CN103249976A - 球阀 - Google Patents

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Abstract

所公开的实施例包含球阀(10、70)，所述球阀(10、70)具有集成式阀座(38、39、76、78、80、82)。所述集成式阀座包含在阀体(22、88)的球体组件(28、72、74)中。所述球体组件(28、72、74)可以相对于所述阀体(22、88)旋转，以开启或者关闭所述阀门(10、70)。所述集成式阀座(38、39、76、78、80、82)可以接触钻孔(40、42、96、98)的壁，以密封式地闭合所述阀门(10、70)。

Description

球阀
背景技术
此部分旨在向读者介绍可能涉及本发明各方面的技术的多个方面，这些方面在下文有所描述和/或主张。相信此论述有助于向读者提供背景信息以促进对本发明的各个方面的更好理解。因此，应了解，这些声明应藉此来解读，而并非对现有技术的认可。
球阀通过使用具有口或孔的球体，能够对流经导管的水流进行控制，所述口或孔通常位于所述球体的中心。所述阀通过旋转球体而开启，使得所述口或孔与所述阀的两端成一直线。因此水流可以从所述阀的第一端开始移动，横向穿过所述口或孔，并且继续穿过所述阀的第二端。同样，所述阀通过旋转所述球体而关闭，使得所述口或孔定位成垂直于所述阀的端部。不幸地是，所述球体在负载条件下可能随着时间的推移而变形，从而引起泄露或不当的密封。
附图说明
参考附图阅读以下具体实施方式后，将对本发明的各个特征、方面和优点有更深入的了解，在所有图中，类似符号代表类似部分，其中：
图1是根据本发明的一项实施例的球阀和阀门致动器的透视图；
图2是根据本发明的一项实施例的耳轴球阀(trunnion ball valve)的侧视分解透视图，所述耳轴球阀包含带凸缘的阀门端、阀体以及球体组件；
图3是根据本发明的一项实施例的球阀部件的侧视分解透视图；
图4是根据本发明的一项实施例的球阀的截面图；
图5是根据本发明的一项实施例的环形集成式阀座(annular integrated seat)的局部截面图；以及
图6是双关双断阀的一项实施例的侧视截面图。
具体实施方式
下文将描述本发明的一项或多项具体实施例。这些所描述的实施例仅示范本发明。另外，为提供对这些示范性实施例的简明描述，说明书中可能不描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任何此类实际实施方案的开发过程中，如任何工程或设计规划中，必须作出大量实施方案特定的决策以实现开发者的特定目标，例如符合系统相关和商业相关约束，其可在实施方案间变化。此外，应了解，此开发尝试可能较复杂且耗时，但对于得到本发明益处的一般技术人员来说仍然将是设计、制作和制造的常规任务。
当介绍本发明的各项实施例的元件时，冠词“一”和“所述”既定表示存在所述元件中的一者或一者以上。术语“包括”、“包含”和“具有”既定为包含性的，且表示可能存在除所列举元件外的额外元件。此外，为了方便起见，使用“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”和这些术语的变型，而不要求部件的任何特定定向。
