CN107949735B - 用于球阀的密封组件和包括该密封组件的球阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在石油和天然气开采工业中使用的密封阀，特别是但不排他地涉及中压球阀或高压球阀。特别地，本发明涉及用于球阀(1)的密封组件(101、102)，并且涉及包括这种改进的密封组件的球阀。密封组件通过仅使用热塑性材料密封元件(31)确保在低压和高压下的优良密封性能，从而完全消除了令已知类型的密封系统苦恼的缺点，特别是与由弹性材料制造的密封元件的可靠性有关的缺点。

Description

用于球阀的密封组件和包括该密封组件的球阀

发明领域

本发明涉及在石油和天然气开采工业中使用的密封阀，特别是但不排他地涉及用于压力包括在0巴至450巴之间的范围内的应用的球阀。特别地，本发明涉及一种用于球阀，优选地用于“耳轴”型阀的改进的密封组件，以及涉及一种包括这种改进的密封组件的球阀。

背景技术

在石油和天然气开采工业领域中，球阀用于实现管道中输送的流体(石油或天然气)的密封。如已知的，球阀包括阀体、具有阻断流体通路的闸门功能的球体(ball)以及与球体联接以实现流体密封的阀座。至少一个密封元件作用在阀的阀座与球体之间以确保阀的密封并同时适于允许阀座与球体之间的相对运动以便打开和关闭阀本身。阀体和阀座均内部中空，以在入口区段和出口区段之间界定用于流体的通路。当阀处于关闭构型时，球体阻断入口区段和出口区段之间的流体通路。在打开构型中，球体界定了使各区段相互连通的间隙。在本领域中众所周知的“耳轴”型阀中，球体的运动由界定旋转轴线的两个相对的销来支撑。因此球体保持相对于阀体的单一自由度的旋转。这种旋转通过外部致动器被允许。

这些阀被设计用于的工作压力包括在相当广泛的范围内，并且根据阀预期用于的系统类型而变化。已经开发了许多解决方案以便符合每个系统的规格。每个解决方案都包括具有特定结构特征的阀，该特定结构特征使阀适用于相应的应用。名为“单活塞效应”(SPE)阀和“双活塞效应”(DPE)阀的阀在本领域是已知的。

在SPE阀中，如在DPE阀中一样，相对于流动方向在球体的上游和下游分别包括第一阀座和第二阀座。在SPE阀中，阀的密封独自由第一个阀座，通常为相对于流体流动在球体的上游的阀座，来完成。如果第一阀座的密封由于任何原因受到损害，那么在SPE阀中，第二阀座，即在阀的下游的阀座，一定不能对球体提供密封。相反，第二个阀座需要让工作流体通过，特别是如果这是气体的话。这是为了防止加压流体在阀中积聚，加压流体在阀中积聚可能是非常危险的。当球体转到关闭构型时，也需要同样的行为。在这种情况下，球体间隙内的压力必须在球体本身的下游排出。根据目前的标准，在SPE阀的情况中，实现阀座自动打开(“自释放”)的必要压力必须或低于或等于工作压力的10％。

相反，在DPE型阀中，如果第一阀座，即相对于流动方向在球体的上游的阀座由于任何原因而不提供密封，则第二阀座，即在球体的下游的阀座必须提供密封。为了获得该结果，如现有技术中已知的那样，阀座被构造成使得流体介于阀座与阀体的闭合部之间，从而引起阀座对球体的推力，以便施加密封。换句话说，在DPE型阀中，第二阀座具有气密地关闭阀的功能。

根据所获得的技术效果或操作行为界定的上述阀类型因此在本领域是已知的，并且在这种类型中可以找到不同的技术解决方案。实质上，在现有技术中，通过设计密封组件的特定几何形状，这意味着设计整个阀座和密封元件，每个阀被针对其目的应用而设计。实质上，为了制造SPE型阀或者可替代地DPE型阀，制造商必须设计密封组件的特定构型。

已知类型的解决方案在功能上不是通用的。实际上，目前，为SPE阀设计的阀座不能用在DPE阀中，且反之亦然。因此，阀制造商必须知道待安装的阀的类型，并且必须根据阀是单活塞效应还是双活塞效应类型来获得特定的部件。因此，如现有技术中已知的那样，制造商必须制造并且在库存中具有两种不同的密封组件的可获得性，一种密封组件适合于制造SPE型阀，另一种密封组件适合于制造DPE阀。

换句话说，现今在市场上还不知道可互换的解决方案，其允许制造商和其它人制造单一类型的阀座，从而减少部件量，特别是库存阀座，并且还允许使用者修改阀的性质，例如仅通过对阀座采取一定的措施就可以将阀从单活塞效应转变为双活塞效应，或反之亦然，而不需要以任何方式修改阀体和/或闭合部。

可以在系统中提供多个管道，每个管道都具有特定的流量和压力条件，并设置有相应的密封阀。在设计步骤中必须确立适用于每个管道的阀，并且在装配步骤中必须安装实际所包含的阀。除了确立阀(DPE或SPE)所要求的性能之外，在设计步骤中必须根据操作条件确定实现密封所使用的方法。

具体而言，在已知的解决方案中，具有弹性体插入件的密封件被用于具有低压和高压的气体和液压环境中的应用。现有技术中已知的这种密封元件通常由适合于在阀座和球体之间实现气密关闭的橡胶O形环构成。这种橡胶密封元件还允许在球体表面光洁度没有缺陷的情况下或者在球体表面光洁度表现出给定的表面粗糙度的所有情况下进行密封。换句话说，橡胶O形环允许以低的制造成本获得密封，因为其不会恶化球体的公差、表面光洁度或形状误差。

