CN101553677B - 减压阀的阀芯及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有阀芯的阀，所述阀芯具有多个涡流流径(201)，每个流径包括中央涡流室(202)并具有三个切向入口通道(203，204，205)。当流体流过入口通道(203，204，205)并流入涡流室(202)时，流体开始转向并彼此碰撞，即，通过入口通道(203)流入的流体将碰撞通过入口(204)流入的流体，流入入口(204)的流体将碰撞流入入口(205)的流体，流入入口(205)的流体将碰撞流入入口(203)的流体。当流入涡流室的流体撞击与流径壁部相对的另一流体流时，可以使用涡流产生具有腐蚀减少的流径。从入口(203，204，205)流入的流体在涡流室(202)内合成为径向流，并且通过出口(206)流出，所述出口大体上沿涡流室的轴向定位。
Description
技术领域
本发明涉及流体流动控制阀中的流体压力的控制和降低，尤其是减压阀的阀芯，所述阀尤其但不专门地为供电力工业和油气井中使用的严酷工况阀。
现有技术
在严酷工况阀中广泛使用的技术利用减压室，所述减压室由一个或多个流道组成，所述流道包含多个开口、迷宫通路、或多个具有急转弯的通道，从而产生分级减压。可选地，通过在流道中设置横截面积减少区域(流体流过该区域)可以提供节流。当流体流过流道时，速度在所述区域局部增大，从而产生下游紊流，这会消耗能量并降低压力。
在上述控制阀中，流动流体的能量消耗受到通过曲折通路的摩擦阻力或通过光滑通道的连续急剧收缩和膨胀的影响。这两种阀对于清洁流体而言工作良好，但是在许多应用中，流体会包含污染物，例如固体颗粒或液滴(在下文统称为颗粒)，会造成通道迅速腐蚀。这在曲折通路型阀中尤为普遍，所述曲折通路型阀以一系列90度的弯道为基础，所述颗粒在所述弯道处会撞击通道壁部，从而加快腐蚀，在膨胀/收缩阀中，由于收缩使流体和夹带于其中的颗粒加速，颗粒与通道壁部碰撞的速度同样加快了腐蚀。腐蚀问题在井口阻流阀中尤为普遍，所述井口阻流阀是位于油气井口顶部的主截止/控制阀。有时候使用分离至少一部分颗粒的分离器，然而对于阻流阀来说，由于它们刚好位于井口顶部，如果分离颗粒的装置放置在所述阀的上游，则它们难以检修，从而产生过于复杂的系统。
发明内容
本发明试图通过提供具有增强的抗腐蚀性的控制阀减少现有阀存在的问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于减压阀的阀芯，所述阀芯包括上游元件和下游元件，所述上游元件和下游元件一起限定了多个贯穿该阀芯的高流阻流径，每个所述流径均包括涡流室，所述涡流室具有至少一个大体上轴向的出口和布置在该涡流室周边处的至少三个大体上切向的流体入口通道，所述流体入口通道在一个大体上垂直于所述大体上轴向的出口的平面中延伸，所述流体入口通道布置成使得在使用中，从每个所述流体入口通道流入所述涡流室的流体撞击从所述流体入口通道中的另一个流体入口通道流入涡流室的流体，随后流体通过所述大体上轴向的出口从所述涡流室排出。
由于所述流体流相互撞击，每个流体流中的颗粒在其减速时丧失大部分能量，随后在其进入不同方向的流体流时加速。单个颗粒的能量减少导致对流径壁部(所述颗粒会撞击到所述壁部上)的腐蚀减少。
优选地，涡流室为大体上圆柱形状。可选地，涡流室可以为多边形，例如三角形或六角形。在使用多边形涡流室的情况下，流体入口通道与所述多边形的内切圆相切。优选地，通过入口通道流入涡流室的至少三个流体流在涡流室内混合成径向流，并且通过所述至少一个轴向出口一起流出。涡流在其中心具有较低压力，流体流在所述涡流的较低压力区域流出，从而产生经过所述流径的压降。
优选地，通向涡流室的三个大体上切向入口通道沿涡流室的半径朝向所述大体上轴向出口以数量x偏移。通过使入口通道以这样的方式偏移，通过每个入口通道流入涡流室的流体将直接撞击通过下一个入口通道流入涡流室的流体流，而不会使该流体流首先撞击涡流室壁部，从而进一步减少腐蚀。
优选地，所述至少三个入口通道具有位于入口通道上游的大体上90度的弯道。90度的弯道产生流动阻力，通过将一个进入管道(inline)放在位于涡流室之前的入口通道内，涡流室内的压力进一步降低，从而进一步减少涡流室内的腐蚀。
