ITPS20040010U1 - Sede toroidale di tenuta per valvole a sfera flottante destinate a condotte per fluidi soggetti ad espansione termica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per modello di utilità avente per titolo:

“SEDE TOROIDALE DI TENUTA PER VALVOLE A SFERA FLOTTANTE DESTINATE A CONDOTTE PER FLUIDI SOGGETTI AD ESPANSIONE TERMICA”.

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente domanda di brevetto per modello di utilità ha per oggetto una sede toroidale di tenuta in materiale deformabile o soffice (quale PTFE, RPTFE, PA, PEEK e simili) per valvole a sfera flottante, destinate a condotte per fluidi soggetti ad espansione termica ed in particolare per gas allo stato liquido.

Nelle valvole a sfera flottante con doppia sede, le due sedi riescono a mantenere isolata dalla tubazione una porzione di volume detta “cavità del corpo” meglio definita in seguito.

Allorquando la “cavità del corpo” sia completamente o parzialmente piena di un liquido e soggetta ad un aumento della temperatura si può determinare in essa un eccessivo incremento della pressione che ha come conseguenza una perdita di pressione all’esterno.

Un esempio è una sistema di tubazioni nel quale liquidi di condensa, usati per la pulitura o per il collaudo si accumulino nella cavità del corpo valvola.

Se durante il successivo avvio dell’impianto la cavità del corpo non viene spurgata dal liquido con un’apertura parziale della sfera o con altri metodi, il liquido ritenuto può riscaldarsi durante Γ avviamento del sistema e causare un eccessivo aumento della pressione.

Un altro caso tipico è costituito da impianti di liquefazione e rigasificazione di gas naturali.

È ben noto che i gas naturali, subito dopo la loro estrazione, vengono condotti allo stato liquido, visto che in tale condizione risultano particolarmente agevolate le relative operazioni di stoccaggio e di trasporto.

Questa variazione di stato si produce nel momento in cui i gas anzidetti siano sottoposti, in successione, ad un notevole abbassamento di temperatura e ad una forte compressione.

Questi stessi gas recuperano il loro stato aeriforme non appena siano riportati alla temperatura ambiente con un notevole aumento di volume specifico che può dar luogo ad un’elevata pressione all’interno del volume che li contiene.

Ebbene il trasporto e lo stoccaggio di tali gas allo stato liquido avviene per il tramite di opportune condotte metalliche corredate di valvole di intercettazione del tipo comunemente denominato “a sfera flottante a doppia sede”, nelle quali la cavità centrale del corpo costituisce proprio un volume chiuso in cui, durante l’esercizio dell’impianto rimangono quantità di gas liquefatti.

Per meglio illustrare questa tecnologia consolidata, si ritiene opportuno fare riferimento alla tavola illustrativa allegata, nella quale la figura 1 è una sezione con un piano diametrale di una valvola a sfera flottante a doppia sede, cui è associato il particolare ingrandito della tradizionale tipica tenuta toroidale (sede) in essa adottata.

In tale figura 1 la valvola medesima è mostrata in posizione “chiusa”, mentre nell’analoga figura 2 la stessa valvola è mostrata in posizione “aperta”.

Con riferimento a tali figure, una tradizionale valvola a sfera è costituita da un corpo-valvola (1), all’ interno del quale è ricavata una cavità sostanzialmente cilindrica entro cui può rotare la sfera (3), forata centralmente, capace alternativamente di permettere o di interrompere il flusso del fluido lungo la rispettiva condotta o tubazione (7), secondo quanto mostrato rispettivamente nelle due figure citate.

Due sedi di forma toroidale (6) sostengono la sfera (3) che viene fatta ruotare intorno al proprio asse verticale tramite una leva (4) che aziona uno stelo (5).

La sfera passa dalla posizione “chiusa” (figura 1) alla posizione “aperta” (figura 2) e viceversa, con una rotazione di 90° dell’ anzidetto stelo (5).

Le due sedi (6) hanno il compito di impedire che il fluido convogliato dalla tubazione (7) passi attraverso la valvola, quando la sfera (3) è in posizione chiusa. Per costruzione, infatti, nella valvola assemblata, le due sedi vengono precompresse assialmente tra corpo valvola e sfera ed è evidente che solo il distacco di entrambe le sedi dalla sfera e/o dal corpo valvola, permette al fluido della linea (7) di passare attraverso la valvola chiusa (figura 1).

Con “cavità del corpo” (2) si intende il volume delimitato dalla parete interna del corpo valvola, dalla superfìcie esterna della sfera e dalle due sedi. Come si vede, tramite le citate figure, il volume della cavità del corpo varia secondo la posizione della sfera.

