CN113586754B - 一种强制密封阀座 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于深冷阀门技术领域的一种强制密封阀座；其中强制阀座密封结构包括阀体、球体、阀座组件；所述阀座组件和球体安装在所述阀体内；所述阀座组件包括安装在阀体内的阀座支承，在阀座支承靠近球体处设置有与球体密封配合的金属密封环和非金属密封环，所述金属密封环与阀座支承为一体结构，所述非金属密封环嵌入阀座支承内，所述金属密封环的尺寸高于所述非金属密封环。该发明通过设置金属密封环和非金属密封环，实现了阻断介质达到有效密封，同时又保护了非金属密封环不被压坏。

Description

一种强制密封阀座
技术领域
本发明属于深冷阀门技术领域，具体为一种强制密封阀座。
背景技术
目前在本发明专利涉及低温阀门技术领域，适用于液氮、液氧、液化天然气、乙烯、丙烯等低温介质管道工况用深冷强制密封轨道球阀。深冷强制密封轨道球阀是对超低温工况的一种挑战。现有深冷强制密封球阀有以下缺点：
1、现有深冷强制密封球阀不适用于超低温(-196℃)工况。
2、现有深冷强制密封球阀阀座组件与球体密封效果差，容易发生泄漏。
3、现有深冷强制密封球阀阀体形状不规则，在超低温及带压情况下，变形量大且不均匀，导致密封效果不佳。
4、现有深冷强制密封球阀阀座组件与阀体之间密封效果不佳，容易发生泄漏。
5、现有深冷强制密封球阀的球体密封面均采用特殊工艺进行硬化处理，以提高其表面硬度和耐磨性，在现场使用过程中，球体密封面属于易损坏位置，从而引发密封失效，出现泄漏。球体密封面一旦损坏，回厂维修不方便，需将整个球体拆解发回工厂，运输成本高，同时修复所需时间过长，造成现现场长时间停产，一旦球体密封面产生不可修复的损坏(密封面轻微损伤可修复，严重损伤时，将直接报废)，整个球体将报废，造成材料大量浪费，更换成本高。
针对这一问题，我们提出了一种强制密封阀座，不仅解决了由于阀体形状不规则导致的不均匀变形向密封面传递，提高阀体与阀座组件的密封效果；而且通过设置金属密封环和非金属密封环实现双重密封，提高阀座组件与球体之间的密封效果。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种强制密封阀座，包括阀体、球体、阀座组件，所述阀座组件和球体安装在所述阀体内；所述阀座组件包括安装在阀体内的阀座支承，阀座支承靠近球体处设置有与球体接触密封的非金属密封环，其特征在于，阀座支承的靠近球体处设置有与球体接触密封的金属密封环，金属密封环与阀座支承一体结构，金属密封环先与球体接触并形成密封。
在阀座支承上开设有第三弹性竖槽，所述第三弹性竖槽位于所述金属密封环与所述非金属密封环之间。
所述球体由带有球体密封面的球体密封环和球体主部组成，所述球体密封环与所述球体主部固定连接，在球体密封环与球体主部之间设置有密封垫片，在球体密封环与球体主部接触的底部留有间隙。
在阀体与阀座组件密封处设置有强制密封结构，在阀体靠近所述强制密封结构处设有第一弹性横槽和第一弹性竖槽；
所述强制密封结构包括阀座压环、阀座垫环、第一弹簧、T形密封环，所述阀座压环的阻断侧沿内周径向设置有弹性密封片，所述阀座压环内周与阀座支承固定连接；所述阀座垫环通过螺钉固定于阀座支承的阻断侧，阀座垫环和阀座支承分别从阻断侧和打开侧压紧弹性密封片；阀座垫环与阀体的密封面预压设置有第一弹簧，阀座压环外周与阀体螺纹连接，在所述阀座压环与所述阀体的密封面设置有T形密封环。
所述弹性密封片与阀座压环焊接或者为一体结构。
