CN104482244B - 双向密封阀座结构及超低温上装式固定球阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球阀，尤其是一种超低温上装式固定球阀。本发明提供了一种可在安装时设置泄压方向的超低温上装式固定球阀，包括阀体，所述阀体包括阀腔、位于阀腔两端的两个连接部，两个连接部分别称为第一连接部和第二连接部；第一连接部朝向阀腔的一端安装有单向密封阀座结构；第二连接部朝向阀腔的一端安装有前述的双向密封阀座结构，所述弹性座安装在第二连接部上，所述双向密封阀座结构的配合段插入第二连接部中，所述活塞环位于配合段的外环和第二连接部的内环之间并可轴向运动，所述第二连接部的内环上设置有可与活塞环贴紧配合的限位环，所述活塞环的轴向运动限位在支撑圈阀腔段的配合面和限位环之间。

Description

双向密封阀座结构及超低温上装式固定球阀

技术领域

本发明涉及一种密封阀座结构，尤其是一种双向密封阀座结构。此外，本发明还涉及一种球阀，尤其是一种超低温上装式固定球阀。

背景技术

在超低温工况下，介质的体积是浓缩的，比如：液氮、LNG等。但在异常情况下，若阀门的温度上升，会使阀门腔体中的介质气化，从而导致阀腔内的压力异常升高。那么，就必须要求阀门的阀腔有自动泄压的能力。

目前，超低温上装式固定球阀实现的密封方式如下：

(1)阀体和阀座支撑圈之间的密封，由两个安装方向相反的唇形密封圈来完成；

(2)阀座和球体之间，由介质压力作用于阀座支撑圈上的活塞效应，使阀座紧贴球体来实现密封的；

(3)在当前普遍的设计中，阀门的密封结构如图10、图11所示。

对于顶装球阀来讲，阀门的装配有自己特殊的要求：

(1)在装配阀门时，应先把两端的阀座支撑圈和阀座装配到阀体中相应的孔位处，并使两个阀座之间的空间尺寸大于球阀流道孔两端面间的尺寸；

(2)把球体安装到位后，通过旋转阀座支撑圈螺母，调整预紧弹簧至合适的压缩量，并使阀座与球体的配合处于良好的状态。而在旋转阀座支撑圈螺母时，必须防止阀座支撑圈转动。当前普遍的防止阀座支撑圈转动的方式如图12、图13所示。

由图10、图11、图12、图13可知，当前普遍的阀门具体结构特点如下：

(1)阀门的上游端阀座和下游端阀座结构完全一样，均为单向密封阀座(或称为单活塞效应阀座)；

(2)阀门的阀座支撑圈防转方式为：在阀座支撑圈的后端开导向槽，并用销钉加以定位。调整好后，从阀门外部把销钉和阀体焊死。

但是，这种结构的阀门，存在以下问题：

(1)由于上游压力总是大于下游压力，当阀腔内压力增大时，首先推开的是下游的单向密封阀座，从而阀腔内的压力的泄放方向永远是朝向阀门的下游流道。而在LNG管道上，根据设计工艺包的要求，往往会要求阀腔的泄压方向是朝向阀门的上游管道的，所以该结构阀门的使用会受到阀腔泄压方向的限制；

(2)为防止转动阀座支撑圈螺母时阀座组件跟随转动，采用了四个导向定位销，并在调整好后，把导向定位销焊死。这样做，使得阀门多了四个漏点，一旦焊接质量有问题，会导致阀门产生外漏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以实现双向密封的双向密封阀座结构。

本发明解决其技术问题所采用的双向密封阀座结构，包括支撑圈、阀座和弹性座，所述支撑圈分为阀腔段和配合段，所述阀座设置在阀腔段朝向阀腔的端面上，所述弹性座设置在阀腔段背向阀腔的端面上，还包括活塞环，所述活塞环密封套设在配合段上并可沿支撑圈的轴向运动，所述阀腔段背向阀腔的端面上设置有可与活塞环贴紧配合的配合面；所述阀座的内环直径大于支撑圈配合段的外环直径。弹性座一般采用弹簧构成，也可以是其它弹性材料，阀座与传统的阀座相同。

