CN103765061B - 一种用于旋转控制阀的波纹管激励的密封组件 - Google Patents

Abstract

一种弹性激励的密封组件(150)包括密封本体(154)，位于密封本体(154)内可轴向滑动的主密封件(152)以及与密封本体(154)和主密封件(152)相连的波纹管(156)。所述波纹管(156)偏压主密封件(152)且在密封本体(154)和主密封件(152)之间提供密封。

Description

一种用于旋转控制阀的波纹管激励的密封组件

技术领域

本发明涉及流体控制阀，更具体地，涉及用于旋转控制阀的波纹管激励的密封组件。

背景技术

旋转控制阀被用于大量过程控制系统应用中以控制工艺流体(可以是液体、气体、浆体等)的某些参数。当过程控制系统可使用控制阀以最终控制流体的压力、高度、pH或其它期望的参数时，控制阀基本上控制流体的流速。

典型地，旋转控制阀可包括具有被球元件分开的流体入口和流体出口的阀体，球元件绕固定轴旋转且与密封组件相邻，控制通过其中的流体的流量。在操作期间，过程控制系统或手动控制所述控制阀的操作员，旋转所述球元件使其抵靠或远离密封组件的表面，从而露出流动通道以提供流经所述入口和出口并因此提供流经流体控制阀的期望流体流量。

包括球元件以及密封组件的旋转控制阀元件通常由金属构成；这在高压和／或高温应用时是尤其正确的。然而，由于在阀的开启和关闭的过程中球元件和密封组件反复的大程度接合，球元件和密封组件容易磨损。这些由磨损导致的问题包括但不限于阀元件的使用寿命减少、球元件和密封组件之间摩擦力增加以及球元件和密封组件之间不期望的泄漏等问题。同时，由于这些元件磨损更严重时，其摩擦力也趋于增加，阀内部的动力性能和控制性能也会恶化，导致阀无效和不精确。

以前，尝试在密封组件中采用一偏压的主密封件来校正上述问题。已经作出的一些设计包括径向密封件以加强在高温运行下的密封性能。具有径向密封件的球阀通常用于具有接近高约550°F的操作环境。由于在高于约550°F时会劣化，因此目前在高于550°F时使用石墨活塞环。石墨活塞环尽管可以经受较高的温度，但不具有径向密封件那样好的密封性能。

然而，偏压的主密封件形成第二流动路径，其需要第二密封件以当阀关闭时防止流体流经第二流动路径。

在已知旋转控制阀的一个实施例中，如图1-4所示，球阀20包括阀体或壳体30，其具有在入口31和出口32之间的第一流动路径33，与壳体30相连的密封组件50，以及安装在壳体3O内的可旋转轴90和91上的球元件80。

所述壳体30具有大致圆筒形，其限定了用于流体通过其流动的第一流动路径33。在壳体30的底部，如图2所示，具有第一流动路径33的出口32，所述出口32被出口法兰38环绕。在壳体3O的中部，通孔40穿过壳体30的右壁，盲孔41开口朝向壳体3O的内部，孔40和41分别用于容纳轴90和91。密封垫压圈42、一组密封环44以及轴承43a设置在驱动轴90和壳体30的外侧右壁或驱动端之间。致动器安装法兰34位于壳体30的驱动端上，且与紧固件35接合。接下来，仍如图2所示方向，在壳体30的顶部具有沉孔39，其形成第一流动路径33的入口31，且容纳所述密封组件50。入口法兰36环绕所述入口31，入口法兰36可用于紧固或连接阀20至输入管道(未示出)。

密封组件50最好地如图4所示，其包括主密封件64以及密封壳体52。如上所述，密封组件50设置在壳体30的沉孔39内，更具体地，密封壳体52的外表面54固定连接于沉孔39内。在密封壳体52的内表面53上具有一对环形台肩55a和55b，其分别容纳动力C形密封件60和弹性偏压件如波形弹簧70。C形密封件60和弹性偏压件70将主密封件64连接至密封壳体52。弹性件70朝球元件80方向偏压主密封件64，另外在主密封件64和密封壳体52之间形成第二流动路径77。C形密封件对通过第二流动路径77的流体的流动产生限制。C形密封件限制于主密封件上的环形台肩74和密封壳体52上的环形架76之间。C形密封件63的开口面向远离球80的方向且朝向输入流体。

当阀20处于关闭位置时，球元件80(图4)与主密封件64相邻。球元件80包括球形表面82，当阀处于关闭位置时，该球形表面接合主密封件64。从动轴91和驱动轴90分别通过通孔84a和84b连接于球元件80。

