IT201900019496A1

IT201900019496A1 - Guarnizione per valvola a sfera

Info

Publication number: IT201900019496A1
Application number: IT102019000019496A
Authority: IT
Inventors: Gian Matteo Sabeddu
Original assignee: A V V Added Value For Valves S R L
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2021-04-22
Also published as: CA3164080A1; EP4048926A1; CN115176107A; US20230087042A1; WO2021079393A1

Description

DESCRIZIONE

dell’Invenzione Industriale dal titolo:

GUARNIZIONE PER VALVOLA A SFERA

DESCRIZIONE

Campo tecnico di applicazione

La presente invenzione si rivolge al settore del trasporto di fluidi in circuiti in pressione o depressione e riguarda, in particolare, una guarnizione per valvola a sfera, particolarmente del tipo a sfera trunnion, atta a porre in collegamento due tubazioni e a consentire, o interrompere, il flusso di un fluido attraverso di esse.

Tecnica preesistente

Le valvole a sfera sono il tipo più comune ed utilizzato di dispositivo di intercettazione di un flusso in tubazioni idrauliche.

Le valvole a sfera comprendono essenzialmente:

- un corpo valvola, atto ad accoppiarsi con le tubazioni su cui la valvola deve essere applicata;

- un otturatore sferico, dotato di una cavità cilindrica coassiale al flusso, alloggiato nel corpo valvola in modo da poter ruotare all’interno di esso;

- due seggi di tenuta, ciascuno provvisto di una guarnizione sagomata, posti all’interno di detto corpo valvola e atti ad alloggiare detto otturatore sferico;

- una ghiera laterale di chiusura, atta a serrarsi su detto corpo valvola quando l’otturatore sferico è inserito al suo interno;

- uno stelo, o asta di comando, atto a cooperare direttamente con detto otturatore sferico;

- una leva di azionamento.

La tenuta, quando la valvola è in posizione di chiusura, è consentita grazie al contatto tra l’otturatore sferico e le guarnizioni sagomate alloggiate nei seggi posti all’interno del corpo valvola. L’otturatore sferico è imperniato e guidato da boccole montate sul corpo valvola. Le valvole a sfera del tipo a sfera trunnion sono particolarmente indicate per movimentazione mediante attuatori: la tenuta è garantita dall’effetto pistone dell’attuatore che agisce spingendo il seggio, e la relativa guarnizione sagomata, contro la sfera, con molle che garantiscono il precarico necessario per l’innesto della tenuta.

Attualmente le guarnizioni utilizzate sono realizzate in materiali elastomeri o termoplastici, scelti in funzione della specifica applicazione o delle condizioni di lavoro della valvola a sfera.

Le soluzioni più tradizionali, per applicazioni con valori di pressioni e temperature di esercizio standard e inerzie chimiche irrilevanti, prevedono l’uso di guarnizioni elastomeriche, ad esempio O-Ring in gomma, altamente adatti dal punto di vista meccanico, in quanto in grado di subire grandi deformazioni elastiche riassumendo poi la propria dimensione una volta ricreata una situazione di riposo.

In alternativa, per applicazioni dove sono richiesti intervalli più ampi di resistenza a temperatura, , sono impiegate guarnizioni termoplastiche.

Infine, nel caso di applicazioni più estreme, ad esempio per valvole in circuiti di fluidi altamente aggressivi dal punto di vista chimico, è preferibile non impiegare guarnizioni ma assicurare la tenuta con un contatto diretto metallo-metallo tra l’otturatore sferico e i seggi della valvola, previo trattamento di indurimento delle superfici di contatto. I sistemi di tenuta sopradescritti, siano essi del tipo a guarnizione o del tipo metallo-metallo, presentano alcuni limiti e svantaggi.

Le guarnizioni elastomeriche presentano, svantaggiosamente, un elevato momento torcente (torque), evidenti limiti di resistenza alle basse temperature e alle alte pressioni, proprio a causa della loro deformabilità, ed inerzia chimica in presenza di agenti aggressivi. Ulteriormente, le guarnizioni elastomeriche in condizioni di alte temperature, o addirittura di incendio, si bruciano, lasciando così la valvola priva di mezzi di tenuta.