在所述阀座压环上径向开设有第四弹性竖槽。
提供了另一种强制密封阀座，包括阀体、球体、阀座组件，所述阀座组件和球体安装在所述阀体内；所述阀座组件包括安装在阀体内的阀座支承，阀座支承靠近球体处设置有与球体接触密封的金属密封环，金属密封环与阀座支承一体结构；在阀体的内壁上设有一组第一阶梯和一组第二阶梯，其特征在于，阀座支承与阀体密封处设置有强制密封结构；
所述强制密封结构包括：阀座压环、弹性密封片、阀座垫环和第一弹簧，所述阀座压环外周与一组第一阶梯的内壁螺纹连接；所述阀座压环的阻断侧沿内周径向设置有弹性密封片，阀座压环内周与阀座支承固定连接；所述阀座垫环和阀座支承分别从阻断侧和打开侧压紧弹性密封片；阀座垫环与一组第二阶梯的打开侧壁间预压设置有第一弹簧；
沿一组第一阶梯的打开侧壁的轴向开有第一弹性横槽，沿一组第二阶梯的内壁的径向开有第一弹性竖槽。
第一弹性横槽和第一弹性竖槽的间距F＝1～2倍的D；第一弹性横槽宽度D为0.1～0.2倍的B；第一弹性横槽深度B＝横槽固定深度C与横槽补偿深度A之和；其中A＝5mm～10mm，C为一组第一阶梯的打开侧壁至H为一组第二阶梯的打开侧壁之间的距离；第一弹性横槽与临近内壁的距离E为1～2倍的D；
第一弹性竖槽深度I＝竖槽固定深度H与竖槽补偿深度G之和；其中G＝5mm～10mm，H为一组第二阶梯的内壁至一组第一阶梯的内壁之间的距离；第一弹性竖槽宽度D为0.1～0.2倍的I；第一弹性横槽与临近侧壁的距离K为1～2倍的I。
阀座支承与阀体密封处还设置有自密封结构，在阀体的内壁上设有二组第一阶梯和二组第二阶梯，自密封结构设置于二组第一阶梯和二组第二阶梯的根部间；
自密封结构包括：由打开侧至阻断侧依次设置的：第二弹簧、第一T形环、H形密封环、第二T形环和第三弹簧，其中第二弹簧、第三弹簧分别预压设置在阀座支承、阀体内，第一T形环、第二T形环的伸出部分别插入H形密封环两侧的开口内。
沿二组第一阶梯的打开侧壁的轴向开有第二弹性横槽，沿二组第二阶梯的内壁的径向开有第二弹性竖槽。
本发明的有益效果在于：
1.本发明通过设置金属密封环和非金属密封环实现双重密封，提高阀座组件与球体之间的密封效果。
2.本发明通过在金属密封环和非金属密封环之间设置弹性竖槽，使金属密封环有一定弹性，可以承受更大的压力，同时可以保护非金属密封环不被压坏。
3.本发明的非金属密封环适用于超低温(-196℃)工况。
4.本发明通过在阀体上开设弹性横槽和弹性竖槽，阻断由于阀体形状不规则导致的不均匀变形向密封面传递，提高阀体与阀座组件的密封效果。
5.本发明通过设置强制密封结构和自密封结构，提高阀座组件与阀体之间的密封效果。
6.本发明的球体设置为组模块组合形式，提高深冷强制密封球阀球体返厂维修便利性，缩短维修时间，降低由于维修时间过长对现场生产运行的影响，降低长时修复等待对现场运行的影响，消除球体报废造成的材料浪费，降低球体维修成本。
7.本发明在球体密封环与球体主部接触底部留有间隙，保证球体密封环与球体主部相对独立，从而保证球体主部在带压情况下由于结构不对称导致的不均匀变形将不会传递到球体密封环，从而保证球体密封面变形均匀，进一步提高了球体与阀座组件密封的可靠性。
附图说明
图1为本发明一种强制密封阀座实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例在阀座组件附近的结构示意图。
图3为本发明实施例在阀座组件附近的结构示意图。