Se la sfera è aperta, detta “cavità” è limitata agli interstizi tra l' interno cilindrico del corpo e l’esterno sferico della sfera (figura 2). Se la sfera è chiusa, a tali interstizi si somma il volume del foro centrale della sfera (figura 1).

Le sedi non possono impedire che nel corso delle fasi transitorie di rotazione della medesima sfera (3), vale a dire dalla posizione di chiusura a quella di apertura e viceversa, il fluido riempia la cavità del corpo (2).

In detta cavità si determina dunque un ristagno di fluido che non genera alcun problema fintante che la sfera (3) si trovi in posizione aperta grazie alla presenza di un foro radiale (8) eseguito sulla sfera (3) che mette in comunicazione detta cavità (2) con la tubazione (7) (fig. 2).

Viceversa, nel caso in cui la sfera (3) sia chiusa, la cavità (2) rimane completamente isolata ed ogni passaggio di fluido da essa alla tubazione (7) è impedito dalle due sedi (6) che, come già detto, sono compresse e a stretto contatto di sfera e corpo valvola.

Per un qualsiasi motivo legato ad esigenze di ordinario funzionamento dell’impianto, ovvero a situazioni straordinarie o di emergenza, si può verificare un innalzamento della temperatura della tubazione, della valvola a sfera e dunque anche del liquido trattenuto nell’ anzidetta cavità (2).

Questa condizione innesca la variazione di stato di detti liquidi, i quali, nel ritornare allo stato aeriforme, non potendo espandersi perché costretti all’interno della cavità (2), generano una pressione così elevata da provocare deformazioni della sfera, del corpo valvola e perfino la rottura di quest’ultimo.

Di per sé le tradizionali sedi di tenuta (6) non sono nella condizione di assecondare in alcun modo lo sfogo del gas dalla cavità del corpo; il particolare ingrandito di figura 1 mostra infatti che un anello (6) di tipo classico presenta in sezione una forma sostanzialmente assimilabile ad un triangolo rettangolo incline, sotto la spinta del gas in pressione (P), ad incunearsi tra il corpo valvola (1) e la sfera (3).

Anzi, più la pressione nella cavità del corpo è elevata, più la sede (6) viene incuneata tra corpo (1) e sfera (3) favorendo ulteriormente il contatto tra sede e sfera e tra sede e corpo valvola e impedendo al gas in pressione di defluire verso la tubazione (7).

Varie soluzioni sono state fin ad oggi adottate per evitare gli inconvenienti legati all’espansione termica dei liquidi trattenuti nelle cavità delle valvole a sfera flottante a doppia sede.

Il più classico è costituito da una speciale, complessa e costosa valvola a sfera detta “a sfera supportata”, cioè vincolata nel suo asse di rotazione da due mozzi che ruotano su supporti fissati al corpo valvola.

Le sedi sono in questo caso mobili e spinte da molle verso la sfera.

Un aumento della pressione nella cavità del corpo valvola provoca un’automatica compressione di dette molle ed un conseguente arretramento delle sedi che si distaccano dalla sfera lasciando al gas in pressione la libertà di defluire dalla cavità del corpo verso la tubazione.

Un’altra soluzione consiste nel praticare un foro al centro della calotta della sfera chiusa rivolta “a monte”, cioè verso il lato della tubazione dal quale normalmente arriva il fluido.

Questa soluzione semplice ed economica ha il notevole svantaggio di rendere la valvola unidirezionale, in quanto la direzione del flusso è obbligata dalla posizione del suddetto foro.

Un’ulteriore soluzione è quella che adotta delle sedi dotate di un profilo speciale, assimilabile a grandi linee a quello di una molla a tazza, cui si riferiscono le allegate figure 3 e 4.

Questa particolare sede presenta una superficie di appoggio al corpo valvola (dorso) sagomata in modo da permettere alla sfera (3) in posizione chiusa di spostarsi lungo l’asse della tubazione (7) sotto Γ effetto della pressione differenziale tra lato “a monte” e lato “a valle” della sfera chiusa, come espressamente evidenziato in figura 4 ove i numeri (6V, 6M) si riferiscono rispettivamente alla sede “a valle” ed alla sede “a monte”.

Proprio per effetto dell’ anzidetto spostamento assiale, la sfera (3) comprime la sede a valle (6V) contro il corpo valvola (1), scaricando invece parzialmente o totalmente la sede “a monte” (6M), di modo che questa sede si distacchi dalla sfera e perda la sua capacità di tenuta consentendo al fluido in pressione di defluire dalla cavità del corpo (2) verso la tubazione (7).