优选地，阀芯大体上为管状，所述多个流径穿过所述阀芯。在优选结构中，通过阀芯的流体流入外圆周表面并在内圆周表面流出。
优选地，阀芯包括上游元件和下游元件。优选地，所述上游和下游元件大体上为管状。在优选结构中，阀芯包括内部圆柱形元件和外部圆柱形元件。优选地，内部元件的外圆周表面与外部元件的内圆周表面大体上接触。
优选地，在外部元件为上游元件的情况下，每个高流阻流径的涡流室和入口通道至少部分地形成在内部元件的外圆周表面上，轴向出口从所述涡流室穿过内部元件并在其内圆周表面处出来。
优选地，穿过所述外部元件形成通路，所述通路通向所述至少三个入口通道中的每一个并与其相关。更优选地，为了上文所述目的，通过所述通路和相关的入口通道形成位于所述入口通道中的大体上90度的弯道。
在一个优选结构中，所述外部元件的内圆周表面包围(enclose)形成在所述内部元件的外圆周表面上的涡流室的开口端。在可选的优选结构中，每个高流阻流径的涡流室至少部分地形成在外部元件的内圆周表面上。在两个实施例中，优选地在所述大体上管状元件的表面上机加工出涡流室和流径。
优选地，管状的内部元件由陶瓷材料制成，当在此使用时，术语″陶瓷″不仅包括传统的无机非金属陶瓷，而且包括无机金属材料，例如金属化合物陶瓷。陶瓷材料由于非常坚硬并且具有良好的耐磨性而变得尤为适合。优选地，陶瓷材料是金属化合物陶瓷，例如金属硼化物、氮化物或碳化物。尤其适合的是碳化钨和铝镁硼化物。可选地，阀芯由具有适当硬度的无机非金属陶瓷材料制成，所述材料例如为氮化硅或锆，尤其是不完全稳定的锆。陶瓷可以包括单一化合物或物质混合物，例如，特定的陶瓷可以与元素或化合物混合(或掺加)以提高陶瓷的磨损特性，例如，可以添加3、4或5族元素或其氮化物或硼化物。特别地，可以使用TiB2提高磨损特性。
在一个优选结构中，管状的外部元件为金属。在可选的优选结构中，内部和管状的外部元件均由陶瓷材料制成。可选地，对于具有较少腐蚀的应用而言，内部和管状的外部元件均为金属的。
根据本发明的第二方面，提供了一种具有根据本发明第一方面的阀芯的阀。
根据本发明的第三方面，提供了一种制造根据本发明第一方面的阀芯的方法，所述下游元件是陶瓷材料制成的内部管状元件，所述上游元件是金属材料制成的外部管状元件，所述方法包括步骤：形成所述内部管状元件和外部管状元件，使得所述内部管状元件的外径大于所述外部管状元件的内径；在陶瓷材料处于其生坯状态时，在所述内部管状元件的外部圆柱形表面上机加工出涡流室和相关的流体入口通道，并且在所述外部管状元件上沿着所述外部管状元件的径向形成流体流动通路；烧制所述内部管状元件以使所述陶瓷材料硬化；加热金属制外部管状元件使得所述外部管状元件膨胀以允许所述内部管状元件定位在该外部管状元件的内部；使穿过所述外部管状元件的流体流动通路和所述流体入口通道对准；和允许所述外部管状元件冷却并围绕所述内部管状元件收缩，从而在所述内部管状元件和外部管状元件之间产生干涉配合，使它们连接在一起。
优选地，在烧制之后，在将内部元件定位在外部元件中之前，允许内部元件冷却。优选地，在陶瓷硬化之后并且在内部元件装入外部元件内之前，对内部元件的外表面进行磨削以使内部元件达到所需的精确外径。
根据本发明的第四方面，提供了一种具有根据本发明第三方面制造的阀芯的阀。
根据本发明的第五方面，提供了一种制造根据本发明第一方面的阀芯的方法，所述下游元件和所述上游元件分别是由陶瓷材料制成的内部管状元件和外部管状元件，所述方法包括步骤：形成所述内部管状元件和外部管状元件，使得所述内部管状元件的外径大于所述外部管状元件的内径；在陶瓷材料处于其生坯状态时，在所述内部管状元件上机加工出涡流室和相关的流体入口通道，在所述外部管状元件上机加工出流体流动通路；冷却所述内部管状元件使其收缩，从而允许所述内部管状元件定位在所述外部管状元件内部；使穿过所述外部管状元件的流体流动通路和所述流体入口通道对准；和允许所述内部管状元件加热和膨胀，从而在所述内部管状元件和外部管状元件之间产生干涉配合，使它们连接在一起。