然而，使用O形环作为密封元件具有一些缺点，其中第一个是密封件挤出的风险，即在高工作压力的情况下，O形环本身变形和/或部分地从其壳体逐出，随之出现因撕裂而导致的失效。在这种情况下，阀不能确保密封的紧密性。

因此，将橡胶O形环作为唯一的密封元件的阀的这一限制事实对于高流体或气体压力阀而言是不可靠的，这意味着高于100巴的值已经是高压。

为了即使在较高的流体压力值下也能改善阀的紧密性，市场上已知的解决方案包括作为密封元件的具有大体上三角形横截面更具体地delta形横截面的弹性体环，称为delta形环。在本申请人的专利申请WO 2013/02123238和WO 2011/0343536中描述了用delta形环获得密封的示例。

该解决方案虽然改善了在高温下的密封，但与上述缺点(挤出/撕裂)相比，并不完全令人满意。虽然如上所提到的，由弹性体材料制成的密封元件可以在低压下提供良好的密封，但是它们似乎不适合在高压下工作，对机械疲劳具有较差的抵抗力。此外，由于制造它们的材料的变形，这些密封元件可能会从容纳它们的壳体中被挤出。在腐蚀性环境中弹性体劣化速度甚至更快，尤其是在气态形式的烃类的处理中会出现上述劣化。

就这些解决方案而言，使用热塑性材料元件来实现阀座-球体密封的阀在本领域是已知的。所使用的材料的示例是PTFE(具有各种化合物)、PA、PEEK、POM、PCTFE以及类似物、非常硬的热塑性聚合物。由热塑性材料制成的这些密封元件或插入件通常过盈地插入容纳在阀座上的相应壳体中。因此，在设计这些密封系统的范围内，插入件和阀座的尺寸控制是非常重要的。对于在许多情况下，提供使用夹紧装置来固定密封元件在相应壳体中的位置。

关于使用橡胶O形环或delta形环，热塑性密封元件避免了阀座与球体之间的金属与金属的接触，并且还具有高的工作压力，因为它们比橡胶更不容易变形。另一方面，与使用热塑性材料有关的缺点是，在阀部件的装配中需要具有非常低的加工公差和/或不重合度，以及具有非常低的球体表面粗糙度，因此球体必须通过研磨经受表面精加工以保证良好的密封性。同时，目前使用的由热塑性材料制成的密封元件不适合于在低压下实现良好的密封。

在该领域中，特别是在天然气开采工业领域，球阀必须靠气态下的流体来操作，气态下的流体可能具有低的压力或达到约450巴或超过450巴的压力。为了允许这两个功能，一些已知的解决方案(在申请WO 2013/02123238和WO 2011/0343536中也进行了描述)使用两个密封元件，一个由弹性体材料制成，并且另一个由热塑性材料制成。

由此，在低压下，密封由弹性体材料来确保。在高压下，密封主要由热塑性材料密封元件来允许。同时，弹性体材料应具有补偿由高流体工作压力产生的阀球体弹性变形的功能。然而，弹性体材料在最大压力下的打开操作期间经历较多的变形，这使得密封件处于高应力条件下，直到由于撕裂而导致失效。在腐蚀性环境存在的情况下，这个问题更加突出。因此，将热塑性密封元件与弹性体密封元件组合在一起的解决方案也具有可靠性和耐用性的强大限制。此外，对于制造预期容纳密封环的壳体而言，这些解决方案需要复杂的工作。在这方面，获得delta形环壳体是非常复杂的，而用于热塑性元件的壳体需要较小的限制公差。具有两个组合元件(一个是弹性体的且另一个是热塑性的)的密封组件的装配操作也显得特别复杂。

概述

根据上面公开的考虑因素，本发明的主要任务是提供一种用于球阀的改进的密封组件，该密封组件允许解决令现有技术中已知类型的密封系统苦恼的缺点。在该任务的范围内，本发明的目的是提供一种用于工业球阀的组件，该组件允许在低温和高温下获得优良的密封。本发明的另一个目的是提供一种密封组件，该密封组件与传统解决方案所要求的阀座加工和装配操作相比，需要更简单的阀座加工和装配操作。

再一个目的是提供一种密封组件，该密封组件允许改善在特定的工作条件下并且特别是在气压或液压环境下的密封，该密封组件在高压下经受多次且频繁的打开和关闭循环。

本发明的另外的目的是提供一种密封组件，该密封组件包括可互换的，即可在同一阀体内更换的阀座，以便将阀的类型从SPE型阀改成DPE型阀，且反之亦然，而无需以任何方式修改或调整阀体。本发明的非最后一个目的是提供一种可靠的且以有竞争力的成本容易制造的密封组件。

因此，本发明涉及一种用于工业球阀的密封组件，其中所述阀包括至少一个阀体和容纳在所述阀体中的球体。根据本发明的密封组件包括可插入在阀体中的至少一个阀座，该阀座围绕中心轴线展开(develop)，界定用于加压流体通过的轴向腔。该阀座包括在第一前表面处的第一壳体，第一壳体在阀座安装在阀体中时面向球体。该第一壳体包括封闭的底表面，该底表面在横向于所述中心轴线的平面上展开。

