CN103307323A - 高压减压阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压减压阀，它的结构特点是：在阀体与上阀盖之间再增配中阀体，在阀体与中阀体之间配装中膜组件与上膜组片、下膜组片组成“三膜片调压减压结构”，将带压气介导入上膜上腔内形成空气弹簧并与调压弹簧共同作用于上膜组件进行调压减压，能在不增大调压弹簧弹性系数(k)的情况下对高压气介进行调压减压作业，本发明具有结构简捷、生产制造成本低、组装操作方便、运行安全稳定、调压精度高、调压反应速度快和工作寿命长等突出优点，特别适合在工作压力高、调节压差大、范围宽的输气管网系统和输配场站内安装使用，它既可作为减压阀单独使用，也可作为指挥阀与主阀配套组成调压器使用，在输气行业有极佳的应用前景。

Description

高压减压阀

技术领域

 本发明涉及减压阀装置，属于输气管网调压控制设备的技术领域，具体地说是一种高压减压阀，它既可作为单个减压阀独立使用，也可作为指挥阀与输气主管管线上的主阀配套连接组成调压器使用。

背景技术

随着石油天然气工业的高速发展，有力地推进了我国输气管网工程和输配场站的建设进程，输气管理部门为了充分发挥输气管网设备的储运能力、进一步提高生产作业效率，一般都是将天然气升压后进行高压输送作业，然后再由各地输配场站的调压设备进行逐级减压，将高压天然气平稳地降低至所设定的输出工作压力，即可稳定地向用户输出符合“输气管理规程”的低压天然气供生产生活用和对外进行加气作业。在现行输气管网系统的输配场站中，减压阀就是一种最常用的调压减压控制设备，为适应现行输气管网系统进行高压输送作业的发展需要，各地输配场站对调压减压设备的工作压力和调压范围提出了越来越高的技术要求。根据调查了解：目前，普遍使用的减压阀大都是采用单膜片或者双模片结构，其作用是以有效膜片面积上的压力与弹簧力相互作用达到平衡来调控气体压力。客观地说，这种“单膜片或双膜片”调压结构的减压阀在公称压力低于6.3MPa的中、低压气介工况下运行是具有很好使用效果的。这是由于在中、低压气介工况下运行时，只需配装较低弹性系数(k)的调压弹簧即能满足减压阀进行调压作业的要求。其理论依据是由虎克定律（F=kx）可知：“在弹性系数(k)较小时，调压弹簧产生相同位移量所需的力也较小”。由于中、低压减压阀所配装的调压弹簧弹性系数(k)较小，它在减压作业过程中具有很高的调压精度和调压反应速度。但是，在高压（指6.3-12MPa）气介工况下运行作业时，由于作用于膜片组件的气体压力高、对膜片组件产生的作用力大，这就要求增大调压弹簧的弹性系数(k)，使调压弹簧在相同位移量的情况下能产生较大的弹性力，才能满足高压（指6.3-12MPa）工况下进行正常调压作业的需要。毋庸置疑，当调压弹簧的弹性系数(k) 增大后，又会导致减压阀的调压精度和调压反应速度急剧下降。怎样才能在不增大调压弹簧弹性系数(k)的情况下，使减压阀在高压（指6.3-12MPa）工况下进行正常调压作业并具有很高的调压精度和调压反应速度呢？这是输气管理部门以及有关阀门生产企业长期以来一直希望解决的一个技术性课题，这也是现行减压阀还需要进一步改进和改善的地方，这正是本发明所想要解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的是在中、低压减压阀现有技术的基础上，提出一种无需增大调压弹簧的弹性系数(k)就能满足在更高压力（指6.3-12MPa）工况下进行调压减压作业并具有很高调压精度和调压反应速度的高压减压阀。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：