所公开的实施例包含球阀，例如，耳轴球阀，所述球阀具有一体形成于球体中的阀座，所述阀座能够通过钻孔到阀座界面(bore-to-seat interface)来减少或者消除泄露。所述阀座设置在球体中，并且包含适用于密封式地维持与钻孔接触的几何形状以及“活塞效应”技术，即使在球体并不完全呈球形的情况下也是如此。此外，球体的很大一部分可以是“未加工的”或者未完成的，其中只有密封与修整(trim)区域是经过机器加工的，因此可以节省制造的时间和成本。所述球阀可以与具有不同尺寸(例如，直径大约在1/2英寸到30英寸之间、15英寸到45英寸之间、35英寸到80英寸之间)和不同流动压力(例如，大约在5PSI到50,000PSI之间)的管路一起使用。另外，所述球阀能够减少由降低的活塞效应引起的致动转矩。此外，本文中公开的集成式阀座技术带来了一种适用于改进的安装以及维护的简单球阀设计。实际上，所述简单球阀设计消除了使用专门工具和技术的必要性，例如，在检修传统的球阀时使用收缩阀座工具和/或精密的多个密封元件。
图1是耳轴球阀10、桨片致动器(paddle actuator)12、手动致动器14以及液压致动器16的实施例的侧视透视图。耳轴球阀10的耳轴或阀杆18可以连接到致动器12、14或16中的任何一个，并且用于通过施加转矩来开启或者关闭所述球阀。例如，可以连接桨片致动器12以用于海底应用，并且由遥控潜水器(ROV)所使用。所述ROV可以使所述桨片旋转，从而开启或者关闭球阀10。类似地，可以连接手动致动器14并且用于地面上的应用。人工操作员可以转动手动致动器的轮20，从而开启或者关闭球阀10。另外，液压致动器16可以用于远程阀门启动。相应地，球阀10可以通过远程液压(或电)传动来进行远程开启或关闭。可以通过使用本文中所公开的某些实施例来减少球阀10的致动转矩，例如，使用一体形成于球体中的阀座，并且同时能够使用较高的工作压力。
在所描绘的实施例中，耳轴球阀10包含长度为L1的阀体22。如图所示，阀体22可以附接到一组带凸缘的阀门端24和26上。在某些应用中，例如，指定需要快速地移除并且替换阀门的应用中，带凸缘的阀门端24和26可以用于牢固地将阀体22连接到导管或者管路上。所述带凸缘的阀门端24和26使得在带凸缘的管等导管中安装和移除球阀10变得容易。所述球阀10的安装可以通过，例如，使用适用于将带凸缘的阀门端24和26紧固到导管的垫圈和多个螺母和螺栓来实现。在其他应用中，例如，在海底歧管应用中，需要使用焊接来将球阀10牢固地耦接到导管。将球阀10焊接到导管上可以减轻重量、产生更加牢固的连接，并且形成基本防漏的通道。相应地，带凸缘的阀门端24和26可以用一组可焊接的阀门端(未图示)取代。实际上，使用本文中所描述的某些实施例，例如，设置在球体中的集成式阀座，允许使用焊接热而不会损坏阀门的部件部分。所述可焊接的阀门端能够承受在焊接期间生成的热量，并且能够满足ISO14313(管道阀门)以及ISO14723(海底管道阀门)规范。实际上，耳轴阀门10能够满足多种与阀门有关的ISO、ANSI、API、ASME和/或NACE规范，也包含海底规范在内。另外，应理解也可以使用其他阀门端，包含带凸缘的阀门端、可焊接的阀门端和/或中心阀门端的组合。也就是说，阀体22可以包含位于阀体22一端的带凸缘的阀门端24以及位于相对端的中心阀门端。
图2描述了图1所示的耳轴球阀10的分解透视图，描绘了带凸缘的阀门端24和26、阀体22以及球体组件28的细节。球体组件28经配置以允许轴向方向上的水流30。例如，水流30可以由泵、压缩机、井压或者能够产生使流体穿过流体通道32运动的任何其他装置来驱动，所述流体通道32由阀体22的内壁界定。在所描述的实施例中，球体组件28包含球体34，球体34具有通道36，例如，近似圆形的开口36。球体组件28可以设置在阀体22的内部，并且相对于阀体22旋转，从而开启和关闭流体通道32。实际上，球体组件28的旋转引起了圆形开口36的等效的旋转，从而使水流30穿过阀体22的一侧31向内进入阀体22，横穿过开口36并且继续穿过阀体22的相对侧33向外离开。水流30可以穿过阀体22的两侧31、33中的任一侧进入，并且穿过相对侧离开。
