低摩擦的动加载填料的制作方法

专利名称：低摩擦的动加载填料的制作方法
技术领域：
本公开大体上涉及用于阀的填料，更具体而言，涉及一种动负载填料的 改进，其用于使用在要求非常低的阀填料排放水平的过程控制应用中的控制 阀。
背景技术：
在过程控制工业中，已知很多过程应用要求使用向周围环境泄漏非常少 量的过程流体的控制阀。事实上， 一些加工厂遵从19卯年修订的空气洁净 法案的联邦条例，该法案规定基于测量到的从控制阀组件泄放到工厂环境中 的排放物浓度(例如，小于每体积百万分之500份(ppmv))的某些过程 排放物例如芳香族化合物或氯代烃类的量。用于减少这种排放物的典型方案 包括在控制阀杆周围放置波紋式密封件以容纳排放物，或者在控制阀体内 安装弹簧加载或动加载填料组件，以在阀操作期间将排放物维持在可接受的 浓度水平。
典型的波紋式密封件通过将柔性金属腔(即，波紋管)连接在阀杆的暴 露部分周围而产生外部"手风琴状"环境密封。波紋式密封件致力于捕获过 程流体并将过程流体容纳在波紋管腔内，/人而防止过程流体逃逸到周围环境 中。为了能起作用，波紋管必须在大操作温度范围内保持柔性，并抵抗各种 类型的腐蚀，这通常要求使用特种金属。波紋管通常由贵重合金制成，例如 纽约新哈特福德的特种金属公司(Special Metals Corporation of New Hartford,
7New York)提供的因科镍合金(Inconel ),或者印地安那州可可木的哈氏 合金国际7^司(Haynes International, Inc. of Kokomo, Indiana)提供的p合其斤特 洛依合金(Hastelloy ) C型。这两种特种金属显著增大波紋式密封件的成 本。此外，波紋式密封件安装昂贵，原因在于波紋管通常被密封焊接到阀杆、 垫片密封在阀帽/阀接头处，并且需要扩大的阀帽。波紋管的物理结构及该 安装方法还对能在阀杆中出现的旋转量有限制。为了防止损坏焊接或密封， 通常必须安装防旋转装置，以限制操作期间阀杆的旋转量。波紋式密封件还 被设计为具有特定长度的行程以便最大化波紋管的疲劳寿命。引起比设计的 行程长度大的行程的应用可能由于将"皱褶"延伸超过设计长度而损坏波紋 管，从而导致出现早期循环疲劳或破裂。 一种用于在波紋式密封件中捕获泄 漏的排放物的可替换方法是通过使用诸如动加载填料等改进的控制阀填料 来防止出现排放物。
传统的动加载填料组被安装在控制阀组件的填料膛孔内以密封阀杆周 围，从而实质上减少操作期间来自填料组的排放物。普遍理解的是填料必须 被轴向加载或加应力以驱使填料部件沿径向扩张，从而在填料部件接触在控 制阀体内的情况下，影响移动的阀杆上的动态密封和填料膛孔中的静态密 封。本领域技术人员应该理解的是，在本描述中所使用的术语填料应力的含 义是由诸如弹簧等加载装置或者由作用在填料组上的过程压力产生的轴向 力除以填料的环面积。另外，本文描述的填料组件使用V形环密封部件(即， 填料的截面为V形)，该V形环密封部件被设计为将轴向填料应力放大为 较大的径向接触应力，以通过将轴向力沿径向集中而促进密封。普遍已知的 是，环境动加载填料组件具有某些限制。图1用曲线方式表示出相对于过程 压力A的各种类型的示例性填料应力，这在下面详细描述。本领域技术人 员应该意识到，由于过程压力可压制由填料应力形成的密封，小于过程压力 A的填料应力通常可导致过程流体泄漏。
一种类型的传统的动加载填料被称为自动填料。密封由单一 V形环填 料组提供，该填料组由向填料环施加相对较小的填料应力的螺旋弹簧轴向加
8载，例如由密苏里州圣路易斯的费希尔控制产品国际有限公司提供的单一
PTFE填料(Single PTFE packing )。本领域技术人员应该理解的是，这种类 型的填料组使用具有高轴向力与径向力比的V形环。也就是说，V形环被 构造为在适用于给定应用的螺旋弹簧的相对较低的弹簧刚度下提供高径向 扩张。这种类型的自动填料典型地适用于最大压力300帕斯卡和最大温度 200。F的环境场合(例如，〈500ppmv浓度)，如图1中轴向填料应力B所 示。这种类型的填料可从控制阀的内侧或压力侧加载，但是由于是螺旋弹簧 加载，因此通常只适用于低压力环境应用中。
另一种类型的填料通常被描述为双V形环填料。该填料组件使用与上 述单一 v形环填料相似的两个低压V形环填料组，这些填料组被设置为上、 下密封部件，而不需要任何类型的弹簧加载的装置来施加填料应力。填料组 在静态填料负载下被加应力，以通过本领域技术人员已知的填料螺母/填料 压圈组件来形成阀杆密封。这种类型的填料的缺点是，没有弹簧元件来确保 在大温度范围内有足够水平的填料应力，这种填料设计不能适用于环境场 合，因此没有描绘在图1中。