本发明提出的一种高压减压阀，它包括阀体、阀杆、安装于阀体的下阀盖、上阀盖和配装于上阀盖内的调压弹簧，其特征在于：在阀体与下阀盖之间配装下膜组件分隔为下膜下腔、下膜上腔，在阀体与上阀盖之间配装有中阀体，在中阀体与阀体之间配装中膜组件分隔为中膜下腔、中膜上腔，在中阀体与上阀盖之间配装上膜组件分隔为上膜下腔、上膜上腔，所述的下膜组件、中膜组件和上膜组件连接于阀杆，在阀体内分别设置有与下膜上腔相通的高压进气通道、与中膜下腔相通的调压信号导出孔、与下膜上腔、中膜下腔相通的减压气道和连通于减压气道的低压出气通道，在阀体内配装有与高压进气通道相通的节流喷嘴，节流喷嘴的出气嘴与下膜组件形成节流减压结构，在上阀盖的壁体内设置有与上膜上腔相通的调压信号导入孔，在中阀体内设置有连通调压信号导出孔、调压信号导入孔的调压信号气孔，在下阀盖底部设置有与下膜下腔相通的后压信号接口。

为更好地理解实施本发明的技术方案，更进一步地说，它还具有如下技术特征：

在阀体内配装有平衡盲嘴，所述的平衡盲嘴与节流喷嘴的外形结构相同且配装于与节流喷嘴相对称的位置处，在下膜组件的上端面对应平衡盲嘴、节流喷嘴的出气嘴位置处嵌装有节流垫层。

所述的中膜组件、下膜组件、上膜组件的有效受压截面积是依次呈递减关系。

在上阀盖的端盖内配装有顶置于上弹簧座的调节螺杆，在上膜组件上配装有下弹簧座，所述的调压弹簧支承于上弹簧座与下弹簧座之间。

在中阀体内设置有连通上膜下腔的外排气道。

在阀体上分别设置有与高压进气通道相通的高压进气接口、与低压出气通道相通的低压出气接口。

本发明是对现行双膜片减压阀“调压减压结构”作出的重大改进和完善，它的显著结构特点和有益效果如下：

第一.在阀体与上阀盖之间再增加配装中阀体，在中阀体与阀体之间增加配装一个中膜组件与上膜组件、下膜组件和调压弹簧组成“三膜片调压减压结构”，并使中膜组件、下膜组件、上膜组件的有效受压截面积（S）依次呈递减关系，有如下数学关系式： 

   S_中＞S_下＞S_上。

式中：S_中为中膜组件的有效受压截面积；

      S_下为下膜组件的有效受压截面积；

 S_上为上膜组件的有效受压截面积。

第二.在中阀体内设置有连通上膜下腔的外排气道，使上膜下腔和经配装间隙与之相通的中膜上腔形成与外界相通的常压空间，即能使上膜组件为向下单向受力、中膜组件为向上单向受力的调压工作状态。

第三.在阀体内的高压进气通道处配装节流喷嘴与嵌装于下膜组件的节流垫层形成节流减压结构，并在相对称位置处配装平衡盲嘴，可有效提高节流减压效果并能在节流减压过程中保持良好的受力平衡状态。

第四.在阀体内分别设置有连通下膜上腔与中膜下腔的减压气道、由中膜下腔相通上膜上腔的调压信号导出孔，即可将下膜上腔内经节流喷嘴进行节流减压后的压力（P）经中膜下腔后再导入上膜上腔内并与调压弹簧的预压作用力共同作用于上膜组件的上表面。这种结构设计是有目的地将压力（P）导入上膜上腔并作用于上膜组件的上表面，类似于在上膜上腔内设置了一个作用于上膜组件上表面的“空气弹簧”，这时“空气弹簧”的弹性力F_上=P×S_上，并使F_上与调压弹簧的预压作用力F_弹簧共同作用于上膜组件的上表面。由于在上膜组件的上表面增加了一个F_上，即可在相同工作压力的情况下减小调压弹簧的作用力F_弹簧 ，或者是说，在调压弹簧作用力F_弹簧 保持不变的情况下，它可在更高压力工况下进行调压减压作业并具有很高的调压精度和调压反应速度。