密封元件还包括由热塑性材料制成以实现阀的阀座和球体之间的流体密封的密封元件。该密封元件是环形的并容纳在第一壳体内。特别地，根据本发明的组件的特征在于，密封元件以一定的径向间隙容纳在所述第一壳体中，以当阀座安装在阀体中时以及当阀座被加压流体内部地穿过时相对于阀座沿平行于中心轴线的方向浮动。

密封组件还包括抗挤出装置(anti-extrusion means)，以避免在打开所述阀的步骤期间将密封元件从所述第一壳体抽出。

根据本发明的密封组件允许完全消除弹性体材料插入件，仅将密封交托给由热塑性材料制成的密封元件，从而解决了与令弹性体材料制成的密封元件苦恼的磨损和疲劳行为有关的问题，并获得了具有极高密封水平的热塑性材料密封元件。借助于密封组件，可以实现多达420巴的压力的最佳密封，从而减少了磨损和疲劳劣化的问题。实际上，在阀关闭的情况下，随着压力增加，密封元件对球体的推力以及因而密封本身的推力增大。在打开阀的步骤期间，压力减小，并因此将密封元件推向球体的力也减小，从而限制了磨损和机械疲劳的现象。同时，由于密封元件相对于第一阀座浮动的事实，密封元件相对于阀座的相对运动的可能性确保了对由于流体压力引起的球体的弹性变形的补偿。

根据本发明的密封组件确保了低压下弹性体插入件的劣化和等效性能方面的稳健性和可靠性。同时，相对于具有弹性体密封件的解决方案，热塑性密封元件的存在进一步确保较低的摩擦力以及因而较低的阀打开扭矩值。根据本发明的密封组件还可以可能地应用于PMSS(第一道金属第二道软(Primary Metal Secondary Soft))阀，在该PMSS阀中，在阀座的前表面和球体之间提供了金属对金属接触。

附图列表

根据通过非限制性示例提供的和在附图中图示的以下详细描述，本发明的另外的特征和优点将更加明显，在附图中：

-图1示出了包括两个根据本发明的密封系统的球阀的截面图，该两个密封系统分别作用在球体的上游和下游；

-图2是沿SPE(单活塞效应)型球阀的径向截面截取的横截面图，在该球阀上安装了根据本发明的密封组件的第一可能实施方案；

-图3是沿DPE(双活塞效应)型球阀的径向截面截取的横截面图，其中在该球阀上安装了替代图2中所示的密封组件的根据本发明的密封组件的实施方案；

-图4是图2中的密封组件的分解图；

-图5和图6是图2中的密封组件的放大图；

-图7和图8分别是根据径向截面截取的视图以及SPE型球阀的细节视图，在该球阀上安装了根据本发明的密封组件的第二可能实施方案；

-图9是DPE(双活塞效应)型球阀的径向剖视图，在该球阀上安装了在图7中所示的密封组件的替代实施方案中的根据本发明的密封组件；

-图10和图11分别是根据径向截面截取的视图和SPE型球阀的细节视图，在球阀上安装了根据本发明的密封组件的第三可能实施方案；

-图12和图13分别是根据径向截面截取的视图和DPE(双活塞效应)型球阀的细节视图，在该球阀上安装了根据本发明的密封组件的另一可能实施方案。

附图中相同的数字和字母指代相同的元件或部件。

发明详述

特别地参考图1，示出了“耳轴”型的阀1，阀1包括根据本发明的密封组件。阀1预期安装在流体管道上并且包括界定壳体21的主体20，在壳体21中容纳有内部中空的球体10，该球体适合于关闭流体流Q并形成用于流自身的通路间隙12，对于这种类型的阀这是已知的。示出的阀1包括第一密封组件101和第二密封组件102，第一密封组件101和第二密封组件102可操作地与球体10相关联，以在球体10的分别在阀内流体流的上游和下游的相对的部分上实现流体密封。特别地，该两个系统101、102至少在球体10处于关闭状态时实现密封。下面在该描述中，将参照在球体10上游起作用的第一密封组件101，但是相同的考虑因素也适用于下游的密封组件102。

根据本发明的密封组件101包括安装在阀体20中的阀座30。阀座30作为围绕中心轴线A的旋转体展开并且包括用于加压流体(液体或气体)通过的轴向腔35。当阀座30插入阀体20中并且阀1打开时，中心轴线A视为流体流方向。流的方向通过阀所插入的系统的状况来明确确立。参考图4中的分解图，阀座30界定第一壳体31A，第一壳体31A界定在阀座30的第一前表面30A处。当阀座30安装在阀体20中时，该前表面30A和第一壳体31A一样面向所述球体10。第一壳体31A作为围绕中心轴线A由两个同轴的圆柱形表面界定的环展开。第一壳体31A进一步由底表面310定界，底表面310优选地在大体上正交于中心轴线A的横向平面上形成。底表面310被封闭，使得第一壳体31A仅在阀座30的前表面30A的一侧打开。

密封组件101包括密封元件31，密封元件31由热塑性材料制成并且容纳在第一壳体31A内(如图1和图2中所示)以实现阀座30与球体10之间的密封。因而，该密封元件31是环形的以被插入在第一壳体31A中。优选地，密封元件31由PTFE(具有各种复合材料)、PA、PEEK、POM、PCTFE和类似的高硬度热塑性聚合物制成以便实现阀座30与球体10之间的流体压力密封。

根据本发明，密封元件31以一定的径向间隙容纳在第一壳体31A本身中，以便相对于阀座30在第一壳体31A中浮动。特别是，单词“浮动(floating)”是指当阀座30安装在阀体20中并同时被加压流体内部穿过时，赋予密封元件31沿平行于中心轴线A的方向移动的可能性。表述“径向间隙(radial clearance)”是指其中相对于正交于中心轴线A的平面评估的密封元件31的横截面的面积小于在同一平面上评估的第一壳体31A的横截面面积的情况。