又一种类型的环境填料是双V形环动加载填料组，市场流通的有密苏 里州的费希尔控制产品国际有限公司提供的环境密封(Enviro-Seal ) PTFE 填料。这种类型的填料组使用由诸如贝氏弹簧等高弹簧刚度的加载装置加载 的高压V形环(即，低轴向力与径向力比)。与螺旋弹簧加栽相比，贝氏 弹簧具有更大的弹簧刚度，以针对高压应用提供用于压缩双V形环填料所 需的相对较大的力或填料应力。这种类型的填料典型地适用于最大压力750 帕斯卡和最高温度450°F的环境场合。这种类型的填料组件的一个问题涉及 到用于加载填料的贝氏弹簧的使用。尽管贝氏弹簧提供所需的填料应力，但 贝氏弹簧的行程或压缩范围非常小。这种高弹簧刚度与低或小行程范围的结 合导致需要对贝氏弹簧的预载荷和/或紧密保持制造误差进行非常精确的初 始调节，以获得期望的填料应力。也就是说，本领域技术人员应该意识到， 贝氏弹簧的每单位行程或压缩的填料应力相对较大。这样，正常的控制阀组
9节，这会非常困难并且费时(例如，费希尔控制
设计D2系列的泵阀使用串联堆叠的三个贝氏弹簧，这要求±0.0024英寸内 的调节精度以达到土50帕斯卡范围内的填料应力)。因此，如果填料应力太 高，会导致高填料摩擦，这会降低控制阀性能和填料寿命。
另外，螺旋弹簧典型地不被使用于高压、双V形环填料，原因在于以 下事实阀帽/填料盒面积受限，并且用于得到合适的弹簧刚度所需的螺旋 弹簧的截面积太大。此外，这种类型的填料组典型地从控制阀的外侧(即， 相对于内侧或压力侧的外侧或大气侧)加载，从而提供与过程压力产生的力 相反的填料力。因为贝氏弹簧力与过程压力产生的力相反，弹簧力并不累加 填料应力；因此，在初始填料设立时，用于产生环境密封所需的初始填料应 力必须通过增大该初始填料应力来解决，如图1所示的填料应力C，其与过 程压力无关，直到过程压力与填料应力匹配。这种在初始填料应力中的过度 补偿在组件中产生更大的摩擦，这可导致控制阀致动器尺寸加大，从而增加 控制阀的费用并且导致操作期间更大的填料磨损。
另 一市场流通的适用于高温、高压环境场合的填料是集成有PTFE的石 墨基填料，已知有密苏里州圣路易斯的费希尔控制产品国际有限公司的环境 密封石墨ULF (Enviro-Seal Graphite ULF)。这种类型的填料组针对高温操 作使用具有集成在密封部件中的少量PTFE的石墨基填料环，以最小化摩擦。 贝氏弹簧被用于提供填料应力。与之前的填料组不同，石墨基密封环的极高 的轴向力与径向力比需要非常高的弹簧刚度来产生环境密封。为了这种类型 的填料，贝氏弹簧沿与过程压力产生的力相反的方向产生非常大的力，从而 导致约4500帕斯卡的填料应力(如图1所示的恒定填料应力D)。与其它 类型的基于贝氏弹簧的填料组件类似，贝氏弹簧的行程非常小，从而需要非 常精确的初始调节来控制填料应力。尽管这种类型的填料适用于最大压力 1500帕斯卡和最高温度600。F的环境场合，但这种填料配置产生的摩擦水平 在低于300°F的温度下可实质上高于PTFE填料，并且在某些类型的应用(例 如，不需要控制阀定位件的应用)中是不可接受的。
10因此，期望提供一种具有改进的操作范围性能的改进的动加载填料系 统，其能够向阀杆填料施加均衡应力，使得填料应力在操作期间维持在高于 过程压力的恒定水平。还期望提供一种动加载填料系统，其减小填料摩擦以 改进控制阀性能，并减小填料磨损以改进维护。
发明W谷
在一示例性填料组件中，其包括密封组件，其包括在所述阀杆周围提 供流体密封的密封部件，和实质上防止所述阀杆周围的所述密封部件被挤压 的抗挤压部件；以及加载组件，其对所述密封组件提供预定填料应力以在加 载装置与密封组件之间传递填料应力。所述填料组件进一步包括填料保持 器，其适于承载所述密封组件和所述加载组件中的至少之一，并被配置为将
该密封组件和加载组件连接到所述控制阀组件。该填料保持器进一步包括肩 部以接合所述控制阀组件内的填料盒，从而控制加载组件的预载荷，以提供 预定填料应力，进而实质上减小所述控制阀组件中的填料摩擦和填料磨损。 在另一示例性填料组件中， 一种插装式填料组件包括密封组件，其具 有在所述阀杆周围提供流体密封的密封部件，和实质上防止所述阀杆周围的 所述密封部件被挤压的至少一个第一抗挤压部件；以及加载组件，其具有加 载装置以向所述密封组件提供预定填料应力，和将所述加栽装置连接到所述 密封组件的压圈部件。所述填料组件进一步包括填料保持器，其适于被设 置在所述控制阀组件的填料盒中以承纳所述密封组件和所述加载组件，并具 有肩部以接合所述控制阀组件，从而控制所述加载组件的预载荷，以提供预 定填料应力，进而实质上减小所述控制阀组件中的填料摩擦和填料磨损。该 示例性填料保持器进一 步包括调节装置以改变安装时的填料应力。


本发明的被认为具有新颖性的特征被特别阐述在所附权利要求中。本发 明可通过参照下面结合所附附图的描述而被更好地理解，其中各附图中相同的附图标记表示相同的元件，其中
图1为各种类型的阀组件的过程压力与轴向填料应力的曲线图2为根据示例性填料组的动加载填料组件的中分面局部剖视图3为根据示例性填料组的动加载插装式填料组件的中分面局部剖视
图；以及
图4为根据示例性填料组的动加载插装式填料组件的中分面局部剖视图。
具体实施例方式
