用于工业用阀尤其用于球阀的密封系统和包括该系统的阀的制作方法
【专利摘要】本发明涉及具体用于工业用安全阀，更具体地用于工业用球阀的密封系统。因而，本发明既涉及密封系统，又涉及包括所述密封系统的球阀。根据本发明的密封系统是包括如下的类型：弹性元件（500）和热塑性元件（600），且特征在于提供流体密封的弹性元件（500）唯一地通过热塑性元件（600）且通过阀座（200）内的所述元件的特定形状的底座（400）被保持在其底座内，以及通过这些被稳定地保持在合适的位置。
【专利说明】用于工业用阀尤其用于球阀的密封系统和包括该系统的阀
发明领域
[0001]本发明涉及具体用于工业用安全阀，更具体地用于工业用球阀的密封系统以及包括所述密封系统的阀。
现有技术
[0002]安全阀尤其是球阀是包括多个部件的复杂系统，其通常可以通过机械致动器来操作。
[0003]在球阀的情形中，这些球阀基本上包括至少一个主体、至少一个阀座或底座(seating)以及至少一个球体。
[0004]在阀的阀座与球体之间，设置了至少一个密封元件以便确保合适地密封阀且同时允许阀座与球体之间的相对运动，以实现所述阀的开启和闭合。
[0005]现有技术中已知的所述密封元件由橡胶O形环组成以提供阀座与球体之间的密封性闭合。使用橡胶密封元件提供了诸多优势，使其与使用其他材料相比是优选的解决方案。
[0006]这些优势在提供极佳的密封，甚至在球体(其不是无缺陷的或确实具有某种表面粗糙度)的表面光洁度的情形中提供极佳的密封方面主要与橡胶的良好能力有关。因此，使用橡胶密封元件允许获得极佳的密封，同时维持制造成本较低，因为这不需要规定对公差、表面光洁度以及球体形状误差的严格要求。
[0007]然而，同时O形环密封件用作密封元件具有一些缺陷，主要是阀“卡住”的风险，即在高操作压力的情形中，橡胶O形环发生变形且阀座接触球体。阀座与球体之间的金属对金属的接触最终可能造成阀卡住或至少球体表面发生变形，甚至到不能恢复的程度。
[0008]影响阀的又一个缺点是通常存在于流体内的颗粒、灰尘和污物可能进入阀座与球体之间，到达密封元件且最终将其操作损害到甚至卡住阀本身的程度。
[0009]因而，仅包括作为密封元件的O形环类型的橡胶垫圈的阀的局限之处在于它们对于高压流体是不安全的，高压意指高于100巴的压力值。
[0010]为了改进即使在较高压力值的流体下的阀密封，市场上可利用的解决方案是设想具有大体梯形横截面，更确切地说是δ形状的环(称为δ环)作为密封元件。虽然就高压下的密封而言此解决方案提供了改进，但对克服上述缺点来说还未证明是完全满意的。
[0011]除了设想使用橡胶密封环的这些解决方案，在行业内还已知使用由热塑性塑料制成的元件来提供阀座-球体密封的阀。所使用的材料的示例是PTFE (具有不同的化合物)、尼龙、PEEK以及具有高硬度的类似的热塑性聚合物。
[0012]由塑料制成的这些密封元件相对于橡胶O形环或δ环具有防止甚至高的操作压力下阀座与球体之间的金属对金属接触，原因是它们不如橡胶那样容易变形。相反，与使用热塑性塑料来制造具有所讨论类型的工业用阀的密封元件相关的缺点源于需要在加工和/或未对准阀部件的组件时具有极大减小的公差和球体的极大减小的表面粗糙度，这必须相应具有抛光的表面光洁度，以便确保良好的密封。[0013]在部件制造期间需要提供此质量的加工和公差的控制导致制造成本显著增加，使得设置有由热塑性塑料制成的密封元件的阀贵得多并呈现制造缺陷可能对阀本身的良好密封具有影响的风险。
[0014]为了克服这些缺陷，同一 申请人:已经设计了新的密封系统，这是专利申请W02011/033536 的目的。
[0015]用于工业用阀，尤其是用于双向单个作用或双重作用活塞球阀(double-actionpiston ball valve)的所述密封系统包括合适地插入在球阀的外壳内的至少一个阀座和由弹性材料制成的能够提供所述阀座与所述阀的球体之间的流体密封的密封元件，且进一步特征在于其在所述阀座的预期与所述球体相对的表面上包括由热塑性材料制成的至少一个另外的元件。
