低摩擦的動加載填料的制作方法

專利名稱：低摩擦的動加載填料的制作方法
技術領域：
本公開大體上涉及用于閥的填料，更具體而言，涉及一種動負載填料的 改進，其用于使用在要求非常低的閥填料排放水平的過程控制應用中的控制 閥。
背景技術：
在過程控制工業中，已知很多過程應用要求使用向周圍環境泄漏非常少 量的過程流體的控制閥。事實上， 一些加工廠遵從19卯年修訂的空氣潔凈 法案的聯邦條例，該法案規定基于測量到的從控制閥組件泄放到工廠環境中 的排放物濃度(例如，小于每體積百萬分之500份(ppmv))的某些過程 排放物例如芳香族化合物或氯代烴類的量。用于減少這種排放物的典型方案 包括在控制閥桿周圍放置波紋式密封件以容納排放物，或者在控制閥體內 安裝彈簧加載或動加載填料組件，以在閥操作期間將排放物維持在可接受的 濃度水平。
典型的波紋式密封件通過將柔性金屬腔(即，波紋管)連接在閥桿的暴 露部分周圍而產生外部"手風琴狀"環境密封。波紋式密封件致力于捕獲過 程流體并將過程流體容納在波紋管腔內，/人而防止過程流體逃逸到周圍環境 中。為了能起作用，波紋管必須在大操作溫度范圍內保持柔性，并抵抗各種 類型的腐蝕，這通常要求使用特種金屬。波紋管通常由貴重合金制成，例如 紐約新哈特福德的特種金屬公司(Special Metals Corporation of New Hartford,
7New York)提供的因科鎳合金(Inconel ),或者印地安那州可可木的哈氏 合金國際7^司(Haynes International, Inc. of Kokomo, Indiana)提供的p合其斤特 洛依合金(Hastelloy ) C型。這兩種特種金屬顯著增大波紋式密封件的成 本。此外，波紋式密封件安裝昂貴，原因在于波紋管通常被密封焊接到閥桿、 墊片密封在閥帽/閥接頭處，并且需要擴大的閥帽。波紋管的物理結構及該 安裝方法還對能在閥桿中出現的旋轉量有限制。為了防止損壞焊接或密封， 通常必須安裝防旋轉裝置，以限制操作期間閥桿的旋轉量。波紋式密封件還 被設計為具有特定長度的行程以便最大化波紋管的疲勞壽命。引起比設計的 行程長度大的行程的應用可能由于將"皺褶"延伸超過設計長度而損壞波紋 管，從而導致出現早期循環疲勞或破裂。 一種用于在波紋式密封件中捕獲泄 漏的排放物的可替換方法是通過使用諸如動加載填料等改進的控制閥填料 來防止出現排放物。
傳統的動加載填料組被安裝在控制閥組件的填料膛孔內以密封閥桿周 圍，從而實質上減少操作期間來自填料組的排放物。普遍理解的是填料必須 被軸向加載或加應力以驅使填料部件沿徑向擴張，從而在填料部件接觸在控 制閥體內的情況下，影響移動的閥桿上的動態密封和填料膛孔中的靜態密 封。本領域技術人員應該理解的是，在本描述中所使用的術語填料應力的含 義是由諸如彈簧等加載裝置或者由作用在填料組上的過程壓力產生的軸向 力除以填料的環面積。另外，本文描述的填料組件使用V形環密封部件(即， 填料的截面為V形)，該V形環密封部件被設計為將軸向填料應力放大為 較大的徑向接觸應力，以通過將軸向力沿徑向集中而促進密封。普遍已知的 是，環境動加載填料組件具有某些限制。圖1用曲線方式表示出相對于過程 壓力A的各種類型的示例性填料應力，這在下面詳細描述。本領域技術人 員應該意識到，由于過程壓力可壓制由填料應力形成的密封，小于過程壓力 A的填料應力通常可導致過程流體泄漏。
一種類型的傳統的動加載填料被稱為自動填料。密封由單一 V形環填 料組提供，該填料組由向填料環施加相對較小的填料應力的螺旋彈簧軸向加
8載，例如由密蘇里州圣路易斯的費希爾控制產品國際有限公司提供的單一
PTFE填料(Single PTFE packing )。本領域技術人員應該理解的是，這種類 型的填料組使用具有高軸向力與徑向力比的V形環。也就是說，V形環被 構造為在適用于給定應用的螺旋彈簧的相對較低的彈簧剛度下提供高徑向 擴張。這種類型的自動填料典型地適用于最大壓力300帕斯卡和最大溫度 200。F的環境場合(例如，〈500ppmv濃度)，如圖1中軸向填料應力B所 示。這種類型的填料可從控制閥的內側或壓力側加載，但是由于是螺旋彈簧 加載，因此通常只適用于低壓力環境應用中。
另一種類型的填料通常被描述為雙V形環填料。該填料組件使用與上 述單一 v形環填料相似的兩個低壓V形環填料組，這些填料組被設置為上、 下密封部件，而不需要任何類型的彈簧加載的裝置來施加填料應力。填料組 在靜態填料負載下被加應力，以通過本領域技術人員已知的填料螺母/填料 壓圈組件來形成閥桿密封。這種類型的填料的缺點是，沒有彈簧元件來確保 在大溫度范圍內有足夠水平的填料應力，這種填料設計不能適用于環境場 合，因此沒有描繪在圖1中。