为了关闭阀，球元件80旋转至与主密封件64相邻，从而在接触点66产生第一流动路径33的流动限制。如图4所示，当球元件80抵压主密封件64时，主密封件64通过压缩弹性件70而移入到密封壳体52内。为了确保主密封件64相对于球元件80和密封壳体52的合适的运动和操作，在主密封件64和密封壳体52之间产生预定或计算的间隙71。当阀20处于关闭位置时，间隙71设置成确保主密封件64接触球元件80。主密封件64和壳体3O之间产生的间隙73与间隙71共同作用从而确保阀20的合适运动和操作。当阀20打开和关闭时，间隙73确保在合适的时间主密封件64与壳体3O直接接触。

当球元件80朝关闭位置旋转时，球元件80接触主密封件64，从而导致间隙71随着球元件80进一步旋转进入完全关闭位置而变小。同样，如图4所示，主密封件64和密封壳体52之间形成第二流动路径77用于容纳弹性件70。

当球阀20位于关闭位置时，在入口31产生高压力。压力的增加可能促使工艺流体绕过第一流动路径的限制而被迫通过第二流动路径77。动力C形密封件60防止了流体渗透通过第二流动路径77。球元件80继续偏压主密封件64，直至主密封件64停止或弹性件70被完全压缩。

这种诸如如图1-4所示的球阀的已知的旋转控制阀的一个问题是，通过偏压的主密封件产生的第二流动路径当阀处于关闭位置时必须自身被密封。这种通常为动力径向密封形式的额外密封使已知球阀额外故障点、制造的困难度和复杂性增加。

发明内容

根据第一示例性方面，波纹管激励的密封组件包括密封体，位于密封本体内可轴向滑动的主密封件，以及连接到密封本体和主密封件的波纹管。该波纹管偏压主密封件且在密封本体和主密封件之间提供密封。

根据第二示例性方面，一种旋转控制阀包括波纹管激励的密封组件，具有流体入口和流体出口的阀体，以及球元件。波纹管激励的密封组件包括偏压的主密封件和朝向球元件偏压主密封件的波纹管。波纹管激励的密封组件消除了第二流体流动路径且不需要对这种第二流动路径进行密封。

进一步地，根据之前第一或第二方面的一个或多个，波纹管激励的密封组件或包括波纹管激励的密封组件的旋转控制阀可进一步包括一个或多个下面的优选形式。

在一些优选形式中，波纹管激励的密封组件可包括向内从密封本体向内延伸的本体环形法兰，其大致垂直于波纹管激励的密封组件的纵轴。本体环形法兰可形成用于主密封件的止挡和／或用于波纹管的座。

在其它优选形式中，波纹管激励的密封组件可包括密封环形法兰，其从主密封件向内延伸且大致垂直于波纹管激励的密封组件的纵轴。密封环形法兰可形成用于波纹管的座。

在其它优选形式中，波纹管激励的密封组件可包括外主体部，其大致沿平行于纵轴的方向延伸以及大致平行于纵轴的方向延伸的外密封部，外密封部被设置在波纹管和外主体部之间。

在其它优选形式中，波纹管可焊接于密封环形法兰和本体环形法兰之一上。波纹管可由不锈钢、铬镍铁合金／哈司特镍合金(Inconel／Hastellov)、钛或其它相似材料制成。

在其它优选形式中，主密封件可包括密封表面，该密封表面被涂覆有不锈钢、PEEK、石墨、固态、PTFE和PTFE复合材料中的一种或多种。

在其它优选形式中，旋转控制阀可包括位于阀体和波纹管激励的密封组件之间的静密封。波纹管激励的密封组件可通过螺纹连接、干涉配合和焊接之一或多种方式固定到阀体上。

在其它优选形式中，密封本体可包括外环形法兰，该外环形法兰坐落在阀体上。O形圈可设置在外环形法兰和阀体之间的环形槽中。

附图说明

图1为已知球阀的顶视图；

图2为沿图1的线2.2，图1的球阀的截面图；

图3为沿图1的线3—3，且当阀处于打开位置球元件的位置被以虚线示出的图1的球阀的截面图；

图4为图3的球元件和密封组件的细节视图；

图5A为波纹管激励的密封组件顶部透视图；

图5B为图5A的波纹管激励的密封组件的底部透视图；

图6为图5A的波纹管激励的密封组件的侧视图；

图7为沿图6的线7.7，图5A的波纹管激励的密封组件的截面侧视图：

图8为包括图5A的波纹管激励的密封组件的旋转控制阀的截面图；以及

图9为包括其它实施例的波纹管激励的密封组件的旋转控制阀的截面图；

同时本发明允许有各种变形的和选择性的构造，此处某些详细实施例已经通过附图示出且将在下面进行详细描述。然而，应当理解其不旨在限制本发明于所公开的特定形式，而相反，本发明覆盖所有落入通过所附权利要求限定的本发明的范围和精神内的变形、可选择性构造以及等效形式。