其中：1-阀体，2-球体，3-阀座组件，4-螺栓螺母组件，5-轴套，6-传动销，7-导轨销，8-阀杆，9-阀座支承，10-阀盖，11-支架，12-阀座压环，13-非金属密封环，14-T形密封环，15-阀座垫环，16-第一弹簧，17-第二弹簧，18-第三弹簧，19-H形密封环，20-第一T形环，21-第二T形环，24-第一螺钉，26-弹性密封片，27-金属密封环，30-第一弹性竖槽，31-第二弹性竖槽，32-第三弹性竖槽，33-第四弹性竖槽，34-第一弹性横槽，35-第二弹性横槽，101-球体主部，102-球体密封环，103-球体密封面，104-第二螺钉，105-密封垫片，106-间隙，111-一组第一阶梯，112-一组第二阶梯，113-二组第一阶梯，114-二组第二阶梯，115-第一辅助阶梯。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1～图3所示的本发明实施例，包括：阀体1、球体2、阀座组件3、阀盖10、阀杆8、轴套5和支架11，其中阀座组件3安装于阀体1的介质通道内，安装在阀体1内的球体2与阀座组件3密封配合；阀盖10设于阀体1的上方并与阀体1固定连接，支架11设于阀盖10的上方并与阀盖10固连，阀盖10内腔固定设有轴套5，阀杆8的尾端穿过支架11、阀盖10、轴套5与球体2连接，阀杆8上设有导轨槽，导轨销7安装在阀盖10上，导轨销7与导轨槽滑动配合。
阀座组件3包括：阀座支承9以及阀座支承9与阀体1密封处设置有的强制密封结构和自密封结构，其中设置在阀座支承9内肩侧的强制密封结构包括：弹性密封片26、第一螺钉24、阀座压环12和阀座垫环15，阀座压环12的外周通过螺纹与阀体1连接，阀座压环12内周靠近阻断的一侧沿径向向内固接有弹性密封片26，阀座垫环15通过螺钉24固定于阀座支承9的阻断侧，阀座垫环15和阀座支承9分别从阻断侧和打开侧压紧弹性密封片26；弹性密封片26可以发生形变，由于制造或者装配误差导致阀座压环的弹性密封片与阀座支承轴向有间隙时，阀座垫环压紧弹性密封片，使其变形贴紧阀座支承，确保密封严实有效；阀座垫环15与阀体1的密封面预压设置有第一弹簧16；阀座垫环15在打开方向上仅与弹性密封片26接触；
当球体2压向阀座组件3时，阀座组件3向阻断侧活动，在第一弹簧16的作用下，阀座垫环15与阀体1紧密接触，实现介质阻断；当球体2远离阀座组件3时，第一弹簧16回弹，推动阀座垫环15和阀座支承9回位。
在本实施例中，弹性密封片26与阀座压环12固接的形式为焊接或者为一体结构；
在本实施例中，在阀座压环12与阀体1的密封环介质阻断面之间设有T形密封环14，实现介质阻断；
在本实施例中，在阀座压环12的内侧沿径向开有第四弹性竖槽33，第四弹性竖槽33在阀座压环12的轴向上更靠近弹性密封片26的一侧(阻断侧)；当阀座压环12螺纹出现松动后，第四弹性竖槽33提供足够弹力，压紧T形密封环14，确保密封效果。
自密封结构包括：由打开侧至阻断侧依次设置的：第二弹簧17、第一T形环20、H形密封环19、第二T形环21和第三弹簧18，其中第二弹簧17、第三弹簧18分别横向预压设置在阀座支承9、阀体1内，第一T形环20、第二T形环21的伸出部分别插入H形密封环两侧(打开侧和阻断侧)的开口内；
在初始状态下，预压设置的第二弹簧和第三弹簧推动第一T形环和第二T形环撑开H形密封环，保证H形密封环与阀体和阀座支承充分接触，实现介质双向阻断，当介质由打开端流入时，介质推动H形密封环向阻断侧挤压，T形环会进一步撑开H形密封环，进一步增强介质阻断效果，当介质从阻断端进入时，原理与打开端进入相同；
在本实施例中，第一T形环20和第二T形环21的伸出部均为等腰梯形，且端头倒有圆角；