在所描述的实施例中，耳轴球阀10包含带凸缘的阀门端24和26，如图1所示，带凸缘的阀门端24和26可以相对于阀体22同心或者同轴地进行紧固。相应地，水流30可以从带凸缘的阀门端24(或26)进入阀体22，横穿过开口36，并且穿过凸缘26(或24)离开。在某些实施例中，带凸缘的阀门端24和26可以包含适用于啮合阀座38(例如，超环面或者环形的阀座38)的接触表面或壁。环形阀座38合并到球体组件28中，并且在某些实施例中包含“活塞效应”特征，所述特征使球体组件28能够更加牢固地进行密封，即使在球体34可能不完全呈球形的情况下也是如此。例如，所述活塞效应特征可以包含一个或多个腔室，所述腔室适用于使用流体流30来使环形阀座38逆着流动的方向发生倾斜。实际上，阀座38使球体34经受一定程度的变形，而同时阀座38维持适当的密封以抵抗流体流30。
阀座38使阀门10在较高的流动压力下操作，例如，压力大约在5PSI到50,000PSI之间，并且使管路尺寸大约在1/2英寸到30英寸之间、15英寸到45英寸之间、35英寸到80英寸之间。这种高压高流量的条件可能会导致未并入集成式阀座38的传统球阀中的球体变形并伴有相应的密封泄露。通过使用集成式阀座38可以基本上减少或者消除这种泄露。实际上，本文中所公开的实施例在维持适当的密封方面具有实质性改善，即使在球体34经历较高压力和/或较高流速的情况下也是如此，这是因为球体组件28的阀杆18区域附近最容易发生变形，而该区域独立于集成式阀座38。
在某些实施例中，阀体22可以具有改进的维修和/或制造入口，方法是将适用于将球体组件28插入阀体22中的顶部进入开口37包含在阀体22内。传统上，需要专门的工具和/或多个密封元件来移除或者替换球体34，例如，因为具有设置在阀门端24的钻孔40内部以及设置在阀门端26的钻孔42上的弹簧承载的阀座。现在可以用球体组件28上的集成式阀座38来取代这种钻孔安装的阀座。相应地，球体组件28可以在球体开启位置被移除和/或插入阀体22中，而无需专门的工具和/或密封元件。实际上，如下文中关于图3的详细描述，在球体组件28上使用集成式阀座38使球阀10更容易进行维修且更加简单。
图3是球体组件28的一项实施例的侧视分解透视图。在所描绘的实施例中，球体组件28包含球体34，球体34具有位于球体34的第一侧31上的凹槽44(例如，环形凹槽)。可以对凹槽44进行磨制或者机器加工以形成光滑的表面。凹槽44经配置以与密封件46、弹簧48、阀座环或垫圈50以及环形阀座38啮合。第二环形阀座38与对应的凹槽44、密封件46、弹簧48以及阀座环50相对于第一侧31上的阀座38设置在球体34的第二侧33上。使用集成式阀座38有助于在适用于采用高压流的更简单的球阀10中改进密封。
在某些实施例中，通过保留大部分的球体34未完成或者“未加工”可以减少制造时间和成本。也就是说，球体34可以进行铸造，并且仅球体的某些区域进行铸造，例如，靠近凹槽44的区域或者在凹槽44上的区域，可以通过机器加工、磨制，和/或涂覆涂层来进一步进行处理。球体34的剩余部分可能不会与阀门10的其他部件密封接触，因此，并不是所有球体区域都需要进一步的处理和/或涂层。应理解，在其他实施例中，球体34的其他区域可以接受进一步的处理，包括磨制、机器加工，和/或涂层。