Le guarnizioni termoplastiche presentano, svantaggiosamente, una bassa adattabilità della tenuta, oltre ad una resistenza meccanica, una resistenza chimico-fisica e una deformabilità facilmente influenzabili dalle temperature e dalle pressioni di esercizio.

Ulteriormente, le guarnizioni termoplastiche, se da un lato resistono alle alte temperature, dall’altro, , si usurano facilmente per sfregamento reciproco con le parti metalliche con cui vengono in contatto.

Infine, le tenute metallo-metallo richiedono dimensionamenti maggiori dei componenti della valvola (seggi e otturatore sferico), oltre ad un aggravio dei costi per l’esecuzione dei trattamenti di indurimento sulle superfici di contatto.

Presentazione del trovato

L’invenzione ha come scopo quello di superare questi limiti, realizzando una guarnizione per valvola a sfera per circuiti a fluido in pressione o depressione, del tipo a sfera trunnion, che garantisca la tenuta in qualsiasi condizione di operatività, dalle alte temperature, agli alti o bassissimi carichi di pressione, o al contatto con fluidi ed agenti particolarmente aggressivi.

Ulteriore scopo del trovato è realizzare una guarnizione che non si usuri rapidamente, mantenendo bassi i costi di produzione e manutenzione della valvola che la ospiterà.

Gli scopi sono raggiunti con una guarnizione per valvola a sfera per collegare tubazioni in circuiti a fluido in pressione o depressione, ove detta valvola comprende:

- un corpo valvola;

- un otturatore sferico alloggiato nel corpo valvola in modo da poter ruotare all’interno di esso;

- un primo e un secondo seggio di tenuta posti all’interno di detto corpo valvola e atti ad alloggiare detto otturatore sferico;

- mezzi di tenuta del tipo comprendente un prima ed una seconda guarnizione interposte tra detto primo e detto secondo seggio e detto otturatore sferico;

ove ciascuna guarnizione è caratterizzata dal fatto che è una guarnizione composita monoblocco e comprende almeno un primo strato e un secondo strato realizzati in materiali termoplastici, ove i valori di durezza, resistenza a trazione, e coefficiente di attrito sono differenti tra detti primo e secondo strato, ed ove detto primo strato coopera a tenuta direttamente con detto otturatore sferico, mentre detto secondo strato funge normalmente da supporto per detto primo strato e coopera a tenuta con detto otturatore sferico solo al raggiungimento di determinate condizioni operative.

Secondo un primo aspetto dell’invenzione, detto primo strato è scelto tra materiali termoplastici aventi le seguenti caratteristiche:

- durezza > 55 Sh D

- resistenza a trazione > 25 MPa

- coefficiente di attrito compreso tra 0,06 - 0,1 (ASTM D 1894).

Vantaggiosamente, detto primo strato è scelto tra PTFE e suoi derivati.

In una variante preferita, detto primo strato comprende un PTFE, vergine o modificato, rinforzato con aggiunta di grafite.

Ancor più preferibilmente, detto primo strato comprende un PTFE, vergine o modificato, rinforzato con aggiunta di carbonio.

Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, detto secondo strato è scelto tra materiali termoplastici aventi le seguenti caratteristiche: - durezza > 75 Sh D

- resistenza a trazione > 45 MPa

- coefficiente di attrito compreso tra 0,25 - 0,35 (ASTM D 1894).

Vantaggiosamente, detto secondo strato è scelto tra PEEK o PCTFE

Secondo una possibile variante realizzativa, detto primo strato e detto secondo strato sono conformati mediante rispettivamente un primo e un secondo anello stabilmente accoppiati tra loro.

In particolare, detto primo anello comprende una protrusione ricavata sul suo bordo esterno.

Secondo possibili varianti realizzative, detto primo anello è rivolto alternativamente internamente o esternamente a detta valvola a sfera. In alternativa, detto secondo anello comprende una cava anulare centrale e detto primo anello impegna detta cava anulare centrale. In una ulteriore possibile variante, detto secondo anello comprende una risega anulare e detto primo è inserito in detta risega anulare. I vantaggi del trovato sono evidenti, dovuti al contemporaneo impiego di due diversi materiali aventi caratteristiche fisicomeccaniche in grado di garantire alla valvola la massima tenuta in qualsiasi condizione di operatività.