[0016]具体参考图1，这显示了是该专利申请的目的的密封系统的实施方案的示例。
[0017]申请W02001/033536中阐释的密封系统I包括用于密封到球体30上且能够与阀体10相互作用的阀座20。阀座20与阀体10相互作用，正如现有技术中已知的，因此，例如螺旋弹簧40、O形环密封件、“U”套环60以及两个“BK”套环70可以有利地被设置在所述阀座20与所述阀体10之间。
[0018]所讨论的安全阀的操作是已知的。作用于阀座20的外部部件的流体施加的压力推动所述阀座抵靠住球体30。
[0019]因此，密封系统的操作设想在阀座与阀体之间起作用的弹簧40确保了低压力值的密封，而当压力升高时，正是流体本身施加了阀座抵靠住球体的压力作用，这提供了阀的密封。
[0020]正如图中显示的，阀座对球体的密封通过由弹性材料制成的被设置在底座内的密封元件来实现，该底座被合适地设置在阀座20的与球体30相对的面上，所述密封元件与所述球体30接触。
[0021]由弹性材料制成的所述密封元件由具有三角形截面的环2b组成，其类似于希腊大写字母δ，这就是为什么称为“ δ环”。
[0022]该密封系统的特征在于其包括由热塑性材料制成的第二元件3b，该第二元件也被设置在所述阀座20与所述球体30之间。具体地，所述热塑性元件呈优选梯形截面的环的形状，且被保持在第二底座内，该第二底座又被合适地设置在所述阀座的与球体30相对的面上。
[0023]由热塑性材料制成的所述环(在图中以3b表示)可以有利地被对应于设置在阀座20内的润滑孔洞21来设置。
[0024]根据图2中显示的系统的第二构型，由热塑性材料制成的所述环3b可以有利地被设置成靠近由弹性材料制成的所述密封环2b。在系统的热塑性元件被设置成靠近弹性的密封环的此构型中，由密封直径Y与推力直径X之间的差表示的阀座上的压力推力带(pressure thrust band)具有与唯一通过弹性环2b来实现密封的系统相比不同的尺寸，因为其尺寸被合适地设计成使得在热塑性环3b在压力下被推力增值作用并与球体300接触时，热塑性环3b还可以显现对球体的密封作用，而并不会由此造成扭矩增加。
[0025]达到此情形将意味着金属阀座遵循球体的变形，保持“ δ环”2b在其底座内的稳定性，不再被迫变得不稳定以确保密封。[0026]仍参考图1和2，可以看到，所述“ δ环”弹性密封元件2b被保持元件50保持在合适的位置，保持元件50被插入在合适地设置在所述阀座20内的底座内，且从所述阀座突出并面朝所述球体30，其侧面中的一个的至少一部分保持与弹性密封元件2b接触。
[0027]所述保持元件50的作用是将弹性密封元件2b保持在其底座内，为了发挥其功能，这需要朝所述球体30是足够敞开的以允许元件2b变形的底座。
[0028]阀密封，尤其是在高的工作压力下的阀密封实际上由下述可能性确保:阀座可以变形以遵循球阀的变形的可能性。事实上，对闭合的阀来说，沿着轴线A的方向移动的流体围绕球体30流动且在高的压力下，球体在流体推力的作用下发生变形。
[0029]当球体发生变形时，阀座20不能够遵循球体的变形，且密封基本上由密封元件2b的能力提供以便也发生变形，补偿球体的变形。
[0030]更具体地，“ δ环”密封元件2b由于切向作用于所述元件的流体压力P发生变形，趋向于从其底座挤出。
[0031]将密封元件2b固定在其底座内的问题在阀开启/闭合操作期间且阀受到压力作用下被进一步突显。
[0032]刚刚阐释的即需要确保弹性密封元件2b发生变形以提供密封的问题在阀具有大直径且当压力升高时被突显。应该取消球体30绕竖直旋转轴线旋转。这转化成球体的相当于离旋转轴线最远的点的加强变形和相当于靠近旋转轴线的点的几乎零变形。对中等直径的阀来说，球体的点离竖直旋转轴线的距离是小的，流体压力非常高，而对具有较大直径的阀来说，流体压力通常不是那么高时，存在球体的更远离所述旋转轴线的点，且因此更易于变形。