具体实施方式

接下来参考图5A、图5B和图6，示出了波纹管激励的密封组件150。波纹管激励的密封组件150可用于替换已知球阀中的密封组件50(图1_4)。波纹管激励的密封组件150包括主密封件152，密封本体154和将主密封件152连接于密封本体154的波纹管156。主密封件152在密封本体154内可轴向地移动且波纹管156朝向球元件180(图8)偏压所述主密封件152。当阀关闭时，球元件180在密封表面158接触主密封件152以限制通过所述阀的流体的流动。密封表面158可以是斜切的或有角度的以提供与球元件180更大的密封接触。

密封本体154可在一端包括本体环形法兰160，本体环形法兰160朝内延伸，大致与波纹管激励的密封组件150的纵轴A垂直(图7)。本体环形法兰160形成主密封件152的止挡以防止由于来自球元件180的压力而使主密封件152收缩超过某个点。本体环形法兰160还形成用于波纹管156第一端的座或连接点162。相对于本体环形法兰160，主密封件152包括密封环形法兰164。密封环形法兰164向内延伸，大致与纵轴A垂直。密封环形法兰164形成用于波纹管156的第二端的座或连接点166，波纹管156设置在密封环形法兰164和本体环形法兰160之间。

密封本体154的外主体部167大致平行于纵轴A延伸。相似地，密封本体152的外密封部168也大致平行于纵轴A延伸，外密封部168大致设置在波纹管156和外主体部167之间。由于波纹管156提供沿大致平行于纵轴A的方向作用的偏压力，主密封件152在密封本体154内可纵向运动。另外，波纹管156防止工艺流体进入到主密封件152和密封本体154接触的任何位置，因此就防止了主密封件152和密封本体154之间的流体泄漏。在一个实施例中，以流体密封方式，波纹管156可以被焊接或被通过其它方式固定到内密封法兰164和内主体法兰160。这样，主密封件152和密封本体154之间的连接不会受到在工艺流体流中可能存在的颗粒物质的阻塞。因此，主密封件152和密封本体154之间的纵向可滑动能力保持非常有效和可靠。

密封表面158可涂覆有防磨损材料，如合金6、S31600SST或PEEK。对于高温密封件，密封表面158可涂覆有如柔性石墨或固态碳或以其它方式由如柔性石墨或固态碳制成。

波纹管156可由任何耐用的，耐热材料制成，如S31600SST、铬镍铁合金／哈司特镍合金(Inconel／Hastelloy)、钛、AM350SS或类似耐热材料。由于波纹管156同时密封和偏压主密封件152，这就不需要柔性温度敏感的偏压元件。这样，公开的波纹管激励的密封组件150可用于非常高的温度的环境，且不丧失偏压或密封性能。在某些实施例中，波纹管激励的密封组件150可用于高达1000。F温度中的旋转阀。

如果期望的，静密封件，如垫圈180(图8)，可位于波纹管激励的密封组件150和阀体136之间以在波纹管激励的密封组件150和阀体136之间辅助密封。

如上所述，波纹管156连接于主密封件152和密封本体154两者上且波纹管156朝球元件180偏压主密封件152。由于波纹管156连接于主密封件152和密封本体154两者上，因此不会产生第二流动路径。换句话说，任何试图在主密封件152和密封本体154之间流动的流体通过波纹管156而被阻止。因此，当用于已知的球阀中时，不需要径向动力密封件来密封第二流动路径。而且，波纹管156实现两种功能：密封主密封件152和密封本体154和偏压主密封件152。这样，就不需要单独的偏压元件，如波形弹簧。

波纹管激励的密封组件150可替换已知的密封组件。如图8所示，波纹管激励的密封组件150可通过螺纹连接170被固定到阀体136上。可选择地，也可采用其它连接方法。例如，波纹管激励的密封组件150可通过干涉配合172、粘接或焊接174、填密螺母或实际上任何其它连接机构而连接于阀体。而且，波纹管激励的密封组件150可作为单元或子组件装配在阀中，从而可以提高制造效率。

密封本体154不相对于阀体136纵向移动。这样，波纹管激励的密封组件150有利地在密封本体154和阀体136之间不需要任何动密封件。动密封件不适合于高温环境且通常不如静密封件耐用。