示例性填料组件使用一组密封环和抗挤压环来在控制阀轴周围提供高 压流体密封组件。该密封组件可具有以下特征l)加载组件，例如贝氏弹 簧组，其提供具有足够行程的屈从填料应力，以提供对填料的改进调节，其 中填津+应力的施加方向与由过程流体施加的流体压力的方向相同；2 )填剩-保持器，其被布置为接合控制阀体或阀帽组件，以实质上消除初始调节填料 应力来压制或抵消过程压力的需求，从而提供具有摩擦减小和填料组磨损减 小的环境密封；3)具有抗挤压垫圈和环的密封组件，其明显减少操作中阀 轴和/或密封件磨损；以及4)插装式密封组件，其实质上改善了填料组件的 维修或更换。改进的填料组件提供有成本效益的装置，以通过提供比过程压 力产生的填料应力大的恒定填料应力来提供"追踪"过程压力的填料应力， 进而允许填料在最低的可接受应力下操作，从而最小化摩擦和最大化填料寿 命。对过程压力的追踪将在下面更为详细地描述。
在图2所示的第一示例性填料组件中，中分面局部截面示出的填料组件 100在左半平面未加载荷或应力，而在右半平面加载荷或应力。本领域，技术 人员应该理解的是，这里的填料组件作为示例应用于阀帽组件190;但是， 这些描述并不旨在将示例性的填料组件限制在这种特定应用中。例如，示例 性填料组件可被直接安装到控制阀内的填料盒中或者致动器组件中，而不脱 离本发明的精神和范围。
12如前所述，很多控制阀应用需要在阀杆周围进行环境密封，以防止过程 流体泄漏到周围大气中。此外，很多传统的填料组从控制阀的外侧(即，控 制阀体外部的顶侧或大气压力侧)安装，并且通常从该外侧加负载或加应力。 这种类型的填料配置由与过程压力产生的力相反的力来加应力，其中过程压 力经常导致初始填料应力大于形成环境密封所需的值，这使得控制阀性能恶 化，如下面所述。
在本示例中，作为内侧安装(即，关于控制阀体的内侧或压力侧安装)、
底部加载的填料组件，提供环境流体密封的填料组件IOO被示出为安装在阀 帽组件190中。具体而言，填料组件IOO定位在阀帽组件190的填料盒180 内，并经由通孔136承载阀杆115，该通孔136延伸贯穿填料组件IOO并至 控制阀内部，该控制阀与诸如阀塞等流体控制装置(未示出)连接以控制通 过该控制阀的流体流动。阀帽组件190的填料盒180包括三个基本同心的膛 孔137、 138和139，以容纳阀杆115和填料组件100。第一膛孔是用于阀杆 115的外间隙膛孔137以允许沿Z轴运动，从而将期望的阀杆运动连动至阀 塞以控制阀内的流体流动。通过提供阀杆间隙，避免了与阀杆115的接触， 这种接触在阀杆的损坏部分移动穿过填料组件120时可导致泄漏。阀帽组件 190内的第二膛孔为提供用于安放填料组120的填料膛孔138,其中填料组 120提供填料组件100的密封机构。填料膛孔138由壁142限定以便为填料 组120提供支持面，其中壁142终止在阀帽组件190外侧上的填料膛孔肩部 143。相对大于外间隙膛孔137和填料膛孔138的第三膛孔是保持器膛孔139, 其被配置为接合用于提供预调节填料应力的填料保持器155,如下面更为详 细地阐述。
填料组120包括单一密封环125和两个抗挤压环123和127，其通常称为V形 环类型的填料组。如图2所示，示例填料组120包括被放置为紧密接触阀杆115 圆周周围的上部凹适配环123、中间密封环125、以及下部凸适配环127。本领域 技术人员能够理解的是，也可以使用V形环的各种组合来实现环境密封(例如， 5个或7个V形环集)。V形环类型的填料环123、 125和127可由聚四氟乙烯(PTFE)
13形成，已知有伊利诺斯州的莫顿格罗夫的约翰H.克兰公司(JohnH.Crane Company of Morton Grove, Illinois)提供的V型PTFE填料。也可以使用由其它材 料或者由其它合成树脂聚合物适当形成的填料。此外，适配环123和127可填充 以碳，以便在可产生改进密封的负载下提供更大的硬度，如下所述。
V形环填料是优选的，原因在于在轴向填料应力下，V形截面固有地产生使 填料组扩张的径向负载，以形成改进的密封。换句话说，在负载下，V形环123、 125和127被轴向压缩，随着配合的V形表面被马区使向彼此，该轴向压缩引起中 间密封环125至阀杆115和填料膛孔138中的相关径向扩张。优选地，由于适配环 123和127中的每一个与中间密封环125相比柔性相对较小，因而将填料应力集中 在中间环中以提供流体密封。
在温度升高和/或压力升高的情况下，PTFEV形环填料环可挤压(即，沿例 如间隙膛孔136远离密封环125的路径从原始形状扭曲)而导致所含的填料量损 失。填料的"移位"可引起填料组内的填料量的相继损失，从而使得相关的填 料应力减小，这可导致填料泄漏。为了防止这种挤压，填料组件使用定位在填 料组120外侧和内侧的两个抗挤压垫圈132和133，如图2所示。这两个抗挤压垫 圏132和133的特征在于，在为了形成流体密封而施加的填料应力下大致不可压 缩(例如，垫圈基本上不会沿轴向压缩，并且不会沿径向扩张)。
相应地，上部抗挤压垫圈132与填料膛孔肩部143配合，以防止通过间隙膛 孔136对阀体外侧的挤压，下部抗挤压垫圈133与间隔件141配合，以防止经过间 隔件141朝向阀杆115内侧的挤压。这两个抗挤压环还与填料膛孔壁142接触，以 便将密封环包含在填料膛孔138内。本领域技术人员还应该意识到，下部抗挤压 垫圈133可从填料组120移除，而不会实质上降低填料组120的抗挤压性能。也就 是说，如下所述，除了过程压力提供的朝向外侧的力(如图2所示的矢量P)，填 料组的底部加载被认为可产生仅向阀帽组件190外侧的挤压。