在阀体1的内壁上设有两组阶梯，其中靠近打开方向的一组(包括一组第一阶梯111和一组第二阶梯112)设置于阀座压环12附近，靠近阻断方向的一组(包括二组第一阶梯113和二组第二阶梯114)设置于自密封结构附近；具体的，阀座压环12设置于一组第一阶梯111和一组第二阶梯112的根部间，阀座压环12的外周与一组第一阶梯111的内壁通过螺纹连接；沿一组第一阶梯111的打开侧壁的轴向(图中横向)开有第一弹性横槽34，沿一组第二阶梯112的内壁的径向开有第一弹性竖槽30；第一弹性横槽34和第一弹性竖槽30组成一组弹性槽组；
自密封结构设置于二组第一阶梯113和二组第二阶梯114的根部间；沿二组第一阶梯113的打开侧壁的轴向开有第二弹性横槽35，沿二组第二阶梯114的内壁的径向开有第二弹性竖槽31；第二弹性横槽35和第二弹性竖槽31组成一组弹性槽组。
在阀体1与阀座组件3之间设置两处密封结构(强制密封结构和自密封结构)，并且围绕强制密封结构中的阀座压环12以及围绕自密封结构均均设置有弹性槽组将其围出，阻断密封面与阀体直接的联系，可以避免由于阀体不规则导致的不均匀形变向密封面传递，解决由于形变导致的泄露问题。
在本实施例中，第一弹性横槽34的各项参数分别为：第一弹性横槽深度B＝横槽固定深度C与横槽补偿深度A之和；A＝5mm～10mm；C为一组第一阶梯111的打开侧壁至H为一组第二阶梯112的打开侧壁之间的距离；第一弹性横槽宽度D为0.1～0.2倍的B；第一弹性横槽34与临近内壁(一组第一阶梯111的内壁)的距离E为1～2倍的D；第一弹性竖槽30的各项参数分别为：第一弹性竖槽深度I＝竖槽固定深度H与竖槽补偿深度G之和；G＝5mm～10mm；H为一组第二阶梯112的内壁至一组第一阶梯111的内壁之间的距离；第一弹性竖槽宽度D为0.1～0.2倍的I；第一弹性横槽34与临近侧壁(一组第二阶梯112的打开侧壁)的距离K为1～2倍的I；
在本实施例中，一组弹性槽组内两弹性槽的间距F由横槽的宽度决定，具体的，第一弹性横槽34和第一弹性竖槽30的间距F＝1～2倍的D；
在本实施例中，第一弹性横槽34和第一弹性竖槽30的槽底形状均为半圆形；
在本实施例中，第二弹性横槽35和第二弹性竖槽31的间距也为F；且第二弹性横槽35的各项参数均和第一弹性横槽34的各项参数相等，第二弹性竖槽31的各项参数均和第一弹性竖槽30的各项参数相等；
在本实施例中，为了保证第二弹性竖槽31的整体性，二组第一阶梯113和二组第二阶梯114根部间额外设置有第一辅助阶梯115，第三弹簧18设置于第一辅助阶梯115的打开侧壁的开孔内，第一辅助阶梯115为密封结构弹簧安装台阶，轴向和径向尺寸均以可容纳第三弹簧18为标准；
在本实施例中，一组第一阶梯111、一组第二阶梯112、二组第一阶梯113和二组第二阶梯114，由打开方向至阻断方向依次设置于阀体1的内壁上；容易理解的是，在任意两个阶梯(或两组阶梯)之间，可以根据实现功能的需要设置辅助阶梯；如本实施例中的两组阶梯之间没有阶梯或阶梯组，因此阀座垫环15设置于一组第二阶梯112和二组第一阶梯113的根部间，阀座垫环15的阻断侧面与一组第二阶梯112的打开侧壁密封配合；
在阀座支承9靠近球体2处设置有与球体2密封配合的金属密封环27和非金属密封环13，其中非金属密封环13嵌入阀座支承9内，金属密封环27设置于非金属密封环13的打开侧，非金属密封环13采用耐-196℃的工程塑料制成，金属密封环27与球体2的距离小于非金属密封环13；即在阻断时，在非金属密封环13接触球体2之前，金属密封环27先与球体2接触并形成密封；随后球体2继续移动，同时金属密封环27产生变形；非金属密封环13再与球体2接触并形成密封。