[0033]参考图3，阀座20在压力作用下也变形，将阀座20压靠住阀，然而这也将被基本上维持在初始位置，不变形离开对应于基本上与球体的旋转轴线对齐的中心点C和C’的球体上的支撑，而其倾向于在离轴线更远的点D和D’发生变形。
[0034]正如已经说明的，现有技术中已知类型的解决方案设想密封元件2b总是因保持元件50的存在而被保持在其底座内。
[0035]通常由金属材料制成的此保持元件50被插入在直接设置在阀座20上邻近所述密封元件2b的底座的合适的底座内。
[0036]正如从图2中看到的，尤其是保持元件50的存在，虽然一方面当阀座具有相当宽的开口时，更容易将所述密封元件2b插入在其底座内，但另一方面导致阀座本身的弱化，因为这需要为保持元件50提供额外的底座且此邻近所述密封元件2b的底座的底座减弱了阀座20的刚性。
[0037]因此，图1和2中显示的现有技术中已知类型的解决方案具有阀座不那么结实的缺陷，因为该阀座具有减小的截面，因为需要提供额外的底座以便插入保持元件50。
[0038]此外，影响已知类型的该密封系统的另一个缺点在于整个阀座减弱的刚性，记住在任何情况下所述保持元件50与阀座20之间，且保持元件50与弹性密封元件2b之间存在余隙。
[0039]现有技术中已知的目前描述的系统的另一个缺点是加工底座的难度，包括密封元件2b的底座和保持元件50的底座，原因是非常小的公差和受限的匹配余隙。
[0040]发明概述[0041]本发明要解决的问题是提供一种用于工业用双向安全阀的改进的密封系统，其可以克服影响现有技术中已知类型的系统的缺点。
[0042]在所述问题内，本发明的其中一个目的是提供用于工业用双向阀的密封系统，其能够使阀座的机械性能最佳。
[0043]具体地，本发明的一个目的是提供一种密封系统，该密封系统可以相对于已知类型的系统，增加系统尤其是阀座和弹性密封元件的刚性。
[0044]本发明的另一个目的是提供一种密封系统，该密封系统需要机械加工所述密封元件的底座的更简单的操作和将所述密封元件组装在其底座内的更简单的操作。
[0045]本发明的又一个目的是提供一种改进的密封系统，该密封系统可以以相同直径的阀达到更高的流体压力，或以相同的压力能够产生更大直径的阀。
[0046]附图简述
[0047]从下面以非限制性的实施例给出且阐释在附图中的详细描述，本发明的另外的特征和优势将变得更清楚，在附图中:
[0048]图1显示了用于现有技术中已知类型的工业用双重作用活塞阀的密封系统；
[0049]图2显示了图1中显示的已知类型的密封系统的变化形式；
[0050]图3显示了依据根据本发明的密封系统的阀座的前视图；
[0051]图4显示了穿过的根据本发明的图3的阀座的截面，表明与球体300接触的元件500和600的双重密封功能；
[0052]图5显示了根据本发明的包括两个阀座的安全阀的纵向截面。
[0053]发明详述
[0054]具体参考图4，根据本发明的密封系统100包括用于密封到球体300上且能够与阀体700相互作用的阀座200，在图5中更清楚地看到。
[0055]阀座200以现有技术中已知的方式与阀体相互作用，因此例如螺旋弹簧201和O形环密封件、“U”套环60和两个“BK”套环70可以有利地被设置在所述阀座200与所述阀体之间。
[0056]根据本发明的密封系统所应用类型的双向、单个作用或双重作用活塞安全阀的操作是已知的。
[0057]由流体施加的作用于阀座200的外部部分的压力推动所述阀座抵靠住球体300，而作用于阀座的内部部分的压力使阀座背离球体300移动。
[0058]根据本发明的密封系统包括位于阀座400内由弹性材料制成的密封元件500和位于阀座405内由热塑性材料制成的密封元件600，其被合适地设置在阀座200的与球体300相对的面上，当所述密封系统被组装在阀内时，所述密封元件与所述球体300接触。
[0059]由弹性材料制成的所述密封元件500包括具有三角形截面的环，类似于希腊大写字母δ，且因此称为“ δ环”。
[0060]此密封系统的特征在于其包括由热塑性材料制成的第二元件600，所述第二元件也被设置在所述阀座200与所述球体300之间。具体地，所述热塑性元件具有优选梯形截面的环的形状，且被容纳在第二阀座600a内，第二阀座600a又被合适地设置在所述阀座的与球体300相对的面上。