每个抗挤压垫圈均由复合材料形成， 一种填充PTFE具有选自以下至少之一 的填充物石墨、碳、硅石或者硫酸钡，例如市场流通的纽约帕尔迈拉的加洛 克密封科技(Garlock Sealing Technologies of Palmyra)提供的圭龙(Gylon )。
14抗挤压垫圈通常由相对于填料环具有足够硬度的材料形成以防止挤压。据观测，
通用的抗挤压垫圏材料，例如Gylon⑧3510材料，可使阀杆在某些高频控制阀应 用中(例如，大循环次数累积的应用，例如25000循环次数)磨损。
Gylon3510被理解为是一种由包含矿物硫酸钡(即，基本上为矿物重晶石) 的PTFE制成的复合材料。在高频应用中，硫酸钡实际上可导致微小的阀杆磨损， 这会降低填料性能。已知硫酸钡具有约3莫氏硬度标度(HM)的硬度，即约19 洛氏C硬度标度(HRC)。阀杆普遍由S31600制成，已知S31600具有约25HRC 的硬度。矿物填充物被认为可具有足够的硬度而引起对阀杆逐渐的磨损或磨蚀， 这可能导致填料在操作中降级。这也许是因为抗挤压垫圈与PTFE填料密封环基 本相邻，使得由抗挤压垫圏引起的阀杆磨蚀在阀的运行期间被定位为与PTFE填 料环频繁地接触，从而在杆的密封部分形成粗糙表面。这些磨蚀表面增大填料 密封环的磨损速度，这可产生不期望的泄漏而需要维护和^f奮理。
相反，如果该磨蚀能被实质上减小，填料组件的使用寿命可被实质上增大。 在该示例性填料组件中，每个抗挤压环优选地由具有二石克化钼填充物的填充 PTFE以及聚醚醚酮(PEEK)增强型聚合物的复合材料形成，这已知有费希尔 控制产品国际有限公司提供的TCM⑧Ultra。其它参考复合材料可被制成为美国 专利5,823,540所描述的密封材料，该专利已转让给当前受让人，并特别作为参 考合并于此。实质上较小磨蚀的TCMUltra填充物材料(即，二硫化钼的硬度为 约1HM)有望用于增大示例性填料组件的循环寿命，并且还可将温度范围从约 450。F扩大到500。F。此外，由TCMUltm制成的抗挤压环可通过传统的模制工艺 形成，该工艺比用于制造典型的Gylon3510部件的冲压模锻工艺便宜很多。
如前所述，为了形成流体密封，密封环125必须径向扩张至阀杆115和填料 膛孔138。在示例性填料组件100中，轴向填料应力从加载组件140通过基本不可 压缩的间隔件141传递。间隔件141通常由S31600制成，并且紧密接触填料膛孔 138的壁142。间隙膛孔被设置为承载阀杆115,而不磨蚀阀杆表面从而延长填料 寿命。轴向填料应力由示例性填料组件100的加载组件140施加的负载力(如图2 所示的矢量L)产生。加载组件140优选地包括一组贝氏弹簧，但是本领域技术人员理解的是，也可考虑使用能提供整个期望行程范围内的适量的预定填料应 力的其它弹簧装置。例如，可以使用螺旋弹簧，但是螺旋弹簧的通常较低的弹 簧刚性系数可需要明显较大的填料盒容量，以便容纳该组件，这会增大控制阀 成本并且引起组装和安装问题。
与传统的贝氏弹簧不同，示例性填料组件100的加载组件140使用具有相对
较低弹簧刚性系数和较长行程或压缩量的贝氏弹簧，如下面更为详细所述。加
载组件140被填料保持器155保持和压缩，该填料保持器155被配置为从内侧连接 到控制阀体(未示出)。填料保持器155形成为具有基本圆柱形腔的大致圆柱形， 其中所述腔形成用于承载加载组件140的加载组件膛孔165和用于承载阀杆115 和/或滑动轴承175的第二保持器膛孔170。在某些应用中，滑动轴承可引导阀杆 115穿过填料组件100。为了保持滑动轴承,滑动轴承175可包括接合唇部182， 该接合唇部182被形成为接合填料保持器155的倒角边缘183,并且通过加载组件 140的贝氏弹簧的压缩而被保持在适当位置。
一种用于压缩加载组件140的这种配置示出在图2的示例性实施例中，其具 有与保持器膛孔139的一部分中对应的螺紋151接合的外部配合螺紋185。本领域 技术人员应该意识到，可考虑使用其它方法，例如夹紧设计。可替换地，在不 需要引导阀杆的应用中，滑动轴承可被去除，且阀杆115没有任何接触地穿过间 隙膛孔170，从而保护阀杆115的表面光洁度。本领域技术人员应该意识到，示 例性填料组件的安装和保持机构可显著减少填料组件的安装和调节。
传统的动加载填料组件通常具有已知的误差叠加问题。这发生在填料组件 部件和控制阀体压制贝氏弹簧组的行程或压缩量，使得填料组件的预加载的调 节必须精确设定的情况，如前所述。通常，这需要操作者将填料组安装在控制 阀体或阀帽组件内，并且随后紧实填料，直到调节"到最低点，，(即，没有调 节余量)。操作者必须随后根据应用将填料组件的调节机构松开精确的旋转圈 数，以便设定期望的填料应力水平。
为了避免该问题，示例性的保持器155包括保持器肩部168,如所示，当保 持器155被螺紋至阀帽组件190的保持器膛孔139以预设填料应力时，该肩部接触