进一步的是，所述支撑圈上沿环向设置有若干定位销，所述定位销与支撑圈的轴线平行，所述活塞环上设置有与定位销相匹配的若干定位孔，所述定位孔活动安装在定位销上。

进一步的是，所述活塞环的内环和外环均设置有密封圈。

进一步的是，所述活塞环包括活塞体和两个端盖，两个所述端盖分别安装在活塞体的两端，所述密封圈设置在端盖和活塞体之间。

进一步的是，所述支撑圈还包括调节螺母环，所述阀腔段的外环设置有外螺纹，所述调节螺母环的内环设置有内螺纹，所述调节螺母环通过螺纹安装在阀腔段的外环，所述调节螺母环压在弹性座上。

本发明另一个要解决的技术问题是提供一种可在安装时设置泄压方向的超低温上装式固定球阀。

本发明提供的超低温上装式固定球阀，包括阀体，所述阀体包括阀腔、位于阀腔两端的两个连接部，两个连接部分别称为第一连接部和第二连接部；第一连接部朝向阀腔的一端安装有单向密封阀座结构；第二连接部朝向阀腔的一端安装有前述的双向密封阀座结构，所述弹性座安装在第二连接部上，所述双向密封阀座结构的配合段插入第二连接部中，所述活塞环位于配合段的外环和第二连接部的内环之间并可轴向运动，所述第二连接部的内环上设置有可与活塞环贴紧配合的限位环，所述活塞环的轴向运动限位在支撑圈阀腔段的配合面和限位环之间。

进一步的是，所述单向密封阀座结构包括单向支撑圈、单向阀座和单向弹性座，所述单向支撑圈具有头部和尾部，所述单向阀座设置在头部朝向阀腔的端面上，所述单向弹性座设置在头部背向阀腔的端面上，所述单向弹性座安装在第一连接部上，所述尾部插入第一连接部中并与第一连接部密封配合。

进一步的是，还包括防转装置，所述防转装置包括固定环和固定销，所述固定销设有若干个，并沿固定环环向设置，所述固定环固定安装在第二连接部内壁上；所述活塞环背向阀腔的端面上设置有与固定销匹配的安装孔，所述活塞环的安装孔活动安装在固定销上。固定环和限位环可以是同一部件，若为同一部件，则直接将其设置在第二连接部内壁上；若为不同部件，则将固定环设置在限位环上即可。

进一步的是，还包括防转装置，所述防转装置包括固定环和固定销，所述固定销设有若干个，并沿固定环环向设置，所述固定环固定安装在第一连接部内壁上并且固定销朝向阀腔内；所述单向密封阀座结构上设置有与固定销匹配的孔，所述单向密封阀座结构的孔活动安装在固定销上。

进一步的是，所述密封所使用的密封结构均通过唇形密封圈和弹性环实现，所述唇形密封圈的密封端设置有U形开口，U形开口的朝向与唇形密封圈的轴线方向平行，所述弹性环嵌入至所述U形开口中。

本发明的有益效果是：本双向密封阀座结构利用活塞环的存在，使得不论是阀腔中的压力，还是流道中的压力，都起到把阀座及支撑圈推向球体的作用，而获得双向密封的效果。当将双向密封阀座结构运用到超低温上装式固定球阀时，双向密封阀座结构与单向密封阀座结构相互配合，通过选择双向密封阀座结构与上游端或下游端匹配安装，就可以控制泄压的方向。因此，同一台阀门，既可以满足当阀腔压力超压时，向阀门上游端管道泄压的要求，也可以满足向阀门下游端管道泄压的要求。在阀门安装时，当双向密封阀座组件处于阀门的上游端时，阀腔内的压力超压时，将自动向阀门的下游端管道泄放；若把阀门旋转180°安装，让双向密封阀座组件处于阀门的下游端，此时，阀腔内的压力超压时，将自动向阀门的上游端管道泄放。也就是说，同一种设计结构的阀门，可以满足阀门运用时，不同的安装要求。同时，本设计的阀门的阀座组件的防转装置是内藏式的，使得阀体的体壁上不会有过多的空洞，因此，可以有效地减小阀门外漏的可能性。