在所描绘的实施例中，密封件46首先设置在凹槽44上。密封件46可以使阀座38与球体34之间进行改进的密封。相应地，密封件46可以是弹性体密封件、塑料密封件、石墨密封件，或者由任何其他合适的材料制成。随后可以将弹簧48设置在凹槽44上。如下文关于图4的详细描述，弹簧48在阀座38与球体34之间施加压缩力，所述压缩力可以向外“推动”阀座38使其远离球体34。因此弹簧48可以有助于增强阀座38的外向壁52与端部24和26的钻孔40和42内部的某些壁之间的接触。在某些实施例中，可以对外向壁52进行涂覆，以减少接触摩擦并且有助于提高耐腐蚀性。例如，外向壁52可以涂覆有碳化物基涂层，例如，碳化钨涂层(TCC)、碳化硼涂层，或者任何其他合适的涂层。阀座环50可以设置在阀座38与弹簧48之间。阀座环50可以用于限制阀座38的移位，并且维持弹簧48的压缩力。也可以提供不同厚度的阀座环50，并且所述阀座环可以用于针对不同的操作环境对球阀10进行微调。
较厚的阀座环50可以使阀座38向外远离球体34的距离增加，从而增大阀座38与阀门端24和26的某些壁之间的接触表面和/或接触力。类似地，较细长的阀座环50可以使阀座38向外远离球体34的距离减小，从而减小阀座38与阀门端24的某些壁之间的接触表面和/或接触力。同样地，弹簧48可以具有不同弹力，以适用于增大或者减小由弹簧48引起的阀座38的向外倾斜。在某些实施例中，弹簧48的力可以仅用于促进压力增加，并且对于给定尺寸的阀门10而言，弹簧48的力可以是一个恒定值。相应地，可以对球阀10进行微调，以提供适用于多种操作环境的密封力，所述操作环境例如，低压环境、中压环境以及高压环境。在某些实施例中，阀座38可以包含“活塞效应”特征，如同下文关于图4的详细描述。所述活塞效应特征可以经配置以使得球阀10能够在多种操作环境下充分密封地进行操作。实际上，所述“活塞效应”可以经过修改而在高压应用中操作。
图4是处于完全闭合位置的耳轴球阀10的一项实施例的截面图。如图所示，位于第一侧31上的环形集成式阀座38靠着壁54进行弹簧偏置，并且位于第二侧33上的环形集成式阀座38靠着壁56进行弹簧偏置。在某些实施例中，环形阀座38确保与壁54和56进行金属对金属的接触。所述金属对金属阀座在高温应用和/或腐蚀性流体应用等应用中可能非常有用。相应地，环形阀座38以及壁54和56可以由金属和/或金属合金，例如，铬镍铁合金、不锈钢、铬钼钢、钢铁等制成。此外，可以对阀座38和/或壁54和56进行涂覆(例如，TCC涂覆)，以减少摩擦并且提高抗腐蚀性。
在其他实施例中，阀座38和39可以带来“柔软密封”，例如，弹性体对金属或者弹性体对弹性体的接触。相应地，阀座38和39以及/或者壁54和56可以包含弹性体插入件，或者可以由热塑性塑料、合成橡胶、聚合物，或者其他非金属密封材料等弹性体材料制成。如果阀门长时间处于闭合位置，那么此类“柔软密封”实施例，例如，可以有助于防止接触点之间的电解。应理解，在其他实施例中，阀座38和39可以接触阀体22的壁而不是阀门端24和26的壁54和56。实际上，阀体22的壁可以用于密封流体通道32。
使用环形密封件38可以产生更简单的球阀10。例如，球体34与球体组件28具有基本上相同的长度L1。此外，阀门端24和26可以不需要使用钻孔阀座。钻孔阀座通常需要额外的空间，因为它是与球体34分开的。相反地，阀门端24和26可以直接与球体34上的集成式阀座38接触。此项实施例产生了具有改进的密封性能的更简单球阀10。阀门10还可以包含设置在阀体22中的适用于在线维修的顶部进入部件58。具体而言，可以移除顶部进入部件58，而同时阀门10的剩余部件仍然耦接到导管60上(即，与导管60成一直线)。当移除顶部进入部件58时，可以检查球体组件28部件，并且可以进行维修。例如，可以替换球阀10的部件，包含阀座38在内。