La guarnizione, nonostante sia composta da due strati di materiali termoplastici distinti, figura come un unico componente monoblocco. La tenuta assicurata dalla guarnizione è una tenuta progressiva, che utilizza la capacità di adattamento e scorrimento del materiale più morbido che realizza il primo strato, oltre al supporto fisico-meccanico del materiale più resistente che realizza il secondo strato.

Vantaggiosamente, il materiale più adattabile, ovvero il PTFE o un suo derivato, andrà a compensare gli errori di forma dovuti alle deformazioni in valvola (dovuti o ad errori di esecuzione dei componenti, ad esempio problemi di sfericità derivanti dalla fase produttiva o ad eventuali deformazioni elastiche dei componenti in pressione), mentre il materiale più resistente, sia PEEK o PCTFE, darà sostegno alla parte adattabile della tenuta, e fornirà nel caso di usura o deformazione plastica del primo strato più morbido, dovuta ad esempio al raggiungimento di una determinata pressione di lavoro, una tenuta di sicurezza.

Pur mantenendo i medesimi vantaggi delle tenute elastomeriche e quindi un’ottima adattabilità e una tenuta perfetta a bassa pressione, con la combinazione dei materiali scelti per i due strati, la guarnizione risulta funzionante anche ad un range di temperatura ampio (dalla criogenia alle alte temperature) e con la massima inerzia chimica. Inoltre, attraverso l’opportuna combinazione di dimensionamento e posizionamento dei due anelli e di scelta dei materiali a basso coefficiente d’attrito è possibile garantire un notevole abbassamento del momento torcente rispetto alle soluzioni tradizionali.

Breve descrizione dei disegni

Questi ed altri vantaggi saranno maggiormente evidenti nel seguito, in cui vengono descritte modalità preferite di realizzazione dell’invenzione, a titolo esemplificativo e non limitativo, e con l’aiuto delle figure dove:

la Fig.1 rappresenta una porzione di una valvola a sfera per circuiti a fluidi in pressione, sezionata lungo un piano longitudinale, comprendente due guarnizioni secondo l’invenzione;

le Figg. 2, 3 e 4 rappresentano, in una sezione di dettaglio, una guarnizione composita secondo tre possibili varianti dell’invenzione, alloggiata in un seggio di una valvola a sfera per circuiti a fluidi in pressione.

Descrizione dettagliata di modi di attuazione preferiti dell’invenzione

Con riferimento alla Fig. 1 è mostrata una porzione di valvola a sfera 2 per circuiti a fluidi in pressione o depressione comprendente sostanzialmente

- un corpo valvola 3, atto ad accoppiarsi con una prima tubazione di monte e una seconda tubazioni di valle (non illustrate) alle quali la valvola 2 deve essere applicata;

- un otturatore sferico 4 dotato di una cavità cilindrica coassiale al flusso del fluido, alloggiato nel corpo valvola 3 in modo da poter ruotare all’interno di esso;

- un primo e un secondo seggio di tenuta 5 posti all’interno di detto corpo valvola 3, coassiali a dette tubazioni, e atti ad alloggiare detto otturatore sferico 4 con interposizione di rispettive prime seconde guarnizioni 1.

Con particolare riferimento ai dettagli di figure 2-4, sono illustrate dette guarnizioni 1, secondo possibili varianti realizzative dell’invenzione.

Dette guarnizioni 1 sono di tipo composito, realizzate mediante un primo 10 e un secondo 20 strato di materiali diversi, conformati sostanzialmente ad anello.

I materiali scelti sono tutti polimeri termoplastici, ma presentano caratteristiche fisico-meccaniche diverse tra loro.

Un primo strato 10 coopera a tenuta direttamente con detto otturatore sferico 4, mentre un secondo strato 20 funge da supporto per detto primo strato 10 e coopera a tenuta con detto otturatore sferico 4 al raggiungimento di determinate condizioni operative, ad esempio di un determinato valore elevato di pressione, cioè quando si supera una soglia predeterminata di pressione o al raggiungimento di determinate condizioni di usura della guarnizione.

Detto primo strato 10, il più morbido e duttile fra i due, è scelto tra materiali termoplastici aventi le seguenti caratteristiche:

- durezza > 55 Sh D

- resistenza a trazione > 25 MPa

- coefficiente di attrito compreso tra 0,06 - 0,1 (ASTM D 1894).