附图说明

图1是本发明在上游泄压时的示意图；

图2是本发明在下游泄压时的示意图；

图3是图1在阀腔有压力时的I处放大图；

图4是图1在流道有压力时的I处放大图；

图5是图1的C处放大图；

图6是活塞环的示意图；

图7是防转装置的示意图；

图8是防转装置另一种实施方式的示意图；

图9是唇形密封圈和弹性环的示意图；

图10是现有技术的球阀示意图；

图11是图10的C处放大图；

图12是现有技术的阀座组件防转结构示意图；.

图13是图12的D处放大图；

图14是阀腔有压力P1，流道压力P2为0时的双向密封阀座结构原理图；

图15是阀腔有压力P1为0，流道有压力P2时的双向密封阀座结构原理图；

图16是阀腔有压力P1等于流道压力P2时的双向密封阀座结构原理图；

图17是阀腔有压力P1大于流道压力P2时的双向密封阀座结构原理图；

图18是阀腔有压力P1小于流道压力P2时的双向密封阀座结构原理图；

图中零部件、部位及编号：阀体1、阀腔2、球体3、双向密封阀座结构4、支撑圈41、阀座42、活塞环43、活塞体431、端盖432、弹性座44、调节螺母环45、定位销46、单向密封阀座结构5、单向支撑圈51、单向阀座52、单向弹性座53、第二连接部6、第一连接部7、防转装置8、固定环81、固定销82、密封结构9、唇形密封圈91、弹性环92。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括阀体1，所述阀体1包括阀腔2、位于阀腔2两端的两个连接部，两个连接部分别称为第一连接部7和第二连接部6；第一连接部7朝向阀腔2的一端安装有单向密封阀座结构5，单向密封阀座结构5的特点是，当阀腔内2压力过大时，就能克服单向密封阀座结构5的弹力，从而使得密封失效，达到泄压的目的，是现有技术中球阀普遍采用的；第二连接部6朝向阀腔2的一端安装有双向密封阀座结构4，双向密封阀座结构4包括支撑圈41、阀座42和弹性座44，所述支撑圈41分为阀腔段和配合段，所述阀座42设置在阀腔段朝向阀腔2的端面上，所述弹性座44设置在阀腔段背向阀腔2的端面上，还包括活塞环43，所述活塞环43密封套设在配合段上并可沿支撑圈41的轴向运动，所述阀腔段背向阀腔2的端面上设置有可与活塞环43贴紧配合的配合面；所述阀座42的内环直径大于支撑圈41配合段的外环直径；所述弹性座44安装在第二连接部6上，所述双向密封阀座结构3的配合段插入第二连接部6中，所述活塞环43位于配合段的外环和第二连接部6的内环之间并可轴向运动，所述第二连接部6的内环上设置有可与活塞环43贴紧配合的限位环，所述活塞环43的轴向运动限位在支撑圈41阀腔段的配合面和限位环之间。

双向密封阀座结构4与传统单向密封阀座结构5不同的地方在于，双向密封阀座结构4采用了活塞环43，其具体的工作原理如下：

当阀腔2内压力较大时，如图3所示，阀腔2内的压力推动活塞环43到远离阀腔的一端，使得活塞环43贴紧在第二连接部6的限位环上，此时活塞环43位移后形成的空间引入了阀腔2内的压力，而这个空间正好位于支撑圈41阀腔段背向阀腔2的端面上，也就是此时支撑圈41阀腔段朝向阀腔2的端面和背向阀腔2的端面均受到阀腔2内压力，由于阀座42的密封作用，而阀座42的内环直径又大于支撑圈41配合段的外环直径，因此支撑圈41阀腔段背向阀腔2的端面的受压面积要大于朝向阀腔2的端面的受压面积，也就是支撑圈41始终受到朝向阀腔的作用力。

