CN111853341B - 一种用于超低温工况下的填料自密封组件及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超低温工况下的填料自密封组件及其方法，包括阀盖、第一压板和自密封模块，阀盖固定套设于目标阀体的阀杆上，在阀盖的内壁上部环绕阀杆开设环形的第一凹槽，自密封模块位于第一凹槽中；自密封模块包括从上到下依次贴合设置的填料、垫片、弹簧、第二压板和节流元件，均同轴套于阀杆的外部；节流通道的直径沿进气孔到出气孔的方向逐渐减小，能使流体在节流通道内通过节流降压作用变为气体。本发明利用了超低温流体介质的节流降压作用，有效实现了填料的自密封性能，保证了密封填料的温度始终处于0℃以上；同时自密封组件还避免了填料在目标阀体不工作时仍处于加紧密封的状态，从而延长了填料的使用寿命。

Description

一种用于超低温工况下的填料自密封组件及其方法

技术领域

本发明属于阀门装置领域，特别涉及一种用于超低温工况下的填料自密封组件及其方法。

背景技术

随着液化天然气(LNG)的大力发展，LNG接收站及运输设备上的流体控制设备也越来越多，尤其是超低温阀门，作为LNG接收站和运输设备流体管路不可或缺的装置，常常处于超低温状态下工作。密封装置作为阀门中重要的组成部分，其密封性能的好坏决定着阀门质量的优劣。在超低温工况下工作的阀门，阀门密封结构易受到低温介质的影响，阀门各部分极易受到冷收缩的作用，使得阀门密封结构发生变形，甚至破坏。在超低温球阀中，阀杆处的填料密封有着严格的温度要求，必须保证填料始终处于0℃以上。

随着技术的发展，工业对密封提出了更为严格的要求，频换拆卸更换密封填料会造成维修成本的上升，为节约维修成本，现阶段阀门密封研究不仅要求密封的高可靠性，而且要求具有长期的工作寿命。因此，研究适合密封效果良好、使用寿命长的密封结构具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种用于超低温工况下的填料自密封组件及其方法，本发明借助低温流体的节流降压作用实现了填料的自压紧，并加强了填料的密封作用。

本发明的技术方案如下：

一种用于超低温工况下的填料自密封组件，其包括阀盖、第一压板和自密封模块，所述阀盖固定套设于目标阀体的阀杆上，在阀盖的内壁上部环绕所述阀杆开设环形的第一凹槽；所述自密封模块为环形，位于所述第一凹槽中，与第一凹槽的底部平齐；所述第一压板套设于所述阀杆上，与所述阀盖的出口侧固定连接；沿第一压板的内壁周向固定有环形压盖，压盖的下端伸入第一凹槽中并与所述自密封模块的顶部紧密贴合；

所述自密封模块包括从上到下依次贴合设置的填料、垫片、弹簧、第二压板和节流元件，均同轴套于所述阀杆的外部；所述节流元件包括节流通道，在节流元件的底部开设节流通道的进气孔，阀杆和阀盖之间溢出的超低温流体能通过所述进气孔进入节流通道，节流元件的外侧壁上部开设节流通道的出气孔；节流元件的外侧壁上部与所述阀盖内壁之间留有空隙，在第二压板的盖合作用下，构成相对封闭的气体腔室；所述节流通道的直径沿进气孔到出气孔的方向逐渐减小，能使流体在节流通道内通过节流降压作用变为气体；所述弹簧能沿所述阀杆轴向伸缩，且始终处于压缩状态；弹簧的一侧压合于所述第二压板上，另一侧压合于所述垫片上，垫片、弹簧和第二压板均能在所述第一凹槽中沿所述阀杆的轴向移动；所述填料的内外侧壁分别与所述阀杆和阀盖内壁紧密贴合，并且填充完全；填料的上下面分别被压盖和垫片挤压，填料呈现径向变大的趋势。

作为优选，所述阀盖通过法兰组固定套设于目标阀杆上，所述第一压板通过螺栓组与所述阀盖连接固定。

作为优选，所述压盖的内外侧壁沿周向分别开设第二凹槽，用于放置第一O型圈进行密封，使压盖与所述阀杆和阀盖内壁的贴合处均具有气密性。

作为优选，所述垫片的内外侧壁沿周向分别开设第三凹槽，用于放置第二O型圈进行密封；所述节流元件内外侧壁的下部沿周向分别开设第四凹槽，用于放置第三O型圈进行密封。

作为优选，所述弹簧采用碟形弹簧。

作为优选，所述节流通道为多个，在所述节流元件上周向均匀布设。

作为优选，所述第二压板的外侧向下设有圆弧形挡板，所述圆弧形挡板与所述出气孔位于同侧，圆弧形挡板的底部低于所述出气孔位置，圆弧形挡板用于防止从出气孔流出的气体直接从第二压板与所述阀盖的连接处溢出。