又一種類型的環境填料是雙V形環動加載填料組，市場流通的有密蘇 里州的費希爾控制產品國際有限公司提供的環境密封(Enviro-Seal ) PTFE 填料。這種類型的填料組使用由諸如貝氏彈簧等高彈簧剛度的加載裝置加載 的高壓V形環(即，低軸向力與徑向力比)。與螺旋彈簧加栽相比，貝氏 彈簧具有更大的彈簧剛度，以針對高壓應用提供用于壓縮雙V形環填料所 需的相對較大的力或填料應力。這種類型的填料典型地適用于最大壓力750 帕斯卡和最高溫度450°F的環境場合。這種類型的填料組件的一個問題涉及 到用于加載填料的貝氏彈簧的使用。盡管貝氏彈簧提供所需的填料應力，但 貝氏彈簧的行程或壓縮范圍非常小。這種高彈簧剛度與低或小行程范圍的結 合導致需要對貝氏彈簧的預載荷和/或緊密保持制造誤差進行非常精確的初 始調節，以獲得期望的填料應力。也就是說，本領域技術人員應該意識到， 貝氏彈簧的每單位行程或壓縮的填料應力相對較大。這樣，正常的控制閥組
9節，這會非常困難并且費時(例如，費希爾控制
設計D2系列的泵閥使用串聯堆疊的三個貝氏彈簧，這要求±0.0024英寸內 的調節精度以達到土50帕斯卡范圍內的填料應力)。因此，如果填料應力太 高，會導致高填料摩擦，這會降低控制閥性能和填料壽命。
另外，螺旋彈簧典型地不被使用于高壓、雙V形環填料，原因在于以 下事實閥帽/填料盒面積受限，并且用于得到合適的彈簧剛度所需的螺旋 彈簧的截面積太大。此外，這種類型的填料組典型地從控制閥的外側(即， 相對于內側或壓力側的外側或大氣側)加載，從而提供與過程壓力產生的力 相反的填料力。因為貝氏彈簧力與過程壓力產生的力相反，彈簧力并不累加 填料應力；因此，在初始填料設立時，用于產生環境密封所需的初始填料應 力必須通過增大該初始填料應力來解決，如圖1所示的填料應力C，其與過 程壓力無關，直到過程壓力與填料應力匹配。這種在初始填料應力中的過度 補償在組件中產生更大的摩擦，這可導致控制閥致動器尺寸加大，從而增加 控制閥的費用并且導致操作期間更大的填料磨損。
另 一市場流通的適用于高溫、高壓環境場合的填料是集成有PTFE的石 墨基填料，已知有密蘇里州圣路易斯的費希爾控制產品國際有限公司的環境 密封石墨ULF (Enviro-Seal Graphite ULF)。這種類型的填料組針對高溫操 作使用具有集成在密封部件中的少量PTFE的石墨基填料環，以最小化摩擦。 貝氏彈簧被用于提供填料應力。與之前的填料組不同，石墨基密封環的極高 的軸向力與徑向力比需要非常高的彈簧剛度來產生環境密封。為了這種類型 的填料，貝氏彈簧沿與過程壓力產生的力相反的方向產生非常大的力，從而 導致約4500帕斯卡的填料應力(如圖1所示的恒定填料應力D)。與其它 類型的基于貝氏彈簧的填料組件類似，貝氏彈簧的行程非常小，從而需要非 常精確的初始調節來控制填料應力。盡管這種類型的填料適用于最大壓力 1500帕斯卡和最高溫度600。F的環境場合，但這種填料配置產生的摩擦水平 在低于300°F的溫度下可實質上高于PTFE填料，并且在某些類型的應用(例 如，不需要控制閥定位件的應用)中是不可接受的。
10因此，期望提供一種具有改進的操作范圍性能的改進的動加載填料系 統，其能夠向閥桿填料施加均衡應力，使得填料應力在操作期間維持在高于 過程壓力的恒定水平。還期望提供一種動加載填料系統，其減小填料摩擦以 改進控制閥性能，并減小填料磨損以改進維護。
發明W谷
在一示例性填料組件中，其包括密封組件，其包括在所述閥桿周圍提 供流體密封的密封部件，和實質上防止所述閥桿周圍的所述密封部件被擠壓 的抗擠壓部件；以及加載組件，其對所述密封組件提供預定填料應力以在加 載裝置與密封組件之間傳遞填料應力。所述填料組件進一步包括填料保持 器，其適于承載所述密封組件和所述加載組件中的至少之一，并被配置為將
該密封組件和加載組件連接到所述控制閥組件。該填料保持器進一步包括肩 部以接合所述控制閥組件內的填料盒，從而控制加載組件的預載荷，以提供 預定填料應力，進而實質上減小所述控制閥組件中的填料摩擦和填料磨損。 在另一示例性填料組件中， 一種插裝式填料組件包括密封組件，其具 有在所述閥桿周圍提供流體密封的密封部件，和實質上防止所述閥桿周圍的 所述密封部件被擠壓的至少一個第一抗擠壓部件；以及加載組件，其具有加 載裝置以向所述密封組件提供預定填料應力，和將所述加栽裝置連接到所述 密封組件的壓圈部件。所述填料組件進一步包括填料保持器，其適于被設 置在所述控制閥組件的填料盒中以承納所述密封組件和所述加載組件，并具 有肩部以接合所述控制閥組件，從而控制所述加載組件的預載荷，以提供預 定填料應力，進而實質上減小所述控制閥組件中的填料摩擦和填料磨損。該 示例性填料保持器進一 步包括調節裝置以改變安裝時的填料應力。


本發明的被認為具有新穎性的特征被特別闡述在所附權利要求中。本發 明可通過參照下面結合所附附圖的描述而被更好地理解，其中各附圖中相同的附圖標記表示相同的元件，其中
圖1為各種類型的閥組件的過程壓力與軸向填料應力的曲線圖2為根據示例性填料組的動加載填料組件的中分面局部剖視圖3為根據示例性填料組的動加載插裝式填料組件的中分面局部剖視
圖；以及
圖4為根據示例性填料組的動加載插裝式填料組件的中分面局部剖視圖。
具體實施例方式