当流道压力大于阀腔2压力时，如图4所示，流道内的压力推动活塞环43到靠近阀腔的一端并贴紧支撑圈41阀腔段的配合面，活塞环43背向阀腔2的一端受到流道压力，从而与弹性座44一同作用于支撑圈41，从而使得支撑圈41推动阀座42密封住球体3。

上述分析只是简单的描述了大致的原理，实际上，在阀腔2压力P1和流道压力P2不同的情况下支撑圈41所受作用力、受力面积不同，具体可见后面的分析。

下面结合附图14至附图18来具体介绍双向密封阀座结构4的5种工作状况：

为了方便展示原理，附图14至附图18不做附图标记，其各部件的标记可参见图3和图4所示。

当阀腔2有压力P1，流道压力P2为0，弹性座44的推力为T时，即如图14所示的情况，此时支撑圈41前后受压面积差为S1，此时阀座42受到的推力方向是朝向阀腔，阀座42受到的推力大小F＝P1×S1+T。

当阀腔2压力P1＝0，流道有压力P2，弹性座44的推力为T时，即如图15所示的情况，此时支撑圈41前后受压面积差为S2，此时阀座42受到的推力方向是朝向阀腔，阀座42受到的推力大小F＝P2×S2+T。

当阀腔2压力P1等于流道压力P2，弹性座44的推力为T时，即如图16所示的情况，此时支撑圈41前后受压面积差为S3，此时阀座42受到的推力方向是朝向阀腔，阀座42受到的推力大小F＝P2×S3+T。

当阀腔2压力P1大于流道压力P2，弹性座44的推力为T时，即如图17所示的情况，此时支撑圈41前后受压面积差为S4和S5，此时阀座42受到的推力方向是朝向阀腔，阀座42受到的推力大小F＝P1×S4+(P1-P2)×S5+T。

当阀腔2压力P1小于流道压力P2，弹性座44的推力为T时，即如图18所示的情况，此时支撑圈41前后受压面积差为S6和S7，此时阀座42受到的推力方向是朝向阀腔，阀座42受到的推力大小F＝P2×S7+(P2-P1)×S6+T。

从上述的工作原理可知，双向密封阀座结构4无论是阀腔2压力较高还是流道压力较高，均能保持密封状态；当阀腔2内压力过高时，压力只能从单向密封阀座结构5泄出；这与传统的球阀只能从下游端泄出不同。

本发明在使用说明如下：当需要上游泄压时，如图1所示，将本发明的第二连接部6设置在下游端，第一连接部7设置在上游端；反之，当需要下游泄压时，如图2所示，将第二连接部6设置在上游端，第一连接部7设置在下游端。

为了更好的导向活塞环43的运动，如图3和图4所示，所述支撑圈41上沿环向设置有若干定位销46，定位销46通常应分布均匀，所述定位销46与支撑圈41的轴线平行，所述活塞环43上设置有与定位销46相匹配的若干定位孔，所述定位孔活动安装在定位销46上。利用定位销46来为活塞环43导向，可以使活塞环43运动更加规则，使用寿命增加。

具体的，如图6所示，所述活塞环43的内环和外环均设置有密封圈。活塞环43需要隔离开阀腔2和流道，利用密封圈的密封即可实现。

具体的，如图6所示，所述活塞环43包括活塞体431和两个端盖432，两个所述端盖432分别安装在活塞体431的两端，所述密封圈设置在端盖432和活塞体431之间。端盖432可以很好的固定密封圈，这种结构可以在活塞环43长期运动中保持密封圈的可靠性。