作为优选，所述填料由多组环形填料块组成。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述任一所述组件在超低温工况下自密封的方法，其具体如下：

S1、将所述组件固定安装于目标阀体的阀杆上，并调节第一压板与阀盖的相对位置，使弹簧在压盖的作用下处于压缩状态；

S2、当目标阀体处于工作状态时，阀腔内的超低温流体沿着阀杆和阀盖之间的缝隙到达节流元件下方，通过设于节流元件底部的进气孔进入节流通道；超低温流体在流动的过程中，通过节流通道的节流降压作用变为气体，气体从节流通道的出气孔溢出并存积于气体腔室中；

当气体腔室被气体充满时，通过气体压力的作用，会阻止后续超低温流体通过节流通道形成的气体从出气孔中溢出，防止低温向上继续扩散，避免填料的温度继续降低；此时，气体压力还对第二压板产生向上的作用力，当该作用力大于弹簧作用于第二压板向下的弹力时，第二压板会向上移动，弹簧被进一步压缩，同时带动垫片向上移动；由于填料顶部在压盖的作用下无法向上做刚体位移运动，填料在垫片和压盖的联合作用下被压紧、径向尺寸变大，填料的内外侧壁分别与阀杆和阀盖之间进一步贴紧，使得密封加强；

S3、当目标阀体停止运作时，阀腔内的超低温流体不再沿着阀杆和阀盖之间的缝隙到达节流元件下方，由于气压作用，气体腔室中存积的气体会从出气孔回流至节流通道内，此时，作用于第二压板上的气体压力也逐渐降低；当气体压力小于弹簧的弹力时，垫片、弹簧和第二压板均能恢复到初始位置，填料也能恢复初始状态，避免了填料在阀体停止运作时仍处于压紧状态。

作为优选，所述填料始终处于0℃以上。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1)本发明的填料自密封组件能够使超低温流体介质经过节流元件的节流降压作用形成气体，并且该气体积存于气体腔室中；当气体压力大于等于低温流体介质的压力时，能够阻止流体压力进一步进入节流元件；另一方面气体压力高于第二压板上方弹簧的弹力时，能产生向上的作用力，通过垫片压紧填料实现加强密封；

2)本发明的填料自密封组件利用了超低温流体介质的节流降压作用，有效实现了填料的自密封性能，保证了密封填料的温度始终处于0℃以上；同时自密封组件还避免了填料在目标阀体不工作时仍处于加紧密封的状态，从而延长了填料的使用寿命。

附图说明

图1为本发明组件的剖面示意图；

图2为图1中自密封模块的局部放大图；

图3为本发明组件中节流元件的结构示意图；

图中：1、螺栓组；2、第一压板；3、法兰组；4、压盖；5、第一O型圈；6、填料；7、阀盖；8、第三O型圈；9、节流元件；10、第二压板；11、弹簧；12、第二O型圈；13、垫片；14、阀杆；15、节流通道；16、密封槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，为本发明的一种用于超低温工况下的填料自密封组件，其包括阀盖7、第一压板2和自密封模块。其中，阀盖7套设于目标阀体的阀杆14上，阀盖7可以通过法兰组3与目标阀杆14固定连接，在阀盖7的内壁上部开设有第一凹槽，第一凹槽为环形，且环绕于阀杆14外壁设置，该第一凹槽用于放置自密封模块。自密封模块同样为环形，且自密封模块的底部与第一凹槽的底部平齐。第一压板2套设于阀杆14上，位于阀盖7的出口侧，第一压板2可以通过螺栓组1与阀盖7连接固定，并且通过调节螺栓组1，可以实现第一压板2与阀盖7之间相对位置的调节。

在第一压板2上还设有压盖4，该压盖4沿第一压板2的内壁周向固定，压盖4的下端伸入到第一凹槽中，并能与自密封模块的顶部位置紧密贴合。压盖4的内侧壁上沿周向开设有第一个第二凹槽，该第一个第二凹槽处可以放置第一个第一O型圈5，进行密封，从而使压盖4与阀杆14的贴合处具有气密性，气体无法从两者的连接处溢出。压盖4的外侧壁上沿周向开设有第二个第二凹槽，该第二个第二凹槽处可以放置第二第一O型圈5，进行密封，从而使压盖4与阀盖7的贴合处具有气密性，气体无法从两者的连接处溢出。