在这方面，根据可能的但非排他的实施方案，第一壳体31A的横截面面积比密封元件31的横截面面积大1％至5％。优选地，但非排他地，所述第一壳体31A的横截面面积比密封元件31的横截面面积大1％至3％。

参考图5和图6，描述了通过密封元件31获得密封所依据的原理。在图5中，密封元件31以一定的径向间隙(以参考标记R表示)插入在第一壳体31A中，并且加压流体未穿过阀座30。在图6中，仅为了说明，放大了径向间隙R。

在图6的情况中，加压流体内部穿过阀座30。根据下面将更详细描述的原理，通过弹性装置的作用和作用在阀座30的后表面30B、50”上的压力的作用，阀座30被朝向球体10推动。同时，加压流体沿存在于球体10和阀座30的前表面30A之间的间隙向上移动，且通过径向间隙R的作用缓慢进入到第一壳体31A中。借助于第一壳体31A中的封闭的底表面310，密封元件30通过流体的压力P被朝向球体10推动，从而实现流体密封。

热塑性密封元件31直接通过流体的压力P被推靠在球体10上，而不需要任何外部激励系统。在这个意义上，密封元件31可以被认为在轴向方向上是“自浮式”的。此外，密封性随着流体压力的增加而有利地增加，这是因为由压力施加在密封元件31上的推力增加。

同时，尽管密封元件31的刚度高于弹性体元件的刚度，但是由于使密封元件31朝向球体10推动的压力的偏压，密封性在低压下也被优化，具有源自热塑性材料的硬度的在抗磨损性方面的所有优点。

根据本发明的另一方面，阀座30包括抗挤出装置，以在打开阀1的步骤期间避免密封元件31的释放。在该步骤中，通过阀座-球体系统的几何形状的作用以及通过由球体10界定的通路12的作用，密封元件31的相对于中心轴线A相对的两个部分不与球体10的表面接触。“浮动”状态将导致密封元件31在这样的相对部分处可能被挤出。通过在第一壳体31A中对密封元件31的轴向运动建立限制停止位置，抗挤出装置因此避免了该可能的缺点。

根据优选实施方案，阀座30包括在前表面30A处的第二壳体33A；该第二壳体33A也围绕中心轴线A展开并朝向球体10敞开。在该实施方案中，抗挤出装置包括抗挤出环33(以下还称为前环33)，抗挤出环33容纳在第二壳体33A中并且相对于所述前表面30A露出，以便界定密封元件31的浮动运动的限制位置。优选地，抗挤出环33由金属材料制成并且优选地是敞开式的，即包括两个相邻的端部。环33的“敞开(open)”构型促进在第二壳体33A中的插入，这因此可以在存在间隙的情况下发生。敞开形式的环33的相邻端部通过销(未在图中示出)连接到阀座30，销被插入在特定通路(在附图中也未示出)中，该特定通路从前表面30A的一部分展开到第二壳体33A。抗挤出环33相对于前表面30A露出，而不与阀20的球体10接触。在工作压力相对较低的一些应用中，抗挤出环33也可以由PEEK或其它具有类似特征的材料制成。

图4允许详细观察形成根据本发明的密封组件101的元件的形状。第一壳体31A由围绕中心轴线A同轴的外圆柱形表面311和内圆柱形表面312界定。这样的圆柱形表面311、312分别面向所述密封元件31的外表面311A和内表面311B。在关闭的阀的状态下，密封元件31的外圆柱形表面311A通过流体压力的作用邻接第一壳体31A的内表面311或接触第一壳体31A的内表面311。优选地，第一壳体31A主要沿轴向方向展开，即平行于中心轴线A展开。这意味着沿轴向方向测量的第一壳体31A的延伸部大于沿正交于中心轴线A的径向方向在界定第一壳体本身的外圆柱形表面311与内圆柱形表面312之间测量的距离。

根据优选的实施方案，密封元件31在外表面311A上界定圆形阀座32A，密封环32容纳在该圆形阀座32A中。大体上，密封环32界定围绕密封元件31并且更确切地说在密封元件31的外圆柱形表面311A与第一壳体31A的外圆柱形表面311之间的补充密封。大体上，密封环32防止来自密封元件31周围的压力越过密封元件31与球体10接触的位置从第一壳体31A释放。

圆形壳体32A可以由在密封元件31中在密封元件31的前表面和后表面31'(在下文中界定这样的表面)之间的中间位置处形成的凹槽界定，如例如在图2和图3中的实施方案中所示出的。可选地，圆形壳体32A可以由在密封元件31的后表面31'处获得的肩部界定，如在图8至图13中的实施方案中所示出的。

根据可能的实施方案，密封环32由优选由弹性体材料制成的O形环界定。可选地，根据下面更详细描述的解决方案，U形环密封件或唇形密封件(单一的或双重的)型密封件可以插入在圆形壳体32A中。

再次参考图4的分解图，密封元件31包括当所述阀座30安装在所述阀体20中时面向所述球体10的前表面和面向所述第一壳体31A的封闭的底表面310的后表面31'。优选地，后表面31'正交于中心轴线A展开，即正交于密封元件31的圆柱形表面311A、311B展开。根据图2至图6所示的第一可能实施方案，后表面31'在正交于中心轴线A的单一平面上展开。