在另一个实施例中，如图9所示，密封本体254可包括外环形法兰290。所述外环形法兰290可具有一止挡或座表面292，当波纹管激励的密封组件250完全坐落在阀体236中时，止挡或座表面292抵靠在阀体236上。可选择地，诸如O形圈294的静密封件可位于外环形法兰290和阀体236之间。在某些实施例中，O形圈294可设置在环形槽296中。

在另一实施例中，波纹管可包括对齐孔以使通过波纹管激励的密封组件的压力分配平衡且朝着球元件辅助主密封件偏压。

在其它实施例中，波纹管激励的密封组件有利地无需拆除阀内件就可以被替换。

在其它实施例中，波纹管激励的密封组件可包括某种等级的过程压力辅助装置。

在其它实施例中，密封表面可涂覆有较软的材料以帮助密封的截流密封件。这些材料可包括但不限于PTFE或PTFE复合材料。

在其它实施例中，球元件可包括凸耳，该凸耳以凸轮方式带动波纹管激励的密封组件远离所述球元件，这将导致关闭时在波纹管激励的密封组件与球元件之间的冲击力减小。

之前所作的详细描述仅仅用于更加清楚地理解本发明并不对其进行不必要的限制，对于本领域技术人员来说其它变形是显而易见的。

Claims (19)

1.一种用于旋转控制阀的波纹管激励的密封组件，所述波纹管激励的密封组件包括：

密封本体；

位于所述密封本体内可轴向地滑动的主密封件；以及

连接到所述密封本体和所述主密封件上的波纹管，所述波纹管朝向球元件偏压所述主密封件且在所述密封本体和所述主密封件之间提供密封，

其中，所述密封本体包括大致平行于所述波纹管激励的密封组件的纵向轴线方向而延伸的外主体部，所述主密封件包括大致平行于所述波纹管激励的密封组件的所述纵向轴线方向而延伸的外密封部，并且所述外密封部设置在所述波纹管和所述外主体部之间。

2.如权利要求1所述的波纹管激励的密封组件，其中，所述密封本体包括本体环形法兰。

3.如权利要求2所述的波纹管激励的密封组件，其中，所述本体环形法兰向内延伸，大致垂直于所述波纹管激励的密封组件的纵向轴线。

4.如权利要求2所述的波纹管激励的密封组件，其中，所述本体环形法兰形成用于所述波纹管的座。

5.如权利要求2所述的波纹管激励的密封组件，其中，所述本体环形法兰形成用于所述主密封件的止挡，从而限制所述主密封件相对于所述密封本体的纵向移动。

6.如权利要求1所述的波纹管激励的密封组件，其中，所述主密封件包括密封环形法兰。

7.如权利要求6所述的波纹管激励的密封组件，其中，所述密封环形法兰向内延伸，大致垂直于所述波纹管激励的密封组件的纵向轴线。

8.如权利要求6所述的波纹管激励的密封组件，其中，所述密封环形法兰形成用于波纹管的座。

9.如权利要求1所述的波纹管激励的密封组件，其中，所述密封本体包括本体环形法兰，其中所述主密封件包括密封环形法兰，并且其中所述波纹管被设置在所述本体环形法兰和所述密封环形法兰之间。

10.如权利要求1所述的波纹管激励的密封组件，其中，所述主密封件包括密封表面，所述密封表面被涂覆有不锈钢、PEEK、石墨、固态碳、PTFE和PTFE复合材料之一。

11.如权利要求1所述的波纹管激励的密封组件，其中，所述波纹管由不锈钢、铬镍铁合金/哈斯特镍合金和钛之一制成。

12.如权利要求1所述的波纹管激励的密封组件，其中，所述波纹管被焊接到所述密封本体和所述主密封件之一上。

13.一种旋转控制阀，其包括前述任一权利要求所述的波纹管激励的密封组件，所述旋转控制阀进一步包括：

具有流体入口和流体出口的阀体；以及

设置在所述阀体内的球元件，

其中，所述球元件与所述波纹管激励的密封组件的所述主密封件相结合，以控制通过所述旋转控制阀的流体的流动。

14.如权利要求13所述的旋转控制阀，进一步包括位于所述阀体和所述波纹管激励的密封组件之间的静密封件。

15.如权利要求13所述的旋转控制阀，进一步包括所述阀体和所述波纹管激励的密封组件之间的螺纹连接、干涉配合和焊接之一。

16.如权利要求13所述的旋转控制阀，其中，所述密封本体包括外环形法兰。

17.如权利要求16所述的旋转控制阀，其中，所述外环形法兰抵靠在所述阀体上。

18.如权利要求16所述的旋转控制阀，进一步包括位于所述外环形法兰和所述阀体之间的O形圈密封件。

19.如权利要求18所述的旋转控制阀，其中，所述O形圈设置在所述阀体中的环形槽中。