如图2所示，自密封模块包括从上到下依次设置的填料6、垫片13、弹簧11、第二压板10和节流元件9，其中，填料6、垫片13、弹簧11、第二压板10和节流元件9均同轴套设于阀杆14的外部，两两部件之间贴合连接。

如图3所示，节流元件9包括节流通道15，在节流元件9的底部开设节流通道15的进气孔，且进气孔的位置满足使阀杆14和阀盖7之间溢出的超低温流体能通过进气孔进入节流通道15。在实际应用时，可以将该进气孔设置于节流元件9底部且紧贴阀杆14的一侧，或者在进气孔处设置一条进气孔道，该进气孔道的一端与进气孔连通，另一端在紧贴阀杆14处，同样能使得从阀杆14和阀盖7之间溢出的超低温流体能通过进气孔进入节流通道15。节流元件9外侧壁面的上部开设有节流通道15的出气孔，从阀杆14和阀盖7之间溢出的超低温流体能通过进气孔进入节流通道15，并且通过节流通道15的节流降压作用变成气体，最后从出气孔中流出。为了实现节流通道15对超低温流体的节流降压作用，可以将节流通道15设置为通道直径沿进气孔到出气孔的方向逐渐减小的渐变结构。节流通道15可以设置为多个，并且沿着在节流元件9的周向上均匀布设。

节流元件9的外侧壁上部与阀盖7内壁之间留有一定的空隙，在第二压板10的盖合作用下，构成相对封闭的环形气体腔室。此处相对封闭指的是，第二压板10能够在气体腔室内气体的作用下沿阀杆14上下移动，在该作用过程中，允许气体少部分从第二压板10与阀杆14和阀盖7的连接处溢出，因为溢出的气体能被上方的压盖4再次阻隔封闭。在实际应用时，可以将第二压板10的外侧向下设置一段圆弧形的挡板，该圆弧形挡板与出气孔位于同侧，且圆弧形挡板的底部低于出气孔位置，这样设置可以有效防止从出气孔流出的气体直接从第二压板10与阀盖7的连接处溢出，从而进一步增强了第二压板10的密闭性。为了保证该设置的有效性，圆弧形挡板的外侧应同样与阀盖7的内壁贴合，尽量不留空隙。

弹簧11能沿着阀杆14进行轴向上的伸缩，弹簧11的一侧压合于第二压板10上，另一侧压合于垫片13上，并且弹簧11始终处于压缩状态，弹簧11可以采用碟形弹簧。垫片13、弹簧11和第二压板10均能在第一凹槽中沿阀杆14的轴向移动，并且相互之间存在联动配合作用，具体将在方法中进行详细说明。

在实际应用时，可以在垫片13的内侧壁上沿周向开设有第一个第三凹槽，该第一个第三凹槽处可以放置第一个第二O型圈12，进行密封，从而使垫片13与阀杆14的贴合处具有气密性，气体无法从两者的连接处溢出。可以在垫片13的外侧壁上沿周向开设有第二个第三凹槽，该第二个第三凹槽处可以放置第二个第二O型圈12，进行密封，从而使垫片13与阀盖7的贴合处具有气密性，气体无法从两者的连接处溢出。同样的，可以在节流元件9的内侧壁上沿周向开设有第一个第四凹槽，该第一个第四凹槽处可以放置第一个第三O型圈8，进行密封，从而使节流元件9与阀杆14的贴合处封闭，使超低温流体无法从两者的连接处溢出。可以在节流元件9的外侧壁上沿周向开设有第二个第四凹槽，该第二个第四凹槽处可以放置第二个第三O型圈8，进行密封，从而使节流元件9与阀盖7的贴合处封闭，使超低温流体无法从两者的连接处溢出。节流元件9与阀杆14的贴合处、节流元件9与阀盖7的贴合处之间保持封闭，主要是防止绝大部分超低温液体不流通并进入上方，可以允许很少部分的液体进入上方，而上方设置的填料6起到的密封目的则是为了防止这很小部分的液体和节流后的气体泄漏。其中填料6的具体设置如下：

填料6的内壁与阀杆14紧密贴合，填料6的外壁与阀盖7内壁紧密贴合，并且填料6在所处环形槽的位置处填充完全。该处描述的填充完全是指，填料6上没有开设孔洞，填料6的上下面能在压盖4和垫片13的挤压下呈现径向变大的趋势，将填料6与阀杆14和阀盖7之间的缝隙填充完全，使得气体不能轻易通过。为了充分发挥填料6的密封性能，填料6可以由多组环形填料块组成，多组环形填料块是沿着阀杆14轴向同轴套设的，并且相邻环形填料块之间紧密贴合。