密封环31的前表面包括第一部分133A，第一部分133A相对于所述中心轴线A倾斜以与球体10接触并且在阀座30中存在加压流体的情况下实现密封。前表面还包括第二部分133B，在密封元件31由于压力而轴向位移(浮动)后，抗挤出装置作用在该第二部分133B上。

在这方面，根据优选实施方案，第二壳体33A由两个主要表面43A、43B(在图5中表示出)界定，该两个主要表面在正交于中心轴线A的相互间隔开的径向平面上展开。特别地，第二壳体33A具有主要的径向延伸部，这表示这样的状态，使得沿正交于中心轴线A的径向方向测量的第一壳体33A的延伸部大于沿平行于中心轴线A的方向在界定壳体33A本身的主要表面43A、43B在其上伸展的平行平面之间测量的距离。

优选地，抗挤出环33具有大体上梯形的截面，其中所述截面在与所述中心轴线A相关的径向平面上评估；特别地，抗挤出环33安装成使得梯形截面的倾斜表面333面向球体10。前环33界定邻接表面331，该邻接表面331出现在与密封元件31的前表面133的第二部分133B面对且间隔开的位置中。词语“间隔开”表示在没有加压流体存在的情况下所评估的状态，使得在邻接表面331和第二部分133B之间界定间隙(在图5中用G1表示)，该间隙允许在存在压力流体的情况下，密封元件31朝向球体10的轴向(浮动)运动。当密封元件31的第二部分133B与前环33的邻接表面331接触时，这种轴向运动停止。

根据本发明的另一方面，阀座30的前表面30A具有与球体10的外表面的轮廓大体互补的轮廓。再次参考图4，前表面30A因此具有大体上垂直于中心轴线A的第一部分300A和相对于同一中心轴线A倾斜以与球体10的轮廓互补的第二部分300B。根据上面公开的原理，密封元件31和前环33从该第二部分300B露出。

整体上，阀座30包括在前表面30A和与前表面30A相对的后表面30B之间展开的前部分30'，后表面30B面向阀体20。阀座30包括从表面30B展开的一个或更多个后壳体34B。弹性装置60容纳在该壳体中，该装置一侧作用在阀体20上，且另一侧作用在阀座30上，以便使阀座30朝向球体10推动，在后表面30B和阀体20的面向后表面30B本身的表面20B之间形成间隙，在下文中表示为间隙G2(参见图2)。特别地，间隙G2被确立为小于上面界定的在抗挤出环33的邻接表面331和密封元件31的第二部分133B之间界定的间隙G1。条件G1＞G2有利地允许恢复球体10在存在压力的情况下所经受的弹性变形。换言之，借助于该条件，密封元件31设置有足以确保在球体10上存在弹性变形的情况下抵靠球体10密封的轴向行程。

根据另一方面，阀座30的前部分30'还包括圆柱形外表面30C，该圆柱形外表面30C平行于中心轴线A在所述前表面30A和后表面30B之间展开；阀座30还包括凹部40A，该凹部40A从外表面30C展开，在凹部40A中可以容纳另一个中心密封环40，该中心密封环40优选地但不排他地包含由弹性体材料制成的O形环(或者可选地弹性体唇形密封件)。如下面更详细地示出的，在第一实施方案中，密封组件包括容纳在凹部40A中的中心密封环40以构造SPE型阀。在可选的实施方案中，密封组件不包括所述中心密封环40以构造DPE型阀。

阀座30还包括从前部分30'的后表面30B延伸的后部分30”。后部分30”包括第一圆柱形外表面50'，第一圆柱形外表面50'从所述后表面30B平行于中心轴线A展开，并且第一圆柱形外表面50'显示出小于前部分30'的外表面30C的径向延伸部的径向延伸部(即，根据正交于中心轴线A的方向所评估的)。阀座30的后部分30”还包括第二圆柱形外表面50”，第二圆柱形外表面50”平行于中心轴线A展开，显示出小于第一外表面50'的径向延伸部的径向延伸部(该径向延伸部再次从中心轴线A来评估)。后部分50的两个表面50'、50”通过在正交于中心轴线A的横向平面上展开的肩部表面50”'连接。当阀座30安装在阀体20中时，第二圆柱形表面50”和肩部表面50”'与阀体20一起构成后壳体80，后环形密封装置51、52'、52”、53容纳在后壳体80中。特别地，该后壳体80在前面由肩部表面50”'定界且在后面由阀体20的面向肩部表面50”'本身的表面25来定界。

后密封装置(51、52'、52”、53)确保阀座30与阀体20之间的后部密封。在可能的实施方案中，后密封装置包括第一环形后密封件51、第一抗挤出后密封件52'和第二抗挤出后密封件52”，第一抗挤出后密封件52'和第二抗挤出后密封件52”相对于第一后环形密封件布置在相对的部分上，以防止从后壳体80释放。优选地，后密封装置还包括容纳在后壳体80中的在第一抗挤出后密封件52'和肩部表面50”'之间的环形石墨密封件53。该石墨密封件53适合于执行防火功能。

根据另一方面，阀座30的后部分30”可以包括另外的凹部54A，该凹部54A可以从第二圆柱形表面50”展开以容纳另外的密封环54，优选地弹性体O形环或弹性唇形密封件，其在存在润滑的情况下也作为油脂密封件被提供。

为此目的，通道77在阀座30中获得，以用于供给油脂。该通道77在后部分30”的所述第二表面50”与前表面30A的第二部分300B之间展开。该通道77由两个连通的孔界定，根据本身在本领域中已知的解决方案，这两个连通的孔中的一个在轴向上界定，另一个通孔在径向上界定。

