CN102112786A - 具有塞头附件的塞组件 - Google Patents

Abstract

一种塞组件，包括具有塞杆基座的塞杆、塞头、以及用于将塞杆基座紧固到塞头上的紧固机构，该紧固机构包括至少两个保持器夹具，所述保持器夹具围绕塞杆基座和塞头，并提供塞杆基座和塞头之间的过盈配合。一种更换塞头或将塞头附接到塞杆上的方法，包括：提供具有塞杆基座的塞杆；提供塞头；提供包括至少两个保持器夹具的紧固机构；以及将紧固机构联接在塞杆基座和塞头周围，以提供塞杆基座和塞头之间的过盈配合。

Description

具有塞头附件的塞组件

优先权要求

本申请是2008年6月6日提交的题为“PLUG ASSEMBLY WITH PLUG HEAD ATTACHMENT（具有塞头附件的塞组件）”的美国临时专利申请No. 61/059,682的实用转换。

技术领域

本发明涉及一种工业阀。更具体地，本发明涉及一种用于将阀塞头附接到阀塞杆的装置。

背景技术

阀和阀塞是本领域所公知的。一般地，阀塞头位于阀内，以控制通过阀的流量体积。通过改变塞头相对于阀座的位置来实现流量体积的控制，从而允许流体流动的分流和限制。塞头承受流体力、化学侵蚀、热应力、来自微粒和碎片的冲击，以及用于将其附接到塞杆的力和当塞头与塞座进行接触时所产生的座负载力。塞头通常附接到塞杆，塞杆则连接到致动装置。该致动装置被控制，以使塞杆移动，该塞杆用于改变塞头的位置，从而控制通过阀的流量。

塞杆在致动装置使其移动时承受轴向力、与致动装置的附接相关的安装力，并且长的圆柱部分承受弯曲力。塞头和塞杆执行截然不同的任务，并且承受区别很大的力。设置在流体流中间的塞头分流和/或限制流动，并且承受流体力和座负载力以及与将塞头附接到塞杆相关的力。相比之下，塞杆通过致动装置而移动以提供密封表面，并且该塞杆承受轴向力和弯曲力。在工业上，对于高容量/流速阀，位于塞杆和塞头上的力通常是导致阀故障的显著因素。

传统地，阀塞头或者由一个整体材料组成，或者使用多于一种材料。采用多于一种材料的塞头具有独特的优点，具体地，可以更好地耐侵蚀和腐蚀，改善减震、工作寿命和热膨胀性能。然而，多种材料类型的使用受到将材料经济有效地结合到一起而不产生限制塞头寿命的应力点的能力的限制。

最常用的在阀塞中将不同材料固定到一起的方法是锥度配合或过盈配合，这两种方式均使用固定在塞头周围的保持环。锥度配合通常表现出使塞头承受不期望的应力，引发热膨胀问题，并且难以修正。典型的锥度配合设计需要两个锥形表面的匹配，一个锥形表面在塞头上，另一个锥形表面在保持环上。由于塞头和保持环都不能制成理想的锥形，因此塞和座不能很好地配合。这样，在两个配合结构之间的加载将不均匀。此外，保持环施加在塞头上的力接近塞头的边缘，并且通常垂直于锥形表面的角度。所述力的位置和角度可以将不期望的张力引入塞头的受力部分中。通常，理想的塞头材料将表现出较弱的拉伸强度，从而引入可以限制塞头材料选择或者能够导致塞头边缘断裂的附加张力，从而导致塞头与塞杆分离以及阀故障。此外，随着保持环通过正常的腐蚀和侵蚀而磨损，接触区域的形状将改变，通常移动得更接近塞头边缘。这种接触区域的改变趋于将力集中在塞头的边缘上，并且增大了塞头边缘破裂从而使塞头与塞杆分离的可能性。由锥度配合导致的应力难以量化，因此，将降低阀塞的性能。焊接过程中的变量，例如，焊接收缩量、层间（inter-pass）温度、焊接电流强度、惰性气体环境、最初烧焊量，可以改变塞头中的应力大小。