16保持器膛孔的配合表面166。也就是说，保持器肩部168和加载组件膛孔165的尺 度被预定，以便当保持器155被紧密地螺紋至阀帽组件190时，精确地预加载填 料组件120。例如，在该示例中，填料组件100使用受控尺寸来设定应力和五个 较长行程的贝氏弹簧，以便增大制造误差叠加而使其能够达到士0.015英寸。此 外，填料保持器155可具有被形成为接纳标准承槽的外表面178,例如六边形截 面，以便提供将保持器155拧紧到阀帽190中的便捷方法。
本领域技术人员应该意识到，较低的弹簧刚度可起因于较薄的贝氏弹簧。 因此，即使贝氏弹簧与传统的填料组件相比具有相对较低的弹簧刚度，但与这 种较低的弹簧刚度结合的较长的行程范围在预定压缩或负载下提供足够的填料 应力，以提供具有最小摩擦的环境密封。例如，在该底部加载的填料组件IOO 中，能够提供约450帕斯卡的填料应力的贝氏弹簧组可产生诸如费希尔控制设计 D2系列(Fisher Controls Design D2)的阀中的环境密封。因此，当填料,皮紧实 时，填料保持器在阀帽组件中的配合表面上降到最低点，从而产生期望的初始 填料应力值。更重要的是，由于该底部加载组件，随着过程压力增大，该示例 性底部加载填料的填料应力因其值与初始填料应力相等(即，加载组件力不与 过程压力产生的力相反)而保持大于过程压力。通过该设计，可以选择初始填 料应力以给出期望的应用所需的性能特性。
作为示例，为了使具有1500帕斯卡填料应力的该示例性填料组件形成环境 密封，在750帕斯卡的过程条件下需要仅750帕斯卡的填料应力。与可需要1500
相比，这显著降低填料应力。换句话说，底部加载填料组件100提供的填料应力 允许比由现行过程条件提供的应力大的恒定填料应力。也就是说，示例性填料 组件的填料应力"追踪"过程压力，该过程压力具有的填料应力余量与初始填 料应力基本相等并恒定存在，使得最小填料应力将基本等于初始填料应力，如 图1所示的填料应力E。
可替换地，在产生1000帕斯卡过程压力的过程应用中，为了环境密封，示 例性填料组件100可使用500帕斯卡的初始填料应力来达到1500帕斯卡的填料应
17力。示例性填料组件100的较低的填料应力可减少填料磨损和填料摩擦，从而提 高总控制阀性能和减少维护费用。本领域技术人员应该注意并意识到，该示例 性填料组将在真空场合的操作中维持足够的环境密封。也就是说，初始填料应
力可以^皮设定为使得在抽真空(例如，-14.7帕斯卡)的4喿作条件下，压力条件 对施加到填料组件上的总填料应力占相对极少的百分比。
图3示出可替换的示例性填料组件。这种类型的填料组件可安装在诸如传统 的滑动杆球心阀等控制阀体内，并可被限定为外侧安装、底部加载的填料组件。 也就是说，填料组件可从控制阀的外侧被安装，并因而适用于新安装或修理应 用。此外，图3的中分面局部剖视图示出的插装式填料组件在左半平面不可调节 而在右半平面可调节。相同的元件被标以相同的附图标记。插装式填料组件200 与之前的示例性填料组件类似的是包括组件通孔236，该组件通孔236承载阀杆 215，该阀杆与内侧阀塞(未示出)相连以控制通过控制阀的流体。
示例性插装式填料组件200安装在控制阀体290外侧的填料盒280中，并且由 两个基本同心的膛孔组成，如所示。第一个膛孔是填料膛孔238,其容纳插装式 填料组件200并且由内壁239形成，该内壁239终止于将控制阀的压力侧中的主流 体流动通路(未示出)与填料膛孔238大致分开的倒角边缘肩部286。第二膛孔 是用于阀杆215的间隙膛孔270,以允许阀杆215沿纵轴Z移动，阀杆与第二膛孔 的壁之间的间隙被设置为防止阀杆磨蚀。插装式填料组件200由填料法兰228保 持在填料盒280中，该填料法兰228具有大致T形截面，其提供法兰配合表面272， 以连接到控制阀的上表面273上。
在图3的左半平面示出的不可调节插装式填料组件中，填;阵法兰228包括下 部基本圆柱部229，并且具有第一膛孔236以-使岡杆215贯穿其中，如所示。间隙 孔被设置在阀杆215周围以便实质上消除与填料法兰228的岡杆磨蚀。填料保持 器255定位在填料盒280内，并适于将填料法兰228的下部229承载在填料膛孔242 内，以便提供受控的表面尺寸。该表面尺寸将被用于压缩填料组220，以产生预 定的填料应力，并将在下面详细描述。如所示，填料法兰228通过紧固件275连 接到控制阀体290上，该紧固件275穿过间隙孔274并且与阀体290的内螺紋部276
18接合。也可以使用其它方法，例如本领域技术人员已知的夹紧方法。示例性插
装式填料组件200的密封部件与之前描述的内侧安装的填料组件类似。
如图3所示，填料组220由单一密封环225和两个抗挤压环223和227组成。该 结构的材料与之前描述的相同部件基本类似。此外，为了防止挤压，填料组件 220还使用两个定位在填料组220的外侧和内侧的抗挤压垫圈232和233,如图3 所示。如前所述，为了形成流体密封，密封环225必须沿径向扩张到阀杆215和 填料膛孔238。在示例性填料组件200中，轴向加载力从加载组件240通过基本不 可压缩的间隔件241传递，该加载组件240优选地由一组贝氏弹簧组成，如前所 述。本领域技术人员应该意识到，该示例性填料组件200还可包括设置在间隙膛 孔270中作为引导套筒的滑动轴承(未示出)，以实质上减小湍流过程流体或致 动器错位所施加的任何侧向负载的影响。
