CN102767631A - 一种孔板式可调节流阀及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孔板式可调节流阀及其制造方法，包括阀体、阀盖、阀杆、 阀板 ，在 二个圆盘式阀板4上轴向各设置了一个以上的通孔26,在相同流量情形下,不仅增加了管路中气相组份的逸出量,减少 节流阀孔板入口处砂石的死角堆积和气体的空穴汽蚀现象发生，最主要的是多孔孔板的出口处在高压喷射交叉区,多相流体形成了一个对冲能耗降压区,从而降低了高速流体的内在动能和其对管壁形成的冲刷,大幅提高节流阀的使用寿命,对于同等分级节流降压管路而言,本发明可减少管路节流级数,降低企业运营成本。可广泛应用于冶金、矿山、基建、污水处理、港口航运等领域和行业中多相混合流体的输送管路中。

Description

一种孔板式可调节流阀及其制造方法

技术领域

本发明涉及石化领域，特别涉及一种孔板式可调节流阀及其制造方法。

背景技术

节流阀被广泛地应用于石化领域的各个行业，随着国家对于能源需求的日益扩大，每年用于节流阀的需求量也随之增长,如何完善产品结构、提高产品质量，延长其使用寿命，降低生产成本，扩大产品的使用范围，是节流阀生产行业所面临的新课题。

高温、高压、高腐蚀是石化领域特有的工作环境，节流阀的使用性能和质量，直接关系到石化领域的各个行业下游产品质量、企业的生存、乃至社会环境和人身安全。

工作原理：

孔板式节流阀是近些年来石化领域较为常用的管路开闭器械，其由具抗冲损能力的特殊碳化钨材料模制而成两块板阀。通过对其中一个孔板的旋转，改变两个孔板上孔与下孔之间的同心度，从而实现液体或气体流量的调节。其特点在于当其关闭时，进、出口之间的压力差，能使两块孔板紧紧地压在一起，实现密封切断的功能。尤其是在遇到压力的突然升高，或因泄露造成的压力突然降低等紧急突发时间的情况下，可通过预先设置的高、低压传感器压力信号值，使其自动关闭和切断。由此则可避免重大危险事故的发生。同其他各种节流阀相比之下，其具有使用寿命长、抗冲损及磨损能力强的特点（见图1-1～图1-4）。

失效机理：

由于石化行业的输入、输出管路大都存在多相混合现象，例如石油的气井、油井管路中，气、油、汽、水、砂多相均有，其比例和成份也都为动态形式，在环境温度为-20～250℉，压力值为3000～15000PSI时，当节流阀开闭时，由于管路中的流量、压力、温度发生急剧变化，液态中的水分子会产生汽化和凝聚，流道材料表面在水击压力作用下，形成金属疲劳和汽蚀现象并引起严重的噪音，管道振动大，在流道表面极微小的面积上，冲击力形成的高压，其频率可达每秒几万次，在短时间内就可能引起冲刷面的严重损坏，其表现为冲刷面会产生粗糟。由液体中逸出的氢、氧、硫化氢等活性气体，借助汽泡凝结时的热效应，则会对金属起化学腐蚀作用。

 

     综上所述，不难看出节流阀在工作使用中，受到环境的氧化反应、金属置换反应、酸碱盐的复分解反应而带来的表面化学腐蚀；内部的高频率应力和疲劳腐蚀；最终导致金属分子晶格间裂缝的氢脆断裂现象的发生。

此外，节流阀在冰点工作状态下，由于冰体分子晶格的膨胀因素，管路内坚硬砂石的冲刷腐蚀，都会加速节流阀构件的整体开裂，这也就是节流阀要比管路更容易受到腐蚀的原因。

流体分析：

不同于单相介质的节流阀，用于石化行业的节流阀存在气、油、汽、水、砂多相混合，并且其比例和组份也都为动态形式，由于比重不同，管路中的各组分呈现出分层流动，上层为气相，中间为液相湍流状态，下层为固相。一旦阀板开闭时，管路中流量、压力、温度产生的急剧变化和液态中水分子的相变，原本管路中的层流呈现为紊流（湍流）状态，各组份间在节流阀腔体内产生高频混合和管壁冲刷效应，图2是管内单相介质沿程阻力系数λ、管壁粗糙度ε/d、雷诺数Re相应曲线图，可见其中阻力系数λ与粗糙度ε为正比，同样对于多相介质而言，其管内各相组份越多，粗糙度ε和阻力系数λ也就越大。

传统的孔板式节流阀是以单相介质为设计目标，在石化行业气、油、汽、水、砂多相混合介质且其比例和组份为动态的使用环境，节流阀噪音大，使用寿命短，安全性差。

图3、图4是传统孔板式节流阀使用状态结构示意图，由于砂石比重大沉积于管路底部，水、油、气则分别游浮于中上层，在节流阀孔板入口处容易产生砂石的死角堆积和气体的空穴汽蚀现象发生，在节流阀孔板的出口处高压混合流体，则会对管壁形成一个扇形冲刷区。

发明内容

针对上述传统的孔板式节流阀存在的弊端，本发明根据孔板式节流阀的工作原理、失效机理、和流体分析，采用对冲耗能降压的设计理念，旨在提出一种适用于高温、高压、高腐蚀环境下，高安全性的石化行业孔板式节流阀。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是: 一种孔板式可调节流阀及其制造方法，包括阀体、阀盖、阀杆，所述的阀体6为一T字形三通结构体，T字形的左侧出孔外平面连接一出口双法兰1，二者间以双头螺栓17和螺母16紧固连接，连接平面处由垫环24密封；

在左侧出孔内径处设置一沉孔台阶，在台阶的内外侧设置了二个阀座3，在二个阀座3间设置了二个同一轴心的阀板4，二个阀板4呈圆盘式平面连接，相互间可同轴心位移，在二个圆盘式阀板4上轴向各设置有至少一个的通孔26；

在右侧出孔内径处沉孔式连接一中孔阀盖9，二者间由密封环11密封，以双头螺栓17和螺母16紧固连接，在阀盖9轴向的另一出孔处设置有沉孔式轴承座内置一推力轴承14，阀盖9与推力轴承14间由密封垫片13和U型盘根12密封，阀盖9端口由密封压盖15密封；T字形的底侧进孔为一单法兰结构；

所述的阀杆10贯穿于阀体6T字形左右出孔和阀盖9，其前端连接拨叉5并以波形弹簧7形式加固，中段设置有推力轴承14和蜗轮20台阶，蜗轮20由平键形式销接，尾端与阀杆10盘根25由螺栓29紧固，在盘根25与螺栓29间有一刻度指针28；

所述的拨叉5与阀板4，阀板4与阀座3均以螺栓活动销接；

所述的阀杆10盘根25为三唇口型与操作总成22框形连接，操作总成22中心蜗杆与阀杆10上销接的蜗轮20呈正交耦合。

所述的T字形左侧出孔外平面连接的双法兰1,其内径有一嵌套式硬质合金防冲套2。

所述的传动操作总成（22）传动动力模式可以是手动、液动、电动中之一。

所述的一种孔板式可调节流阀的制造方法，包括以下步骤：

 A.备料：

确定与压力、温度、流量、环境使用温度等参数相匹配的节流阀构件的形态尺寸，以高强度、耐腐蚀强的铬钼钢锻件作为节流阀主体选材，以硬质合金钢作为易损部件基材；

B.预制件调质：

锻件的退火处理，常态无施加压力时效；

C.机械加工：

金属切削加工：车、铣、刨、磨、镗、锯、线切割等工序；

D.热处理：

进行渗碳、渗氮；酸洗钝化、磷化、烧结等构件内部和表面工艺处理；

E.构件探伤检验：

可按照构件的形态使用超声波、磁力线、γ射线成像探伤技术，进行材料的裂缝检测；

F.工装：

液压或手动指示式压力装配，紧固件扭矩扭力专用扳手紧固；

G.表面涂装：

外表面的油漆涂装；

H.整体压力测试：

现场测试和室内模拟机数值模拟。

本发明的有益效果是：在二个圆盘式阀板4上轴向各设置了一个以上的通孔26,在相同流量情形下,不仅增加了管路中气相组份的逸出量（见图7～图8）,减少节流阀孔板入口处砂石的死角堆积和气体的空穴汽蚀现象发生，最主要的是多孔孔板的出口处在高压喷射交叉区（见图9）,多相流体形成了一个对冲能耗降压区（见图6-1～图6-4中阴影区）,从而降低了高速流体的内在动能和其对管壁形成的冲刷,大幅提高节流阀的使用寿命,对于同等分级节流降压管路而言, 本发明可减少管路节流级数,降低企业运营成本。

本发明还可广泛应用于冶金、矿山、基建、污水处理、港口航运等领域和行业中多相混合流体的输送管路中。

附图说明

图1-1～图1-4为孔板式节流阀工作原理示意图；

图2为阻力系数λ＝?(Re,ε/d)曲线图;

图3、图4是传统孔板式节流阀使用状态结构示意图;

图5是本发明结构示意图;

图6-1～图6-4是本发明对冲能耗降压区结构示意图;

图7～图9是本发明使用状态结构示意图。

其图中:1-双法兰;2-防冲套;3-阀座;4-阀板;5-拨叉;6-阀体;7-波形弹簧;8-Ο形圈;9-阀盖;10-阀杆;11-密封环;12-∪形盘根;13-密封垫片;14-推力轴承;15-密封压盖;16-螺母;17-双头螺栓；18-内六角螺钉;19-平键;20-蜗轮;21-圆螺母;22-操作总成;23-Ο形圈;24-垫环;25-盘根;26-阀孔;27-十槽半沉头螺钉;28-刻度指针;29-内六角螺钉。

具体实施方式

本发明以图5油（气）井口孔板式节流阀作为最佳实施例说明具体实施方法:

A.备料：

首先根据设计要求确定与压力、温度、流量、环境使用温度等参数相匹配的节流阀构件的形态尺寸，考虑到油（气）井的高温、高压、高腐蚀、高频率的使用环境，一般以高强度、耐腐蚀强的铬钼钢锻件作为节流阀主体选材；以硬质合金钢作为易损部件基材。

预制件调质：

由于铬钼钢锻件经过红锻加工后，材料内部集聚了很大的锻打应力，如不予以消除将会严重影响日后半成品的加工和成品的使用，在经过退火处理后基本能消除大部份内应力，最好能采用定向结晶的处理手段，消除材料预应力；减少材料内部的细微裂缝；以得到高强度的定向晶格分子，提高产品的基材品质；常态无施加压力时效。

机械加工：

不同于铸件加工，铬钼钢锻件韧性较强，金属切削的速度不宜过快，对于构件出现棱角都应倒角，为的是避免应力集中。

由金属切削带来的预应力，同样要进行退火和时效处理，消除材料金属加工预应力，尤其是棱角部位，以免热处理时构件的开裂。

热处理：

为了提高材料表面的耐磨、耐腐蚀性，需对节流阀构件进行渗碳、渗氮；酸洗钝化、磷化等工艺处理，对构件腔体内部表面可进行局部激光陶瓷烧结处理。

对于热处理要进行时效处理，对于酸洗构件则必须进行脱硫、脱氢处理，尤其在构件进行焊接处理后，以防材料的电池腐蚀效应。

对于构件需进行焊接处理的，则采用Co ₂ 、N ₂ 气体保护焊接工艺，以防止构件氧化现象的发生。

构件探伤检验：

可按照构件的形态对平滑表面可采用超声波探伤技术，对正交或非规则形态采用磁力线探伤技术，对于焊接部位则采用γ射线成像探伤技术，进行材料的裂缝检测，以确保成品的使用安全性。

对于高端、多工序产品，应在上述预制件调质环节就应进行主体构件的探伤检验，以免由于基材裂缝而造成后道工序的无为功效。

工装：

由于本发明大都用于油（气）井口，一般都采用机械辅助工装，对于紧配合部件（如：防冲套2）采用液压或手动指示式压力装配器械，严禁捶式装配，对于螺栓螺母式紧固件则须采用扭矩扭力专用扳手，而不宜采用气动式装配，整个装配过程应避免构件的表面划、刮、擦损伤，以确保成品在恶劣使用环境中不由此而带来化学腐蚀的安全隐患。

表面涂装：

考虑到本发明是在野外或海洋环境下使用，外表的涂装油漆应采用钛白粉基类油漆，而不适用锌、铝成份油漆，以防材料表面的电池腐蚀效应。

整体压力测试：

由于条件限制，一般采用现场测试为主，室内则采用模拟机主要数值模拟为辅。

本发明根据流体力学原理，采用对冲耗能降压的设计理念，改良了传统孔板式节流阀的节流性能，在二个圆盘式阀板4上轴向各设置了一个以上的通孔26,在相同流量情形下,不仅增加了管路中气相组份的逸出量,减少节流阀孔板入口处砂石的死角堆积和气体的空穴汽蚀现象发生，最主要的是多孔孔板的出口处在高压喷射交叉区,多相流体形成了一个对冲能耗降压区,从而降低了高速流体的内在动能和其对管壁形成的冲刷,大幅提高节流阀的使用寿命,对于同等分级节流降压管路而言, 本发明可减少管路节流级数,降低企业运营成本。

以上所述仅为本发明的一较佳实施例，不能以其限定本发明的保护范围, 本发明还可有其他的结构变化,只要是依本发明的保护范围所作的均等变化与修饰,均应属本发明涵盖的范围内。

Claims (4)

1.一种孔板式可调节流阀及其制造方法，包括阀体、阀盖、阀杆，其特征在于：

所述的阀体（6）为一T字形三通结构体，T字形的左侧出孔外平面连接一出口双法兰（1），二者间以双头螺栓（17）和螺母（16）紧固连接，连接平面处由垫环（24）密封；

在左侧出孔内径处设置一沉孔台阶，在台阶的内外侧设置了二个阀座（3），在二个阀座（3）间设置了二个同一轴心的阀板（4），二个阀板（4）呈圆盘式平面连接，相互间可同轴心位移，在二个圆盘式阀板（4）上轴向各设置有至少一个的通孔（26）；

在右侧出孔内径处沉孔式连接一中孔阀盖（9），二者间由密封环（11）密封，以双头螺栓（17）和螺母（16）紧固连接，在阀盖（9）轴向的另一出孔处设置有沉孔式轴承座内置一推力轴承（14），阀盖（9）与推力轴承（14）间由密封垫片（13）和U型盘根（12）密封，阀盖（9）端口由密封压盖（15）密封；

T字形的底侧进孔为一单法兰结构；

所述的阀杆（10）贯穿于阀体（6）T字形左右出孔和阀盖（9），其前端连接拨叉（5）并以波形弹簧（7）形式加固，中段设置有推力轴承（14）和蜗轮（20）台阶，蜗轮（20）由平键形式销接，尾端与阀杆（10）盘根（25）由螺栓（29）紧固，在盘根（25）与螺栓（29）间有一刻度指针（28）；

所述的拨叉（5）与阀板（4），阀板（4）与阀座（3）均以螺栓活动销接；

所述的阀杆（10）盘根（25）为三唇口型与操作总成（22）框形连接，传动操作总成（22）中心蜗杆与阀杆（10）上销接的蜗轮（20）呈正交耦合。

2.根据权利要求1所述的孔板式可调节流阀，其特征在于所述的T字形左侧出孔外平面连接的双法兰（1）,其内径有一嵌套式硬质合金防冲套（2）。

3.根据权利要求1所述的孔板式可调节流阀，其特征在于所述的传动操作总成（22）传动动力模式可以是手动、液动、电动中之一。

4.根据权利要求1所述的一种孔板式可调节流阀的制造方法，包括以下步骤：

A.备料：

确定与压力、温度、流量、环境使用温度等参数相匹配的节流阀构件的形态尺寸，以高强度、耐腐蚀强的铬钼钢锻件作为节流阀主体选材，以硬质合金钢作为易损部件基材；

B.预制件调质：

锻件的退火处理，常态无施加压力时效；

C.机械加工：

金属切削加工：车、铣、刨、磨、镗、锯、线切割等工序；

D.热处理：

进行渗碳、渗氮；酸洗钝化、磷化、烧结等构件内部和表面工艺处理；

E.构件探伤检验：

可按照构件的形态使用超声波、磁力线、γ射线成像探伤技术，进行材料的裂缝检测；

F.工装：

液压或手动指示式压力装配，紧固件扭矩扭力专用扳手紧固；

G.表面涂装：

外表面的油漆涂装；

H.整体压力测试：

现场测试和室内模拟机数值模拟。

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