[0061]由热塑性材料制成的所述环(在图中以600标示)被有利地设置成靠近弹性元件500以便使其保持在底座内且当压力升高时，成为第二密封元件。
[0062]因而，根据本发明的密封系统比现有技术中已知的设置有保持元件50的系统更紧凑，且阀座的紧凑性转化成阀座和安装了阀座的整个阀的最终成本的降低。
[0063]这样，存在另外的结果:本发明的密封系统允许技术人员甚至在设计者基于成本和总体尺寸的原因而不能够改变现存设计的情况下安装根据本发明的阀座。
[0064]新的阀座设计能够增强阀座的密封性能且可以优化橡胶垫圈甚至在极端操作条件下的功能。
[0065]事实上，已经陈述了阀密封的问题与操作中球体与阀座的变形有关。
[0066]现在，对新的密封系统来说，可以制造如所述的与已知类型的阀座相比具有最佳的抵抗截面的阀座，且特定构型意味着所述阀座可以遵循球体的变形，保护甚至在高压条件下的弹性元件2b。
[0067]还应该指出，高压下的密封由弹性元件500和热塑性元件600两者提供的此类型的具有双重密封的解决方案还可以通过合适的尺寸设计以及将橡胶和热塑性插入件加工成相对于阀座200突起而获得了称为“一级金属-二级柔软(PRIMARY METAL - SECONDARYSOFT)”的密封，这允许弹性元件500足够回到其底座内。此外，这允许通过将金属阀座合适地加工在密封垫圈的“下游”而应用到所谓的“防火安全型”密封。
[0068]如附图所示，尤其是图4，根据本发明的阀座200具有合适地布置成用于接纳所述弹性元件500和所述热塑性元件600的底座400。
[0069]底座400因而被配置以便在阀座被安装到阀内时使其开口面朝球体300。因此，总之阀座400允许弹性密封元件500和热塑性元件600从阀座突出以便在阀座被安装时与球体300接触。
[0070]甚至更详细地，密封元件500的底座400将具有包括至少一个第一底座405的内部轮廓，第一底座405合适地用于接纳所述热塑性元件600，具有大体矩形的横截面且具有水平的纵向延伸段(正如可以在图4中看到的)并在前面是敞开的，纵向延伸段通过第一圆形部分404被连接至底部边缘403，底部边缘403是大体平的且在基本上正切于球体300的所述阀座400所面向的外部面的部分的方向上倾斜。
[0071]底部边缘403随后经由第二圆形部分402被连接至最后的部分401,最后的部分401的方向与所述底部边缘403的方向形成锐角，因而所述最后的部分401界定了大体竖直的方向，其中水平方向和竖直方向是可以从图4和5中显示的方位推出的方向:水平方向与穿过阀的流动方向Q大体重合，图5中所示，而竖直方向是垂直于水平方向的方向。
[0072]很清楚，图4显示了在一个组装好的阀构型内的密封系统的阀座和部件的方位。
[0073]因此，如前所述，热塑性元件600和弹性密封元件500通过根据允许其稳定和功能组件的尺寸公差将它们安装在底座400内而被组装在阀座上。
[0074]具体地，正如已经提到的，弹性密封元件500的功能设想当阀座200在压力的作用下被推动抵靠住球体300时同样的元件能够弹性变形，且所述弹性元件被要求实现对球体的密封。基于此原因，弹性元件500组装在底座400内设想成弹性元件500与所述底座的底部边缘403接触，同时在元件组装好的情况下，在所述密封元件500与圆形部分402和404之间存在余隙。
[0075]该余隙允许密封元件500在操作中发生变形。此外，最后的部分401和热塑性元件600的与所述密封元件500接触的侧表面限制了密封元件500在预定的部分内朝球体300突出，这允许弹性元件500的密封和变形性，但同时在阀操作期间当受到应力时，防止弹性元件500能够脱离其底座。
[0076]因而，显示了根据本发明的用于工业用阀的密封系统实现了所提议的目的和目标。
[0077]具体地，阐释了根据本发明的系统如何可以甚至在非常高的工作压力下获得最佳的密封。