当球体2压向阀座组件3的金属密封环27时，金属密封环27与球体2充分接触，即可实现介质阻断，同时金属密封环27阻断侧设计有第三弹性竖槽32，当球体2压向金属密封环的力超过金属密封环所能承受的极限值时，金属密封环会通过设置的第三弹性竖槽32向阻断方向发生弹性变形，即球体向阻断侧移动，移动一定距离后，球体与非金属密封环13充分接触，实现再次对介质的阻断，通过上述阀座组件3与球体2的密封结构设计，提高了阀座组件与球体之间的密封效果，保证介质无法穿过。金属密封环27尺寸高于非金属密封环13的原因在于要实现介质截断，金属密封环所需的压力大于非金属密封环，同时金属密封环承受压力的能力大于非金属密封环，因此在设计时，球体密封面先与金属密封环接触，当球体压向金属密封环的力超过设计值时，金属密封环产生变形(本实施例中是由于第三弹性竖槽)后，球体密封面才与非金属密封环接触，此设计即保证了金属密封环与球体接触的力大于非金属密封环，实现了金属密封环与非金属密封环同时实现阻断介质的功能，又保护了非金属密封环不被压环，因为金属密封环承受压力的能力大于非金属密封环，球体压力大部分被金属密封环承受。
在本实施例中，金属密封环27与阀座支承9为一体结构，且在金属密封环27与非金属密封环13之间的阀座支承9上开设有第三弹性竖槽32；
在本实施例中，金属密封环27的截面形状为直角梯形且斜边与球体密封接触，金属密封环27的厚度和长度需保证最大横向(金属密封环27的厚度方向)变形值为0.2mm～0.5mm；
球体2由带有球体密封面103的球体密封环102和球体主部101组成，球体密封环102与球体主部101的配合面为多重台阶面，并在球体密封环102与球体主部101之间设置有密封垫片105，球体密封环与球体主部采用第二螺钉104固定连接，在球体密封环与球体主部接触的底部留有间隙106；
在本实施例中，间隙106的宽度为2mm～5mm。
球体2采用模块组合形式，当球体密封面出现损坏时，可以通过螺钉104拆下球体密封环102，将球体密封环102发回工厂进行修复，运输和维修方便，如果密封面出现不可修复的损坏，也只需要更换球体密封环，即只需报废球体密封环，避免整体球体报废，避免材料大量浪费；同时由于密封环在整个球体中的成本占比低，现场可额外配置密封环，做为备用，如果出现损坏，可在现场快速进行更换维修，最大程度降低由于球体密封面损坏而造成的天然气停输，降低天然气停输对下游工厂和居民社区的影响。同时，球体密封环102与球体主部101接触的底部留有间隙106，保证球体密封环与球体主部相对独立，从而保证球体主部在带压情况下由于结构不对称导致的变形不均匀将不会传递到球体密封环，从而保证球体密封面变形均匀，进一步提高了球体2与阀座组件3密封的可靠性。
在本实施例中，球体2上设置有两个传动销6，两个传动销6别位于阀杆8尾端的相对侧，阀杆8与传动销6卡接。

Claims (8)

1.一种强制密封阀座，包括阀体(1)、球体(2)、阀座组件(3)，所述阀座组件(3)和球体(2)安装在所述阀体(1)内；所述阀座组件(3)包括安装在阀体(1)内的阀座支承(9)，阀座支承(9)靠近球体(2)处设置有与球体(2)接触密封的非金属密封环(13)，其特征在于，阀座支承(9)的靠近球体(2)处设置有与球体(2)接触密封的金属密封环(27)，金属密封环(27) 与阀座支承(9)一体结构，金属密封环(27)先与球体(2)接触并形成密封；
在阀体(1)与阀座组件(3)密封处设置有强制密封结构，在阀体(1)靠近所述强制密封结构处设有第一弹性横槽 (34)和第一弹性竖槽 (30)；
