CN102979480A - 球阀组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及球阀组件。具体而言，一种球阀组件包括：管路区段，其具有用于使流体能够在使用中经由其流过的轴向内孔；具有内部导管的阀球，该阀球安装在管路区段内并用于相对于管路区段在开启位置与闭合位置之间旋转，其中，在开启位置，内孔内的流体可流过导管，而在闭合位置，导管不可由内孔内的流体接近；用于使阀球旋转的驱动装置，所述驱动装置沿径向置于内孔外侧；以及封装体，所述封装体定位成用以收纳阀球并具有沿径向置于管路内孔与驱动装置之间的部分，使得封装体阻止内孔内的流体接近驱动装置。

Description

球阀组件
技术领域
本发明涉及球阀组件，更具体地涉及用于在水下(例如，海底)完井中使用的球阀组件。
背景技术
如本领域中所公知的那样，球阀为用于控制流体流的机械装置。它们包括总体球形或部分球形的可旋转阀元件("球")，该阀元件具有经由其穿过的内孔(bore)并定位在流体导管内。在第一开启构型中，球的内孔与导管大致共线，使得流体可经由其流过。当球旋转时，阻塞或切断可用的流体流动通路，直到球达到闭合构型，在闭合构型中球的内孔对于导管中的流体而言不能进入，且因此流体流不能穿过球。为了能够控制球的旋转，通常将球安装在轴承上和/或设有用于支承容纳在支承组件内的耳轴。
球阀的一个主要应用是在水下烃类抽提或生产设备内，且在这些场合，球阀可用于控制生产流体的流动。例如，作为现有技术可查看US6152229,WO2006/040592,US6698712,US2009/0065212,US2009/0065213, WO2008/060891和GB 2340860。
当以此方式使用时，球阀在恶劣的环境内操作。具体而言，流体可含有大量的碎屑或颗粒污染物。对于例如上文提出的那些的现有技术设计而言，问题在于此种碎屑可污染球阀支承/促动组件(称为促动区(zone))，从而阻止了球的有效旋转。对于球阀而言常见的是在它们的预计寿命周期结束之前由于碎屑进入、污染形成、腐蚀和润滑剂冲刷而停滞。这种停滞可导致旋转机构的过大应力和变形，从而使得阀不可操作。
此外，公知的球阀组件可成为失衡的，使得开启力或闭合力未均匀地施加到球上。这种平衡的缺乏还可导致旋转机构的过大应力和变形。
还很重要的是提供一种故障保险机构，其用来在计划或非计划地排泄阀控制系统压力的情况下使阀闭合。
发明内容
本发明的目的及益处
本发明的总体目的在于克服这些问题，且因此提供适合在恶劣环境中(例如在完井系统内)使用的球阀组件。
本发明的第一目的在于提供一种用以防止污染旋转机构的装置。
此目的通过封装球阀组件来防止污染物进入而实现。
本发明的另一目的在于提供对球的平衡力传送。
此目的通过使用平衡促动机构来促使球旋转而实现。
更详细而言，本发明尤其提供了以下益处：
避免了球的停滞：
避免了因碎屑进入和形成在球与封装体(encapsulation)的狭窄间隙之间的固体化污染物造成的摩擦所引起的球停滞，因为在球与封装体之间没有球形接触。这有助于避免因摩擦造成球的磨损，且因此促使操作寿命周期延长。
避免了机构的损坏：
通过封装体避免了碎屑进入促动区中，这减小了机构中的摩擦。由此避免了机构的过载和因其产生的变形。
均匀的平衡力传送：
提供至球的均匀平衡力保持了组件的稳定性。由此避免了因过载/非平衡力而造成机构的变形。
形成流体：
通过封装体避免了在机构区中形成流体的不利影响，且有利的是内孔压力自身用于球阀的故障安全闭合。
易于组装/维护：
本发明使球阀能够容易地构造、检查和维护。此外，可在外部执行球对准的检验，因此减少了时间和费用。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供了一种球阀组件，该球阀组件包括：
管路区段，其具有用于使流体能够在使用中经由其流过的轴向内孔；
具有内部导管的阀球，该阀球安装在管路区段内并用于相对于管路区段在开启位置与闭合位置之间旋转，其中，在开启位置，内孔内的流体可流过导管，而在闭合位置，内孔内的流体不能接近导管；
用于使阀球旋转的驱动装置，所述驱动装置沿径向置于内孔外侧；以及
封装体，所述封装体定位成用以收纳阀球并具有沿径向置于管路内孔与驱动装置之间的部分，使得封装体阻止内孔内的流体接近驱动装置。
根据本发明的第二方面，提供了一种球阀组件，该球阀组件包括：
