KR102197830B1 - 고온 제어 밸브용 복합 동적 밸브 시일 조립체 - Google Patents

고온 제어 밸브용 복합 동적 밸브 시일 조립체 Download PDF

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Abstract

슬라이딩 스템 제어 밸브는 밸브 바디, 밸브 바디 내에 위치되는 시트 링, 및 밸브 바디 내에 미끄럼가능하게 장착되는 밸브 플러그를 포함하고, 밸브 플러그와 밸브 시트는 협력하여 제어 밸브를 통한 유체 유동을 제어한다. 복합 시일 조립체는 밸브 플러그 및 밸브 시트 사이에 위치되고, 복합 시일 조립체는 제 1 백업 링과 제 2 백업 링 사이에 위치되는 복합 시일 링을 포함한다. 바이어스 요소는 제 2 백업 링에 인접하게 위치되고, 유지 링은 바이어스 요소에 인접하게 위치되어 제 2 백업 링에 인접한 바이어스 요소를 유지한다.

Description

고온 제어 밸브용 복합 동적 밸브 시일 조립체{COMPOSITE DYNAMIC VALVE SEAL ASSEMBLY FOR HIGH TEMPERATURE CONTROL VALVES}
본 개시는, 슬라이딩 스템 밸브와 같은 프로세스 제어 밸브에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로, 고온 작동을 위한 복합 동적 밸브 시일 조립체를 갖는 슬라이딩 스템 제어 밸브에 관한 것이다.
프로세스 제어 밸브는 프로세스 유체 유동의 제어 또는 조절을 요구하는 시스템 또는 프로세스에서 사용된다. 이러한 제어 밸브는 슬라이딩 스템 밸브(sliding stem valve), 로터리 밸브(rotary valve), 글로브 밸브(globe valve) 등으로서 구성될 수도 있다. 밸브 플러그와 같은 제어 요소의 밸브 시트에 대한 위치를 설정함으로써, 제어 밸브를 통한 유체 유동은 정확하게 설정될 수도 있다. 밸브 플러그는 전체적으로 밸브 바디 내에서 밸브 시트에 대해서 슬라이딩되거나 이동된다. 어떤 제어 밸브에서는, 케이지가 포함될 수 있고, 밸브 플러그는 케이지 내에서 슬라이딩된다. 밸브 플러그가 밸브 바디 내에서 슬라이딩되기 때문에, 밸브 플러그와 밸브 바디 (또는 케이지) 사이의 유체 유동을 방지하는 것은 중요하다. 동시에, 밸브 플러그와 밸브 바디(또는 케이지) 사이의 마찰을 감소시키고, 마모 및 접착을 최소화하는 것이 바람직하다.
어떤 제어 밸브에서는, 시일이 밸브 플러그 자체에 통합될 수도 있거나, 또는 시일이 밸브 바디 (또는 케이지) 또는 보닛에 통합될 수도 있다. 어쨌든, 시일은 밸브 플러그와 밸브 바디 또는 보닛 사이로 유체가 유동하는 것을 방지해야 한다. 제어 요소와 밸브 바디 또는 보닛 사이로 유체가 유동하는 것을 방지하고, 제어 요소와 밸브 바디 또는 보닛 사이에서 생성되는 마찰을 감소시키기 위한 노력으로, 일부 슬라이딩 스템 밸브는 상대적으로 부드러운 재료를 시일 안에 통합시켜 왔다. 이러한 시일은 스프링 부하식, 압력 조력식 립 시일이고, 이는, 스테인레스 강, 니켈 또는 코발트계 합금으로 구성되는 내부식 스프링을 갖는 순수한(neat), 충진된(filled) 또는 강화된 폴리에트라플루오로에틸렌 재킷으로 구성된다. 다른 불소 중합체, 초고 분자량 폴리에틸렌, 및 폴리우레탄은 사용되는 다른 재킷 재료이다. 사용되어온 다른 타입의 시일은 합성 O-링, 쿼드 링(quad-ring), PTFE 계 마모 링(wear ring)를 갖는 백업 링, 및 금속 강화 PTFE 계 모노리식 시일(monolithic seals)를 포함한다. 부드러운 재료는, 마찰을 감소시키고, 고품질의 탄성 시일을 제공하나, 일반적으로 고온 환경에서는 유용하지 못하며, 그 이유는 재료가 고온 조건에서 녹거나, 크리프되거나(creep), 또는 다른 방식으로 열화되기 때문이다. 이러한 부드러운 재료들 모두는 상대적으로 낮은 온도, 즉 600°F 미만 (약 316°C 미만)에서만 사용된다.
