球阀可以包括由球元件分开的流体入口和流体出口，通过绕固定的轴线转动并端接于密封组件，球元件控制流体穿过其中流过的量。在操作过程中，工艺控制系统，或手动地控制控制阀的操作者使球元件转动贴靠着密封组件的表面或离开密封组件的表面，从而暴露流动路径，以提供穿过入口和出口并从而穿过球阀的想要的流体流。 

包括球元件和密封组件的球阀部件一般地由金属构成；这在高压力应用和/或高温应用时尤其如此。然而，球元件和密封组件由于球元件和密封组件在阀的打开和关闭过程中的重复的大量接合而遭到磨损。由磨损引起的问题包括但不限于，阀部件的减少的寿命、球元件和密封组件之间增加的摩擦力，以及球元件和密封组件之间的不想要的泄露。类似地，因为随着部件变得更加磨损，摩擦力往往会增加，所以阀内的动态性能和控制特性恶化，从而引起阀的无效和不准确。 

过去，已经进行了将偏置的主密封件结合到密封组件以纠正上文提到的问题的很多尝试。一些重负荷设计已经结合了 

径向密封件，以改进在高温操作下的密封性能。具有 

径向密封件的球阀能够在多至大约 550华氏度的操作温度时实现四级切断。在550华氏度以上，当前使用的是石墨活塞环，因为在大约550华氏度以上时 变质。石墨活塞环虽然能够承受较高的温度，但仅能够实现三级切断。因此，在大约550华氏度以上具有四级切断能力的球阀当前不可得。 

因此，仍然有对于用于在大约550华氏度以上操作的系统的具有四级切断能力的高温球阀的需要。 

发明内容

依据本公开内容的一个方面，提供了具有流体入口和流体出口的球阀。密封元件包括偏置的主密封件以及布置在主密封件和密封外罩之间的C密封件，使得球阀能够在高温时实现四级切断能力。 

依据本公开内容的另一个方面，提供了用于具有入口和出口的球阀的一种操作方法。该方法包括将C密封件定向在密封外罩和主密封件之间以便在高操作温度时实现四级切断能力。 

附图说明

图1为依据本公开内容的示教构造的球阀的俯视图； 

图2为沿着图1的线2-2取得的图1球阀的截面图； 

图3为沿着图1的线3-3取得的图1球阀的截面图，并且示出了当阀处于虚线表示的打开位置时球元件的定位； 

图4为图3的一部分的放大的、片段的截面图，其描绘了处于关闭位置的球阀，其包括主密封件、C密封件、弹簧构件以及密封外罩；以及 

图4A为图3的一部分的放大的、片段的截面图，其描绘了处于关闭位置的球阀，其包括主密封件、两个C密封件、弹簧构件以及密封外罩。 

虽然可以对本公开内容进行各种改动以及可选择的构造，但是其说明性的实施方式已经在附图中示出并且将在下文中详细地描述。然而，应理解，并不意味着将本公开内容限制到所公开的具体形式，而是相反，意图是覆盖 属于由所附权利要求界定的本公开内容的精神和范围内的所有改动、可选择的构造以及等价物。 

具体实施方式

现在参照附图，并且具体地参照图1-3，依据本公开内容的示教构造的球阀一般地用参考数字20表示。如本文中示出的，球阀20包括具有在入口31和出口32之间的主流径33的外罩30、连接到外罩30的密封组件50，而安装在可转动的轴90和91上的球元件80被布置在外罩30内。 

具有大致上圆柱形状的外罩30界定用于使流体行进穿过其中的主流径33。如图2中定向的，主流径33的出口32位于外罩30的底部，出口32被出口法兰38围绕。在外罩30的中间部分，通孔40穿透外罩30的右壁，而盲孔41通向外罩30的内部，孔40和孔41彼此同心并适合于分别接收轴90和91。布置在驱动轴90和外罩30的外部右壁或“驱动端部”之间的是密封垫压圈(packing follower)42、一组密封环44以及轴承43a。轴法兰34定位在外罩30的驱动端部上并与紧固件35啮合。现在转到外罩30的顶部，仍然如图2中定向的，为埋头孔39，形成主流径33的入口31并且接收密封组件50。入口法兰36围绕入口31，入口法兰36将阀20紧固到引入管道(incoming pipe)(未示出)。应注意到，在此时，入口法兰36和出口法兰38可以整体地或部分地被移除，并且可以用各种方法制作入口31和出口32之间的连接。 