如上所述，典型的现有技术的锥度配合设计通过焊接将锥度配合环附接到塞杆。这种方法使得保持环和塞杆永久地结合成一个部件。如果塞头磨损或断裂而塞杆仍然能够使用，则典型的锥度配合设计本身不适于在更换塞头之后实现塞头与塞杆之间的适当同心度。当修复锥度配合阀塞时，塞杆已经过机械加工，因此不能够在塞杆中进行调整以确保与塞头的同心度。如果塞头未对准，则调整不能在不切下锥度配合环的情况下进行。针对至少这些原因，当塞头断裂或磨损时，通常丢弃锥度配合阀塞（而不进行修复）。在装配期间，锥度配合环通常紧紧地配合在陶瓷的周围，并且锥度配合环被焊接到塞杆。在升高的工作温度下，锥度配合环的尺寸增大得比塞头多，并且在锥度配合环中，塞头变得有些松，因此导致在工作条件下配合的早期故障。

过盈配合通常需要较大的保持环，从而导致塞头上的负载。过盈配合还需要更复杂的过程来更换塞头，并且通常被限制在其维修温度范围内。过盈配合比锥度配合实现了更均匀的塞头加载。然而，典型的过盈配合使用一件式保持环，其不仅保持塞头，而且将塞头/保持环组件附接到塞杆。过盈配合还必须具有足够的材料来允许由于腐蚀和侵蚀而导致的磨损，而不会使塞头与塞杆分离。与将塞头保持在适当位置所需要的保持环相比，这些要求导致更大的保持环，这导致了塞头上的附加负载。该附加负载引入了拉伸应力，所述拉伸应力趋于导致可能引起阀故障的塞头断裂和分离。

即使对于过盈配合设计，更换塞头的工作也是非常复杂的。为了更换塞头，必须切掉过盈配合环，使塞头和环组件与塞杆分离。该过程通常在车床或铣床上执行。如果环要再次使用，则必须将环从塞头上分离。可以通过在工业炉中加热组件来分离塞头和过盈配合环材料的特定组合。如果保持环的热膨胀系数比塞头的大很多，则保持环将膨胀的更快，并且过盈配合将由于在两个表面之间形成空间而被否定。该方法具有一定的破坏性，并且需要在重新使用前仔细地检查过盈配合环。此外，该加热方法仅对特定的材料组合有用。另外，即使其可使用，塞头替换过程仍需要偏远地区的用户通常得不到的专用制造工具。因此，对于特定材料组合或用户位置，更换阀塞的塞头不是典型的工业实践。

过盈配合的另一问题在于由于塞头和环材料之间的不同热膨胀，维修温度范围受到限制。塞头与环之间的过盈量与塞头中的应力大小直接相关。当环境温度下的过盈量在塞头上设置大量应力时，环境温度下的过盈量变为关注问题。因此，当阀塞被安装并被加热到工作温度时，塞头被施加更高的应力并且更容易发生故障。还已经发现，由于这些应力，特定的阀塞、阀头和阀环由于环境温度而不能使用，或者在环境存储温度以下，这些阀塞、阀头和阀环可以使塞头在它们能够进行维修之前发生故障。

此外，锥度配合和过盈配合不能实现利用热处理来应力消除热影响焊接区域。对于高腐蚀性流体应用以及利用特定材料，利用热处理来应力消除热影响焊接区域很重要。对于现有的锥度配合和过盈配合设计，由于应力消除通常在温度足够高以使塞头在环中过松的情况下进行，并且不能确保一旦冷却塞头将返回到其适当的位置，因此认为这是不实际的。因此，即使热处理将是非常有益的，也通常不采用这种方法。

鉴于上述缺点，期望提供一种阀塞设计，其使用夹具系统以将阀塞头附接到其阀塞杆，从而提供一种在现场组装和更换磨损的塞头的装置，同时允许塞头和塞杆使用不同的材料，其中，所述不同的材料被具体地选择为用于塞头和塞杆的不同功能。将这种类型的塞设计应用于其实际上为腐蚀性或侵蚀性的流体流中是特别理想的，这是因为塞头在这些类型的流体流中通常由于腐蚀和/或侵蚀而经历材料损失，并且需要定期更换。通常，塞头在其它阀部件之前磨损。因此，使塞头发生故障并且必须被更换的情况最小化在提高阀的生命周期和效率时是非常理想的。