전형적으로 종래의 고온 슬라이딩 스템 제어 밸브는 고온을 견딜 수 있 모노리식, 고경도 흑연(hard graphite) 시일 링을 통합해 왔다. 흑연 시일 링은 고온을 견딜 수 있는 반면, 흑연 시일 링은 밸브 플러그와 밸브 바디 (또는 케이지) 또는 보닛 사이에 최적의 시일을 제공하지 못하며, 그 이유는 이들이 가요적이거나, 유연하거나, 탄성적이지 않기 때문이다. 흑연 시일 링은 밸브 플러그와 밸브 바디 (또는 케이지) 사이에 생성되는 마찰로부터 손상될 수 있고, 흑연 시일 링은 상대적으로 쉽게 흐름 안에서 입자 및 오염 물질이 되며, 이 입자와 오염 물질은 밸브 플러그 또는 밸브 바디( 또는 케이지)에 부착되어 있다. 모노리식 흑연 재료의 유연성 결여는 저온 환경에서 채용되는 더 부드러운 고무 또는 플라스틱의 유연한 재료에 비하여 상당히 더 많은 차단 누출(shutoff leakage)로 이어진다. 또한, 흑연 시일 링은 상대적으로 높은 마찰 계수를 갖고, 이는 밸브 플러그가 이동될 때 과도한 마찰 및 마모로 이어진다. 이 과도한 마찰 및 마모는 시일 및/또는 제어 요소의 열화 및 조기 파손으로 이어진다.
슬라이딩 스템 제어 밸브는 입구와 출구를 갖는 밸브 바디를 포함한다. 입구와 출구는 유체 유동 통로에 의해서 유체 연통된다. 밸브 시트는 유체 유동 통로 내에 위치된다. 미끄럼가능한 제어 요소는 밸브 시트와 협력하여 밸브 바디를 통한 유체 유동을 제어한다. 시일 조립체는 제어 요소와 밸브 바디 사이에 위치된다. 시일 조립체는 제 1 백업 링과 제 2 백업 링 사이에 위치되는 복합 시일 링을 포함한다. 바이어스 요소는 백업 링들 중 하나에 인접하게 위치되고, 유지 링은 백업 링에 인접한 바이어스 요소를 유지하여 바이어스 요소에 의해서 생성되는 힘이 백업 링에, 그리고 따라서 복합 시일 링에 전달된다.
다른 실시형태에 있어서, 고온 슬라이딩 스템 제어 밸브용 시일 조립체는 제 1 백업 링과 제 2 백업 링 사이에 위치되는 복합 시일 링을 포함한다. 바이어스 요소는 제 2 백업 링에 인접하게 위치되고, 유지 링은 바이어스 요소에 인접하게 위치된다. 복합 시일 링은 PTFE 및 금속으로 만들어질 수도 있다.
또 다른 실시형태에 있어서, 시일 링 조립체는 제어 부재에 형성된 환상 홈부에 위치될 수도 있다.
또 다른 실시형태에 있어서, 시일 링 조립체는 밸브 바디에 형성된 환상 홈부에 위치될 수도 있다.
개시된 시일 링 조립체는 고온 환경에서 더 우수한 시일링 능력을 제공하면서, 제어 부재와 밸브 하우징 사이의 마찰을 감소시키거나 최소화한다.
도 1은 본 개시의 교시에 따라 구성된 슬라이딩 스템 제어 밸브의 단면도,
도 2는 복합 시일 조립체를 포함하는 도 1의 슬라이딩 스템 제어 밸브의 제어 요소의 확대 단면도,
도 3은 복합 시일 조립체를 포함하는 제어 요소의 일 부분의 확대 단면도.
본 개시는 다양한 변형 및 대안적인 구성이 가능하지만, 복합 동적 밸브 시일 조립체의 특정 예시적 실시형태가 도면에 도시되었고, 이하 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 개시를 개시된 구체적인 형태로 제한하고자 하는 의도는 없으며, 이에 반해서, 본 의도는 본 발명의 사상과 범위 내에 들어가는 모든 변형, 대안적인 구성 및 균등물도 포함하고자 하는 것임을 이해해야 한다.