如图4-4A中所示，密封组件50包括第一密封主体，优选地为主密封件64，以及第二密封主体，优选地为密封外罩52。如上文提到的，密封组件50被布置在外罩30的埋头孔39内，并且更具体地，密封外罩52的外表面54被固定地连接在埋头孔39内。在密封外罩52的内表面53上的是一对环形肩部55a和55b，该对环形肩部55a和55b分别接收C密封件60以及弹性构件比如波形弹簧70。C密封件60和弹性构件70将主密封件64连接到密封外罩52。弹性构件70被布置在主密封件64和密封外罩52之间，在主密封件 64上产生朝向球元件80的偏置，通过添加弹性构件70，在主密封件64和密封外罩52之间产生二级流径72。C密封件产生穿过二级流径72的流体的流量限制。C密封件被限制在主密封件上的环形肩部74和密封外罩52上的环形搁板76之间。C密封件63的开口背对着球80并且朝向引入的流体。 

当阀20处于关闭位置时，球元件80端接于主密封件64(图4)。球元件80包括球形表面82，当阀处于关闭位置时，该球形表面82与主密封件64接合。跟随器轴(follower shaft)91以及驱动轴90分别穿过通孔84a和84b连接到球元件80。 

如前文提到的，辅助轴90和91对准和转动的是分别布置在外罩30和轴90以及91之间的轴承43a和43b。再一次地，如图2中定向的，跟随器轴91被布置在外罩30的跟随器端部的盲孔41中。与跟随器轴91啮合并布置在外罩30的跟随器端部和球元件80之间的是轴承43b，而布置在外罩30的驱动端部和球元件80之间的是轴承43a。驱动轴90随后经由通孔40穿透穿过外罩30的驱动端部，并且在伸出到外罩30外面之前与密封环44和密封垫压圈42接合。在轴90的外端部92处，轴90可以适合于与打开与关闭机构接合。 

在图4中，球元件80被转动以便端接于主密封件64，从而在接触点66产生主流径33的流量限制。优选地，如图4中所示，当球元件80压紧主密封件64时，主密封件64可以通过压缩弹性构件70而被移置进入密封外罩52内。为了确保主密封件64相对于球元件80和密封外罩52的正确的运动和操作，可以小心地设定产生在主密封件64和密封外罩52之间的预定的或计算的间距71。该间距71可以被小心地设定以确保，当阀20处于关闭位置时，主密封件64与球元件80接触。和间距71组合工作以确保阀20的正确的运动和操作的是产生在主密封件64和外罩30之间的间距73。间距73确保当阀20打开和关闭时，主密封件64在适当的时间与外罩30直接接触。例如，如果间距73过大，主密封件64可能在阀20打开和关闭的过程中保持与球元件接触达一段延长的时间，从而在主密封件64和球元件80之间引起不 想要的以及不可避免的摩擦和磨损量。类似地，如果间距73太小，则在阀20打开和关闭的过程中，主密封件64可能过早地接触外罩，有效地防止主密封件64接触球元件80，从而在阀20中产生泄漏。 

随着球元件80朝向关闭位置转动，球元件80与主密封件64接触，从而在球元件80进一步地转动到完全关闭位置时引起间距71变得更小。 

图4中还示出了产生在主密封件64和密封外罩52之间以便容纳弹性构件70的二级流径72。为了防止渗漏穿过二级流径72，C密封件优选地被布置在主密封件64和密封外罩52之间，并且更具体地被布置在密封外罩52的内表面53上的环形肩部55a和主密封件64之间。C密封件60具有开口63，该开口63接收穿过二级流径72的流体并从而向外偏置C密封件的端部以密封二级流径72。也可以连续地定位多个C密封件60a和60b，以防止当阀20被加压时流体从入口或出口(图4A)流过二级流径72。然而应认识到，连续放置的两个C密封件为双向地限制穿过二级流径72的流体流量的很多方式中的一种。除这些解决方法以外，例如，C密封件可以被放置成平行的。而且，因为C密封件60被布置在密封外罩52和主密封件64之间，所以主密封件64能够正确地与球元件80对准。C密封件60为弹性的，并且能够膨胀和收缩。 

C密封件60也辅助球元件80对准到主密封件64。这是在阀20关闭的过程中，当球元件80在接触点66接触主密封件64时完成的。此时，球元件80在主密封件64上施加力并企图相对于密封外罩52的内表面53移置主密封件64。C密封件60允许主密封件64轴向且径向地被移置，始终保持球元件80和主密封件64对准，从而产生主流径33的流量限制。 