所述强制密封结构包括阀座压环(12)、阀座垫环(15)、第一弹簧 (16)、T形密封环(14)，所述阀座压环(12)的阻断侧沿内周径向设置有弹性密封片(26)，所述阀座压环(12)内周与阀座支承(9)固定连接；所述阀座垫环(15)通过螺钉(24)固定于阀座支承(9)的阻断侧，阀座垫环(15)和阀座支承(9)分别从阻断侧和打开侧压紧弹性密封片(26)；阀座垫环(15)与阀体(1)的密封面预压设置有第一弹簧(16)，阀座压环(12)外周与阀体(1)螺纹连接，在所述阀座压环(12)与所述阀体(1)的密封面设置有T形密封环(14)。
2.根据权利要求1所述的一种强制密封阀座，其特征在于，在阀座支承(9)上开设有第三弹性竖槽(32)，所述第三弹性竖槽(32)位于所述金属密封环(27)与所述非金属密封环(13)之间。
3.根据权利要求1所述的一种强制密封阀座，其特征在于，所述球体(2)由带有球体密封面(103)的球体密封环(102)和球体主部(101)组成，所述球体密封环(102)与所述球体主部(101)固定连接，在球体密封环(102)与球体主部(101)之间设置有密封垫片(105)，在球体密封环与球体主部接触的底部留有间隙(106)。
4.根据权利要求1所述的强制密封阀座，其特征在于，所述弹性密封片(26)与阀座压环(12)焊接或者为一体结构。
5.根据权利要求1或2之一所述的强制密封阀座，其特征在于，在所述阀座压环(12)上径向开设有第四弹性竖槽 (33)。
6.一种强制密封阀座，包括阀体(1)、球体(2)、阀座组件(3)，所述阀座组件(3)和球体(2)安装在所述阀体(1)内；所述阀座组件(3)包括安装在阀体(1)内的阀座支承(9)，阀座支承(9)靠近球体(2)处设置有与球体(2)接触密封的金属密封环(27)，金属密封环(27) 与阀座支承(9)一体结构；在阀体(1)的内壁上设有一组第一阶梯和一组第二阶梯，其特征在于，阀座支承(9)与阀体(1)密封处设置有强制密封结构；
所述强制密封结构包括：阀座压环(12)、弹性密封片(26)、阀座垫环(15)和第一弹簧(16)，所述阀座压环(12)外周与一组第一阶梯的内壁螺纹连接；所述阀座压环(12)的阻断侧沿内周径向设置有弹性密封片(26)，阀座压环(12)内周与阀座支承(9)固定连接；所述阀座垫环(15)和阀座支承(9)分别从阻断侧和打开侧压紧弹性密封片(26)；阀座垫环(15)与一组第二阶梯的打开侧壁间预压设置有第一弹簧(16)；
沿一组第一阶梯的打开侧壁的轴向开有第一弹性横槽(34)，沿一组第二阶梯的内壁的径向开有第一弹性竖槽(30)。
7.根据权利要求6所述的一种强制密封阀座，其特征在于，阀座支承(9)与阀体(1)密封处还设置有自密封结构，在阀体(1)的内壁上设有二组第一阶梯和二组第二阶梯，自密封结构设置于二组第一阶梯和二组第二阶梯的根部间；
自密封结构包括：由打开侧至阻断侧依次设置的：第二弹簧(17)、第一T形环(20)、H形密封环(19)、第二T形环 (21)和第三弹簧(18)，其中第二弹簧 (17)、第三弹簧(18)分别预压设置在阀座支承(9)、阀体(1)内，第一T形环(20)、第二T形环(21)的伸出部分别插入H形密封环两侧的开口内。
8.根据权利要求6所述的一种强制密封阀座，其特征在于，沿二组第一阶梯的打开侧壁的轴向开有第二弹性横槽(35)，沿二组第二阶梯的内壁的径向开有第二弹性竖槽(31)。
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