[0078]由于热塑性插入件所保证的由橡胶制成的部件更大的功效和再次可能由此第二热塑性元件所保证的第二密封件对高压的有效屏障，因而由根据本发明的阀座提供的用于相应密封和热塑性元件的底座的特定构造在紧凑度和对密封的更好保护方面不同于所有其他类型的阀座。
[0079]此处考虑的类型的具有单个作用或双重作用活塞的阀的阀座的整个制造过程被详细研究且工业化，以便在改变阀座的尺寸时获得恒定的性能。实际上，在不同范围的标称直径内依尺寸改变截面轮廓，从1.1/2”直至56”，相对于橡胶的体积以及弹性元件和热塑性元件的尺寸的不同的轮廓，总是顺应于此处描述的结构。此外，研究并合适地测试了橡胶和工程聚合物的材料组合以及从质量上保证最终产品的加工、组装和精加工过程。
[0080]根据本发明的密封系统具有较小的总制造尺寸的另外的优势，因此降低了阀座和整个阀的最终成本。
[0081]所有这些特征可以获得高技术含量的产品，能够涵盖非常宽范围的应用。
[0082]本领域的技术人员可以做出许多修改而并不偏离本发明的保护范围。
[0083]另外，权利要求的保护范围不是由图示或由如说明书中的实施例显示的优选实施方案来限制，而是权利要求必须包括从本发明推断出的具有可授权的新颖性的所有特征，包括将会被本领域的技术人员视为等同物的所有特征。
【权利要求】
1.一种密封系统(100)，其用于工业用阀，尤其用于双重作用活塞球阀，所述密封系统(100)包括至少一个阀座(200)、底座(400)、由弹性材料制成的密封元件(500)、由热塑性材料制成的另外的元件(600)，所述阀座(200)适合用于插入到球阀(300)的外壳内，所述底座(400)被合适地布置在所述阀座(200)上对应于所述阀座(200)的预期与所述球体(300)相对的面，所述密封元件(500)被容纳在所述底座(400)内且能够提供所述阀座(200)与所述阀的所述球体(300)之间的流体密封，所述另外的元件(600)也被容纳在所述底座(400)内，其特征在于，所述密封元件(500)的外周仅仅与所述热塑性元件(600)和所述底座(400)的内部边缘接触，借以所述密封元件(500)被稳定地保持在合适的位置。
2.根据前一权利要求所述的密封系统(100)，其特征在于，所述底座(400)包括第一底座(405)、第一圆形部分(404)以及第二圆形部分(402)，所述第一底座(405)具有在前部敞口的大体矩形的横截面以便合适地接纳所述热塑性元件(600)，所述第一圆形部分(404)将所述第一底座(405)连接至大体平的底部边缘(403)，所述第二圆形部分(402)将所述底部边缘(403)连接至最后的部分(401)，所述最后的部分(401)的方向与所述底部边缘(403)的方向形成锐角。
3.根据前一权利要求所述的密封系统(100)，其特征在于，由热塑性材料制成的所述元件(500)是具有多边形横截面的环。
4.根据权利要求3所述的密封系统(100)，其特征在于，所述环(300)具有梯形横截面。
5.根据权利要求3或4所述的密封系统(100)，其特征在于，对于组装好的所述系统，所述密封元件(500)与所述底部边缘(403)和所述最后的部分(401)接触，在所述底座与所述密封元件之间设置有对应于所述底座的所述第一圆形部分(404)和所述第二圆形部分(402)的余隙。
6.根据前述权利要求中任一项所述的密封系统(100)，其特征在于，所述由热塑性材料制成的元件(300)优选由聚合物材料制成。
7.根据权利要求1或2所述的密封系统(100)，其特征在于，由弹性材料制成的所述密封元件(500)由圆形截面的O形环构成。
8.—种球阀，其包括根据前述权利要求中任一项或多项所述的密封系统。
【文档编号】F16K5/20GK103998837SQ201180073974
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2011年8月8日 优先权日:2011年8月8日
【发明者】罗伯托·斯卡蒂尼 申请人:加斯凯特国际股份公司