如上面所提到的，根据本发明的用于球阀的密封组件101是可互换的，即，能够分别且简单地通过消除凹部40A中的中心密封环40或包括中心密封环的存在而在双活塞效应DPE阀中执行密封功能或者在单活塞效应SPE阀中执行“自释放”功能。

在这方面，图2示出了包括凹部40A中的密封环40的密封组件，该密封组件在关闭阀的步骤期间或者在相对于工作流体流在球体10的上游操作的阀的第一密封组件的密封缺少的情况下确保在单活塞效应(SPE)中的“自释放”操作。

根据另一个可见的方面，在图2中，附图标记b指代密封元件31的密封点，而附图标记B表示经过密封点b并且平行于中心轴线A的参考轴线。再次在图2中，因此可以识别阀座30的前表面30A在轴线B上方的部分，该部分可与流体压力有关，例如在球体10上游系统缺少密封的情况下。在关闭的阀的状态下，密封元件31实现对球体10的密封。因此，流体不会越过点b，进而撞击阀座30的在轴线B上方的表面。在凹部40A中存在中心环40的情况下，流体不会越过中心环40并且阀座30表现为“自释放”，即自动地打开阀座。事实上，当流体压力克服弹性装置60的阻力时，阀座30远离球体10移动，并且压力在球体下游释放。

相反，在凹部40A中不存在中心环的情况下，流体越过凹部本身并且在阀座30的后表面30B和在布置弹性装置60的区域处的阀体20之间缓慢进入。流体继续流动直到遇到后密封装置(51、52'、52”)，并且更具体地是后密封环51，这实现了在阀座30与阀体20之间的后部密封。流体进一步前进到后壳体80中，并从后面推动后环形密封件51，从而实现后部密封。同时，流体在肩部表面50”'上施加压力，该肩部表面50”'正面地封闭其中布置有后密封装置的壳体80。肩部表面50”'上的压力转换成作用在阀座30上的朝向球体10的相应的推力。

整体上，通过推动阀座30远离球体10而抵靠阀座30作用的压力由作用在阀座30的在轴线B上方的前部分30A(前推力表面)上的压力给出。另一方面，在阀座30上施加由后表面30B的压力和肩部表面50”'上的压力确定的反压力，该反压力推压球体10。阀座30的作用有所述“反压力”的整个后推力表面(表面30B和50”'的总和)大于前表面30A的在轴线B上方的作用有趋于使阀座30移动远离球体10的压力的部分。该差异通过图2和图3中由轴线B下方的参考标记X指示的表面区域50”'示出。

该差异因此决定了力的不平衡，利用该不平衡，阀座30，且特别是元件31被保持抵靠着球体10。因此，源于在球体10上游系统缺乏密封的加压流体在前面由密封元件31保持并且在后面由后密封元件保持，因此不从球体10向下游释放。因此，在这种情况下，阀1呈现“双活塞效应”DPE性能。

特别是，已经看到，根据本发明的密封组件，且特别是相应的阀座30是可互换的，因为其可以简单地通过提供或消除密封件(在凹部40A中的中心密封环40)而保持所有其它形状和尺寸特征以及密封元件不变来执行“单活塞效应”SPE或“双活塞效应”DPE功能。

因此，根据本发明的密封组件允许阀制造商制造单一类型的阀(其中阀体构造成容纳密封组件1的阀座30，如上面所描述的并且在附图中示出的)，从而仅通过包括在装配时插入具有相应构型的即在凹部40A中存在或不存在第一密封环40的根据本发明的密封组件而针对不同类型的使用有利地提供相同的阀。因此，阀制造商不再被迫制造并且在库存中具有用于不同阀座的不同的阀类型，并且同时可以在库存中具有较少数量的阀座，因为相同的阀座可以用于制造SPE阀或制造DPE阀。

图7和图8涉及SPE型阀，其中根据本发明的密封组件与图2和3中的密封组件仅由于密封元件31的不同构型而不同。实际上，在该实施方案中，密封环31的后表面31'包括两个部分311'、311”，这两个部分311'、311”在正交于中心轴线A的间隔开且平行的平面上展开。后表面31'还包括在该两个平行部分311'、311”之间展开的圆柱形表面311”'。整体上，在该实施方案中，后表面31'的部分311'、311”、311”'构成肩部，即用于密封环32的壳体32A。在图7至图9中所示的实施方案中，密封环32呈现由弹性体材料制成的O形环的形状。

图9涉及DPE型阀，其中密封组件与图7和图8中所示的密封组件仅由于缺少凹部40A中的中心环40而不同。这是为了确保按照DPE阀所要求的第二原理来进行操作。

图10和图11涉及另一种SPE型阀，其中根据本发明的密封组件与图7和图8中的密封组件由于一些密封元件的不同构型而不同。特别地，在该实施方案中，设置在阀座30的前部分30'的凹部40A中的中心密封环(由附图标记40'表示)，例如插入到凹部54A中的密封环(用附图标记54'表示)(油脂密封件)由U形环密封件构成。