应用上述组件在超低温工况下实现自密封的方法，具体如下：

S1、首先，将本发明的组件固定安装于目标阀体的阀杆14上，通过调节第一压板2与阀盖7的相对位置，使弹簧11能在压盖4的作用下处于压缩状态。

S2、当目标阀体处于工作状态时，阀腔内的超低温流体会沿着阀杆14和阀盖7之间的缝隙到达节流元件9下方，由于节流元件9下部的内外壁面均设有第三O型圈(8)，具有良好的密封性，因此，超低温流体会通过设置于节流元件9底部的进气孔进入节流通道15内。

由于节流通道15为直径逐渐变小的结构，因此超低温流体在节流通道15内流动的过程中，会通过节流通道15的节流降压作用逐渐变为气体，产生的气体最终会从节流通道15的出气孔溢出进入气体腔室中，并逐渐在气体腔室中存积，直至气体腔室被气体充满形成高压环境。

当气体腔室被气体充满形成高压环境时，由于气体腔室内气体压力的作用，会阻止后续通过节流通道15节流降压后形成的气体从出气孔中的溢出现象，从而防止了低温向上继续扩散，避免了填料6的温度继续降低，保证了填料6的温度不低于0℃。在此过程中，虽然处于气体腔室内的气体与处于节流通道15内的气体之间相互接触，存在一定的热交换现象，但是，由于热损失的存在，在阻止节流通道15内的气体进入气体腔室内，能在很大程度上防止了低温扩散，有效保证了填料6的温度，从而使得填料6的性能稳定、寿命延长。

此时，气体压力还会对第二压板10产生向上的作用力，当该向上的作用力大于弹簧11作用于第二压板10向下的弹力时，第二压板10会在气体压力的作用下向上移动位置，位于第二压板10上方的弹簧11被进一步压缩，同时带动位于弹簧11另一侧的垫片13向上移动。由于填料6顶部盖设有压盖4，在压盖4的阻隔的作用下无法向上做刚体位移运动。因此，填料6在垫片13和压盖4的联合作用下被进一步压紧、径向的尺寸变大，此时，填料6的内外侧壁分别与阀杆14和阀盖7之间进一步贴紧，将填料6的内外侧壁与阀杆14和阀盖7之间的孔隙填平，使得密封效果加强。

S3、当目标阀体停止运作时，阀腔内的超低温流体不再沿着阀杆14和阀盖7之间的缝隙到达节流元件9下方。此时由于气压的作用，气体腔室中存积的气体会从出气孔回流至节流通道15内，同时，作用于第二压板10上的气体压力也逐渐降低。

当气体压力小于弹簧11的弹力时，在弹簧11的回弹作用下，位于弹簧11两侧的垫片13和第二压板10均能恢复到初始位置，同时，填料6也能恢复初始状态，在径向上不处于一直压缩的状态，避免填料在阀体停止运作时仍处于加紧密封状态，延长了填料6的使用寿命。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于超低温工况下的填料自密封组件，其特征在于，包括阀盖（7）、第一压板（2）和自密封模块，所述阀盖（7）固定套设于目标阀体的阀杆（14）上，在阀盖（7）的内壁上部环绕所述阀杆（14）开设环形的第一凹槽；所述自密封模块为环形，位于所述第一凹槽中，与第一凹槽的底部平齐；所述第一压板（2）套设于所述阀杆（14）上，与所述阀盖（7）的顶部出口侧固定连接；沿第一压板（2）的内壁周向固定有环形压盖（4），压盖（4）的下端伸入第一凹槽中并与所述自密封模块的顶部紧密贴合；

所述自密封模块包括从上到下依次贴合设置的填料（6）、垫片（13）、弹簧（11）、第二压板（10）和节流元件（9），均同轴套于所述阀杆（14）的外部；所述节流元件（9）包括节流通道（15），在节流元件（9）的底部开设节流通道（15）的进气孔，阀杆（14）和阀盖（7）之间溢出的超低温流体能通过所述进气孔进入节流通道（15），节流元件（9）的外侧壁上部开设节流通道（15）的出气孔；节流元件（9）的外侧壁上部与所述阀盖（7）内壁之间留有空隙，在第二压板（10）的盖合作用下，构成相对封闭的气体腔室；所述节流通道（15）的直径沿进气孔到出气孔的方向逐渐减小，能使流体在节流通道（15）内通过节流降压作用变为气体；所述弹簧（11）能沿所述阀杆（14）轴向伸缩，且始终处于压缩状态；弹簧（11）的一侧压合于所述第二压板（10）上，另一侧压合于所述垫片（13）上，垫片（13）、弹簧（11）和第二压板（10）均能在所述第一凹槽中沿所述阀杆（14）的轴向移动；所述填料（6）的内外侧壁分别与所述阀杆（14）和阀盖（7）内壁紧密贴合，并且填充完全；填料（6）的上下面分别被压盖（4）和垫片（13）挤压，填料（6）呈现径向变大的趋势。