发明内容

本发明的一个实施方式包括将陶瓷（或其它牺牲（sacrificial）材料）塞头附接到塞杆。该实施方式使用两个保持器半环（夹具）和两个或更多个螺栓/螺母，以将塞头保持在塞杆上。通过这种方式，可以容易且快速地在现场实现塞头的更换。所述两个夹具被构造成使得它们之间在两侧留有间隙。螺栓/螺母为并不昂贵的牺牲螺栓。不必松开螺栓，这些螺栓可以被容易地切除和丢弃。然后，可以更换螺栓并且安装新的塞头，重新使用所有的主要部件。其它实施方式可以使用三个或更多个保持器环（夹具），以将塞头保持在塞杆上。应当理解，文中描述的所有变型和实施方式也可修改为包括三个或更多个保持器环（夹具）。

当使用陶瓷塞时，通常用新的塞头来更换现场磨损的塞头。这些应用通常涉及结垢、腐蚀和高温。本设计相比于当前设计具有几个优点。本设计更容易在现场和工厂实施。本设计的组件比现有设计的更简单。一些旧的设计甚至需要部件的收缩配合和焊接以将其保持在一起。这阻碍了塞的现场组装。本设计允许简单的现场组装。还可以简化工厂中的组装。在两个夹具之间保留的间隙是重要的，这是因为很多需要耐腐蚀塞头的维修具有在流体流中的固体。固体容易累积在部件上。当使用螺纹部件时，可以使得松开螺纹不实际或不可能，这将使得重新使用塞杆不可能。

具体实施方式

本发明的一个实施方式包括塞组件，其包括塞头，该塞头由附接到塞杆的牺牲材料制成，该塞杆具有两个保持器半环。本发明的塞组件适用于诸如采矿、化学处理和油气精炼的工业，其中，流动具有磨蚀性和/或侵蚀性，并且可能包括大量沉积物、碎片和结垢。在特定的腐蚀性和/或侵蚀性的流动流中的阀遇到通过管路的大量沉积物、碎片或结垢。本发明提供由不同材料制成的塞头和杆，所述不同材料具有不同的特性，所述特性使塞头、塞杆和紧固带的性能最优化。此外，本发明适于使阀塞部件的修理和更换过程更容易，从而可以在现场实现维修，而无需专用的制造设备或非常熟练的技术人员。本发明还适于通过允许塞头和座圈改进的对准来提供紧密的关断。

在本发明的一个特定实施方式中，塞组件允许塞头从一侧移动到另一侧。在生产控制阀时，在部件和组件中总存在一定量的改变。然而，为了提供紧密的关断，塞头和座圈必须完全对齐。由于制造者不可能将部件制造得很完美，因此塞组件需要一定量的可调节性。

在大多数阀中，座圈可以从一侧向另一侧稍微移动，以允许座圈对中在塞上。这通常通过在反复敲击塞进入座中时保持阀帽稍微松动来实现。一旦座圈移动以对其自身进行对中，则拧紧阀帽，从而将座锁定在位。该过程在Mark One Users Manual (VLENIM0001)步骤7.9到7.9.2中进行了详细描述。代替移动座圈，一些阀设计允许阀帽从一侧向另一侧稍微移动，如当使用座中的螺钉时。在剩余的情况下，座圈被紧压在阀出口与阀体之间。执行座对中过程更加困难，这在Survivor User Manual (VLENIM0036)中进行了描述。

由于该过程很难执行，因此本组件的一个特定实施方式被配置成允许塞头可浮动（代替阀帽或座圈）。该特定实施方式允许塞头从一侧向另一侧稍微移动。该动作允许塞头找到座圈上的自然中心，从而提供可能的最优关断。