示例性填料組件使用一組密封環和抗擠壓環來在控制閥軸周圍提供高 壓流體密封組件。該密封組件可具有以下特征l)加載組件，例如貝氏彈 簧組，其提供具有足夠行程的屈從填料應力，以提供對填料的改進調節，其 中填津+應力的施加方向與由過程流體施加的流體壓力的方向相同；2 )填剩-保持器，其被布置為接合控制閥體或閥帽組件，以實質上消除初始調節填料 應力來壓制或抵消過程壓力的需求，從而提供具有摩擦減小和填料組磨損減 小的環境密封；3)具有抗擠壓墊圈和環的密封組件，其明顯減少操作中閥 軸和/或密封件磨損；以及4)插裝式密封組件，其實質上改善了填料組件的 維修或更換。改進的填料組件提供有成本效益的裝置，以通過提供比過程壓 力產生的填料應力大的恒定填料應力來提供"追蹤"過程壓力的填料應力， 進而允許填料在最低的可接受應力下操作，從而最小化摩擦和最大化填料壽 命。對過程壓力的追蹤將在下面更為詳細地描述。
在圖2所示的第一示例性填料組件中，中分面局部截面示出的填料組件 100在左半平面未加載荷或應力，而在右半平面加載荷或應力。本領域，技術 人員應該理解的是，這里的填料組件作為示例應用于閥帽組件190;但是， 這些描述并不旨在將示例性的填料組件限制在這種特定應用中。例如，示例 性填料組件可被直接安裝到控制閥內的填料盒中或者致動器組件中，而不脫 離本發明的精神和范圍。
12如前所述，很多控制閥應用需要在閥桿周圍進行環境密封，以防止過程 流體泄漏到周圍大氣中。此外，很多傳統的填料組從控制閥的外側(即，控 制閥體外部的頂側或大氣壓力側)安裝，并且通常從該外側加負載或加應力。 這種類型的填料配置由與過程壓力產生的力相反的力來加應力，其中過程壓 力經常導致初始填料應力大于形成環境密封所需的值，這使得控制閥性能惡 化，如下面所述。
在本示例中，作為內側安裝(即，關于控制閥體的內側或壓力側安裝)、
底部加載的填料組件，提供環境流體密封的填料組件IOO被示出為安裝在閥 帽組件190中。具體而言，填料組件IOO定位在閥帽組件190的填料盒180 內，并經由通孔136承載閥桿115，該通孔136延伸貫穿填料組件IOO并至 控制閥內部，該控制閥與諸如閥塞等流體控制裝置(未示出)連接以控制通 過該控制閥的流體流動。閥帽組件190的填料盒180包括三個基本同心的膛 孔137、 138和139，以容納閥桿115和填料組件100。第一膛孔是用于閥桿 115的外間隙膛孔137以允許沿Z軸運動，從而將期望的閥桿運動連動至閥 塞以控制閥內的流體流動。通過提供閥桿間隙，避免了與閥桿115的接觸， 這種接觸在閥桿的損壞部分移動穿過填料組件120時可導致泄漏。閥帽組件 190內的第二膛孔為提供用于安放填料組120的填料膛孔138,其中填料組 120提供填料組件100的密封機構。填料膛孔138由壁142限定以便為填料 組120提供支持面，其中壁142終止在閥帽組件190外側上的填料膛孔肩部 143。相對大于外間隙膛孔137和填料膛孔138的第三膛孔是保持器膛孔139, 其被配置為接合用于提供預調節填料應力的填料保持器155,如下面更為詳 細地闡述。
填料組120包括單一密封環125和兩個抗擠壓環123和127，其通常稱為V形 環類型的填料組。如圖2所示，示例填料組120包括被放置為緊密接觸閥桿115 圓周周圍的上部凹適配環123、中間密封環125、以及下部凸適配環127。本領域 技術人員能夠理解的是，也可以使用V形環的各種組合來實現環境密封(例如， 5個或7個V形環集)。V形環類型的填料環123、 125和127可由聚四氟乙烯(PTFE)
13形成，已知有伊利諾斯州的莫頓格羅夫的約翰H.克蘭公司(JohnH.Crane Company of Morton Grove, Illinois)提供的V型PTFE填料。也可以使用由其它材 料或者由其它合成樹脂聚合物適當形成的填料。此外，適配環123和127可填充 以碳，以便在可產生改進密封的負載下提供更大的硬度，如下所述。
V形環填料是優選的，原因在于在軸向填料應力下，V形截面固有地產生使 填料組擴張的徑向負載，以形成改進的密封。換句話說，在負載下，V形環123、 125和127被軸向壓縮，隨著配合的V形表面被馬區使向彼此，該軸向壓縮引起中 間密封環125至閥桿115和填料膛孔138中的相關徑向擴張。優選地，由于適配環 123和127中的每一個與中間密封環125相比柔性相對較小，因而將填料應力集中 在中間環中以提供流體密封。
在溫度升高和/或壓力升高的情況下，PTFEV形環填料環可擠壓(即，沿例 如間隙膛孔136遠離密封環125的路徑從原始形狀扭曲)而導致所含的填料量損 失。填料的"移位"可引起填料組內的填料量的相繼損失，從而使得相關的填 料應力減小，這可導致填料泄漏。為了防止這種擠壓，填料組件使用定位在填 料組120外側和內側的兩個抗擠壓墊圈132和133，如圖2所示。這兩個抗擠壓墊 圏132和133的特征在于，在為了形成流體密封而施加的填料應力下大致不可壓 縮(例如，墊圈基本上不會沿軸向壓縮，并且不會沿徑向擴張)。
相應地，上部抗擠壓墊圈132與填料膛孔肩部143配合，以防止通過間隙膛 孔136對閥體外側的擠壓，下部抗擠壓墊圈133與間隔件141配合，以防止經過間 隔件141朝向閥桿115內側的擠壓。這兩個抗擠壓環還與填料膛孔壁142接觸，以 便將密封環包含在填料膛孔138內。本領域技術人員還應該意識到，下部抗擠壓 墊圈133可從填料組120移除，而不會實質上降低填料組120的抗擠壓性能。也就 是說，如下所述，除了過程壓力提供的朝向外側的力(如圖2所示的矢量P)，填 料組的底部加載被認為可產生僅向閥帽組件190外側的擠壓。