在一个优选方法中，在将两个元件连接到一起之后，对它们进行烧制以使陶瓷材料硬化。在可选的优选方法中，在将所述元件连接在一起之前，对它们进行烧制。在将所述元件连接到一起之前对它们进行烧制的情况下，优选地对外部元件的内表面和内部元件的外表面进行磨削以使两个元件的连接表面达到所需直径。
在优选方法中，在将内部元件和外部元件连接之后对阀芯进行再次烧制，从而使两个元件的陶瓷结合在一起。
根据本发明的第六方面，提供了一种具有根据本发明第五方面制造的阀芯的阀。
附图说明
现在将参考附图仅以实例方式描述本发明的特定实施例，其中：
图1是竖直剖面图，显示了具有本领域公知阀芯的控制阀的结构；
图2-4显示了根据本发明的涡流流径；
图5显示了根据本发明的阀芯的内部元件；
图6显示了根据本发明的阀芯的外部元件；
图7显示了根据本发明的阀芯的装配视图；和
图8显示了根据本发明的阀的横截面视图。
具体实施方式
参考图1，如本领域公知的那样，流体控制阀中的阀芯实例包括具有入口102和出口103的阀体101，所述入口和出口通过包含座圈105、阀芯106和阀塞107的中央腔104彼此流体连通。当阀塞107坐在阀门座圈105上时，不会有流体流过所述阀。当阀塞107以受控运动的方式提升时，允许流体通过入口102流入所述阀，流过阀芯106(其降低了流体压力)，并从出口103流出。阀芯106具有多个贯穿流径，该流径具有流阻。这个阀中显示的流动方向称作阀塞上流动，本发明将参照这种流动方向进行描述。沿相反方向的流动方向，即从103流入并从102流出的流动称作阀塞下流动，本发明同样适用于这种流动。
参考图2，涡流流径201显示为包括中央涡流室202并具有三个切向入口通道203、204、205。当流体流过入口通道203、204、205并流入涡流室202时，流体开始转向并彼此碰撞，即，通过入口通道203流入的流体将碰撞通过入口204流入的流体，流入入口204的流体将碰撞流入入口205的流体，流入入口205的流体将碰撞流入入口203的流体。涡流室202为大体上圆柱形状。在流体沿绝对切向方向流入的这种结构中，当流体在与从下一入口进入的入口流体发生碰撞之前通过涡流室202的壁部部分地改变方向时，仍然会存在腐蚀元件。从入口203、204、205流入的流体在涡流室202内合成为径向流，并且通过出口206流出，所述出口大体上沿涡流室的轴向定位。出口206可以具有直到等于涡流室202直径的任何直径。
现在参见图3，显示了改进流径301，其中，涡流室302的三个大体上切向入口303、304、305沿涡流室302的半径朝向出口306以数量x偏移。通过使入口以这种方式偏移，通过每一入口流入涡流室302的流体将与通过下一入口流入涡流室的流体直接碰撞，即，通过入口通道303流入的流体将碰撞通过入口304流入的流体，流入入口304的流体将碰撞流入入口305的流体，流入入口305的流体将碰撞流入入口303的流体，而不会使流体首先碰撞涡流室302的壁部。
参见图4，流径401显示为包括涡流室402，三个大体上切向入口403、404、405通向所述涡流室。涡流室入口的结构可以是如上文参照图2或图3描述的类型。在进入涡流室402之前，流体流过通道407、408、409，在其流入入口403、404、405时转过90度。参照图2和3，涡流室402内的流动沿径向路径并通过轴向出口406流出。
参考图5-7，显示了阀芯的管状的内部元件(图5中的501)和管状的外部元件(图6中的601)。内部元件501具有多个涡流室502和在其外表面上机加工出的相关入口503、504、505。出口506从每个涡流室的中心穿过内部元件501，从而在其内表面上敞开。外部元件601具有多组延伸穿过该外部元件的通路607、608、609，使得如果内部元件501放在外部元件601中的话，通路607、608、609将与入口通道503、504、505的端部对准，使得流入通路607、608、609的流体将流过外部元件601并在流入涡流室502之前转过90度以流入入口通道503、504、505，在所述涡流室内，所述流体以径向流动的方式彼此碰撞，并且穿过内部元件501经由沿涡流室轴向布置的出口506流出。内部元件由本身坚硬的材料制成，并因此具有良好的耐磨性。