하기 논의 목적을 위해서, 내측으로, 외측으로, 반경방향 내측으로, 또는 반경방향 외측으로와 같은 용어는 밸브 스템의 중앙 축선(A)에 대한 상대적 위치를 나타내기 위해서 사용된다. 유사하게, 상측, 하측, 위로, 아래로와 같은 용어는, 제어 밸브가 도면에서 도시된 바와 같이 위치되었을 때 상대적 배향을 나타내기 위해서 사용된다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은, 본 발명의 개시된 실시예의 교시에 따라서 조립되고, 밸브 바디(12), 유체 입구(14), 유체 출구(16), 및 유체 입구(14)와 유체 출구(16)를 연결하는 통로(18)를 갖는 슬라이딩 스템 제어 밸브(10)를 도시한다. 제어 밸브가 도 1에서 슬라이딩 스템 밸브로서 도시되나, 본 개시의 교시는예를 들어 로터리 밸브, 볼 밸브, 글로브 밸브 등과 같은 다른 타입의 제어 밸브에도 적용될 수 도 있다. 밸브 플러그(20)와 같은 제어 부재는 밸브 바디(12) 내에 미끄러짐가능하게 장착되고, 밸브 바디(12)를 통한 유체 유동을 방지하는 (도 1에 도시된 바와 같은) 폐쇄 위치와 밸브 바디(12)를 통한 유체 유동을 허여하는 개방 위치 (미도시) 사이에서 이동가능하다. 도 1의 실시예에서, 밸브 플러그는 평형(balanced) 밸브 플러그(20)이다. 다른 실시예에서, 밸브 플러그는 비평형식일 수도 있다. 밸브(10)는 시트 링(22)을 포함하고, 이 시트 링은 밸브 플러그(20)와 협력하여 밸브 바디(12)를 통한 유체 유동을 제어한다. 또한, 제어 밸브(10)는 밸브 플러그(20)에 연결되고 보닛(bonnet; 28)을 통해서 연장되는 밸브 스템(26)을 포함한다. 밸브 스템(26)은 축선(A)를 따라서 연장되고, 밸브 플러그(20)를, 밸브 플러그(20)가 시트 링(22)과 접촉하여 통로(18)를 통한 유체 유동을 방지하는 도시된 폐쇄 위치와 밸브 플러그(20)가 시트 링(22)으로부터 이격되어 통로(18)를 통한 유체의 유동을 허여하는 개방 위치 사이에서 이동시키기 위한 밸브 액츄에이터(미도시)에 연결된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 밸브 시일 조립체(30)는, 도 2의 좌측에 도시된 바와 같이, 밸브 플러그(20)에 형성된 환상 홈부(32)에 위치된다. 대안적으로, 시일 조립체(30)는, 도 2의 우측에 도시된 바와 같이 밸브 바디(12)에 형성된 환상 홈부(33)에 위치될 수도 있다. 어쨌든, 시일 조립체(30)는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)/금속 혼합물로 만들어진 복합 시일 링(34)을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 복합 시일 링(34)은 PTFE 바디(36)로부터 형성될 수도 있으며, PTFE 바디(36)는 PTFE 바디(36) 내에 매설된 금속 강화 링(38; 도 3 참조)을 포함한다. 금속 강화 링(38)은, 예를 들어 S31600 스테인레스 강과 같은 실제적으로 내구성있는 임의의 금속으로 형성될 수도 있다. 금속 강화 링(38)은 "Z-형상"의 단면을 갖는다. 금속 강화 링(38)은 제 1 내측 가장자리(42)와 제 2 외측 가장자리(44)를 갖는 제 1 부분(40), 및 제 1 내측 가장자리(48)와 제 2 외측 가장자리(50)를 갖는 제 2 부분(46)을 포함할 수도 있다. 제 1 부분(40) 및 제 2 부분(46)은 서로 이격되고, 전체적으로 축선(A)에 수직하게 배향될 수도 있다. 제 1 부분(40) 및 제 2 부분(46)은 일 실시예에서 평행한 평면들에 위치될 수도 있다. 제 3 부분(52)은 제 1 내측 가장자리(54) 및 제 2 외측 가장자리(56)를 포함한다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 3 부분(52)의 내측 가장자리(54)는 제 1 부분(40)의 내측 가장자리(42)에 연결되고, 제 3 부분(52)의 외측 가장자리(56)는 제 2 부분(46)의 외측 가장자리(50)에 연결될 수도 있다. 다른 실시형태에서, 제 3 부분(52)은 제 3 부분의 외측 가장자리(56)가 제 1 부분(40)의 외측 가장자리(44)에 연결되고, 제 3 부분(52)의 내측 가장자리(54)가 제 2 부분(46)의 내측 가장자리(48)에 연결되도록 역으로 될 수도 있다. 어쨌든, 금속 강화 링(38)은 시일 조립체(30)에 가해지는 축방향 하중을 복합 시일 링(34)의 반경방향 변형으로 전환하여 밸브 플러그(20)와 밸브 바디(18)의 사이에 유체 시일을 생성하는 한편, PTFE 바디(36)는 밸브 플러그(20)와 밸브 바디(12) 사이의 접촉부를 윤활한다.