对于示出在图3左半平面的不可调节配置，本领域技术人员应该理解的是， 预定的填料应力由保持器肩部268的顶表面与用于加载组件240的支持面265之 间的被控距离，以及法兰228的圆柱部229相对于法兰配合表面272的长度而建 立。如前所述，传统的动加载填料组件通常具有在控制阀组件部件内的误差叠 加，这可压制贝氏弹簧组的行程或者压缩量。
而与之相反，示例性填料组200具有只与两个被控尺寸相关的误差叠加。这 样，在保持器肩部268、支持面265与法兰228的圆柱部229之间的被控距离确保 准确的贝氏弹簧负载。换句话说，负载通过控制套筒内的填料盒的深度而不是 原始阀孔的深度来确定。进一步，通过将新的保持器255 "套"在旧的膛孔中而 使填料盒膛孔重新采用新条件，左半平面的示例性填料组件200实质上改进针对 现有阀的修理或修整过程。新的保持器255可提供改进的抗腐蚀特性，其可由诸 如S31600等抗腐蚀金属或合金或者类似的抗腐蚀、热稳定的包括PEEK的聚合物 制成。事实上，填料保持器255可用于被过钻孔或者通过使用定位在环形凹槽294 中的诸如O形环293等密封部件损坏的填料盒280中，以有效地在填料保持器255 与填料膛孔238之间进行密封。可替换地，图3右半平面的中分面局部剖视图示 出如下所述的位于右半平面的可调节插装式填料组件。也就是说，在某些应用
19中，可期望填料应力的调节(例如，需要额外的填料应力以确保环境密封的磨 损填料组)。
通过准确地控制贝氏弹簧的压缩量，并且从而准确地控制填料应力，与传 统的外部调节填料相比，填料性能可被显著改善，并且易变性可被显著降低。 但是，根据初始安装，在填料已经到达其使用寿命尽头之后，还需要着手解决 由磨损的填料导致的填料泄漏问题。典型地，填料必须被紧实以终止填料泄漏，
直到维修计划已被制定以重置填料组。这可由非密封的调节螺钉291来实现，该 调节螺钉291与保持器255接合以沿轴向移动填料组220。本领域技术人员应该意 识到，调节螺钉291不需要被密封，原因在于该调节装置位于由填料组件220形 成的流体密封外部。调节螺钉291是将填料应力设定到期望应力的辅助机构，该 期望应力大于由填料法兰228的下部圆柱部229的接合预定长度所确定的填料应 力，这与之前描述的不可调节填料组件类似。也就是说，定位在填料组220外侧 的补充间隔件241可被朝向填料组220驱动，以便进一步压缩密封环225和增大填 料应力。
此外，本领域技术人员还可以意识到，环形扳手环(未示出)也可被用于 调节和设定填料应力。技术人员还应该意识到，调节螺钉可被设计为比贝氏弹 簧的行程长，从而如果需要的话，维修人员能够施加非常高的填料应力。例如， 这种应力可能是用于充分减少严重磨损填料的泄漏所必需的。
图4示出可替换的示例性插装式填料组件。这种类型的插装式填料组件也可 安装在诸如传统的滑动杆球心阀等控制阀体内，并可被描述为外侧安装、底部 加载的填料组件。插装式填料组件300与之前的示例性填料组件类似的是，其有 利于现有控制阀的修理，并且提供可替换的调节装置。在该实施例中，填料应 力沿与过程压力相同的方向被施加，如前所述。示例性插装式填料组件300安装 在控制阀体390的外侧填料盒380中。插装式填料组件300包括填料法兰328和保 持器355,这二者形成由两个基本同心的膛孔352和338组成的插装式填料盒383。 第一膛孔是形成在填料法兰328内的填料膛孔352,并且包括终止于肩部353的外 壁354。第二膛孔是保持器膛孔338，其适于承载填料法兰328的外壁354。插装
20式填料盒383形成包含容积以容纳填料组320、台阶式间隔件341和加载组件340, 如下所述。本领域^技术人员应该意识到，台阶式间隔件341在本示例中实现与之 前描述的间隔件基本相同的功能。也就是说，台阶式间隔件341通过保持间组件 355的支撑传递来自加载组件340的填料应力。
与之前的示例性填料组件相似，在插装式填料组件300中，保持器膛孔338 终止于肩部365,以支撑加载组件并将加载组件力传到填料组320。采用之前描 述的的方式，使用穿过间隙孔372并接合控制阀体390的内螺紋部376的紧固件 375，填料组320和保持器355被填料法兰328保持在控制阀体390内。填料法兰328 还包括环形凹槽393和平坦密封垫片394或类似的密封装置，以形成法兰密封， 从而防止经过插装式填料组件320的高压泄漏。如果预定的填料应力基于由接触 控制阀325上表面的保持器肩部368与用于加载组件340的支持面365之间的被控 距离，以及填料法兰328的圆柱部329相对于阀体325上表面的插入深度限定的加 载力P艮值，该示例还可用作不可调节配置。填料法兰328还可提供调节装置，以 在某些新的或修理应用中提供额外的填料应力，如下面详细所述。
示例性插装式填料组件320的密封部件与之前描述的内侧安装填料组件类 似。也就是说，填料组320由单一密封环325和两个抗挤压环323和327组成。该 结构的材料和这些部件的作用与之前的示例性填料组中相似部件基本类似。填
图4所示。