管路区段，其具有用于使流体能够在使用中经由其流过的轴向内孔；
具有内部导管的阀球，该阀球安装在管路区段内并用于相对于管路区段在开启位置与闭合位置之间旋转，其中，在开启位置，内孔内的流体可流过导管，而在闭合位置，内孔内的流体不能接近导管；以及
用于使阀球旋转的驱动装置，该驱动装置沿径向置于内孔外侧；
其中，驱动装置包括沿内孔轴线的方向置于阀球的相对侧面上的第一活塞和第二活塞，该第一活塞和第二活塞可通过公共液压流体管线促动，使得液压流体压力施加在所述公共液压流体管线处引起所述第一活塞和所述第二活塞经受大致等量但方向相反的线性促动力。
附图说明
现在将参看附图来描述本发明，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明第一实施例的处于"开启"构型的示例性阀组件的截面视图；
图2示意性地示出了处于"闭合"构型的图1中的阀组件的截面视图；
图3以分解透视图示意性地示出了图1中的阀组件；
图4示意性地示出了图1中的阀组件的驱动机构的截面视图；以及
图5示意性地示出了根据本发明第二实施例的双阀组件的截面视图。
具体实施方式
在图1中以及在图3中的"分解"透视图中示意性地示出了根据本发明的第一实施例的球阀组件1。可看到的是，在组件1的顶半部和底半部之间存在很大程度的对称性，且因此为了方便起见，如图1中所示的置于组件上半部中的构件将大体上表示为"顶部"，而如图所示的置于组件下半部中的那些则大体上表示为"底部"。
组件1特别适合在水下烃类抽提井设备的完成安全模块(CSM)内使用，它们是本来就已公知的构件。组件1包括管路区段2，其中，轴向内孔3延伸穿过管路区段以便使流体能够经由其流过。管路区段2包括位于其顶端和底端处的顶壳体10和底壳体11，其中，配件设在各个壳体上而使得能够连接至流体输送系统(未示出)的其它构件(在此情况下是CSM的构件)，以便在使用中生产流体流过内孔3。
阀球4大致安装在管路区段2内并且用于相对于管路区段2在开启位置与闭合位置之间旋转，其中，在开启位置，内孔内的流体可流过球4的内部导管，而在闭合位置，导管不可由内孔内的流体接近。在图1中，阀示为处于”开启”构型，使得生产流体流可能穿过导管。球4包括安装在对应的耳轴板6a,6b内的第一耳轴5a和第二耳轴5b。轴承7设在各个耳轴5a,5b和相应的板6a,6b之间，以便耳轴可在耳轴板内平稳地旋转且因此球可在耳轴板内平稳地旋转。继而，耳轴板6a,6b安装到图3中更清楚示出的封装体19上。封装体19为单一件的大体圆柱形构件，其具有如图所示从顶部延伸至底部的轴向导管，该导管安置为与内孔3同轴。封装体19的中心部分适于用以收纳阀球4，其中，加工成的侧面开口用于收纳耳轴板6a,6b并使得能够接近耳轴5a,5b。密封件8设在各个耳轴板和封装体之间，围绕耳轴板沿周向延伸，用以防止流体进入其间。
还提供了用于使阀球4旋转的驱动装置，这些驱动装置沿径向置于内孔3外侧。图4中更为清楚地示出了此种驱动机构。驱动装置包括将在下文中更详细描述的四个曲柄臂16a-16d、顶部环形十字头(crosshead)17a和底部环形十字头17b，以及顶部可动活塞20a和底部可动活塞20b。封装体19具有部分(也即，顶部末端和底部末端)，该部分沿径向置于内孔3与驱动装置之间，使得在使用中封装体阻止内孔3内的流体接近驱动装置。因此，封装体19保持驱动装置免受携带在生产流体内的碎屑，这对于维持操作很关键。封装体19的内表面设计成与阀球4具有相对较宽的间隙，而没有球形接触，因此减小了因生产流体内的固体污染物所引起的摩擦，且防止了对阀球旋转的妨碍。封装体19的侧面开口向球提供相对较宽的支承并对球旋转提供良好的引导。密封设在封装体19上，例如在封装体19与十字头17a,17b之间，用以在阀球4的闭合状态期间完全地密封形成流体流(见图2)。
阀球4通过四个曲柄臂16a-16d而旋转，这四个曲柄臂16a-16d在其一端处可旋转地连接到耳轴5a,5b上，其中，各个耳轴均连接两个曲柄臂。曲柄臂的另一端可旋转地连结到顶部十字头17a或底部十字头17b上，从而松动地限制在十字头与相应的十字头盖18a-18d之间。各个十字头17a,17b均为环形并具有与内孔3同轴的开口。各个十字头均在最接近球的一端处具有直径较大的肩部部分来用以收纳封装体19，以及在另一端处具有直径较小的相对较窄部分。十字头17a,17b沿管路区段2的轴线线性地可动，使得十字头的线性移动转化成阀球4的旋转移动。顶部十字头17a和底部十字头17b通过连接到相应十字头的另一端(也即，离阀球4最远的一端)上的顶部可动活塞20a和底部可动活塞20b而分别线性地受到驱动。