在图10和图11中所示的实施方案中，插入在由密封元件31界定的凹部32A中的密封环(由附图标记32'表示)是由热塑性材料制成的唇形密封环。特别地，参照图11，该表述表示由环形主体320形成的密封件，该环形主体的截面(根据穿过中心轴线A的径向横截平面来评估)是U形的。环320插入壳体32A中，使得U的两个相对部分平行于中心轴线A布置。也是环形的弹簧320A布置在环320中。这样的环320A具有激励环形元件的用途，以便也在相对封闭的压力的情况下确保U的相对的部分抵靠凹部32A的相应的圆柱形表面接触。唇形密封环32'还包括容纳元件321(背压)，该容纳元件321插入在环320中(在U的相对的一侧上)以便容纳弹簧320A。当阀座30被加压流体穿过时，容纳元件321的面向第一壳体31A的后表面310的表面经受来自流体压力本身的推力。根据上面所表述的原理，该推力传递到密封元件31以实现在第一壳体31A中的浮动运动。

再次参考图10，在后一实施方案中，后密封环(由51'表示)是唇形密封件型的并且具有与针对密封环32'描述的形状类似的形状。特别地，后密封环51'具有环形主体510、内部弹簧520和容纳元件521。在所有情况下，在图10中的实施方案中，后密封装置包括布置在后密封环51'与阀座30的肩部表面50”'之间的抗挤出环52'和石墨环53。关于图1至图4中所示的实施方案，在图10的实施方案中，在后密封环与阀体20的表面25之间不设置抗挤出环。

图12和图13涉及另一种DPE型阀，其与其它实施方案由于一些密封元件的不同构型而不同。特别地，在这种情况下，在由密封元件31和第一壳体31A界定的凹部32A中插入“双唇形阀座”类型的密封环(由附图标记32”表示)。大体上，该密封环32”可以看作是两个相对的唇形密封环的整体。特别地，密封环32”包括由热塑性材料制成的环361，该环361界定两个相对的U形部分361'、361”，环形弹簧362'、362”插入在该两个相对的U形部分中的每一个中。对于每个部分361'、361”，包括用于容纳相应的环形弹簧362'、362”的容纳元件363'、363”。

在图12和图13所示的实施方案中，后密封装置包括两个“唇形密封件”型密封件(由附图标记561、562表示)，在这两个“唇形密封件”之间设置有抗挤出环形密封件(由附图标记570表示)。优选地，可以提供石墨密封环53。

参考图10至图13中所示的实施方案，使用由热塑性材料制成的唇形密封环或双唇形密封环允许在对于弹性体材料(例如，橡胶)而言可能是禁止的温度下的应用。同时，热塑性材料的化学惰性允许用橡胶或其它弹性体材料不可以实现的应用。

应用于阀座30的前部分30'和后部分30”的密封元件可以具有不同于上面所描述和附图中所示的形状和组合。在所有情况下，这样的组合总是可能的，而不需要阀座30的界定用于各种元件的壳体的结构有任何变化。这与根据本发明的密封组件的可互换性是一致的。

Claims (19)

1.一种用于工业球阀(1)的密封组件(101、102)，其中，所述阀(1)包括至少一个阀体(20)和容纳在所述阀体中的球体(10)，所述密封组件包括：

-至少一个阀座(30)，其在所述阀体(20)中是可插入的，所述阀座(30)围绕中心轴线(A)展开并且界定用于加压流体通过的轴向腔(35)，所述阀座(30)包括在所述阀座(30)的第一前表面(30A)处的第一壳体(31A)，当所述阀座(30)安装在所述阀体(20)中时，所述第一壳体(31A)面向所述球体(10)，所述第一壳体(31A)包括在横向于所述中心轴线(A)的平面上展开的封闭的底表面(310)；

-密封元件(31)，其由热塑性材料制成，以实现在所述阀(1)的所述阀座(30)和所述球体(10)之间的流体密封，所述密封元件(31)是环形的并且容纳在所述第一壳体(31A)中；

其特征在于，当所述阀座(30)安装在所述阀体(20)中并且当所述阀座(30)被所述加压流体内部地穿过时，所述密封元件(31)以一定的径向间隙容纳在所述第一壳体(31A)中以沿平行于所述中心轴线(A)的方向相对于所述阀座(30)浮动，所述密封组件(101、102)包括抗挤出装置以避免所述密封元件(31)在所述阀的打开步骤期间从所述第一壳体(31A)抽出。

2.根据权利要求1所述的密封组件(101、102)，其中，所述阀座(30)包括在所述第一前表面(30A)处的第二壳体(33A)，并且当所述阀座(30)被安装在所述阀体(20)中时，所述第二壳体(33A)面向所述球体(10)，并且其中所述抗挤出装置包括容纳在所述第二壳体(33A)中的抗挤出环(33)，所述抗挤出环(33)相对于所述第一前表面(30A)露出以便将所述密封元件(31)保持在所述第一壳体(31A)中。

3.根据权利要求1或2所述的密封组件(101、102)，其中，所述第一壳体(31A)由第一外圆柱形表面(311)和内圆柱形表面(312)界定，所述密封元件(31)的外表面(311A)和内表面(311B)分别面向所述第一外圆柱形表面(311)和所述内圆柱形表面(312)，并且其中所述密封元件(31)界定圆形壳体(32A)，密封环(32)容纳在所述圆形壳体(32A)中以实现所述第一壳体(31A)的所述第一外圆柱形表面(311)和所述密封元件(31)的所述外表面(311A)之间的密封。

4.根据权利要求2所述的密封组件(101、102)，其中，所述第二壳体(33A)具有主要径向的延伸部，并且其中所述抗挤出环(33)具有大体上梯形的截面，其中所述梯形的截面相对于所述中心轴线(A)在径向平面上被评估，所述抗挤出环(33)安装成使得所述梯形的截面的倾斜面(333)面向所述球体(10)。