每個抗擠壓墊圈均由復合材料形成， 一種填充PTFE具有選自以下至少之一 的填充物石墨、碳、硅石或者硫酸鋇，例如市場流通的紐約帕爾邁拉的加洛 克密封科技(Garlock Sealing Technologies of Palmyra)提供的圭龍(Gylon )。
14抗擠壓墊圈通常由相對于填料環具有足夠硬度的材料形成以防止擠壓。據觀測，
通用的抗擠壓墊圏材料，例如Gylon⑧3510材料，可使閥桿在某些高頻控制閥應 用中(例如，大循環次數累積的應用，例如25000循環次數)磨損。
Gylon3510被理解為是一種由包含礦物硫酸鋇(即，基本上為礦物重晶石) 的PTFE制成的復合材料。在高頻應用中，硫酸鋇實際上可導致微小的閥桿磨損， 這會降低填料性能。已知硫酸鋇具有約3莫氏硬度標度(HM)的硬度，即約19 洛氏C硬度標度(HRC)。閥桿普遍由S31600制成，已知S31600具有約25HRC 的硬度。礦物填充物被認為可具有足夠的硬度而引起對閥桿逐漸的磨損或磨蝕， 這可能導致填料在操作中降級。這也許是因為抗擠壓墊圈與PTFE填料密封環基 本相鄰，使得由抗擠壓墊圏引起的閥桿磨蝕在閥的運行期間被定位為與PTFE填 料環頻繁地接觸，從而在桿的密封部分形成粗糙表面。這些磨蝕表面增大填料 密封環的磨損速度，這可產生不期望的泄漏而需要維護和^f奮理。
相反，如果該磨蝕能被實質上減小，填料組件的使用壽命可被實質上增大。 在該示例性填料組件中，每個抗擠壓環優選地由具有二石克化鉬填充物的填充 PTFE以及聚醚醚酮(PEEK)增強型聚合物的復合材料形成，這已知有費希爾 控制產品國際有限公司提供的TCM⑧Ultra。其它參考復合材料可被制成為美國 專利5,823,540所描述的密封材料，該專利已轉讓給當前受讓人，并特別作為參 考合并于此。實質上較小磨蝕的TCMUltra填充物材料(即，二硫化鉬的硬度為 約1HM)有望用于增大示例性填料組件的循環壽命，并且還可將溫度范圍從約 450。F擴大到500。F。此外，由TCMUltm制成的抗擠壓環可通過傳統的模制工藝 形成，該工藝比用于制造典型的Gylon3510部件的沖壓模鍛工藝便宜很多。
如前所述，為了形成流體密封，密封環125必須徑向擴張至閥桿115和填料 膛孔138。在示例性填料組件100中，軸向填料應力從加載組件140通過基本不可 壓縮的間隔件141傳遞。間隔件141通常由S31600制成，并且緊密接觸填料膛孔 138的壁142。間隙膛孔被設置為承載閥桿115,而不磨蝕閥桿表面從而延長填料 壽命。軸向填料應力由示例性填料組件100的加載組件140施加的負載力(如圖2 所示的矢量L)產生。加載組件140優選地包括一組貝氏彈簧，但是本領域技術人員理解的是，也可考慮使用能提供整個期望行程范圍內的適量的預定填料應 力的其它彈簧裝置。例如，可以使用螺旋彈簧，但是螺旋彈簧的通常較低的彈 簧剛性系數可需要明顯較大的填料盒容量，以便容納該組件，這會增大控制閥 成本并且引起組裝和安裝問題。
與傳統的貝氏彈簧不同，示例性填料組件100的加載組件140使用具有相對
較低彈簧剛性系數和較長行程或壓縮量的貝氏彈簧，如下面更為詳細所述。加
載組件140被填料保持器155保持和壓縮，該填料保持器155被配置為從內側連接 到控制閥體(未示出)。填料保持器155形成為具有基本圓柱形腔的大致圓柱形， 其中所述腔形成用于承載加載組件140的加載組件膛孔165和用于承載閥桿115 和/或滑動軸承175的第二保持器膛孔170。在某些應用中，滑動軸承可引導閥桿 115穿過填料組件100。為了保持滑動軸承,滑動軸承175可包括接合唇部182， 該接合唇部182被形成為接合填料保持器155的倒角邊緣183,并且通過加載組件 140的貝氏彈簧的壓縮而被保持在適當位置。
一種用于壓縮加載組件140的這種配置示出在圖2的示例性實施例中，其具 有與保持器膛孔139的一部分中對應的螺紋151接合的外部配合螺紋185。本領域 技術人員應該意識到，可考慮使用其它方法，例如夾緊設計。可替換地，在不 需要引導閥桿的應用中，滑動軸承可被去除，且閥桿115沒有任何接觸地穿過間 隙膛孔170，從而保護閥桿115的表面光潔度。本領域技術人員應該意識到，示 例性填料組件的安裝和保持機構可顯著減少填料組件的安裝和調節。
傳統的動加載填料組件通常具有已知的誤差疊加問題。這發生在填料組件 部件和控制閥體壓制貝氏彈簧組的行程或壓縮量，使得填料組件的預加載的調 節必須精確設定的情況，如前所述。通常，這需要操作者將填料組安裝在控制 閥體或閥帽組件內，并且隨后緊實填料，直到調節"到最低點，，(即，沒有調 節余量)。操作者必須隨后根據應用將填料組件的調節機構松開精確的旋轉圈 數，以便設定期望的填料應力水平。
為了避免該問題，示例性的保持器155包括保持器肩部168,如所示，當保 持器155被螺紋至閥帽組件190的保持器膛孔139以預設填料應力時，該肩部接觸