通过顶部插入件14和底部插入件15，沿内孔的大部分长度限定内孔3的壁。这些是大致圆柱形的构件，其具有插入封装体19中并延伸至阀球4的相应较窄部分。
管路区段2的大部分外表面通过大体圆柱形的外本体13限定，其中，外本体13沿径向置于驱动装置外侧，且分别通过顶部本体螺母9和底部本体螺母12而连接到顶壳体10和底壳体11上。
外本体13将顶部固定活塞21a和底部固定活塞21b承载在其内表面上，当阀开启时处于邻近相应十字头17a,17b的肩部部分的位置处。固定活塞21a,21b设有不透流体的密封件，该密封件抵靠相应十字头的较窄部分。可看到的是，顶部活塞腔室22a和底部活塞腔室22b由此通过相应的固定活塞21a,21b、可动活塞20a,20b、十字头17a,17b和外本体13限定。
此外，外本体13包括内侧的液压流体管线，其中，"开启"液压流体管线23大体上沿轴向在如图所示的组件右侧上延伸，而"闭合"液压流体管线24大体上沿轴向在如图所示的组件左侧上延伸。这些液压流体管线经由顶壳体10延伸至组件的顶部，这使得能够连接到远程液压流体源(未示出)上。开启流体管线23具有进入相应的顶部活塞腔室22a和底部活塞腔室22b的顶部端口28a和底部端口28b。同时，闭合流体管线24具有进入相应的顶部活塞腔室22a和底部活塞腔室22b的位于顶壳体10和底壳体11处的顶部端口30a和底部端口30b。在十字头17a,17b的外侧面上密封的阻隔物用于将液压腔室与内孔流体隔离开。
顶部插入件14和底部插入件15包括联结内孔3和相应顶部十字头17a和底部十字头17b的内表面的相应的顶部故障保险流体通路25a和底部故障保险流体通路25b。
在操作中，为了开启阀，将液压流体压力施加到开启管线23上，且因此施加到端口28a,28b上。这增大了活塞腔室22a,22b中的流体压力，并引起可动活塞20a,20b向外移动，且因此还引起十字头17a,17b向外移动，也即远离阀球4移动。十字头17a,17b的线性运动促使曲柄臂16a-16d将阀球4旋转至开启位置。
为了闭合阀，将液压力施加到闭合管线24上，促使流体流至端口30a,30b，这推动可动活塞20a,20b朝阀球4移动。此种线性运动促使曲柄臂16a-16d将阀球4旋转至图2中所示的闭合构型。
在损失腔室22a,22b内的液压流体压力的情况下，生产流体可进入故障保险端口25a,25b中，并迫使十字头17a,17b朝阀球4线性地移动，这又促使阀球4旋转至闭合构型。故障保险促动通路与液压流体区域是隔开的，从而防止污染液压流体。
当供有来自开启管线23的液压流体时，活塞腔室22a,22b克服内孔压力(经由十字头17a,17b)作用以通过推动十字头远离球中心线而开启阀球4。故障保险通路25a,25b的区域和活塞腔室22a,22b的区域调整成以便较小液压力便将克服相对较大的内孔压力而开启阀球4。当封闭端口30a,30b供有来自管线24的液压流体时，连同故障保险闭合压力一起，使十字头17a,17b朝阀球中心线移动，因此导致使球闭合。
可看到的是，为了实现球的旋转，任一管线23或24内的液压流体的施加都引起对于第一可动活塞20a和第二可动活塞20b(且因此还引起对于十字头17a,17b)的大致等量但方向相反的线性促动力。相比于现有技术，这改善了阀促动平衡。
此外，使用连接到球上的四个曲柄臂16a-16d(其中在球的左侧面和右侧面中的每一个上各有两个曲柄臂)提供了用于球旋转的均匀平衡力，也即存在从十字头到球的平衡促动。
图5中示意性地示出了本发明的第二实施例。这里，阀组件包括两个阀子组件26和27。各个子组件均大体上类似于参照上文第一实施例所述，其中，上球阀组件26和下球阀组件27的操作功能通过外本体独立地进行。为了避免混乱，图5并未示出所有所需的端口，而是仅示出了沿本体的右侧延伸的一条液压管线。实际上，用于各个子组件26,27的端口将类似于上述第一实施例的组件1中的，这对于本领域的技术人员将是明显的。
此类组件将可用于水下烃类抽提设备中，其中，子组件26用作"密封球阀"而子组件27用作"剪切球阀"，这对于本领域的技术人员将是明显的。