陶瓷尤其适用，特别适用的是金属化合物陶瓷，例如金属硼化物、氮化物或碳化物；其中，碳化钨和铝镁硼化物是优选的。当使用时，金属化合物陶瓷可以包括单个化合物或者物质混合物，例如，可以添加掺杂元素以增加陶瓷的磨损性质，例如，3、4或5族元素或者其氮化物或硼化物。尤其适合的是TiB2。作为金属化合物陶瓷的替代物，可以使用具有适当硬度的其它材料，例如锆，尤其是不完全稳定的锆。外部元件601可以由与内部元件501相同的材料制成，或者由于大部分腐蚀发生在内部元件501内的涡流室502中，外部元件601可以由更软材料，例如金属制成。优选地，在内部元件501中机加工出涡流室502、入口通道503、504、505和出口506。在内部元件501的外表面上机加工出涡流室502和入口通道503、504、505，使得它们形成位于其中的凹部，从涡流室凹部的中心穿过所述元件机加工出出口506，使得流体可以从中流过。通过所述外部元件机加工出多组通路607、608、609。当使用陶瓷时，在陶瓷处于其生坯状态情况下，即陶瓷硬化之前对内部和外部元件进行机加工以形成流径，从而可以使用传统工具。
当制造出内部元件501和外部元件502时，它们可以装配在一起形成阀芯701。根据所用材料，这可以在陶瓷处于其生坯状态时或者在其已经烧制硬化之后完成。
内部元件501和外部元件601制造成使外部元件601的内径略小于内部元件501的外径，使得在正常情况下，不可能将内部元件501插入外部元件601中。如果两个部件都由陶瓷制成的话，为了能够将内部元件插入外部元件中，内部元件501冷却以使其收缩。由于外部元件601的内径只是略小于内部元件501的外径，当内部元件501收缩时，有可能将其放入外部元件601内。元件501、601随后对准，使得通路607、608、609与入口通道503、504、505对准，并且对装配好的阀芯进行加热。当加热内部元件501时，内部元件膨胀并与外部元件601接触，从而在两者之间产生干涉配合。在内部元件501和外部元件601均由陶瓷材料制成的情况下，存在两种装配阀芯的可选方法。第一种方法包括在装配之前使陶瓷硬化，第二种方法包括在装配之后使陶瓷硬化。如果元件在装配之前硬化的话，必须将内部元件501的外表面和外部元件601的内表面磨削到良好干涉配合所需要的尺寸。当阀芯在装配之后烧制以使陶瓷硬化时，不必磨削配合表面，因为两个部件的陶瓷较软并且在内部元件501膨胀成与外部元件601接触时彼此相符。两个部件的陶瓷在烧制过程中熔合。
当内部元件501为陶瓷，外部元件601为金属时，所述过程略有不同。在这种情况下，对内部元件501进行烧制以使陶瓷硬化，在硬化时，对内部元件进行磨削以达到希望的外部尺寸。随后加热外部元件601使其膨胀，使得外部元件的内径变得大于内部元件501的外径。内部元件放入外部元件中并对准，使得通路607、608、609与入口通道503、504、505对准，并且对装配好的阀芯进行冷却。当阀芯冷却时，金属制外部元件收缩，在内部元件和外部元件之间产生干涉配合。
在两种结构，即金属或陶瓷外部元件601中，可以在内部元件501和外部元件601的端部上设置均倒角以有助于将一个部件插入另一个部件中。
在两种结构，即金属或陶瓷外部元件601中，可以在内部元件501和外部元件601的端部上设置参考标记以有助于一个部件在另一个部件中的定位。
尽管阀芯描述为由两个部件制造而成，但是阀芯可以包括三个部件，即具有多组贯穿通路的外部元件、具有涡流室和贯穿延伸的相关入口通道的中心元件以及具有贯穿延伸的出口的内部元件。
参考图8，显示了具有如上所述阀芯的流体控制阀。所述阀包括具有入口802和出口803的阀体801，所述入口和出口通过中央腔804彼此流体连通，所述中央腔包括座圈805、阀芯806和阀塞807。当阀塞807座在阀座圈805上时，不会有流体流过所述阀。当阀塞807以受控运动的方式提升时，允许流体通过入口802流入所述阀，流过阀芯806的暴露流径(其在腐蚀最小的同时降低了流体压力)，并从出口803流出。阀芯806具有如上文参照图2-4所述的多个贯穿流径并且如参照图5-7所述构造而成。
对于本领域技术人员来说，阀和阀芯的其它实施例，例如这里所述流径和其它已知流径的组合是显而易见的。