16保持器膛孔的配合表面166。也就是說，保持器肩部168和加載組件膛孔165的尺 度被預定，以便當保持器155被緊密地螺紋至閥帽組件190時，精確地預加載填 料組件120。例如，在該示例中，填料組件100使用受控尺寸來設定應力和五個 較長行程的貝氏彈簧，以便增大制造誤差疊加而使其能夠達到士0.015英寸。此 外，填料保持器155可具有被形成為接納標準承槽的外表面178,例如六邊形截 面，以便提供將保持器155擰緊到閥帽190中的便捷方法。
本領域技術人員應該意識到，較低的彈簧剛度可起因于較薄的貝氏彈簧。 因此，即使貝氏彈簧與傳統的填料組件相比具有相對較低的彈簧剛度，但與這 種較低的彈簧剛度結合的較長的行程范圍在預定壓縮或負載下提供足夠的填料 應力，以提供具有最小摩擦的環境密封。例如，在該底部加載的填料組件IOO 中，能夠提供約450帕斯卡的填料應力的貝氏彈簧組可產生諸如費希爾控制設計 D2系列(Fisher Controls Design D2)的閥中的環境密封。因此，當填料,皮緊實 時，填料保持器在閥帽組件中的配合表面上降到最低點，從而產生期望的初始 填料應力值。更重要的是，由于該底部加載組件，隨著過程壓力增大，該示例 性底部加載填料的填料應力因其值與初始填料應力相等(即，加載組件力不與 過程壓力產生的力相反)而保持大于過程壓力。通過該設計，可以選擇初始填 料應力以給出期望的應用所需的性能特性。
作為示例，為了使具有1500帕斯卡填料應力的該示例性填料組件形成環境 密封，在750帕斯卡的過程條件下需要僅750帕斯卡的填料應力。與可需要1500
相比，這顯著降低填料應力。換句話說，底部加載填料組件100提供的填料應力 允許比由現行過程條件提供的應力大的恒定填料應力。也就是說，示例性填料 組件的填料應力"追蹤"過程壓力，該過程壓力具有的填料應力余量與初始填 料應力基本相等并恒定存在，使得最小填料應力將基本等于初始填料應力，如 圖1所示的填料應力E。
可替換地，在產生1000帕斯卡過程壓力的過程應用中，為了環境密封，示 例性填料組件100可使用500帕斯卡的初始填料應力來達到1500帕斯卡的填料應
17力。示例性填料組件100的較低的填料應力可減少填料磨損和填料摩擦，從而提 高總控制閥性能和減少維護費用。本領域技術人員應該注意并意識到，該示例 性填料組將在真空場合的操作中維持足夠的環境密封。也就是說，初始填料應
力可以^皮設定為使得在抽真空(例如，-14.7帕斯卡)的4喿作條件下，壓力條件 對施加到填料組件上的總填料應力占相對極少的百分比。
圖3示出可替換的示例性填料組件。這種類型的填料組件可安裝在諸如傳統 的滑動桿球心閥等控制閥體內，并可被限定為外側安裝、底部加載的填料組件。 也就是說，填料組件可從控制閥的外側被安裝，并因而適用于新安裝或修理應 用。此外，圖3的中分面局部剖視圖示出的插裝式填料組件在左半平面不可調節 而在右半平面可調節。相同的元件被標以相同的附圖標記。插裝式填料組件200 與之前的示例性填料組件類似的是包括組件通孔236，該組件通孔236承載閥桿 215，該閥桿與內側閥塞(未示出)相連以控制通過控制閥的流體。
示例性插裝式填料組件200安裝在控制閥體290外側的填料盒280中，并且由 兩個基本同心的膛孔組成，如所示。第一個膛孔是填料膛孔238,其容納插裝式 填料組件200并且由內壁239形成，該內壁239終止于將控制閥的壓力側中的主流 體流動通路(未示出)與填料膛孔238大致分開的倒角邊緣肩部286。第二膛孔 是用于閥桿215的間隙膛孔270,以允許閥桿215沿縱軸Z移動，閥桿與第二膛孔 的壁之間的間隙被設置為防止閥桿磨蝕。插裝式填料組件200由填料法蘭228保 持在填料盒280中，該填料法蘭228具有大致T形截面，其提供法蘭配合表面272， 以連接到控制閥的上表面273上。
在圖3的左半平面示出的不可調節插裝式填料組件中，填;陣法蘭228包括下 部基本圓柱部229，并且具有第一膛孔236以-使岡桿215貫穿其中，如所示。間隙 孔被設置在閥桿215周圍以便實質上消除與填料法蘭228的岡桿磨蝕。填料保持 器255定位在填料盒280內，并適于將填料法蘭228的下部229承載在填料膛孔242 內，以便提供受控的表面尺寸。該表面尺寸將被用于壓縮填料組220，以產生預 定的填料應力，并將在下面詳細描述。如所示，填料法蘭228通過緊固件275連 接到控制閥體290上，該緊固件275穿過間隙孔274并且與閥體290的內螺紋部276
18接合。也可以使用其它方法，例如本領域技術人員已知的夾緊方法。示例性插
裝式填料組件200的密封部件與之前描述的內側安裝的填料組件類似。
如圖3所示，填料組220由單一密封環225和兩個抗擠壓環223和227組成。該 結構的材料與之前描述的相同部件基本類似。此外，為了防止擠壓，填料組件 220還使用兩個定位在填料組220的外側和內側的抗擠壓墊圈232和233,如圖3 所示。如前所述，為了形成流體密封，密封環225必須沿徑向擴張到閥桿215和 填料膛孔238。在示例性填料組件200中，軸向加載力從加載組件240通過基本不 可壓縮的間隔件241傳遞，該加載組件240優選地由一組貝氏彈簧組成，如前所 述。本領域技術人員應該意識到，該示例性填料組件200還可包括設置在間隙膛 孔270中作為引導套筒的滑動軸承(未示出)，以實質上減小湍流過程流體或致 動器錯位所施加的任何側向負載的影響。