Un materiale termoplastico con queste caratteristiche è il politetrafluoroetilene (PTFE) più conosciuto attraverso le sue denominazioni commerciali: Teflon, Fluon, Algoflon, Hostaflon, Inoflon.

Tale polimero può essere utilizzato vergine oppure con aggiunta di altri componenti stabilizzanti e fluidificanti per migliorarne le possibilità applicative oppure cariche a base di silice, carbone, grafite, bronzo, inox, exd, per incrementare le prestazioni in ambito meccanico, pneumatico o chimico.

Per l’applicazione oggetto della presente invenzione, ottimi risultati si sono ottenuti con un PTFE vergine avente le seguenti caratteristiche:

Risultati ancora migliori si sono ottenuti con un PTFE modificato con aggiunta del 25% di carbone, avente le seguenti caratteristiche:

Detto secondo strato 20, il più resistente ed avente funzione di sostegno, è scelto tra materiali termoplastici aventi le seguenti caratteristiche:

- durezza > 75 Sh D

- resistenza a trazione > 45 MPa

- coefficiente di attrito compreso tra 0,25 - 0,35 (ASTM D 1894).

Materiali termoplastici con tali caratteristiche sono il polietere etere chetone (PEEK) e il policlorotrifluoroetilene (PCTFE), da scegliersi in base alle diverse esigenze e applicazioni.

Nel dettaglio, il PEEK presenta le seguenti caratteristiche meccaniche:

- durezza > 85 Sh D

- resistenza a trazione > 100 MPa

- coefficiente di attrito compreso tra 0,25 - 0,30 (ASTM D 1894).

Per l’applicazione oggetto della presente invenzione, ottimi risultati si sono ottenuti con un PEEK vergine avente le seguenti caratteristiche:

Il PCTFE presenta invece le seguenti caratteristiche meccaniche: - durezza > 75 Sh D

- resistenza a trazione > 45 MPa

- coefficiente di attrito compreso tra 0,3 - 0,35 (ASTM D 1894).

Ottimi risultati si sono ottenuti con un PCTFE avente le seguenti caratteristiche:

Come già sopra riportato, con la combinazione corretta dei materiali scelti per i due strati, la guarnizione 1 risulta adatta anche ad un intervallo di temperatura ampio (dalla criogenia alle alte temperature) e con la massima inerzia chimica.

Al solo titolo di esempio, dai test è emerso che:

- la combinazione PTFE-PEEK risulta ottimale per applicazioni ad alte pressioni fino a 420 bar con temperature da -100 °C a 220 °C;

- la combinazione PTFE-PCTFE risulta ottimale per applicazioni a medio/alte pressioni fino a 250 bar con temperature da -196 °C a 150 °C.

Con particolare riferimento alla geometria di detta guarnizione 1, in tutte le varianti realizzative possibili detto primo strato 10 e detto secondo strato 20 sono conformati mediante rispettivamente un primo e un secondo anello stabilmente accoppiati tra loro per formare un monoblocco.

Poiché detto primo strato 10 morbido e duttile in PTFE è atto a cooperare per primo a tenuta con detto otturatore sferico 4, detto primo anello comprende una protrusione 11 ricavata sul suo bordo esterno.

Tale protrusione 11 è tanto più sporgente quanto maggiore è il ritorno elastico del PTFE utilizzato: tale protrusione 11 deve essere sufficiente per compensare la deformazione per schiacciamento subita da detto primo anello sottoposto alla pressione dell’otturatore 4.

Con riferimento alla Figura 2, detto primo e detto secondo anello sono accoppiati stabilmente tra loro mediante costampaggio e detto primo strato 10 di materiale più morbido e duttile si affaccia verso l’interno della valvola a sfera 2.

Con riferimento alla Figura 3, detto secondo anello dello strato 20 in materiale più resistente occupa sostanzialmente tutto il seggio di tenuta 5 e presenta una cava anulare 21 centrale, aperta lungo il suo bordo esterno, in cui è inserito per interferenza, con aggrappaggio meccanico, detto primo strato 10 realizzato da detto primo in PTFE.