为了便于调节弹性座44，如图3和图4所示，所述支撑圈41还包括调节螺母环45，所述阀腔段的外环设置有外螺纹，所述调节螺母环45的内环设置有内螺纹，所述调节螺母环45通过螺纹安装在阀腔段的外环，所述弹性座44安装在调节螺母环45上。弹性座44的预紧力和安装位置需要根据情况调节，此时，通过螺母环45的旋转即可控制弹性座44的位置，从而获得需要的预紧力和安装位置。

具体的，如图5所示，所述单向密封阀座结构5包括单向支撑圈51、单向阀座52和单向弹性座53，这些零件冠以单向的形容词只是为了表明其是单向密封阀座结构5的组成零件，并不代表这些零件单独使用能达到单向的目的；所述单向支撑圈51具有头部和尾部，所述单向阀座52设置在头部朝向阀腔2的端面上，所述单向弹性座53设置在头部背向阀腔2的端面上，所述单向弹性座53安装在第一连接部7上，所述尾部插入第一连接部7中并与第一连接部7密封配合。单向密封阀座结构5利用压差和单向弹性座53的预紧力来实现密封，当流道压力加上单向弹性座53的预紧力大于阀腔2压力时，单向阀座52就能密封球体3；若流道压力加上单向弹性座53的预紧力小于阀腔2压力时，阀腔2内的压力就会推开单向支撑圈51，从而使单向阀座52的密封失效。

为了减少对阀体1体壁的损伤，如图3和图4,所示，还包括防转装置8，所述防转装置8包括固定环81和固定销82，所述固定销82设有若干个，并沿固定环81环向设置，所述固定环81固定安装在第二连接部6内壁上；所述活塞环43背向阀腔2的端面上设置有与固定销82匹配的安装孔，所述活塞环43的安装孔活动安装在固定销82上。利用固定环81的安装，可以避免在阀体1体壁上开孔设销钉，可以避免对阀体1的损伤。固定销82通过限制活塞环43的转动，从而限制整个双向密封阀座结构3的转动。

防转装置8还能运用到单向密封阀座结构上，所述固定环81固定安装在第一连接部6内壁上并且固定销82朝向阀腔2内；所述单向密封阀座结构5上设置有与固定销82匹配的孔，所述单向密封阀座结构5的孔活动安装在固定销82上。

防转装置8有多种实现方式，图7和图8分别展示了一种方式，图8的防转装置8的固定环81具有一个裙边，便于导向。

在附图中，运用到单向密封阀座结构的防转装置标记为8b，运用到双向密封阀座结构的防转装置标记为8a。

为了获得可靠的密封效果，如图9所示，所述密封所使用的密封结构9均通过唇形密封圈91和弹性环92实现，所述唇形密封圈91的密封端设置有U形开口，U形开口的朝向与唇形密封圈91的轴线方向平行，也就是U形开口是横向的，所述弹性环92嵌入至所述U形开口中。弹性环92最好为金属钢带螺旋密绕而成的环状弹簧。

密封结构9在运用到双向密封阀座结构4时，也就是用于活塞环43，将密封结构9夹于活塞体431和端盖432之间，一组密封结构9可以设置两个，两个密封结构9的唇形密封圈91背对背设置，适当利用端盖432施加压力，弹性环92宽度方向收缩，高度方向直径增加，从而使得唇形密封圈91的U形开口被撑开，在高度方向膨胀，达到良好的密封效果。

鉴于本发明是运用于超低温环境，因此本发明所涉及的橡胶材料、工程塑料均需能承受-196℃的温度。

Claims (9)

1.双向密封阀座结构，包括支撑圈(41)、阀座(42)和弹性座(44)，所述支撑圈(41)分为阀腔段和配合段，所述阀座(42)设置在阀腔段朝向阀腔(2)的端面上，所述弹性座(44)设置在阀腔段背向阀腔(2)的端面上，其特征在于：还包括活塞环(43)，所述活塞环(43)密封套设在配合段上并可沿支撑圈(41)的轴向运动，所述阀腔段背向阀腔(2)的端面上设置有可与活塞环(43)贴紧配合的配合面；所述阀座(42)的内环直径大于支撑圈(41)配合段的外环直径；所述活塞环(43)包括活塞体(431)和两个端盖(432)，两个所述端盖(432)分别安装在活塞体(431)的两端，所述密封圈设置在端盖(432)和活塞体(431)之间。