對于示出在圖3左半平面的不可調節配置，本領域技術人員應該理解的是， 預定的填料應力由保持器肩部268的頂表面與用于加載組件240的支持面265之 間的被控距離，以及法蘭228的圓柱部229相對于法蘭配合表面272的長度而建 立。如前所述，傳統的動加載填料組件通常具有在控制閥組件部件內的誤差疊 加，這可壓制貝氏彈簧組的行程或者壓縮量。
而與之相反，示例性填料組200具有只與兩個被控尺寸相關的誤差疊加。這 樣，在保持器肩部268、支持面265與法蘭228的圓柱部229之間的被控距離確保 準確的貝氏彈簧負載。換句話說，負載通過控制套筒內的填料盒的深度而不是 原始閥孔的深度來確定。進一步，通過將新的保持器255 "套"在舊的膛孔中而 使填料盒膛孔重新采用新條件，左半平面的示例性填料組件200實質上改進針對 現有閥的修理或修整過程。新的保持器255可提供改進的抗腐蝕特性，其可由諸 如S31600等抗腐蝕金屬或合金或者類似的抗腐蝕、熱穩定的包括PEEK的聚合物 制成。事實上，填料保持器255可用于被過鉆孔或者通過使用定位在環形凹槽294 中的諸如O形環293等密封部件損壞的填料盒280中，以有效地在填料保持器255 與填料膛孔238之間進行密封。可替換地，圖3右半平面的中分面局部剖視圖示 出如下所述的位于右半平面的可調節插裝式填料組件。也就是說，在某些應用
19中，可期望填料應力的調節(例如，需要額外的填料應力以確保環境密封的磨 損填料組)。
通過準確地控制貝氏彈簧的壓縮量，并且從而準確地控制填料應力，與傳 統的外部調節填料相比，填料性能可被顯著改善，并且易變性可被顯著降低。 但是，根據初始安裝，在填料已經到達其使用壽命盡頭之后，還需要著手解決 由磨損的填料導致的填料泄漏問題。典型地，填料必須被緊實以終止填料泄漏，
直到維修計劃已被制定以重置填料組。這可由非密封的調節螺釘291來實現，該 調節螺釘291與保持器255接合以沿軸向移動填料組220。本領域技術人員應該意 識到，調節螺釘291不需要被密封，原因在于該調節裝置位于由填料組件220形 成的流體密封外部。調節螺釘291是將填料應力設定到期望應力的輔助機構，該 期望應力大于由填料法蘭228的下部圓柱部229的接合預定長度所確定的填料應 力，這與之前描述的不可調節填料組件類似。也就是說，定位在填料組220外側 的補充間隔件241可被朝向填料組220驅動，以便進一步壓縮密封環225和增大填 料應力。
此外，本領域技術人員還可以意識到，環形扳手環(未示出)也可被用于 調節和設定填料應力。技術人員還應該意識到，調節螺釘可被設計為比貝氏彈 簧的行程長，從而如果需要的話，維修人員能夠施加非常高的填料應力。例如， 這種應力可能是用于充分減少嚴重磨損填料的泄漏所必需的。
圖4示出可替換的示例性插裝式填料組件。這種類型的插裝式填料組件也可 安裝在諸如傳統的滑動桿球心閥等控制閥體內，并可被描述為外側安裝、底部 加載的填料組件。插裝式填料組件300與之前的示例性填料組件類似的是，其有 利于現有控制閥的修理，并且提供可替換的調節裝置。在該實施例中，填料應 力沿與過程壓力相同的方向被施加，如前所述。示例性插裝式填料組件300安裝 在控制閥體390的外側填料盒380中。插裝式填料組件300包括填料法蘭328和保 持器355,這二者形成由兩個基本同心的膛孔352和338組成的插裝式填料盒383。 第一膛孔是形成在填料法蘭328內的填料膛孔352,并且包括終止于肩部353的外 壁354。第二膛孔是保持器膛孔338，其適于承載填料法蘭328的外壁354。插裝
20式填料盒383形成包含容積以容納填料組320、臺階式間隔件341和加載組件340, 如下所述。本領域^技術人員應該意識到，臺階式間隔件341在本示例中實現與之 前描述的間隔件基本相同的功能。也就是說，臺階式間隔件341通過保持間組件 355的支撐傳遞來自加載組件340的填料應力。
與之前的示例性填料組件相似，在插裝式填料組件300中，保持器膛孔338 終止于肩部365,以支撐加載組件并將加載組件力傳到填料組320。采用之前描 述的的方式，使用穿過間隙孔372并接合控制閥體390的內螺紋部376的緊固件 375，填料組320和保持器355被填料法蘭328保持在控制閥體390內。填料法蘭328 還包括環形凹槽393和平坦密封墊片394或類似的密封裝置，以形成法蘭密封， 從而防止經過插裝式填料組件320的高壓泄漏。如果預定的填料應力基于由接觸 控制閥325上表面的保持器肩部368與用于加載組件340的支持面365之間的被控 距離，以及填料法蘭328的圓柱部329相對于閥體325上表面的插入深度限定的加 載力P艮值，該示例還可用作不可調節配置。填料法蘭328還可提供調節裝置，以 在某些新的或修理應用中提供額外的填料應力，如下面詳細所述。
示例性插裝式填料組件320的密封部件與之前描述的內側安裝填料組件類 似。也就是說，填料組320由單一密封環325和兩個抗擠壓環323和327組成。該 結構的材料和這些部件的作用與之前的示例性填料組中相似部件基本類似。填
圖4所示。
插裝式填料組件300的保持器355形成為具有兩個同心保持器膛孔的大致圓 柱形。如圖4所示，保持器膛孔338適于承載填料法蘭328的一部分、加載組件340 和臺階式間隔件341的一部分。第二膛孔370適于承載閥桿315，并且通常提供用 于承載閥桿315的間隙膛孔，該間隙膛孔將不會磨蝕閥桿315的表面，而該磨蝕 將會導致填料惡化和流體泄漏。本領域技術人員應該意識到，該示例性填料組 件300還可包括與之前的示例性填料組件類似的滑動軸承(未示出)作為引導套 筒，以實質上減少由湍流過程流體或致動器錯位施加的側向負載的影響。
圖4的示例性插裝式填料組件320還包括調節裝置，以控制填料組件320內的貝氏彈簧的預負載或填料應力。如圖3所示，密封的調節螺釘391被可操作地連 接到保持器355，以沿軸向朝向/遠離控制閥體390的外側移動保持器355。本領 域技術人員應該意識到，調節螺4丁391可通過各種方法密封，例如0形環392或 類似物，如圖3所示。在該示例性插裝式填料組件300中，填料應力的調節通過 根據是否要增大或減小填料應力而沿順時針或逆時針方向旋轉調節螺釘391而 獲得。也就是說，保持器355可朝向控制閥體390的外側被牽引以進一步壓縮加 載組件，從而如期望的那樣增大填料應力。該示例性填料組件300還包括調節限 制件。
保持器355可朝向填料組件的外側行進，直到保持器組件355的上表面356 接觸法蘭328的限制件表面397。可替換的調節限制件也可布置在臺階式間隔件 341內。例如，臺階式間隔件341的上部343被配置為與法蘭填料膛孔352配合， 使得當填料應力被調節時，所述上部可被承載在法蘭填料膛孔352內。臺階式間 隔件341可被進一步配置為使得下部344可接合填料膛孔肩部353,以限制臺階式 間隔件的行程，從而確保用于提供環境密封的最小填料應力，或者可被進一步 配置為當不能再維持密封時指示填料組320應該被更換。
雖然已經示出和描述了目前凈皮^L為本發明優選實施例的內容，對于本領域 技術人員很明顯的是，可以在不背離由所附權利要求限定的本發明的范圍內作 出各種變化和修改。例如，本領域技術人員應該意識到，這些實施例也可以采 用具有非V形環類型截面的填料組，例如，模壓成型的帶形填料或辮帶式填料。 盡管本文描述了某些裝置、方法和制造品，本專利的覆蓋范圍并不限于此。相 反，本專利覆蓋在文字上或在等同原則下實際上落入所附權利要求的范圍內的 所有裝置、方法和制造品。
2權利要求
1、一種用于控制閥組件的閥填料組件，該閥填料組件包括密封組件，其在閥桿周圍提供流體密封；和加載組件，其具有加載裝置，該加載裝置適于提供向所述密封組件施加填料應力的加載力，以使該加載力提供預定填料應力，從而補充由所述控制閥組件內的過程壓力產生的過程填料應力。
2、 如權利要求1所述的閥填料組件，其中所述加載組件力與所述過程 壓力產生的過程力方向相同。
3、 如權利要求1所述的閥填料組件，進一步包括填料保持器，其具有 將所述加載組件承載在一支持面上的填料膛孔，并被配置為將所述密封組件 和所述加載組件連接到所述控制閥組件。
4、 如權利要求3所述的閥填料組件，其中所述填料保持器包括至少在 保持器肩部與所述支持面之間的預定長度，以控制限定預定填料應力的加載 力。
5、 如權利要求3所述的閥填料組件，進一步包括抗擠壓部件，以實質 上防止所述閥桿周圍的所述密封組件的密封部件被擠壓。
6、 如權利要求4所述的閥填料組件，進一步包括間隔件，以將所述填 料應力從所述加載裝置傳遞到所述密封組件。
7、 如權利要求5所述的閥填料組件，其中所述密封部件至少包括由 PTFE組成的密封環。
8、 如權利要求5所述的閥填料組件，其中所述抗擠壓部件包括抗擠壓 墊圈和抗擠壓V形環中的至少之一 。
9、 如權利要求8所述的閥填料組件，其中所述抗擠壓部件包括填充 PTFE材料，所述填充PTFE具有基本不磨蝕的填充物。
10、 如權利要求9所述的閥填料組件，其中所述基本不磨蝕的填充物為 二硫化鉬。
11、 如權利要求8所述的閥填料組件，其中所述抗擠壓部件包括填充 PTFE材料，所述填充PTFE具有選自由石墨、碳、硅石和硫酸鋇組成的組 中的填充物。
12、 如權利要求11所述的閥填料組件，其中所述抗擠壓部件進一步包 括PEEK增強型聚合物。
13、 如權利要求1所述的閥填料組件，其中所述加載裝置包括多個貝氏 墊圈組成的組。
14、 如權利要求13所述的閥填料組件，其中所述貝氏墊圏組包括至少 五個貝氏墊圈。
15、 如權利要求3所述的閥填料組件，其中所述填料保持器進一步包括 用于引導所述控制閥組件中的所述閥桿的滑動軸承。
16、 如權利要求3所述的閥填料組件，其中所述填料保持器由選自由 S31600、因科鎳合金、哈斯特洛依合金和PEEK組成的組中的抗腐蝕材料形 成。
17、 一種用于密封控制閥組件中的閥桿的插裝式填料組件，該插裝式填 料組件包括密封組件，其具有用于在所述閥桿周圍提供流體密封的密封部件，以及 用于實質上防止所述閥桿周圍的所述密封部件被擠壓的至少一個第一抗擠 壓部件；加載組件，其具有用于向所述密封組件提供預定填料應力的加載裝置， 以及用于將所述加載裝置連接到所述密封組件的至少一個間隔件；以及填料保持器，其適于被設置在所述控制閥組件的外側填料盒中，該填料 保持器限定承納所述密封組件和所述加載組件的填料膛孔，其中所述填料保 持器包括在保持器肩部與加載裝置支持面之間的預定長度，以控制限定所述 控制閥組件中的預定填料應力的加載組件力。
18、 如權利要求17所述的插裝式填料組件，其中所述加載組件力提供 基本恒定的填料應力，以補充由所述控制閥組件內的過程壓力產生的過程填料應力。
19、 如權利要求17所述的插裝式填料組件，其中所述填料保持器提供 在所述外側填料盒的抗腐蝕套筒。
20、 如權利要求19所述的插裝式填料組件，其中所述填料保持器由選 自由S31600、因科鎳合金、哈斯特洛依合金和PEEK組成的組中的材料形成。
21、 如權利要求17所述的插裝式填料組件，其中所述密封部件至少包 括由PTFE組成的密封環。
22、 如權利要求17所述的插裝式填料組件，其中所述第一抗擠壓部件 包括抗擠壓墊圈和抗擠壓V形環中的至少之一 。
23、 如權利要求22所述的插裝式填料組件，其中所述抗擠壓部件包括 填充PTFE材料，所述填充PTFE具有基本不磨蝕的填充物。
24、 如權利要求23所述的插裝式填料組件，其中所述基本不磨蝕的填 充物為二-克化鉬。
25、 如權利要求22所述的插裝式填料組件，其中所述抗擠壓部件包括 填充PTFE材料，所述填充PTFE具有選自由石墨、碳、硅石和石克酸鋇組成 的組中的填充物。
26、 如權利要求23所述的插裝式填料組件，其中所述抗擠壓部件進一 步包括PEEK增強型聚合物。
27、 如權利要求17所述的插裝式填料組件，其中所述加載裝置包括多 個貝氏墊圏組成的組。
28、 如權利要求17所述的插裝式填料組件，其中所述填料保持器被法 蘭部件保持在所述控制閥組件內。
29、 如權利要求28所述的插裝式填料組件，其中所述法蘭部件進一步 包括調節裝置，以改變所述加載組件力。
30、 如權利要求29所述的插裝式填料組件，其中所述調節裝置被可操 作地連接到所述保持器。
31、 如權利要求29所述的插裝式填料組件，其中所述調節裝置被可操 作地連接到第二間隔件。
32、 如權利要求17所述的插裝式填料組件，其中所述填料保持器進一 步包括用于引導所述控制閥組件中的所述閥桿的滑動軸承。
33、 一種用于控制閥組件的閥填料組件，該閥填料組件包括 密封組件，其具有用于在所述閥桿周圍提供流體密封的密封部件，以及用于實質上防止所述閥桿周圍的所述密封部件被擠壓的抗擠壓部件；加載組件，其具有加載裝置，以提供用于向所述密封組件施加填料應力 的加載力；以及填料保持器，其具有將所述加載組件承載在一支持面上的填料膛孔，并 被配置為將所述密封組件和加載組件連接到所述控制閥組件，該填料保持器 進一步被配置為包括至少在保持器肩部與所述支持面之間的預定長度，以控 制限定預定填料應力的加載力，從而實質上減小所述控制岡組件中的填料摩擦和填料磨損。
34、 如權利要求33所述的閥填料組件，其中所述加載力提供基本恒定 的填料應力，以補充由所述控制閥組件內的過程壓力產生的過程填料應力。
35、 如權利要求33所述的岡填料組件，其中所述密封部件至少包括由 PEEK組成的密封環。
36、 如權利要求33所述的閥填料組件，其中所述第一抗擠壓部件包括 抗擠壓墊圈和抗擠壓V形環中的至少之一。
37、 如權利要求36所述的閥填料組件，其中所述抗擠壓部件包括填充 PTFE材料，所述填充PTFE具有基本不磨蝕的填充物。
38、 如權利要求37所述的閥填料組件，其中所述基本不磨蝕的填充物 為二錄i/R:鉬。
39、 如權利要求36所述的閥填料組件，其中所述抗擠壓部件包括填充 PTFE材料，所述填充PTFE具有選自由石墨、碳、硅石和碌u酸鋇組成的組 中的填充物。
40、 如權利要求37所述的閥填料組件，其中所述抗擠壓部件進一步包 括PEEK增強型聚合物。
41、 如權利要求33所述的閥填料組件，其中所述加載裝置包括多個貝 氏墊圈組成的組。
42、 如權利要求41所述的閥填料組件，其中所述貝氏墊圈組包括至少 五個貝氏墊圏。
43、 如權利要求33所述的閥填料組件，其中所述加載組件力與所述過 程壓力產生的過程力方向相同。
44、 如權利要求33所述的閥填料組件，其中所述填料保持器進一步包 括用于引導所述控制閥組件中的所述岡桿的滑動軸承。
45、 如權利要求33所述的閥填料組件，其中所述填料保持器由選自由 S31600、因科鎳合金、哈斯特洛依合金和PEEK組成的組中的抗腐蝕材料形 成。
全文摘要
一種用于控制閥的閥填料組件包括密封組件、加載組件和填料保持器。所述密封組件具有用于在閥桿周圍提供流體密封的密封部件，以及用于實質上防止所述閥桿周圍的所述密封部件被擠壓的抗擠壓部件。所述加載組件被配置為優選地向所述密封組件提供預定填料應力，該填料應力與過程流體施加到所述密封組件的過程應力方向相同，從而實質上減小所述控制閥組件中的填料摩擦和填料磨損。
文檔編號F16K41/00GK101506563SQ200780030762
公開日2009年8月12日 申請日期2007年8月23日 優先權日2006年8月25日
發明者特德·丹尼斯·格拉波, 邁克·肯·洛弗爾 申請人:費希爾控制產品國際有限公司