Claims (15)
1.一种用于减压阀的阀芯，所述阀芯包括上游元件和下游元件，所述上游元件和下游元件一起限定了多个贯穿该阀芯的高流阻流径，每个所述流径均包括涡流室，所述涡流室具有至少一个大体上轴向的出口和布置在该涡流室周边处的至少三个大体上切向的流体入口通道，所述流体入口通道在一个大体上垂直于所述大体上轴向的出口的平面中延伸，所述流体入口通道布置成使得在使用中，从每个所述流体入口通道流入所述涡流室的流体撞击从所述流体入口通道中的另一个流体入口通道流入涡流室的流体，随后流体通过所述大体上轴向的出口从所述涡流室排出。
2.如权利要求1所述的阀芯，其中，所述涡流室为大体上圆柱形。
3.如权利要求1所述的阀芯，其中，每个所述流体入口通道具有位于所述流体入口通道上游的大体上90度的弯道。
4.如权利要求1所述的阀芯，其中，所述下游元件是大体上管状的内部元件，所述上游元件是大体上管状的外部元件，其中，内部元件的外圆周表面与外部元件的内圆周表面接触。
5.如权利要求4所述的阀芯，其中，每个高流阻流径的流体入口通道和涡流室至少部分地形成在内部元件的外圆周表面上，所述大体上轴向的出口从所述涡流室穿过内部元件并在其内圆周表面处出来。
6.如权利要求5所述的阀芯，其中，穿过所述外部元件形成通路，所述通路通向所述流体入口通道中的每一个并与其相关联。
7.如权利要求5所述的阀芯，其中，所述外部元件的内圆周表面包围形成在所述内部元件的外圆周表面上的涡流室的开口端。
8.如权利要求5所述的阀芯，其中，所述管状的内部元件由陶瓷材料制成，所述管状的外部元件由金属制成。
9.如权利要求5所述的阀芯，其中，所述管状的内部元件和外部元件均由陶瓷材料制成。
10.一种制造如权利要求1所述的阀芯的方法，所述下游元件是陶瓷材料制成的内部管状元件，所述上游元件是金属材料制成的外部管状元件，所述方法包括步骤：
形成所述内部管状元件和外部管状元件，使得所述内部管状元件的外径大于所述外部管状元件的内径；
在陶瓷材料处于其生坯状态时，在所述内部管状元件的外部圆柱形表面上机加工出涡流室和相关的流体入口通道，并且在所述外部管状元件上沿着所述外部管状元件的径向形成流体流动通路；
烧制所述内部管状元件以使所述陶瓷材料硬化；
加热金属制外部管状元件使得所述外部管状元件膨胀以允许所述内部管状元件定位在该外部管状元件的内部；
使穿过所述外部管状元件的流体流动通路和所述流体入口通道对准；和
允许所述外部管状元件冷却并围绕所述内部管状元件收缩，从而在所述内部管状元件和外部管状元件之间产生干涉配合，使它们连接在一起。
11.如权利要求10所述的方法，其中，在陶瓷硬化之后并且在所述内部管状元件装入所述外部管状元件内之前，将所述内部管状元件的外径磨削到所需尺寸。
12.一种制造如权利要求1所述阀芯的方法，所述下游元件和所述上游元件分别是由陶瓷材料制成的内部管状元件和外部管状元件，所述方法包括步骤：
形成所述内部管状元件和外部管状元件，使得所述内部管状元件的外径大于所述外部管状元件的内径；
在陶瓷材料处于其生坯状态时，在所述内部管状元件上机加工出涡流室和相关的流体入口通道，在所述外部管状元件上机加工出流体流动通路；
冷却所述内部管状元件使其收缩，从而允许所述内部管状元件定位在所述外部管状元件内部；
使穿过所述外部管状元件的流体流动通路和所述流体入口通道对准；和
允许所述内部管状元件加热和膨胀，从而在所述内部管状元件和外部管状元件之间产生干涉配合，使它们连接在一起。
13.如权利要求12所述的方法，还包括在所述内部管状元件和外部管状元件已经连接在一起之后对所述内部管状元件和外部管状元件进行烧制，以使所述陶瓷材料硬化。
14.如权利要求12所述的方法，还包括在将所述内部管状元件和外部管状元件连接在一起之前对所述内部管状元件和外部管状元件进行烧制，以使所述陶瓷材料硬化。
15.如权利要求13所述的方法，还包括步骤：
磨削所述外部管状元件的内表面和所述内部管状元件的外表面，以便使所述内部管状元件和外部管状元件的连接表面在连接到一起之前达到所需直径。
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