5.根据权利要求2和4中任一项所述的密封组件(101、102)，其中，所述密封元件(31)包括前表面(133A、133B)和后表面(31')，当所述阀座(30)安装在所述阀体(20)中时，所述密封元件(31)的所述前表面(133A、133B)面向所述球体(10)，所述密封元件(31)的所述后表面(31')面向所述第一壳体(31A)的所述底表面(310)，所述密封元件(31)的所述前表面包括第一部分(133A)和第二部分(133B)，所述第一部分(133A)相对于所述中心轴线(A)倾斜以实现在所述球体(10)上的密封，并且其中所述抗挤出环(33)包括邻接表面(331)，所述邻接表面(331)在与面向所述第二部分(133B)且与所述第二部分(133B)间隔开的位置中露出。

6.根据权利要求1、2和4中任一项所述的密封组件(101、102)，其中，所述第一壳体(31A)的横截面面积比所述密封元件(31)的横截面面积大1％至5％，并且其中所述横截面在大体上正交于所述中心轴线(A)的径向平面上被评估。

7.根据权利要求1、2和4中任一项所述的密封组件(101、102)，其中，所述第一壳体(31A)的横截面面积比所述密封元件(31)的横截面面积大1％至3％，并且所述横截面在大体上正交于所述中心轴线(A)的径向平面上被评估。

8.根据权利要求1、2和4中任一项所述的密封组件(101、102)，其中，所述密封元件(31)由从包含PEEK、PA、PTFE、POM、PCTFE的组中选择的材料制成。

9.根据权利要求3所述的密封组件(101、102)，其中，所述密封环(32)插入在由所述密封元件界定的所述圆形壳体(32A)中，所述密封元件从包含以下项的组选择：由弹性体材料制成的O形环类型的环、由热塑性材料制成的唇形密封件类型的环和由热塑性材料制成的双唇形密封件类型的环。

10.根据权利要求1、2、4和9中任一项所述的密封组件(101、102)，其中，所述阀座(30)包括前部分(30')，所述前部分(30')在所述第一前表面(30A)和与所述第一前表面(30A)相对的后表面(30B)之间展开，并且所述前部分(30')面向所述阀体(20)，所述密封组件(101、102)包括弹性装置(60)，所述弹性装置(60)作用在所述阀体(20)的一侧上并作用在所述阀座(30)的另一侧上以便使所述阀座(30)抵着所述球体(10)推动。

11.根据权利要求10所述的密封组件，其中，所述阀座(30)包括在所述第一前表面(30A)和所述后表面(30B)之间平行于所述中心轴线(A)展开的外表面(30C)，所述阀座(30)包括靠近所述外表面(30C)界定的凹部(40A)，在所述凹部(40A)中容纳有另外的中心密封环(40)。

12.根据权利要求11所述的密封组件，其中，所述另外的中心密封环(40)由弹性体材料制成。

13.根据权利要求11所述的密封组件，其中，所述另外的中心密封环(40)由热塑性材料制成。

14.根据权利要求11-13中任一项所述的密封组件，其中，所述阀座(30)包括从所述前部分(30')的所述后表面(30B)展开的后部分(30”)，其中所述后部分(30”)包括：

-第一圆柱形表面(50')，其从所述前部分(30')的所述后表面(30B)平行于所述中心轴线(A)展开，并且所述第一圆柱形表面(50')具有比所述前部分(30')的所述外表面(30C)的径向延伸小的径向延伸；

-第二圆柱形表面(50”)，其平行于所述中心轴线(A)展开并且具有比所述后部分(30”)的所述第一圆柱形表面(50')的径向延伸小的径向延伸；

肩部表面(50”')，其在大体上正交于所述中心轴线(A)的平面上在所述第一圆柱形表面(50')和所述第二圆柱形表面(50”)之间形成，所述肩部表面(50”')和所述第二圆柱形表面(50”)界定后壳体(80)，后环形密封装置(51、52'、52”)容纳在所述后壳体(80)中，所述后壳体由所述肩部表面(50”')正面地封闭。

15.根据权利要求14所述的密封组件(101、102)，其中，所述后环形密封装置包括第一环形后密封件(51)、第一抗挤出后密封件(52')和第二抗挤出后密封件(52”)，所述第一抗挤出后密封件(52')和所述第二抗挤出后密封件(52”)布置在所述第一环形后密封件(51)的相对侧上以防止所述第一环形后密封件(51)从所述后壳体(80)释放。

16.根据权利要求15所述的密封组件(101、102)，其中，所述后环形密封装置包括布置在所述第二抗挤出后密封件(52”)和所述肩部表面(50”')之间的石墨环密封件(53)。

17.根据权利要求15-16中任一项所述的密封组件(101、102)，其中，所述密封组件包括布置在所述后壳体(80)中的石墨环密封件(53)。

18.根据权利要求15-16中任一项所述的密封组件(101、102)，其中，所述密封元件(31)在密封点(b)处实现所述阀座(30)和所述球体(10)之间的密封，并且其中经过所述密封点(b)且平行于所述中心轴线(A)的参考轴线(B)确定前推力表面和后推力表面，所述前推力表面在经过所述中心轴线(A)的竖直平面上，所述前推力表面由所述第一前表面(30A)在所述参考轴线(B)上方的部分界定，所述后推力表面包括所述后表面(30B)和所述肩部表面(50”')，所述后推力表面大于所述前推力表面。

19.一种球阀，其特征在于，所述球阀包括根据前述权利要求中任一项所述的密封组件(101、102)。

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