插装式填料组件300的保持器355形成为具有两个同心保持器膛孔的大致圆 柱形。如图4所示，保持器膛孔338适于承载填料法兰328的一部分、加载组件340 和台阶式间隔件341的一部分。第二膛孔370适于承载阀杆315，并且通常提供用 于承载阀杆315的间隙膛孔，该间隙膛孔将不会磨蚀阀杆315的表面，而该磨蚀 将会导致填料恶化和流体泄漏。本领域技术人员应该意识到，该示例性填料组 件300还可包括与之前的示例性填料组件类似的滑动轴承(未示出)作为引导套 筒，以实质上减少由湍流过程流体或致动器错位施加的侧向负载的影响。
图4的示例性插装式填料组件320还包括调节装置，以控制填料组件320内的贝氏弹簧的预负载或填料应力。如图3所示，密封的调节螺钉391被可操作地连 接到保持器355，以沿轴向朝向/远离控制阀体390的外侧移动保持器355。本领 域技术人员应该意识到，调节螺4丁391可通过各种方法密封，例如0形环392或 类似物，如图3所示。在该示例性插装式填料组件300中，填料应力的调节通过 根据是否要增大或减小填料应力而沿顺时针或逆时针方向旋转调节螺钉391而 获得。也就是说，保持器355可朝向控制阀体390的外侧被牵引以进一步压缩加 载组件，从而如期望的那样增大填料应力。该示例性填料组件300还包括调节限 制件。
保持器355可朝向填料组件的外侧行进，直到保持器组件355的上表面356 接触法兰328的限制件表面397。可替换的调节限制件也可布置在台阶式间隔件 341内。例如，台阶式间隔件341的上部343被配置为与法兰填料膛孔352配合， 使得当填料应力被调节时，所述上部可被承载在法兰填料膛孔352内。台阶式间 隔件341可被进一步配置为使得下部344可接合填料膛孔肩部353,以限制台阶式 间隔件的行程，从而确保用于提供环境密封的最小填料应力，或者可被进一步 配置为当不能再维持密封时指示填料组320应该被更换。
虽然已经示出和描述了目前净皮^L为本发明优选实施例的内容，对于本领域 技术人员很明显的是，可以在不背离由所附权利要求限定的本发明的范围内作 出各种变化和修改。例如，本领域技术人员应该意识到，这些实施例也可以采 用具有非V形环类型截面的填料组，例如，模压成型的带形填料或辫带式填料。 尽管本文描述了某些装置、方法和制造品，本专利的覆盖范围并不限于此。相 反，本专利覆盖在文字上或在等同原则下实际上落入所附权利要求的范围内的 所有装置、方法和制造品。
2权利要求
1、一种用于控制阀组件的阀填料组件，该阀填料组件包括密封组件，其在阀杆周围提供流体密封；和加载组件，其具有加载装置，该加载装置适于提供向所述密封组件施加填料应力的加载力，以使该加载力提供预定填料应力，从而补充由所述控制阀组件内的过程压力产生的过程填料应力。
2、 如权利要求1所述的阀填料组件，其中所述加载组件力与所述过程 压力产生的过程力方向相同。
3、 如权利要求1所述的阀填料组件，进一步包括填料保持器，其具有 将所述加载组件承载在一支持面上的填料膛孔，并被配置为将所述密封组件 和所述加载组件连接到所述控制阀组件。
4、 如权利要求3所述的阀填料组件，其中所述填料保持器包括至少在 保持器肩部与所述支持面之间的预定长度，以控制限定预定填料应力的加载 力。
5、 如权利要求3所述的阀填料组件，进一步包括抗挤压部件，以实质 上防止所述阀杆周围的所述密封组件的密封部件被挤压。
6、 如权利要求4所述的阀填料组件，进一步包括间隔件，以将所述填 料应力从所述加载装置传递到所述密封组件。
7、 如权利要求5所述的阀填料组件，其中所述密封部件至少包括由 PTFE组成的密封环。
8、 如权利要求5所述的阀填料组件，其中所述抗挤压部件包括抗挤压 垫圈和抗挤压V形环中的至少之一 。
9、 如权利要求8所述的阀填料组件，其中所述抗挤压部件包括填充 PTFE材料，所述填充PTFE具有基本不磨蚀的填充物。
10、 如权利要求9所述的阀填料组件，其中所述基本不磨蚀的填充物为 二硫化钼。
11、 如权利要求8所述的阀填料组件，其中所述抗挤压部件包括填充 PTFE材料，所述填充PTFE具有选自由石墨、碳、硅石和硫酸钡组成的组 中的填充物。
12、 如权利要求11所述的阀填料组件，其中所述抗挤压部件进一步包 括PEEK增强型聚合物。
13、 如权利要求1所述的阀填料组件，其中所述加载装置包括多个贝氏 垫圈组成的组。
14、 如权利要求13所述的阀填料组件，其中所述贝氏垫圏组包括至少 五个贝氏垫圈。
15、 如权利要求3所述的阀填料组件，其中所述填料保持器进一步包括 用于引导所述控制阀组件中的所述阀杆的滑动轴承。
16、 如权利要求3所述的阀填料组件，其中所述填料保持器由选自由 S31600、因科镍合金、哈斯特洛依合金和PEEK组成的组中的抗腐蚀材料形 成。
17、 一种用于密封控制阀组件中的阀杆的插装式填料组件，该插装式填 料组件包括密封组件，其具有用于在所述阀杆周围提供流体密封的密封部件，以及 用于实质上防止所述阀杆周围的所述密封部件被挤压的至少一个第一抗挤 压部件；加载组件，其具有用于向所述密封组件提供预定填料应力的加载装置， 以及用于将所述加载装置连接到所述密封组件的至少一个间隔件；以及填料保持器，其适于被设置在所述控制阀组件的外侧填料盒中，该填料 保持器限定承纳所述密封组件和所述加载组件的填料膛孔，其中所述填料保 持器包括在保持器肩部与加载装置支持面之间的预定长度，以控制限定所述 控制阀組件中的预定填料应力的加载组件力。