Con riferimento alla Figura 4, detto secondo strato 20 in materiale più resistente realizzato da detto secondo anello occupa ancora sostanzialmente tutto il seggio di tenuta 5, ma presenta una risega anulare 22 disposta lungo il suo bordo libero in corrispondenza del suo spigolo più esterno alla valvola 2. In tale risega anulare 22 è provvisto, e fissato mediante aggrappaggio chimico, detto primo strato 10 in PTFE conformato ad anello.

Il funzionamento della guarnizione 1 composita è di seguito descritto.

Quando la valvola 2 è in posizione di chiusura, la tenuta è ottenuta grazie al contatto tra l’otturatore sferico 4 e la guarnizione 1.

Si tratta di una tenuta progressiva, che utilizza la capacità di adattamento e scorrimento di detto primo strato 10 in PTFE come materiale morbido e duttile, e il supporto fisico meccanico di detto secondo strato 20 in PEEK o PCTFE come materiale più resistente. E’ chiaro che in condizioni di bassa pressione resiste in prima battuta il primo strato 10 in materiale più morbido che si deforma e assorbe anche i “difetti” di costruzione della valvola, mentre ad alte pressioni e in condizioni di usura della guarnizione, lavora a tenuta anche detto secondo strato 20.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Guarnizione (1) per valvola a sfera (2) per collegare tubazioni in circuiti a fluido in pressione o depressione, ove detta valvola a sfera (2) comprende: - un corpo valvola (3) ; - un otturatore sferico (4) alloggiato nel corpo valvola (3) in modo da poter ruotare all’interno di esso; - un primo e un secondo seggio di tenuta (5) posti all’interno di detto corpo valvola (3) e atti ad alloggiare detto otturatore sferico (4); - mezzi di tenuta del tipo comprendente una prima e una seconda guarnizione (1) interposte tra detto primo e detto secondo seggio (5) e detto otturatore sferico (4); ove ciascuna guarnizione (1) è caratterizzata dal fatto che è una guarnizione composita monoblocco e comprende almeno un primo strato (10) e un secondo strato (20) realizzati in materiali termoplastici, ove i valori di durezza, resistenza a trazione, e coefficiente di attrito sono differenti tra detti primo (10) e secondo (20) strato, ed ove detto primo strato (10) coopera a tenuta direttamente con detto otturatore sferico (4), mentre detto secondo strato (20) funge normalmente da supporto per detto primo strato e coopera a tenuta con detto otturatore sferico (4) solo al raggiungimento di determinate condizioni operative.
2) Guarnizione (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto primo strato (10) è scelto tra materiali termoplastici aventi le seguenti caratteristiche: - durezza > 55 Sh D - resistenza a trazione > 25 MPa - coefficiente di attrito compreso tra 0,06 - 0,1 (ASTM D 1894).
3) Guarnizione (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detto primo strato (10) è scelto tra PTFE e suoi derivati.
4) Guarnizione (1) secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detto primo strato (10) comprende un PTFE, vergine o modificato, rinforzato con aggiunta di grafite.
5) Guarnizione (1) secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che detto primo strato (10) comprende un PTFE, vergine o modificato, rinforzato con aggiunta di carbonio.
6) Guarnizione (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto secondo strato (20) è scelto tra materiali termoplastici aventi le seguenti caratteristiche: - durezza > 75 Sh D - resistenza a trazione > 45 MPa - coefficiente di attrito compreso tra 0,25 - 0,35 (ASTM D 1894).
7) Guarnizione (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detto secondo strato (20) è scelto tra PEEK o PCTFE 8) Guarnizione (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto primo strato (10) e detto secondo strato (20) sono conformati mediante rispettivamente un primo e un secondo anello stabilmente accoppiati tra loro. 9) Guarnizione (1) secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che detto primo anello comprende una sporgenza (11) ricavata sul suo bordo esterno. 10) Guarnizione (1) secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che detto primo anello è rivolto alternativamente internamente o esternamente a detta valvola (2). 11) Guarnizione (1) secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che detto secondo anello comprende una cava anulare centrale (21) e detto primo anello (10) è inserito in detta cava anulare centrale (21). 12) Guarnizione (1) secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che detto secondo anello comprende una risega anulare (22) e detto primo anello (10) è inserito in detta risega anulare (22). 13) Valvola a sfera (2) caratterizzata dal fatto che comprende almeno una guarnizione (1) secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti.