CN102840348A - 闸阀座和座环 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及闸阀座和座环。闸阀(40)具有主体(42)，该主体(42)具有腔(45)和与腔(45)相交的流动通路(44)。座(50)在流动通路(44)与腔(45)的相交处安装到主体(42)上。闸(46)安装于腔(45)处且具有接合面(80)，当闸在打开位置与关闭位置之间移动时，接合面(80)滑动地接合该座(50)。在座袋与座之间的端面(58,72)为硬覆层(70,74)且被光面修整以在配合时提供密封。硬覆层袋和座密封表面(58,72)通过排除对于有限寿命的弹性体密封件的需要而增加了阀(40)的寿命。
Description
技术领域
本发明大体涉及阀，且特定而言涉及在阀主体中的座密封件。
背景技术
闸阀通常在需要流体的直线流动和最小流动限制时使用。它们也在采油树中用于油和气体提取。通常，闸具有主体，该主体具有腔和流动通路，流动通路穿过主体延伸且与腔相交以允许通过阀的流动。当阀相当大地打开时，闸被拉到远离流动通路的阀腔的端部内。流动通路通常具有与其中安装有阀的管路相同的大小。
与油和气开采结合使用的典型闸阀具有与阀中的中心腔相交的流动通路。座环放置于流动通路中在流动通路与腔相交处形成的沉孔内。阻碍物或闸在打开位置与关闭位置之间移动经过座以密封该腔防止通过。
座通常具有密封件，其将座密封到流动通路的沉孔上。这些密封件通常为弹性体密封件且当位于下游座中时防止流体从主体的中心腔或腔室进入到下游流动通路。位于上游座上的密封件充当对流体流动的止回阀。对于被设计成在闸关闭时具有单向密封的闸阀而言，流体将流过上游座到主体的腔室或腔内。在腔室中的流体压力由在闸与座之间形成的下游座的密封件密封。此外，筛砂器也可定位于座中以保护阀防止砂侵入。对于被设计成在闸关闭时具有双向密封的闸阀而言，流体维持在闸的一侧且不允许流入到主体的腔室或腔内。
通常，该座可能有少量移动，从而导致在阀打开和关闭时密封件的轴向移动。此轴向移动导致密封件磨损。当闸阀经受高压环境时，蠕变和屈服能导致弹性体密封件磨损。这导致寿命有限的密封件。弹性体密封件还具有温度限制，其防止在油气田中可见的最高温度中使用。为了应对这个问题，曾使用Teflon型弹性体密封件。该密封件为压力促动以在处于下游密封位置处且从阀腔的方向加载时密封，如图1所示的那样。当处于上游座位置时，来自管路方向的压力载荷在克服了密封时倾向于使得密封件在相对较低压力收拢。T形插件防止这种收拢导致对弹簧的损坏。但是，这种配置并未解决与弹性体密封件相关联的磨损。
存在对于通过减小座密封件中的磨损而增加闸阀中密封件的寿命的技术的需要。
发明内容
本发明的主要目的是通过减小座密封件上的磨损而增加闸阀的寿命。这被提出通过向座和袋(pocket)密封表面涂覆硬覆层而实现。硬覆层可由具有金属基质的陶瓷硬质合金(金属陶瓷或硬质合金)构成，诸如具有钴铬基质的碳化钨。硬涂覆的座和袋表面进行光面修整，且光洁度与闸和匹配的座表面上的光洁度相当。因此当这些硬涂覆的、光面修整的座和袋表面配合时它们提供密封。相对于在现有技术中的闸和座中所用的弹性体密封件，硬覆层有利地为座和袋表面提供增加的刚度和硬度。硬覆层材料的更高的刚度和硬度可通过减小在座-袋界面处的磨损而增加阀的寿命。
在本发明的第一实施例中，闸阀具有主体，主体具有腔和与腔相交的流动通路。座安装于主体中流动通路与腔的相交处。在腔中的闸具有接合面，在打开位置与关闭位置之间移动时接合面滑动地接合每个座上的面。座和闸可由金属材料构成。在座与闸之间的界面连接的表面可涂覆硬覆层。在座与袋之间的界面连接的表面也可涂覆硬覆层且进行光面修整以在此界面处提供密封件。
弹簧元件可位于在座与袋之间在每个座上形成的凹部内。弹簧元件用于从加载闸的任何方向使座抵靠闸定位。
附图说明
图1为现有技术的闸阀的竖直局部截面图。
图2为图1中所示的阀主体的一部分的截面图。
图3为根据本发明的实施例带覆层的座和袋表面的放大截面图。
图3A为在图3的座与袋表面之间的碎屑屏障的放大截面图。
图4为根据本发明的实施例，图3所示的硬涂覆的座和袋表面的放大截面图。
具体实施方式
参考图1和图2，示出了在现有技术中已知的闸阀10。闸阀10具有主体11和横向延伸穿过主体11的流动通路12。阀10具有闸14，闸14具有穿过它的开口16。闸14被示出为处于打开位置。闸14在主体11中的腔18中行进，腔18横切通路12且与通路12相交。而且在图2中还示出了对形成于主体11上的沉孔24密封的环形阀座20。座20具有开口，开口与阀的流动通路12对齐，流动通路12与形成于阀主体11中的腔18相交。
继续参考此现有技术闸阀10的图2，当闸14由连接到它的杆17移动到打开位置时，闸14的开口16与阀10的流动通路12对齐，从而允许通过阀10的流动。当闸14关闭时，开口16不再与流动通路12对齐且因此阻止流动。闸14在与座面28形成界面的每一侧上具有接合面26。当闸14打开时，流体通过流动路径12流动。在由座20与主体11形成的界面处，形成沉孔或座袋24。弹性体密封元件32位于界面处以提供密封且因此防止流体通过界面并且流入到腔18内。这是当密封元件32在阀10的下游侧上的情况。弹簧元件30也位于座袋24与座20的界面处。弹簧元件30从加载闸14的任何侧部推动座20抵靠闸14。当闸14关闭时，下游或低压侧座20将由弹簧元件30强迫抵靠闸14从而防止流体从腔18进入在下游侧上的流动通路12内。密封元件32和弹簧元件30位于在座20上形成的凹部34、36内。此外，筛砂器(未图示)可用于防止碎屑进入到座20与主体11之间。
尽管弹性体密封元件32可提供密封，对于座来说可能的少量移动导致在阀打开和关闭时密封件的轴向移动。该轴向移动导致密封件磨损。当闸阀10经受高压环境时，蠕变和屈服能导致弹性体密封件磨损。这导致寿命有限的密封件。弹性体密封件32还具有温度限制，其防止在油气田中可见的最高温度中的使用。
参考图3，示出了解决上述问题的本发明的实施例。如在现有技术中那样，在此实施例中的闸阀40具有主体42和流动通路44，流动通路44横向延伸穿过主体42，从而与腔45相交。阀40具有闸46，闸46具有穿过它的开口48。闸46由连接到它的杆47在打开位置与关闭位置之间移动。闸46被示出为处于关闭位置，使得闸46从高压侧(P高)加载且因此具有在闸46的下游侧上的低压侧(P低)。此闸阀40被示出为设计为双向阀，其允许流体沿任一方向流动。还示出具有开口52的环形阀座50，其对形成于主体42上的沉孔54密封。当处于打开位置时，在座50中的开口52与阀40的流动通路44和闸开口48对齐。
继续参考图3，在座50的外端面58中形成环形凹部56。在此实例中，凹部56处于座50的外径与端面58的相交处。端面58垂直于流动通路44的轴线。弹簧元件60携带于凹部56内且具有强迫座50抵靠闸46的弹簧能量性质。在此双向阀设计中，凹部56和弹簧元件60位于每个座50中。备选地，如果阀被设计用于单向流动，则凹部和弹簧元件可仅位于下游侧。弹簧元件60可为金属弹簧。
为了使座50与沉孔54之间的密封表面免于从流动通路44且还从闸腔45进入的碎屑。来自座管道的进入物将由狭缝屏障57拾取且来自腔45的进入物可由紧公差磨损套管55拾取，如在图3A中所示地那样。在此实施例中，磨损套管55也可用于在打开和关闭期间使座50居中，这可防止面对面密封件遭受非压缩应力且防止碎屑进入到密封区域内。套管55可由聚醚醚酮(PEEK)制成。另外，除砂器59可位于在界面处形成的对应凹部内的座-闸界面处。除砂器59可为由PEEK制成的Σ型弹簧密封件。
在此实施例中，座50的面58具有硬覆层70，其与也具有硬覆层74的沉孔54上的端面72配合。端面72为垂直于流动通路44的轴线的环形平坦表面。在图4中示出了硬覆层70、74的放大截面图。在此实施例中，硬覆层70、74被进行硬涂覆和光面修整，类似于在闸46上的接合表面80和在座50上的接合表面82。硬覆层70、74可由具有金属基质的陶瓷硬质合金(金属陶瓷或硬质合金)，诸如具有钴铬基质的碳化钨构成且可通过各种已知手段(诸如经由结合、焊接、涂覆、钎焊或胶合)施加到表面。硬涂覆、光面修整的座和袋端面58、72因此在它们配合时提供密封。当闸46关闭时，如图所示，座和袋表面58、72彼此密封地邻靠以防止流体从腔45流入到阀40的低压(P低)侧内。上游座环92的座端表面90和阀40的高压(P高)侧上的袋端表面94也可硬涂覆且光面修整，如在阀40的低压侧上的那些表面58、72那样。当闸46关闭时，在高压侧上的座和袋表面90、94并不配合。在表面58、72之间的空隙允许流体经由在表面90、92之间的泄漏路径96流入到腔45内且使得腔45加压。表面90、94包括座50的外径和沉孔54的内径。在此实施例中，在端面58、72、90、94中的每一个上的硬覆层70、74具有范围为从约0.001英寸厚至大约0.5英寸厚的厚度。在这些内径表面与外径表面之间存在环形空隙。相对于在现有技术中的闸和座中所使用的弹性体密封件，硬覆层70、74有利地为座和袋端表面58、72提供增加的刚度和硬度。硬涂覆材料的更高的刚度和硬度可通过减小在座-袋界面处的磨损而增加阀40的寿命。不需要诸如图2的密封件32那样的弹性体密封件。
钨硬质合金覆层的硬度可为大约Rockwell C 72-73。座54和闸46的材料能由耐腐蚀钢合金制备，诸如下列之一：Inconel(镍-铬合金)；高品质低合金钢；不锈钢；其组合；或另外的合适金属材料。Inconel 718例如通常具有在32与40之间的C阶洛氏硬度值(HRN)。可通过热处理过程来更改材料性质。因此，密封表面58、72的碳化钨覆层70、74的实例实施例的硬度能为Inconel 718材料的大约二倍硬。尽管钨硬质合金讨论为硬覆层，可利用其它类型的复合物。
其它材料也可用于硬覆层。例如，在诸如由钴铬(CoCr)、镍铬(NiCr)或铁铬(FeCr)制备的金属基质中的诸如碳化铬(CrC)或碳化钛(TiC)的具有高体积分数(>40体积%)的陶瓷粒子的金属陶瓷或硬质合金。在一个实例中，陶瓷粒子的大小小于2微米。
在操作中，当闸46打开时，不管是上游端面90、94还是下游端面58、72都不彼此邻靠。在通路44中的流体能绕腔45中的闸流动，但腔由杆密封件密封。当闸46关闭时，来自上游流动通路的高压推动上游座环92抵靠闸46且端面90转到图3的打开位置。闸46推动下游座环50直到其端面58正好接触沉孔端面72且对沉孔端面72密封。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制备和使用任何装置或系统及执行任何合并的方法。这些实施例预期并不限制本发明的范围。本发明的专利保护范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员所想到的其它实例。如果其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等效结构元件，则这些其它实例预期在权利要求的保护范围内。
Claims (15)
1. 一种闸阀(40)，特征在于：
主体(42)，其具有腔室(45)；
流动通路(44)，其具有轴线且延伸穿过所述腔室(45)且与所述腔室(45)相交；
沉孔(54)，其在所述流动通路(44)中与所述腔室(45)相交处，限定面朝内的端面(58)；
环形座环(50)，其携带于所述沉孔(54)中，所述座环(50)具有面朝外的端面(72)且可在所述沉孔(54)中在打开位置与关闭位置之间轴向移动，在所述打开位置，所述端面(58,72)轴向分开，在所述关闭位置，所述端面(58,72)彼此邻靠；
闸(46)，其在所述腔室(45)中且具有接合面(80)，所述接合面(80)在打开位置与关闭位置之间移动时滑动地接合所述座(50)上的密封面(82)；以及
硬覆层(70,74)，其在所述端面(58,72)上用于在所述座环(50)处于所述关闭位置时对彼此密封。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括弹簧元件(60)，其在所述座环(50)与所述沉孔(54)的端面(58)之间，所述弹簧元件(60)强迫所述座环(50)朝向所述打开位置。
3. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述硬覆层(70,74)为硬质合金。
4. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述座环(50)响应于在所述流动通路(44)的高压侧上的流体压力而轴向移动到所述关闭位置。
5. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述硬覆层(70,74)具有大于所述座(50)和所述阀(40)的主体(42)的硬度。
6. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述硬覆层(70,74)包括：
结合到所述端面(58,72)上的硬质合金的基底。
7. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述硬覆层(70,74)包括：
包括焊接、涂覆、钎焊或胶合到端面(58,72)的端部上的硬质合金硬面(70,74)的层。
8. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述端面(58,72)垂直于所述轴线。
9. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述端面中的每一个上的所述硬覆层(70,74)具有范围为从约0.001英寸厚至约0.5英寸厚的厚度。
10. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：
在所述座环(50)的外径与所述座环(50)的端面(72)相交处的环形凹部(56)；以及
在所述凹部(56)中且与所述沉孔(54)的端面(58)接合的弹簧(60)，所述弹簧(60)强迫所述座环(50)朝向所述打开位置。
11. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括，在所述座环(50)的外径与所述沉孔(54)之间的环形空隙，所述空隙将所述腔室(45)中的流体连通到所述端面(58,72)。
12. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述座环(50)不具有任何弹性体密封元件。
13. 一种利用闸阀(40)控制井眼流体的流动的方法，特征在于：
提供主体(42)，其具有：腔室(45)；流动通路(44)，其具有轴线且延伸穿过所述腔室(45)且与所述腔室(45)相交；沉孔(54)，其在所述流动通路(44)中与所述腔室(45)相交处，限定面朝内的端面(58)；携带于所述沉孔(54)中的环形下游座环(50)，所述座环(50)具有面朝外的端面(72)且可在所述沉孔(54)中在打开位置与关闭位置之间轴向移动，在所述打开位置，所述端面(58,72)轴向分开，且在所述关闭位置，所述端面(58,72)彼此邻靠；闸(46)，其在所述腔室(45)中且具有接合面(80)，接合面(80)在打开位置与关闭位置之间移动时滑动接合所述座(50)上的密封面(82)；以及，硬覆层(70,74)，其在所述端面(58,72)上用于在所述座环(50)处于所述关闭位置时对彼此密封；
通过将所述闸(46)定位于打开位置而使井眼流体通过所述流动通路(44)流动；
通过将所述闸定位于关闭位置阻挡通过所述流动通路(44)的流动，从而允许流体从所述阀(40)的高压侧泄漏到所述腔室(45)内以从而使所述腔室(45)加压，其中
所述下游座环(50)响应于在所述流动通路(44)的上游侧上的流体压力而在所述沉孔(54)中轴向地从打开位置移动到关闭位置；以及
密封所述阀(40)的低压侧以在所述闸(46)关闭时防止流体从所述腔室(45)经由所述沉孔(54)的硬涂覆端面(58,72)与所述阀(40)的下游座环(50)之间的密封接合而流入到所述低压侧上的流动通路(44)内，其中，所述硬涂覆端面(58,72)轴向彼此邻靠。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，当所述闸阀(40)处于打开位置时，弹簧(60)强迫端面(58,72)彼此分离。
15. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，当所述闸(46)关闭且下游座环(50)处于关闭位置时上游座环(92)处于打开位置。
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