参照图1和图3，示出了本发明的塞头和塞杆的特定实施方式。阀塞100示出为具有塞头101，塞头101保持在塞杆基座103中，塞杆基座103则安装在塞杆102上。如图2所示，塞头101包括具有倾斜边缘110的基座部分。塞杆102的末端部包括倾斜边缘112。塞头101通过在塞头101和塞杆102之间提供过盈配合的两个夹具（半环）104保持在塞杆基座103中。这两个夹具配合在塞头101和塞杆基座103上，并通过四个螺栓120紧紧地保持在位。在本发明的特定实施方式中，通过螺母107a、b来将螺栓固定在位。可替代地，两个夹具可以通过销、螺钉、焊接、铜焊、夹具或等同装置来保持在位。此外，夹具104可以包括铰链机构或榫槽机构，以将两个夹具104在一端保持在一起，同时依靠两个螺栓120将两个夹具104在相对端固定在一起。两个夹具104可以在使用期间为塞头101提供吸震能力并减轻应力。

优选的塞头101可以由结构陶瓷构成，这是因为其可以抵御在腐蚀性（具有小的研磨颗粒）和侵蚀性（由于流体流的化学成分）的流体流中的磨损和老化。结构陶瓷是这样一类材料，其包括但不限于碳化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆、碳化钨、晶须补强陶瓷混合物、两相陶瓷等。可以替代用于塞头101的结构陶瓷的替代性材料包括但不必限于金属陶瓷（是陶瓷和金属的组合的混合物）、铸铁、硅铁、白铁、热处理马氏体钢（例如，440或416级钢）、CrCoFe合金（例如，钨铬钴合金#3、钨铬钴合金#6和钨铬钴合金#12），或其它材料。在不背离本发明构想的情况下，可以用具有相似特定的替代性材料进行替换。

塞杆102、塞杆基座103和夹具104可以由如下材料制成：所述材料被选择为便于加工到平滑表面，具有良好的拉伸强度、合理的延展性和成本效益。包括在这类材料中的是钛及其合金、锆及其合金、铌及其合金、钛铌合金、合金钢、碳素钢、铁基超合金、不锈钢、镍及其合金、镍基超合金、铜基合金、钴合金、钴基超合金、铝及其合金、镁合金、钽等。在不背离本发明构想的情况下，可以用具有相似特定的替代性材料进行替换。

夹具104可以由金属合金制成，其包括但不限于钛及其合金、锆及其合金、铌及其合金、钛铌合金、合金钢、碳素钢、铁基超合金、不锈钢、镍及其合金、镍基超合金、铜基合金、钴合金、钴基超合金、铝及其合金、镁合金、钽以及具有相似特性的金属。在不背离本发明构想的情况下，可以用具有相似特定的替代性材料进行替换。

图4示出了在阀组件300中的本发明的阀塞100的典型系统。阀塞100示出为处于基本闭合的位置，其中塞头101关闭第二流动路径302和来自阀室301的第一流动路径303。阀塞杆102示出为连接到致动装置304并与轴305密封，轴305与阀杆支撑（或轴支撑）包装（未示出）紧邻（优选地，是流体密封的）。图2示出了在典型的阀300中阀塞100在其工作环境中的一个实施方式。致动装置304的功能在于将阀塞100定位到所示的关闭位置处，或者缩回以允许流体从第一流动路径303流到第二流动路径302。可替代地，如在一些阀中常见的，流体可以反方向流动。

图5示出了具有塞头201的阀塞200的替代性实施方式的截面图，塞头201安装到塞杆202的塞杆基座203，该实施方式提供有附加的顺应式结构。与图1所示的实施方式不同，本实施方式包括具有基座部分的塞杆基座203，该基座部分具有非倾斜端或边缘214。此外，塞杆基座203可以具有比塞头201的直径小的直径。这种设计允许塞头201和夹具204相对于塞杆202移动并调整，这允许塞在阀组件300中使用时对自身进行对中。阀塞200的实施方式可以包括在塞杆基座203内或附近的垫圈或弹簧220，以提供塞杆基座203与塞头201之间的缓冲和分离。代表性的间隔物包括但不限于贝氏（Bellville）垫圈和弹簧机构。