它是按如下方式进行调压减压工作的：首先将输气管线的高压气管、低压气管分别连接于阀体的高压进气接口、低压出气接口，再根据“调压减压操作管理规程”操作调节螺杆设定调压弹簧的预压作用力，经过检查确认无误后即可开启输气管线上的总阀进行调压减压作业，由高压气管输入阀体内的高压气体经过节流喷嘴与下膜组件形成的节流减压结构进行节流减压，再微调操作调节螺杆精确设定调压弹簧的预压作用力（F_弹簧），使下膜上腔内的气体压力为“调压减压操作管理规程”所要求设定的输出压力值P，即可从连通于下膜上腔的减压气道、经低压出气通道、最后由低压气管输出已减压至压力P的低压气体。与此同时，下膜上腔内的压力（P）还会经过减压气道导入中膜下腔内并作用于中膜组件的下表面、再经过调压信号导出孔导入上膜上腔内并与调压弹簧的预压作用力（F_弹簧）共同作用于上膜组件的上表面。在正常运行作业时，在下膜组件、中膜组件和上膜组件上的气压作用力有如下数学关系式：

（F_下∶S_下）=（F_中∶S_中）=（F_上∶S_上）=P ，

由于：S_中＞S_下＞S_上，

所以有：F_中＞F_下＞F_上 。

因此：本发明提出的“三膜片调压减压结构”高压减压阀在正常作业时，阀杆在平衡位置的受力关系式为： F_中 = F_下 + F_上 + F_弹簧 。

在上述受力关系式中：等式左边（F_中）是由中膜组件向上作用于阀杆的力；等式右边（F_下+F_上+F_弹簧）是由下膜组件、上膜组件和调压弹簧向下作用于阀杆的合力。

从上述受力关系式中可以得知：本发明提出的“三膜片调压减压结构”与现有的“双膜片调压结构”相比较，由于在等式右边（F_下 + F_上 + F_弹簧）增加了一个向下作用力F_上，可在相同工作压力状态下减小调压弹簧的作用力F_弹簧，或者说，可在不增大调压弹簧的弹性系数(k)即保持调压弹簧向下作用力F_弹簧 不变的情况下，它能在更高压力工况下进行调压减压作业。这正是本发明提出的“三膜片调压减压结构”减压阀无需增大调压弹簧弹性系数(k)，即能在高压（指6.3-12MPa）工况下进行调压减压作业并具有很高调压精度和调压反应速度的理论依据所在，这也是本发明提出的高压减压阀“三膜片调压减压结构”的关键核心技术所在。

将本发明提出的高压减压阀安装于输气管线进行减压作业过程中，当输气管线的压力发生波动时，例如：当输出压力升高（ΔP）时，升压的压力信号将被快速反馈导入中膜下腔、下膜上腔内，会使阀杆原有的受力平衡状态被破坏，即是说在等式左边瞬间增加了一个对阀杆向上的推力：ΔP×（S_中-S_下）。这时，阀杆将带动下膜组件向上快速位移而调小节流减压结构的开度，即可通过减少流量来降低输出压力并使输出压力趋于稳定。

同理，当输出压力降低（ΔP）时，降压的压力信号被快速反馈导入中膜下腔、下膜上腔内，在等式左边瞬间减小一个对阀杆向上的推力：ΔP×（S_中-S_下）。这时，阀杆将带动下膜组件向下快速位移而调大节流减压结构的开度，可通过增大流量来升高输出压力。至此，即可实现将输出压力自动调节至所设定压力值的发明目的。

要说明的是：本发明提出的“三膜片调压减压结构”高压减压阀，既可作为单个减压阀独立使用，也可作为指挥阀与安装于输气主管管线上的主阀配套连接组成调压器进行调压作业。

本发明同现有技术相比具有如下突出的实质性特点和显著进步：

本发明首创了一种高压减压阀“三膜片调压减压结构”，它能将带压气介导入上膜上腔内形成“空气弹簧”并与调压弹簧共同作用于上膜组件的上表面，能在不增大调压弹簧弹性系数(k)的情况下对高压（指6.3-12MPa）气介稳定地进行调压减压作业并具有很高的调压精度高和调压反应速度快。本发明具有结构简捷、生产容易、制造成本低、组装操作方便、运行安全稳定、调压精度高、反应速度快和使用寿命长的突出优点，特别适合在要求调节工作压力高、调压范围宽的输气管网系统和输配场站内安装使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，也作摘要附图。

