CN104976389B - 一种硬密封球形止回阀 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硬密封超低温球形止回阀，是在阀体(1)密封部位堆焊高强度耐磨耐腐蚀合金，上端凹槽内装有四开档环(7)；导向套(8)穿进阀体(1)；导向套(8)与阀体(1)的外泄漏通过组合密封圈(5)、金属垫圈(6)和上端凹槽内四开档环(7)来完成自密封；阀门开启是合金球(2)受介质压力向上推离，弹簧(4)压缩；阀门关闭也是靠介质反向压力并借助弹簧(4)推动弹簧座(3)带动超硬合金球(2)下压使其表面与阀体(1)硬质密封面紧密压紧形成密封。其阀的关闭和启开均由工作介质压力自动完成。该阀是一种典型的适用于深海海洋‑196℃超低温天然气工程用多种连接形式的硬密封完全依靠介质压力全自动启闭的球形止回阀。
Description
技术领域
本发明涉及一种阀，特别是一种典型的适用于深海海洋-196℃超低温天然气工程用多种连接形式的硬密封超低温球形止回阀。
背景技术
海洋石油天然气的开采，具有比陆地高出几倍、几十倍的开采难度，特别是深海海洋的开采，难度更大。油层、气体受海水深度重压的影响温度更低，压力更高，同时海洋湿气、海水对黑色金属的腐蚀严重。深海作业，撬块存海，无法或很难维修。
鉴于上述特殊工况的使用局限，市场急待一种密封可靠，启用灵活，使用寿命长，不须反复维修的高压止回阀来替代普通止回阀，应用于石油天然气开采的管道中。
发明内容
为解决深海开发的问题，本发明提供一种超低温、耐高压、耐腐蚀、密封性能好的硬密封超低温球形止回阀。本发明研制的止回阀强度试验压力达到105.0Mpa、液密封试验压力达到70.0Mpa、气密封试验压力达到0.6Mpa、适应温度-196℃～400℃，能适应海洋湿气、海水腐蚀。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种硬密封超低温球形止回阀，其特征在于：是在阀体密封部位堆焊高强度耐磨耐腐蚀合金，形成球密封面，与硬质合金球构成球密封；自密封导向套穿过阀盖进入到阀体腔中，导向套腔中压设辅助复位弹簧和弹簧座，弹簧座底部与合金球顶部构成点接触；导向套腔侧壁上开设有介质流动孔，与阀体上的介质出口相连通；在自密封导向套外围与阀体腔之间设置组合密封圈、金属垫圈和四开档环，形成自密封；所述堆焊高强度耐磨耐腐蚀合金材料为STL-6/STL12，所述阀体、自密封导向套、阀盖材料为A182-F316L。
进一步讲，所述阀体上设置三个阀口，一个介质入口，一个介质出口，一个止回口，介质入口通过止回口通向介质出口，介质入口低于止回口，止回口又低于介质出口，所述球密封面设置在止回口边缘处，合金球置于止回口处。
所述自密封导向套外端通过垫圈和六角螺母连接在阀盖上；所述自密封导向套下部设置所述导向套腔，导向套腔上端封闭，下端开口，合金球落入在导向套腔中。
所述自密封导向套外围设置有三级阶梯轴，低端的第一级阶梯轴外径与阀体腔内径相吻合，中间的第二级阶梯轴外围套装所述组合密封圈和金属垫圈，上端的第三级阶梯轴与所述四开档环形成互挡；所述第一级阶梯轴与第二级阶梯轴之间设置为楔形过渡面。
所述导向套腔下半部侧面开设有两圈介质流动孔，两圈介质流动孔一高一低，都与阀体上的介质出口相通。
所述四开档环，是由4个瓣环组成，中间开档。
所述组合密封圈，由柔性石墨材料压制而成，组合密封圈具有内斜面，与导向套外围的楔形过渡面拉紧而密封。
所述A182-F316L材料件采用锻造工艺成形，其工艺步骤为：材料-锻造-固熔处理-机加工处理，其中固熔处理是指：加温1050℃，根据零件大小保温1小时以上，然后急冷。
所述合金球要求圆度在0.001～0.02um，硬度在HRC52～66。
所述弹簧座、辅助复位弹簧为钨钴铬类硬质合金或钨钴类硬质合金。