2.如权利要求1所述的双向密封阀座结构，其特征在于：所述支撑圈(41)上沿环向设置有若干定位销(46)，所述定位销(46)与支撑圈(41)的轴线平行，所述活塞环(43)上设置有与定位销(46)相匹配的若干定位孔，所述定位孔活动安装在定位销(46)上。

3.如权利要求1所述的双向密封阀座结构，其特征在于：所述活塞环(43)的内环和外环均设置有密封圈。

4.如权利要求1至3任一权利要求所述的双向密封阀座结构，其特征在于：所述支撑圈(41)还包括调节螺母环(45)，所述阀腔段的外环设置有外螺纹，所述调节螺母环(45)的内环设置有内螺纹，所述调节螺母环(45)通过螺纹安装在阀腔段的外环，所述调节螺母环(45)压在弹性座(44)上。

5.超低温上装式固定球阀，包括阀体(1)，所述阀体(1)包括阀腔(2)、位于阀腔(2)两端的两个连接部，两个连接部分别称为第一连接部(7)和第二连接部(6)；第一连接部(7)朝向阀腔(2)的一端安装有单向密封阀座结构(5)；其特征在于：第二连接部(6)朝向阀腔(2)的一端安装有如权利要求1至4任一权利要求所述的双向密封阀座结构(3)，所述弹性座(44)安装在第二连接部(6)上，所述双向密封阀座结构(3)的配合段插入第二连接部(6)中，所述活塞环(43)位于配合段的外环和第二连接部(6)的内环之间并可轴向运动，所述第二连接部(6)的内环上设置有可与活塞环(43)贴紧配合的限位环，所述活塞环(43)的轴向运动限位在支撑圈(41)阀腔段的配合面和限位环之间。

6.如权利要求5所述的超低温上装式固定球阀，其特征在于：所述单向密封阀座结构(5)包括单向支撑圈(51)、单向阀座(52)和单向弹性座(53)，所述单向支撑圈(51)具有头部和尾部，所述单向阀座(52)设置在头部朝向阀腔(2)的端面上，所述单向弹性座(53)设置在头部背向阀腔(2)的端面上，所述单向弹性座(53)安装在第一连接部(7)上，所述尾部插入第一连接部(7)中并与第一连接部(7)密封配合。

7.如权利要求5或6所述的超低温上装式固定球阀，其特征在于：还包括防转装置(8)，所述防转装置(8)包括固定环(81)和固定销(82)，所述固定销(82)设有若干个，并沿固定环(81)环向设置，所述固定环(81)固定安装在第二连接部(6)内壁上；所述活塞环(43)背向阀腔(2)的端面上设置有与固定销(82)匹配的安装孔，所述活塞环(43)的安装孔活动安装在固定销(82)上。

8.如权利要求5或6所述的超低温上装式固定球阀，其特征在于：还包括防转装置(8)，所述防转装置(8)包括固定环(81)和固定销(82)，所述固定销(82)设有若干个，并沿固定环(81)环向设置，所述固定环(81)固定安装在第一连接部(7)内壁上并且固定销(82)朝向阀腔(2)内；所述单向密封阀座结构(5)上设置有与固定销(82)匹配的孔，所述单向密封阀座结构(5)的孔活动安装在固定销(82)上。

9.如权利要求6所述的超低温上装式固定球阀，其特征在于：所述密封所使用的密封结构(9)均通过唇形密封圈(91)和弹性环(92)实现，所述唇形密封圈(91)的密封端设置有U形开口，U形开口的朝向与唇形密封圈(91)的轴线方向平行，所述弹性环(92)嵌入至所述U形开口中。