L’inconveniente di questa soluzione è che lo scarico della pressione dalla cavità (2) avviene solo se sussiste una sufficiente pressione differenziale a cavallo della sfera chiusa, capace di spostare la medesima sfera “a valle”.

Inoltre eventuali corpi estranei che si interpongano tra il dorso delle sedi (6V, 6M) e il corpo valvola (1) possono compromettere il corretto funzionamento del sistema.

In altre parole, questa soluzione non risolve il problema in ogni condizione e non è del tutto affidabile e sicura.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare una sede di tenuta per valvole a sfera flottante a doppia sede di struttura semplice, economica ed intrinsecamente sicura, in grado di per sé di rendere possibile lo scarico della sovrapressione dall’ anzidetta cavità del corpo valvola, in ogni condizione: vale a dire con la sfera in posizione aperta o chiusa, in presenza o meno di una pressione differenziale tra monte e valle della sfera chiusa.

L’idea alla base della presente invenzione è quella di conferire alla nuova sede la capacità di distaccarsi dalla sfera e dal corpo valvola sotto la spinta della pressione sviluppatasi nella cavità del corpo e di permettere pertanto al fluido in pressione di defluire automaticamente e senza danno verso il condotto principale.

Per maggiore chiarezza esplicativa la descrizione del trovato prosegue con riferimento all’ulteriore tavola di disegno allegata, avente solo valore illustrativo e non certo limitativo, in cui:

- la figura 5 è una sezione con un piano diametrale di una valvola a sfera in posizione di chiusura;

- la figura 6 è analoga alla precedente, ma si riferisce alle medesima valvola in posizione di apertura;

- le figure 7 e 8 sono due ingrandimenti di un particolare di figura 5 e si riferiscono rispettivamente alla sede di tenuta nell’assetto mantenuto in assenza di pressioni differenziali tra cavità del corpo (2) e tubazione (7) e nell’assetto assunto in presenza di tali pressioni.

Sulla base di un esame comparativo tra queste ultime figure 5/6 e le precedenti figure 1/2 e 3/4, è facile accertare che, nella struttura generale, le due valvole cui si riferiscono tali figure sono esattamente identiche.

L’unica reale differenza risiede proprio nella particolare forma in sezione delle rispettive sedi di tenuta in essa adottate.

A tale riguardo risulta particolarmente efficace il confronto tra gli ingrandimenti di figura 1 e di figura 4 e gli anzidetti ingrandimenti mostrati nelle figure 7 e 8.

Con particolare riferimento all’ingrandimento di figura 7, la sede (60) secondo il trovato risulta normalmente in contatto con sfera e corpo valvola rispettivamente tramite le superfici coniche (60c) e (60d) contrapposte e divergenti in direzione della tubazione (7).

Questo particolare profilo di sede (60), sotto la spinta della pressione P, è in grado di permettere lo spostamento assiale della sede (6), consentito dalla scanalatura (la), e quindi, come indica la figura 8, il distacco della stessa sede dalla sfera (3) e il conseguente scarico verso la tubazione (7) della sovrapressione sviluppatasi nella cavità del corpo (2) per effetto dell’espansione termica del fluido in essa contenuto.

È appena il caso di precisare che detto spostamento assiale è reso possibile dall’intrinseca deformabilità del materiale soffice (PTFE, RPTFE, PA, PEEK e simili) di cui è costituita la sede (60).

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1) Sede toroidale in materiali deformabili elasticamente (quali PTFE, RPTFE, PA, PEEK e simili) per valvole a sfera destinate ad essere montate su tubazioni (7) di gas liquefatti e costituite da un rispettivo corpo valvola (1) che alloggia una sfera forata girevole (3) all’ interno di una cavità (2), sede caratterizzata per il fatto che le sue superfici laterali (60c, 60d), rispettivamente a contatto con la sfera (3) e con il corpo valvola (1), presentano profili conici concentrici e divergenti verso la tubazione (7) che le permettono, per effetto della differenza di pressione che si instaura tra la cavità (2) e la tubazione medesima (7), di compiere in direzione di quest’ultima uno spostamento assiale, consentito dalla presenza di un’apposita scanalatura (la) realizzata sullo stesso corpo valvola (1), grazie al quale spostamento la sua anzidetta superficie conica (60c) perde il contatto con la sfera (3) favorendo lo sfiato del fluido contenuto nella cavità (2) verso la tubazione (7).