图2是图1的A—A视图，展示在阀体内分别设置高压进气通道、低压出气通道的结构示意图。

图3是图2的B—B视图，展示在阀体内设置与中膜下腔相通的调压信号导出孔、与下膜上腔、中膜下腔连通的减压气道和与之连通的低压出气通道的结构示意图。

图4本发明作为指挥阀与输气主管管线上的主阀连接组成调压器的安装结构示意图。

附图中的标记说明：

1为端盖，2为上弹簧座，3为调压弹簧，4为上阀盖，5为上膜下腔，6为下弹簧座，7为中膜组件，8为外排气道，9为高压进气通道，10为阀体，11为高压气管，12为箭头，13为高压进气接口，14为节流喷嘴，15为下阀盖，16为螺栓，17为节流减压结构，18为节流垫层，19为下膜下腔，20为后压信号管，21为后压信号接口，22为下膜组件，23为平衡盲嘴，24为调压信号导出孔，25为密封堵塞，26为中膜下腔，27为中膜上腔，28为调压信号气孔，29为中阀体，30为阀杆，31为上膜组件，32为上膜上腔，33为调压信号导入孔，34为阀帽，35为调节螺杆，36为低压气管，37为低压出气接口，38为低压出气通道，39为减压气道，40为下膜上腔，41为主阀阀芯，42为主阀控制气室，43为主阀阀杆，44为主阀阀体，45为连通管，46为前压信号管，47为稳压阀，48为输入主管，49为空心箭头，50为主阀进气法兰，51为主阀出气法兰，52为输出主管。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的实施例：

实施例一：将本发明提出的高压减压阀作为单个减压阀独立使用。

本发明提出的一种高压减压阀，它主要由阀体10、用一组螺栓16连接安装于阀体10下端的下阀盖15、连接安装于阀体10上端的中阀体29、上阀盖4、配装于上阀盖4内的调压弹簧3和连接于阀杆30的下膜组件22、中膜组件7、上膜组件31构成。所述的中阀体29配装于阀体10与上阀盖4之间，在阀体10与下阀盖15之间配装下膜组件22分隔为下膜下腔19、下膜上腔40，在阀体10与中阀体29之间配装中膜组件7分隔为中膜下腔26、中膜上腔27，在中阀体29与上阀盖4之间配装上膜组件31分隔为上膜下腔5、上膜上腔32，所述中膜组件7、下膜组件22、上膜组件31的有效受压截面积是依次按递减关系进行设置。在下阀盖15的底端设置有与下膜下腔19相通的后压信号接口21，在阀体10内分别设置有与下膜上腔40相通的高压进气通道9、与中膜下腔26相通的调压信号导出孔24、与下膜上腔40、中膜下腔26相通的减压气道39和连通于减压气道39的低压出气通道38，在调压信号导出孔24的外端焊装密封堵塞25，在低压出气通道38的输出端设置有低压出气接口37，在高压进气通道9的输入端设置有高压进气接口13，在阀体10内配装有与高压进气通道9相通的节流喷嘴14并在对称位置处配置有与节流喷嘴14外形结构相同的平衡盲嘴23，在下膜组件22的上端面嵌装节流垫层18与节流喷嘴14的出气嘴形成节流减压结构17，在中阀体29内设置有连通上膜下腔5的外排气道8，能使上膜下腔5和经配装间隙与之相通的中膜上腔27成为与外界相通的常压空间，即可使上膜组件31为向下单向受力、中膜组件7为向上单向受力的调压工作状态。在中阀体29内设置有调压信号气孔28，所述调压信号气孔28的两端分别与阀体10内的调压信号导出孔24、上阀盖4壁体内的调压信号导入孔33相连通，即可将中膜下腔26内的压力导入上膜上腔32内形成“空气弹簧”并与调压弹簧3的预压力共同作用于上膜组件31的上表面。在上阀盖4顶部配装端盖1、阀帽34，在端盖1内配装有顶置于上弹簧座2的调节螺杆35，在上膜组件31的上端面配装有下弹簧座6，所述的调压弹簧3支承于上弹簧座2与下弹簧座6之间构成调节机构。当作为单个减压阀独立使用时，它是按照如下方式进行安装和调压减压作业的：首先将输气管线的高压气管11、低压气管36分别连接于阀体10的高压进气接口13、低压出气接口37，根据“调压减压操作管理规程”操作调节螺杆35即可调节设定调压弹簧3的预压作用力进而设定输出压力。在实际安装操作时，可在低压气管36上与低压出气接口37距离为五倍管径的位置处配装一根后压信号管20，将后压信号管20连接于下阀盖15底端的后压信号接口21，即可将后压波动信号导入下膜下腔19内一并参与调压减压作业，这对进一步提高调压精度和输出压力的稳定性能也有一定作用。经认真检查确认上述连接安装无误后，即可开启输气管线上的总阀进行调压减压作业：高压（指6.3-12MPa）气体如箭头12所示从高压进气接口13输入阀体10内，再经高压进气通道9进入节流喷嘴14与下膜组件22上端面嵌装的节流垫层18形成的节流减压结构17进行节流减压，再微调操作调节螺杆35即可精确设定调压弹簧3的预压作用力F_弹簧，使下膜上腔40内的气体压力P即为“调压减压操作管理规程”要求的输出压力值，即可从连通于下膜上腔40的减压气道39、经低压出气通道38、最后由低压气管36稳定地输出已减压至压力P的低压气体。与此同时，下膜上腔40内的压力P还会依次地经过减压气道39导入中膜下腔26内并作用于中膜组件7的下表面、再经调压信号导出孔24、调压信号气孔28、调压信号导入孔33进入上膜上腔32内形成“空气弹簧”，显然，“空气弹簧”的压力将与调压弹簧3的预压作用力F_弹簧共同作用于上膜组件31的上表面一并进行调压作业。它的调压工作原理为：当输出压力发生波动，例如：输出压力升高ΔP时，升压的压力信号会被快速反馈导入中膜下腔26、下膜上腔40内，使阀杆30原有的受力平衡状态被破坏，即是说对阀杆30增加了一个向上的推力：ΔP×（S_中-S_下）。这时，阀杆30将带动下膜组件22向上快速位移而调小节流减压结构17的开度，即可通过减少流量来降低输出压力。同理，当输出压力降低ΔP时，降压的压力信号将被快速反馈导入中膜下腔26、下膜上腔40内，对阀杆30减小了一个向上的推力：ΔP×（S_中-S_下）。这时，阀杆30将带动下膜组件22向下快速位移而调大节流减压结构17的开度，通过增大流量来升高输出压力。至此，即可实现将输出压力自动调节至所设定的压力值的发明目的。