18、 如权利要求17所述的插装式填料组件，其中所述加载组件力提供 基本恒定的填料应力，以补充由所述控制阀组件内的过程压力产生的过程填料应力。
19、 如权利要求17所述的插装式填料组件，其中所述填料保持器提供 在所述外侧填料盒的抗腐蚀套筒。
20、 如权利要求19所述的插装式填料组件，其中所述填料保持器由选 自由S31600、因科镍合金、哈斯特洛依合金和PEEK组成的组中的材料形成。
21、 如权利要求17所述的插装式填料组件，其中所述密封部件至少包 括由PTFE组成的密封环。
22、 如权利要求17所述的插装式填料组件，其中所述第一抗挤压部件 包括抗挤压垫圈和抗挤压V形环中的至少之一 。
23、 如权利要求22所述的插装式填料组件，其中所述抗挤压部件包括 填充PTFE材料，所述填充PTFE具有基本不磨蚀的填充物。
24、 如权利要求23所述的插装式填料组件，其中所述基本不磨蚀的填 充物为二-克化钼。
25、 如权利要求22所述的插装式填料组件，其中所述抗挤压部件包括 填充PTFE材料，所述填充PTFE具有选自由石墨、碳、硅石和石克酸钡组成 的组中的填充物。
26、 如权利要求23所述的插装式填料组件，其中所述抗挤压部件进一 步包括PEEK增强型聚合物。
27、 如权利要求17所述的插装式填料组件，其中所述加载装置包括多 个贝氏垫圏组成的组。
28、 如权利要求17所述的插装式填料组件，其中所述填料保持器被法 兰部件保持在所述控制阀组件内。
29、 如权利要求28所述的插装式填料组件，其中所述法兰部件进一步 包括调节装置，以改变所述加载组件力。
30、 如权利要求29所述的插装式填料组件，其中所述调节装置被可操 作地连接到所述保持器。
31、 如权利要求29所述的插装式填料组件，其中所述调节装置被可操 作地连接到第二间隔件。
32、 如权利要求17所述的插装式填料组件，其中所述填料保持器进一 步包括用于引导所述控制阀组件中的所述阀杆的滑动轴承。
33、 一种用于控制阀组件的阀填料组件，该阀填料组件包括 密封组件，其具有用于在所述阀杆周围提供流体密封的密封部件，以及用于实质上防止所述阀杆周围的所述密封部件被挤压的抗挤压部件；加载组件，其具有加载装置，以提供用于向所述密封组件施加填料应力 的加载力；以及填料保持器，其具有将所述加载组件承载在一支持面上的填料膛孔，并 被配置为将所述密封组件和加载组件连接到所述控制阀组件，该填料保持器 进一步被配置为包括至少在保持器肩部与所述支持面之间的预定长度，以控 制限定预定填料应力的加载力，从而实质上减小所述控制岡组件中的填料摩擦和填料磨损。
34、 如权利要求33所述的阀填料组件，其中所述加载力提供基本恒定 的填料应力，以补充由所述控制阀组件内的过程压力产生的过程填料应力。
35、 如权利要求33所述的岡填料组件，其中所述密封部件至少包括由 PEEK组成的密封环。
36、 如权利要求33所述的阀填料组件，其中所述第一抗挤压部件包括 抗挤压垫圈和抗挤压V形环中的至少之一。
37、 如权利要求36所述的阀填料组件，其中所述抗挤压部件包括填充 PTFE材料，所述填充PTFE具有基本不磨蚀的填充物。
38、 如权利要求37所述的阀填料组件，其中所述基本不磨蚀的填充物 为二錄i/R:钼。
39、 如权利要求36所述的阀填料组件，其中所述抗挤压部件包括填充 PTFE材料，所述填充PTFE具有选自由石墨、碳、硅石和碌u酸钡组成的组 中的填充物。
40、 如权利要求37所述的阀填料组件，其中所述抗挤压部件进一步包 括PEEK增强型聚合物。
41、 如权利要求33所述的阀填料组件，其中所述加载装置包括多个贝 氏垫圈组成的组。
42、 如权利要求41所述的阀填料组件，其中所述贝氏垫圈组包括至少 五个贝氏垫圏。
43、 如权利要求33所述的阀填料组件，其中所述加载组件力与所述过 程压力产生的过程力方向相同。
44、 如权利要求33所述的阀填料组件，其中所述填料保持器进一步包 括用于引导所述控制阀组件中的所述岡杆的滑动轴承。
45、 如权利要求33所述的阀填料组件，其中所述填料保持器由选自由 S31600、因科镍合金、哈斯特洛依合金和PEEK组成的组中的抗腐蚀材料形 成。
全文摘要
一种用于控制阀的阀填料组件包括密封组件、加载组件和填料保持器。所述密封组件具有用于在阀杆周围提供流体密封的密封部件，以及用于实质上防止所述阀杆周围的所述密封部件被挤压的抗挤压部件。所述加载组件被配置为优选地向所述密封组件提供预定填料应力，该填料应力与过程流体施加到所述密封组件的过程应力方向相同，从而实质上减小所述控制阀组件中的填料摩擦和填料磨损。
文档编号F16K41/00GK101506563SQ200780030762
公开日2009年8月12日 申请日期2007年8月23日 优先权日2006年8月25日
发明者特德·丹尼斯·格拉波, 迈克·肯·洛弗尔 申请人:费希尔控制产品国际有限公司