복합 시일 링(34)은 제 1 백업 링(60)과 제 2 백업 링(62) 사이에 위치될 수도 있다. 제 1 및 제 2 백업 링(60, 62)은, 예를 들어 S41600 스테인레스 강과 같은 경화가능한(hardenable) 재료로 형성될 수도 있다. 제 1 및 제 2 백업 링(60, 62)은 환상 홈(32) 내에 복합 시일 링(34)의 적합한 위치를 유지할 뿐만 아니라, 복합 시일 링(34)을 위한 반-압출(anti-extrusion) 보호를 제공한다. 또한, 제 1 및 제 2 백업 링(60, 62)은 과도한 열 및 압력과 같은 환경적 인자로부터 복합 시일 링(34)을 보호한다. 예를 들어, 접시 스프링(Belleville spring), 나선형으로 감긴 가스켓(spiral wound gasket), 또는 볼트 체결된 캡(bolted cap)과 같은 바이어스 요소(64)는 제 2 백업 링(62)에 인접하게 위치될 수도 있다. 바이어스 요소(64)는 제 2 백업 링(62)에 축방향 힘을 가하고, 이 힘은 복합 시일 링(34)에 전달된다. 금속 강화 링(38)은 축방향 힘을 PTFE 바디(36)의 반경방향 변형으로 전환한다. PTFE 바디(36)는 외측으로(즉, 반경방향으로) 팽창되고, 밸브 비다(12)에 대한 밀봉적(tight) 시일을 형성한다. 또한, PTFE 바디(36)의 외측으로의 팽창은 제어 요소(20)와 밸브 바디(12)의 접촉부를 윤활하는 데 도움이 되며, 따라서 제어 요소(20)의 이동 동안에 마찰을 감소시킬 수 있다. 유지 링(retainer ring; 70)은 제 2 백업 링(62)에 대한 바이어스 요소(64)의 위치를 유지한다. 유지 링(70)은 밸브 바디(12)에 또는 제어 요소(20)에 형성된 환상 슬롯(72)에 적어도 부분적으로 위치될 수도 있다. 유지 링(70)은 바이어스 요소(64)가 제 2 백업 링(62)으로부터 분리되는 것을 방지한다.
하나 이상의 개시된 실시예에 따르면, 더 뛰어난 시일링 능력을 제공는 한편, 제어 부재와 밸브 바디 사이의 마찰을 감소시키는 고온 제어 밸브용 복합 시일 조립체가 제공된다. PTFE 및 금속으로부터 복합 시일 바디를 형성함으로써, 복합 시일 바디는 축방향 하중을 반경방향 변형으로 전환하고, 이는 더 우수한 시일을 제공하고 동시에 제어 요소와 밸브 바디 사이의 접합부를 윤활한다.
앞의 상세한 설명은 단지 이해의 명료성을 위해서 제공되었으며, 수정물은 당업자에게 자명할 것이기 때문에, 이로부터 어떠한 불필요한 한정이 이해되지 않는다.