实施例二：将本发明提出的高压减压阀作为指挥阀与输气主管上的主阀配套连接组成调压器进行调压作业。

它是按如下方式与主阀连接安装组成调压器的：首先在高压减压阀的高压进气接口13、低压出气接口37、后压信号接口21分别连接安装高压气管11、低压气管36、后压信号管20，将高压气管11的另一端连接于主阀阀体44上的主阀控制气室42，将低压气管36的另一端连接于主阀出气法兰51，即可形成从主阀控制气室42、经高压气管11至高压减压阀、再经低压气管36输回至主阀出气法兰51的“调压气流通道”。再将后压信号管20的另一端连接于输出主管52上与主阀出气法兰51相距五倍管径的位置处，可由后压信号管20将后压波动信号反馈导入高压减压阀的下膜下腔19内一并参与调压作业。经过检查确认上述连接安装无误后，即可开启输气主管上的总阀进行调压作业：高压（指6.3-12MPa）气体将如空心箭头49所示，从连接于主阀进气法兰50的输入主管48进入主阀阀体44内并向上推动主阀阀芯41开启主阀，即可由输出主管52向下游输送气体。同时，主阀进气法兰50内的气体也会由前压信号管46导入稳压阀47进行稳压后再经连通管45输入主阀控制气室42内，然后再从主阀控制气室42经高压气管11输入高压减压阀、最后由低压气管36输回至主阀出气法兰51内，即可形成如箭头12所示的“调压气流通道”。与此由时，后压信号管20也会将输出主管52内的后压波动信号导入高压减压阀的下膜下腔19内参与调压作业。再根据“调压操作管理规程”操作调节螺杆35精确设定调压弹簧3的预压作用力，可通过调节高压减压阀内部的节流减压结构17开度来调节控制“调压气流通道”内的流量进而调节主阀控制气室42内的压力，即可由主阀阀杆43带动主阀阀芯41上下位移来调节主阀的开启度，最终将输出主管52内的气体压力精确调节至“调压操作管理规程”所要求的输出压力，即可进行正常的输气作业。