本发明的替代性实施方式包括在螺栓部分上的间隔物（未示出），以防止夹具204偏转，所述螺栓部分位于夹具204的与塞头201相邻的部分之间。

所描述的包括各种材料的特定部件和尺寸的实施方式应当被认为在所有方面都仅仅是示例性的而非限制性的。不应理解为将本发明限制在特定的优选和替代实施方式，相反，本发明的范围由所附的权利要求来指定。所有落入权利要求的等同替换的含义和范围内的改变、变型和替换的都应当被认为包含在本发明的范围内。

Claims (22)

1.一种塞组件，包括：

具有塞杆基座的塞杆；

塞头；以及

紧固机构，所述紧固机构用于将所述塞杆基座紧固到所述塞头上，所述紧固机构包括至少两个保持器夹具，所述保持器夹具围绕所述塞杆基座和所述塞头并提供所述塞杆基座和所述塞头之间的过盈配合。

2.根据权利要求1所述的塞组件，其中，所述紧固机构被配置为允许所述塞头从一侧向另一侧移动，以允许所述塞头找到在座夹具上的自然中心。

3.根据权利要求1所述的塞组件，其中，所述塞头由牺牲材料制成。

4.根据权利要求1所述的塞组件，其中，所述至少两个保持器夹具由牺牲螺栓保持在位。

5.根据权利要求4所述的塞组件，其中，所述螺栓由螺母保持在位。

6.根据权利要求4所述的塞组件，还包括位于所述至少两个保持器夹具的一个或多个部分之间的间隔物。

7.根据权利要求1所述的塞组件，其中，所述至少两个保持器夹具通过牺牲销、螺钉、焊接、铜焊或夹具保持在位。

8.根据权利要求1所述的塞组件，其中，所述至少两个保持器夹具包括铰链机构或榫槽机构，以将所述至少两个夹具在一端保持在一起。

9.根据权利要求1所述的塞组件，其中，所述紧固机构为所述塞头提供减震能力。

10.根据权利要求1所述的塞组件，其中，所述塞杆包括钛、锆、铌、合金钢、碳素钢、铁基超合金、不锈钢、镍、镍基超合金、铜基合金、钴合金、钴基超合金、铝、镁合金、钽或其任意合金。

11.根据权利要求1所述的塞组件，其中，所述塞头包括碳化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆、碳化钨、晶须补强陶瓷混合物、两相陶瓷以及金属陶瓷。

12.根据权利要求1所述的塞组件，其中，所述紧固机构包括钛、锆、铌、合金钢、碳素钢、铁基超合金、不锈钢、镍、镍基超合金、铜基合金、钴合金、钴基超合金、铝、镁合金、钽或其任意合金。

13.根据权利要求1所述的塞组件，其中，所述塞杆基座具有倾斜边缘。

14.根据权利要求1所述的塞组件，其中，所述塞头具有倾斜边缘。

15.根据权利要求1所述的塞组件，其中，所述塞杆基座具有比所述塞头的直径小的直径。

16.根据权利要求1所述的塞组件，还包括位于所述塞杆基座内或附近的垫圈或弹簧夹，以提供所述塞杆基座与所述塞头之间的缓冲和分离。

17.根据权利要求1所述的塞组件，其中，所述至少两个保持器夹具构造成彼此隔开。

18.一种更换塞头或将塞头附接到塞杆上的方法，包括：

提供具有塞杆基座的塞杆；

提供塞头；

提供包括至少两个保持器夹具的紧固机构；以及

将所述紧固机构联接在所述塞杆基座和所述塞头周围，以提供所述塞杆基座和所述塞头之间的过盈配合。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述紧固机构还包括牺牲互连机构，所述牺牲互连机构用于将所述至少两个保持器夹具中的每一个连接到一起。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述牺牲互连机构包括螺栓、销、螺钉、焊接、铜焊、或夹具。

21.根据权利要求19所述的方法，还包括切除所述互连机构。

22.一种塞组件，包括：

具有塞杆基座的塞杆；

塞头；以及

紧固装置，所述紧固装置用于将所述塞杆基座紧固到所述塞头上，所述紧固装置包括至少两个带状部分，所述带状部分围绕所述塞杆基座和所述塞头并提供所述塞杆基座和所述塞头之间的过盈配合，所述至少两个带状部分通过牺牲互连装置结合到一起并间隔开。

Images