Claims (20)

  1. 통로를 통해 유체 연통되는 입구와 출구를 갖는 밸브 바디;
    상기 통로에 장착되는 시트 링;
    상기 밸브 바디 내에 미끄럼가능하게 배치되고, 상기 시트 링과 협력하여 상기 밸브 바디를 통한 유체 유동을 제어하는 제어 요소; 및
    제 1 백업 링과 제 2 백업 링 사이에 위치되는 복합 시일 링, 상기 제 2 백업 링에 인접하게 위치되는 바이어스 요소, 및 상기 제 2 백업 링에 인접하는 상기 바이어스 요소를 유지하는 유지링을 갖는 복합 시일 조립체를 포함하고,
    상기 복합 시일 링은 바디 부분 및 상기 바디 부분에 매설된 금속 강화 링을 포함하고, 상기 금속 강화 링은 상기 바디 부분에 완전히 매설된 Z-형상의 단면을 갖는, 슬라이딩 스템 제어 밸브.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 바디 부분은 PTFE로 형성되는, 슬라이딩 스템 제어 밸브.
  3. 청구항 1에 있어서,
    금속 강화 링은 서로 이격되어 있는 제 1 부분 및 제 2 부분을 포함하고, 상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분은 함께 상기 제어 요소의 종방향 축선에 수직으로 배향되는, 슬라이딩 스템 제어 밸브.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 1 부분은 내측 가장자리와 외측 가장자리를 갖는 링이고, 상기 제 2 부분은 내측 가장자리와 외측 가장자리를 갖는 링인, 슬라이딩 스템 제어 밸브.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분 사이에 배치되는 제 3 부분을 더 포함하며, 상기 제 3 부분은 상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분에 비수직 및 비수평이고, 상기 제 3 부분은 내측 가장자리와 외측 가장자리를 가지며 링 형상인, 슬라이딩 스템 제어 밸브.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제 3 부분의 상기 내측 가장자리는 상기 제 1 부분의 내측 가장자리에 연결되고, 상기 제 3 부분의 상기 외측 가장자리는 상기 제 2 부분의 외측 가장자리에 연결되는, 슬라이딩 스템 제어 밸브.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합 시일 조립체는 상기 제어 요소에 형성되는 환상 홈에 위치되는, 슬라이딩 스템 제어 밸브.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합 시일 조립체는 상기 밸브 바디에 형성되는 환상 홈에 위치되는, 슬라이딩 스템 제어 밸브.
  9. 제 1 백업 링과 제 2 백업 링 사이에 위치되는 복합 시일 링 - 상기 복합 시일 링은 바디 부분 및 상기 바디 부분에 매설된 금속 강화 링을 포함하고, 상기 금속 강화 링은 상기 바디 부분에 완전히 매설된 Z-형상의 단면을 가짐 -;
    상기 제 2 백업 링에 인접하게 위치되는 바이어스 요소; 및
    상기 제 2 백업 링에 대해서 상기 바이어스 요소를 유지하는 유지 링을 포함하는, 고온 제어 밸브용 시일 조립체.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 바디 부분은 PTFE로 형성되는, 고온 제어 밸브용 시일 조립체.
  11. 청구항 9에 있어서,
    금속 강화 링은 서로 이격되어 있는 제 1 부분 및 제 2 부분을 포함하고, 상기 제 1 부분 및 사이 제 2 부분은 함께 밸브 플러그의 종방향 축선에 수직으로 배향되는, 고온 제어 밸브용 시일 조립체.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제 1 부분은 내측 가장자리와 외측 가장자리를 갖는 링이고, 상기 제 2 부분은 내측 가장자리와 외측 가장자리를 갖는 링인, 고온 제어 밸브용 시일 조립체.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분 사이에 위치되는 제 3 부분을 더 포함하며, 상기 제 3 부분은 상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분에 비수직 및 비수평이고, 상기 제 3 부분은 내측 가장자리와 외측 가장자리를 가지며 링 형상인, 고온 제어 밸브용 시일 조립체.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제 3 부분의 상기 내측 가장자리는 상기 제 1 부분의 내측 가장자리에 연결되고, 상기 제 3 부분의 상기 외측 가장자리는 상기 제 2 부분의 외측 가장자리에 연결되는, 고온 제어 밸브용 시일 조립체.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 금속 강화 링은 S31600 스테인레스 강으로 만들어지는, 고온 제어 밸브용 시일 조립체.
  16. 청구항 9에 있어서,
    적어도 하나의 상기 백업 링은 S41600 스테인레스 강으로 만들어지는, 고온 제어 밸브용 시일 조립체.


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