它是按如下方式进行调压工作的：当下游用气量明显变化，或是因故障而引起输出压力发生波动时，例如：当下游用气量明显减少使输出压力升高时，后压的升压信号会快速地反馈导入高压减压阀内，高压减压阀会自动调小节流减压结构17的开度来减少“调压气流通道”内的流量而使主阀控制气室42内的压力快速升高，由于主阀控制气室42内的压力升高后会推动主阀阀芯41快速下移来调小主阀的开启度，即可通过减小输气主管的流量来降低输出压力并使输出压力趋于稳定。同理，当输出压力降低时，后压的降压信号也会快速地反馈导入高压减压阀内，高压减压阀会自动调大节流减压结构17的开度来增大“调压气流通道”内的流量而使主阀控制气室42内的压力快速降低，使主阀阀芯41快速上移来调大主阀的开启度，即可通过增大输气主管的流量来升高输出压力并使输出压力趋于稳定。至此，即可完美地实现将高压减压阀作为指挥阀与主阀配套组成调压器对输气主管进行自动调压的发明目的。

显然：上述实施例仅仅是能够实现本发明提出的高压减压阀“三膜片调压减压结构”技术方案的方式之一，本发明所要求保护的范围并不局限于上述实施例，还应包括由本领域的普通技术人员按照本发明的技术方案所能变化的其它实施方式。

Claims (6)

1.一种高压减压阀，它包括阀体（10）、阀杆（30）、安装于阀体（10）的下阀盖（15）、上阀盖（4）和配装于上阀盖（4）内的调压弹簧（3），其特征在于：在阀体（10）与下阀盖（15）之间配装下膜组件（22）分隔为下膜下腔（19）、下膜上腔（40），在阀体（10）与上阀盖（4）之间配装有中阀体（29），在中阀体（29）与阀体（10）之间配装中膜组件（7）分隔为中膜下腔（26）、中膜上腔（27），在中阀体（29）与上阀盖（4）之间配装上膜组件（31）分隔为上膜下腔（5）、上膜上腔（32），所述的下膜组件（22）、中膜组件（7）和上膜组件（31）连接于阀杆（30），在阀体（10）内分别设置有与下膜上腔（40）相通的高压进气通道（9）、与中膜下腔（26）相通的调压信号导出孔（24）、与下膜上腔（40）、中膜下腔（26）相通的减压气道（39）和连通于减压气道（39）的低压出气通道（38），在阀体（10）内配装有与高压进气通道（9）相通的节流喷嘴（14），节流喷嘴（14）的出气嘴与下膜组件（22）形成节流减压结构（17），在上阀盖（4）的壁体内设置有与上膜上腔（32）相通的调压信号导入孔（33），在中阀体（29）内设置有连通调压信号导出孔（24）、调压信号导入孔（33）的调压信号气孔（28），在下阀盖（15）底部设置有与下膜下腔（19）相通的后压信号接口（21）。

2.根据权利要求1所述的高压减压阀，其特征在于：在阀体（10）内配装有平衡盲嘴（23），所述的平衡盲嘴（23）与节流喷嘴（14）的外形结构相同且配装于与节流喷嘴（14）相对称的位置处，在下膜组件（22）的上端面对应平衡盲嘴（23）、节流喷嘴（14）的出气嘴位置处嵌装有节流垫层（18）。

3.根据权利要求1或2所述的高压减压阀，其特征在于：所述的中膜组件（7）、下膜组件（22）、上膜组件（31）的有效受压截面积是依次呈递减关系。

4.根据权利要求1或2所述的高压减压阀，其特征在于：在上阀盖（4）的端盖（1）内配装有顶置于上弹簧座（2）的调节螺杆（35），在上膜组件（31）上配装有下弹簧座（6），所述的调压弹簧（3）支承于上弹簧座（2）与下弹簧座（6）之间。

5.根据权利要求1或2所述的高压减压阀，其特征在于：在中阀体（29）内设置有连通上膜下腔（5）的外排气道（8）。

6.根据权利要求1或2所述的高压减压阀，其特征在于：在阀体（10）上分别设置有与高压进气通道（9）相通的高压进气接口（13）、与低压出气通道（38）相通的低压出气接口（37）。

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