上述实施例仅为示例性的，且本发明范围内的其它可能性和备选方案对于本领域的技术人员将是明显的。例如，尽管已将本发明描述为与完井系统特别关联，但本发明可适于球阀的任何应用而不一定是在海底环境内。

Claims (17)

1. 一种球阀组件，包括：
管路区段，其具有用于使流体能够在使用中经由其流过的轴向内孔；
具有内部导管的阀球，所述阀球安装在所述管路区段内并用于相对于所述管路区段在开启位置与闭合位置之间旋转，其中，在所述开启位置，所述内孔内的流体可流过所述导管，而在所述闭合位置，所述导管不可由所述内孔内的流体接近；
用于使所述阀球旋转的驱动装置，所述驱动装置沿径向置于所述内孔外侧；以及
封装体，所述封装体定位成用以收纳所述阀球并具有沿径向置于所述管路内孔与所述驱动装置之间的部分，使得所述封装体阻止所述内孔内的流体接近所述驱动装置。
2. 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述阀球包括沿直径相对的第一耳轴和第二耳轴，以及所述阀球经由相应的耳轴板安装，各个耳轴板均收纳相应的耳轴。
3. 根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述耳轴板由所述封装体承载。
4. 根据权利要求2和权利要求3中任一项所述的组件，其特征在于，密封件设在各个耳轴板与所述封装体之间以防止流体经由其流过。
5. 根据任一前述权利要求所述的组件，其特征在于，所述封装体限定所述内孔的壁。
6. 根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的组件，其特征在于，所述封装体承载插入件，所述插入件限定所述内孔的壁。
7. 根据任一前述权利要求所述的组件，其特征在于，所述驱动装置包括附接到所述阀球上的曲柄，所述封装体防止所述内孔内的流体接近所述曲柄。
8. 根据任一前述权利要求所述的球阀组件，其特征在于，所述球阀组件包括液压流体管线，以及其中，所述驱动装置包括可由所述液压流体管线内的液压流体压力促动的活塞。
9. 根据权利要求8所述的球阀组件，其特征在于，所述管路区段包括与所述内孔成流体连接的故障保险流体管线，使得在所述液压流体管线内的液压流体压力损失的情况下，流体可从所述内孔流过所述故障保险流体管线且因此促动所述活塞。
10. 一种球阀组件，包括：
管路区段，其具有用于使流体能够在使用中经由其流过的轴向内孔；
具有内部导管的阀球，所述阀球安装在所述管路区段内并用于相对于所述管路区段在开启位置与闭合位置之间旋转，其中，在所述开启位置，所述内孔内的流体可流过所述导管，而在所述闭合位置，所述导管不可由所述内孔内的流体接近；以及
用于使所述阀球旋转的驱动装置，所述驱动装置沿径向置于所述内孔外侧；
其中，所述驱动装置包括沿所述内孔的轴线方向置于所述阀球的相对侧面上的第一活塞和第二活塞，所述第一活塞和所述第二活塞可通过公共液压流体管线促动，使得所述液压流体压力施加在所述公共液压流体管线处引起所述第一活塞和所述第二活塞经受大致等量但方向相反的线性促动力。
11. 根据权利要求10所述的组件，其特征在于，液压流体压力施加在所述公共流体管线处引起所述阀球旋转至开启位置，以及其中，提供了第二公共液压流体管线，使得将液压流体压力施加至所述第二公共液压流体管线引起所述第一活塞和所述第二活塞经受大致等量但方向相反的线性促动力，导致所述阀球旋转至闭合位置。
12. 根据权利要求10和权利要求11中任一项所述的组件，其特征在于，各个活塞均经由相应的曲柄臂而连接到所述阀球上，使得所述活塞的线性运动引起所述阀球的旋转。
13. 根据权利要求12所述的组件，其特征在于，各个活塞均经由附加的相应曲柄臂而在与早先的相应曲柄臂沿直径相对的位置处连接到所述阀球上。
14. 根据权利要求10至权利要求13中任一项所述的组件，其特征在于，所述阀球包括在直径上相对的第一耳轴和第二耳轴，以及所述曲柄臂连接到相应的耳轴上。
15. 根据权利要求10至权利要求14中任一项所述的球阀组件，其特征在于，所述管路区段包括使所述内孔与所述活塞流体地连接的故障保险流体管线，使得在液压流体压力损失的情况下，流体可从所述内孔流过所述故障保险流体管线且因此促动所述活塞。
16. 一种包括根据任一前述权利要求所述的阀组件的完井系统。
17. 一种包括根据任一前述权利要求所述的阀组件的水下井设备。
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