耳轴球阀10的实施例还可以包含“活塞效应”特征，在该特征中流动压力有助于维持阀座38与壁54和56之间的牢固的密封接触。在一项单活塞效应实施例中，耳轴球阀10经设计以使用流体压力来进一步协助对第一侧31和/或第二侧33上的阀座38进行密封。例如，流体流62可以进入钻孔40并且冲击球体34。流体流62可以产生撞击球体34的压力。这种压力可以使球体34朝向下游流体62的方向移动，从而使下游阀座38更加牢固地靠着阀门端26的壁56偏置。实际上，增大流体流的压力可以相应地增大撞击球体34的活塞效应压力，从而使阀座38更加牢固地进行密封。类似地，流体流64可以进入钻孔42，并且冲击球体34，从而产生撞击球体34的流体压力。所述压力可以使球体34朝向下游流体64的方向移动，从而使下游阀座38更加牢固地靠着阀门端24的壁54偏置。
图5是沿线5-5截得的图4所示的集成式阀座38的一项实施例的局部截面图。在一项双活塞效应实施例中，耳轴球阀10经设计以使用流体压力来进一步对两个环形阀座38进行密封。如上文关于图4所述，进入钻孔40的流体流62可以产生适用于使阀座38更加牢固地靠着壁56偏置的压力。这种相同的流体流62还可以产生适用于使阀座38更加牢固地靠着阀门端24的壁54偏置的压力。相应地，流体流62可以进入钻孔40，并且流入球体34的腔室66以及集成式阀座38的腔室68中。由进入腔室66和68的流体流62产生的流体压力可以朝着壁54向外移动或者推动阀座38。实际上，流体压力的进一步的增大可以使上游阀座38与壁54之间的接触力也相应增大。随着阀座38移动，密封件46可以有助于维持流体流62下游的牢固密封。此外，弹簧48也可以协助将阀座38从球体34向外移动。另外，由于阀座38独立于球体34，所以即使球体34朝向流体62的下游移动和/或经受变形，也可以维持阀座38与壁54之间的密封或者接触。实际上，为了使球阀10维持牢固的密封，球体34不一定要近似呈球形。相应地，所述双活塞效应能够使用流体62的压力来协助对两侧31和33上的阀座38进行密封。
图6是多球组装阀(multiple ball assembly valve)的一项实施例的截面图，例如，双关双断阀70，所述阀包含两个球体组件72和74。具体而言，球体组件72包含环形集成式阀座76和78，而球体组件74包含环形集成式阀座80和82。实际上，集成式阀座76、78、80和82允许制造具有两个(或多个)球体组件72和74的简单阀。在所描绘的实施例中，使用两个球体组件72和74使水流双隔离。例如，第一球体组件72可以用于止住流体流83，而同时在第二球体组件74中可以进行维修活动。实际上，每个球体组件72和74都能够隔离来自另一组件的流体流。所描绘的双关双断阀70可以更加简单，这是因为集成式阀座76、78、80和82被设计成在球组件72和74的凹槽中进行操作，因此阀门70在阀门端84和86中不需要阀座。相应地，本来可以用于在阀门端84和86上添加阀座的空间可以被去除，从而产生更简单的双关双断阀70。包含集成式阀座76、78、80和82的球体组件72和74的功能与具有集成式阀座38的单个球组件28类似，但是可以具有不同的尺寸和/或形状以更加适合于在阀体88中操作。
具体而言，阀杆90可以用于驱动球体组件72，方法是使球体组件72相对于阀体88旋转。类似地，阀杆92可以用于驱动球体组件74，方法是使球体组件74相对于阀体88旋转。在闭合的阀门位置上，集成式阀座76接触阀门端84的钻孔96的壁。此外，在闭合的阀门位置上，集成式阀座78接触阀体88的壁。类似地，在闭合的阀门位置上，集成式阀座80接触阀体88的壁。此外，在闭合的阀门位置上，集成式阀座82接触阀门端86的钻孔98的壁。实际上，所公开的实施例产生双水流隔离，适用于执行球体组件72或74中任意一者的在线阀门维修，而其他组件则用于止住水流。