当球阀20处于关闭位置时，在入口31产生高压力。压力的增加可能迫使工艺流体绕过主流径限制并被迫使穿过二级流径72。防止流体穿透穿过二级流径72的是C密封件60，该C密封件60被定位成使得开口63朝向引入的流体。类似地，压力的增加可能开始使轴90和91朝着流动方向变形或弯曲。随着轴90和91的弯曲，球元件80可能开始在相对于密封组件50的法线方向上被移置。通过在球元件80被移置时朝着球元件80偏置主密封件64，预防移置的球元件80和主密封件64之间的渗漏的是弹性构件70。随着压力增加，轴90和91可能进一步弯曲，从而进一步增加球元件80的位移。主密封件64将继续顶靠着球元件80偏置，直到主密封件64被停止，或者弹性构件70被完全减压。然而，如前文提到的，依据流体流过主流径33的方向，高压力可能在出口32产生。如果主流径33将被逆转，则流体流将围绕弹性构件70从二级流径72的另一侧穿透，并被C密封件60b(图4A)限制进一步的穿透，C密封件60b也被定位成使得开口面向引入的流体。类似地，高压流体可能使轴90和91变形或弯曲，从而朝着密封组件和主密封件64移置球元件80。再一次地，可以通过弹性构件70顶靠着主密封件64偏置球元件80来预防球元件80和主密封件64之间的流体泄漏。随着压力增加，从而进一步使球元件80朝着密封组件50弯曲，主密封件64可能最终使底部处于密封外罩52上，从而实质上消除了间距71。

给出前述详细描述仅用于清楚的理解，而且不应将其理解为具有不必要的限制性，因为本领域技术人员显然可以做出改动。 

Claims (16)

1.一种球阀，其包括：

阀外罩，其具有与孔流体相通的入口和出口，所述孔延伸穿过所述阀外罩并界定主流径；

球元件，其安装在所述阀外罩内并且可在关闭位置和打开位置之间移动，在关闭位置，所述入口与所述出口断开，在打开位置，所述入口和所述出口连接；以及

密封组件，其布置在所述阀外罩内，所述密封组件包括偏置的主密封件和密封外罩，二级流径形成于所述密封外罩和所述偏置的主密封件之间，所述偏置的主密封件被布置在所述主流径内并且适合于在所述阀的打开和关闭的过程中与所述球元件接合，所述密封组件还包括布置在所述偏置的主密封件和所述密封外罩之间的C密封件，所述C密封件位于形成于所述主密封件上的环形肩部和形成于所述密封外罩上的环形搁板之间，所述C密封件的底部紧邻所述环形肩部，所述C密封件阻碍流体流过所述二级流径，

其中所述C密封件由单一的耐热的柔性材料形成。

2.如权利要求1所述的阀，其中，穿过所述阀的流体的温度大于550华氏度。

3.如权利要求1所述的阀，其包括布置在所述二级流径中的另一C密封件。

4.如权利要求3所述的阀，其中，两个C密封件被连续地定向。

5.如权利要求3所述的阀，其中，两个C密封件的开口被定向成背对彼此。

6.如权利要求5所述的阀，其中，一个开口被定向成朝向所述入口，而另一开口被定向成朝向所述出口。

7.如权利要求5所述的阀，其中，两个C密封件整体形成。

8.如权利要求1所述的阀，其中，所述C密封件将所述主密封件与所述球元件对准。

9.如权利要求1所述的阀，其中，当处于所述关闭位置时，所述主密封件被弹性构件偏置成与所述球元件接合。

10.如权利要求9所述的阀，其中，所述弹性构件为波形弹簧。

11.如权利要求1所述的阀，其中，所述C密封件使得所述阀能够在550华氏度以上的操作温度下实现四级切断。

12.如权利要求9所述的阀，其中，所述弹性构件仅通过形成在所述密封外罩的内部中的平坦表面与所述C密封件分离。

13.一种制造球阀的方法，其包括：

提供具有形成主流径的入口和出口的阀主体；

相对于所述阀主体将球元件安装在所述入口和所述出口之间；以及

偏置密封组件，所述密封组件包括主密封件、密封外罩和C密封件，以使所述主密封件与所述球元件接合，以便在阀的打开和关闭的过程中阻碍流体流过所述主流径，并且所述C密封件阻碍流体流过二级流径，所述C密封件位于形成于所述主密封件上的环形肩部和形成于所述密封外罩上的环形搁板之间，所述C密封件的底部紧邻所述环形肩部，

其中所述C密封件由单一的耐热的柔性材料形成。

14.如权利要求13所述的方法，其中，穿过所述阀主体的流体具有550华氏度以上的操作温度。

15.如权利要求13所述的方法，其还包括在二级流径中提供另一C密封件。

16.如权利要求13所述的方法，其中，所述C密封件使得所述球阀能够在550华氏度以上的操作温度下实现四级切断。

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