2.根据权利要求1所述用于超低温工况下的填料自密封组件，其特征在于，所述阀盖（7）通过法兰组（3）固定套设于目标阀杆（14）上，所述第一压板（2）通过螺栓组（1）与所述阀盖（7）连接固定。

3.根据权利要求1所述用于超低温工况下的填料自密封组件，其特征在于，所述压盖（4）的内外侧壁沿周向分别开设第二凹槽，用于放置第一O型圈（5）进行密封，使压盖（4）与所述阀杆（14）和阀盖（7）内壁的贴合处均具有气密性。

4.根据权利要求1所述用于超低温工况下的填料自密封组件，其特征在于，所述垫片（13）的内外侧壁沿周向分别开设第三凹槽，用于放置第二O型圈（12）进行密封；所述节流元件（9）内外侧壁的下部沿周向分别开设第四凹槽，用于放置第三O型圈（8）进行密封。

5.根据权利要求1所述用于超低温工况下的填料自密封组件，其特征在于，所述弹簧（11）采用碟形弹簧。

6.根据权利要求1所述用于超低温工况下的填料自密封组件，其特征在于，所述节流通道（15）为多个，在所述节流元件（9）上周向均匀布设。

7.根据权利要求1所述用于超低温工况下的填料自密封组件，其特征在于，所述第二压板（10）的外侧向下设有圆弧形挡板，所述圆弧形挡板与所述出气孔位于同侧，圆弧形挡板的底部低于所述出气孔位置，圆弧形挡板用于防止从出气孔流出的气体直接从第二压板（10）与所述阀盖（7）的连接处溢出。

8.根据权利要求1所述用于超低温工况下的填料自密封组件，其特征在于，所述填料（6）由多组环形填料块组成。

9.一种基于权利要求1~8任一所述组件在超低温工况下自密封的方法，其特征在于，具体如下：

S1、将所述组件固定安装于目标阀体的阀杆（14）上，并调节第一压板（2）与阀盖（7）的相对位置，使弹簧（11）在压盖（4）的作用下处于压缩状态；

S2、当目标阀体处于工作状态时，阀腔内的超低温流体沿着阀杆（14）和阀盖（7）之间的缝隙到达节流元件（9）下方，通过设于节流元件（9）底部的进气孔进入节流通道（15）；超低温流体在流动的过程中，通过节流通道（15）的节流降压作用变为气体，气体从节流通道（15）的出气孔溢出并存积于气体腔室中；

当气体腔室被气体充满时，通过气体压力的作用，会阻止后续超低温流体通过节流通道（15）形成的气体从出气孔中溢出，防止低温向上继续扩散，避免填料（6）的温度继续降低；此时，气体压力还对第二压板（10）产生向上的作用力，当该作用力大于弹簧（11）作用于第二压板（10）向下的弹力时，第二压板（10）会向上移动，弹簧（11）被进一步压缩，同时带动垫片（13）向上移动；由于填料（6）顶部在压盖（4）的作用下无法向上做刚体位移运动，填料（6）在垫片（13）和压盖（4）的联合作用下被压紧、径向尺寸变大，填料（6）的内外侧壁分别与阀杆（14）和阀盖（7）之间进一步贴紧，使得密封加强；

S3、当目标阀体停止运作时，阀腔内的超低温流体不再沿着阀杆（14）和阀盖（7）之间的缝隙到达节流元件（9）下方，由于气压作用，气体腔室中存积的气体会从出气孔回流至节流通道（15）内，此时，作用于第二压板（10）上的气体压力也逐渐降低；当气体压力小于弹簧（11）的弹力时，垫片（13）、弹簧（11）和第二压板（10）均能恢复到初始位置，填料（6）也能恢复初始状态，避免了填料（6）在阀体停止运作时仍处于压紧状态。

10.根据权利要求9所述自密封的方法，其特征在于，所述填料（6）始终处于0℃以上。

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