虽然本发明可能有多种修改或替代形式，但此处已经以举例的方式展示了特定实施例并进行了详细介绍。然而，应了解，本发明不希望限于所揭示的特定形式。事实上，本发明将涵盖落在如所附权利要求书界定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效物和替代形式。

Claims (15)

1.一种球阀(10)，其包括：
第一球体组件(28)，所述第一球体组件(28)具有第一集成式阀座(38)；以及阀体(22)，所述阀体(22)具有与所述第一球体组件(28)流体连通的流体通道(32)，其中所述第一球体组件(28)设置在所述阀体(22)的内部，并且经配置以相对于所述阀体(22)旋转，从而开启和闭合所述流体通道(32)。
2.根据权利要求1所述的球阀(10)，其中所述第一集成式阀座(38)包括第一环形阀座(38)，所述第一环形阀座(38)设置在所述第一球体组件(28)的球体(34)的凹槽(44)中。
3.根据权利要求2所述的球阀(10)，其中所述第一球体组件(28)包括第二集成式阀座(38)，所述第二集成式阀座(38)设置在与所述第一凹槽(44)相对的所述球体(34)的第二凹槽(44)上。
4.根据权利要求2所述的球阀(10)，其中所述第一球体组件(28)包括弹簧(48)，所述弹簧(48)设置在所述球体(34)与所述第一集成式阀座(38)之间，并且其中所述弹簧(48)经配置以提供弹力，用于使所述第一集成式阀座(38)从所述球体(34)向外偏置。
5.根据权利要求1所述的球阀(10)，其中所述第一球体组件(28)经配置以具有单活塞效应。
6.根据权利要求1所述的球阀(10)，其中所述第一球体组件(28)经配置以具有双活塞效应。
7.根据权利要求6所述的球阀(10)，其中所述球体(34)包括腔室(66)，所述腔室(66)经配置以使用流体压力使所述第一集成式阀座(38)从球体(34)向外偏置。
8.根据权利要求6所述的球阀(10)，其中所述第一集成式阀座(38)包括腔室(68)，所述腔室(68)经配置以使用流体压力使所述集成式阀座(38)从球体(34)向外偏置。
9.根据权利要求2所述的球阀(10)，其包括具有钻孔(40)的阀门端(24)，所述钻孔(40)耦接到阀体(34)并且与所述流体通道(32)流体连通，其中当所述球阀(10)处于闭合位置时，所述第一集成式阀座(38)接触钻孔(40)的壁(54)。
10.根据权利要求9所述的球阀(10)，其中所述第一集成式阀座(38)包括第一金属，并且所述壁(54)包括第二金属。
11.根据权利要求1所述的球阀(10)，其中所述阀体(22)包括顶部进入开口(37)，从而无需使用专门的阀门工具就可以对所述第一球体组件(28)进行组装和/或维修。
12.根据权利要求1所述的球阀(70)，其包括第二球体组件(74)，其中所述第二球体组件(74)设置在所述阀体(88)的内部，并且经配置以相对于所述阀体(88)旋转，从而开启和闭合所述流体通道。
13.一种集成式阀座系统，其包括：
设置在球体(34)上的环形阀座(38)，其中当所述球体(34)处于闭合位置时，所述环形阀座(38)经配置以基本上密封阀体(22)的流体通道(32)。
14.根据权利要求13所述的集成式阀座系统，其中所述环形阀座(38)接触阀门端(24)的壁(54)，以密封所述阀体(22)的所述流体通道(32)。
15.根据权利要求13所述的集成式阀座系统，其中所述环形阀座(38)接触所述阀体(22)的壁，以密封所述阀体(22)的所述流体通道(32)。
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