本发明具有的有益效果是：该止回阀设计综合运用阀门设计中全优化设计方案，阀体外泄漏采用内压自紧密封；密封件采用超硬高强度耐腐蚀全硬质合金球体，球形密封面可反复滚动磨损，密封无需重复定位，弹簧辅助复位、启闭灵活、充分体现出止回阀是依靠介质压力全自动工作等优化设计原理。
硬密封超低温球形止回阀经试制，性能测试完全符合设计指标，该阀门具有密封性能优良、操作灵活、耐腐蚀、耐低温、无维修、使用寿命长等优点。其阀门精度指标得以长久性保持。实为深海海洋-196℃超低温天然气开采新型阀门。该阀门研制成功，极大的提高了国际国内市场的竞争力，为企业创造了很高的经济效益。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为硬密封超低温球形止回阀结构剖视图。
图2为阀体局部结构剖视图。
图3为阀体止回口局部放大剖视图。
图4为导向套结构图。
图5为四开档环结构图。
图6为组合密封圈图。
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明。但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。
各类阀门结构，设计标准，工作原理基本一样，但该硬密封超低温球形止回阀是集阀门优化设计理论，在同一种阀门中集中的体现。申请人针对市场需求，研制一种新型的超低温耐腐蚀、密封性能好的硬密封超低温球形止回阀，该阀是一种典型的适用于深海海洋-196℃超低温天然气工程用多种连接形式的硬密封完全依靠介质压力全自动启闭的球形止回阀。
附图1是一种典型的适用于深海海洋-196℃超低温天然气工程用多种连接形式的硬密封超低温球形止回阀。该阀的设计制造为整体式设计，阀门主体材料选用高强度、耐腐蚀、耐低温特种进口材料：A182-F316L锻造毛坯，经机械切削、密封面堆焊、热处理、低温处理、磨削等综合工艺加工而成。为适应技术要求，阀门的连接设计采用多种符合工况现场连接的形式，如螺纹连接或承插焊连接方式。
从结构上来讲，该阀包括阀体1、高精度超硬的合金球2、弹簧座3、弹簧4、组合式密封圈5、金属垫圈6、四开档环7以及自密封导向套8、阀盖9等部分，通过垫圈10、六角螺母11连接组成阀门总体。其中合金球2、弹簧座3、弹簧4、组合式密封圈5、金属垫圈6、四开档环7装在阀体里边，自密封导向套8从外部压入阀体，通过垫圈10、六角螺母11连接在阀盖9上。
本发明阀体1整体采用A182-F316L材料锻造而成。如图2所示，阀体上设置三个阀口，一个介质入口101，一个介质出口102，一个止回口103，介质入口101通过止回口103通向介质出口102，一旦止回口关闭，介质将不能介质出口流出。在止回口103处，本发明采用球密封形式，由合金球2堵在此处。因此，在止回口103的密 封部位，本发明采用高强度耐磨耐腐蚀合金堆焊，形成球面104，与合金球2形成球密封，局部放大如图3所示。这里采用堆焊，是能够提高密封面硬度，并使密封面耐磨耐腐蚀，适用于A182-F316L堆焊的材料有STL-6/STL12等。阀口中的介质入口101低于止回口103，止回口103又低于介质出口102，此设计符合力学原理，为当介质由下端入口进入时，在介质的压力下，顶起位于止回口的合金球2离开密封面，从而使介质由此流过，介质必须经过止回口才能流到介质出口；当入口的介质压力不足以支撑起合金球2时，合金球2将不离开密封面，永远堵住止回口，形成密封，介质既不能顺向流到，也不能逆向流动。
在阀体1中，止回口103上方设置承装合金球2、组合密封圈5、金属垫圈6、四开档环7、自密封导向套8的阀体腔105，阀体腔105与止回口103和介质出口102都相通。自密封导向套8穿过阀盖9进入到阀体腔105中，导向套外端通过垫圈10和六角螺母11连接在阀盖9上；合金球2落入自密封导向套8内部腔体中，组合密封圈5、金属垫圈6、四开档环7都设置在自密封导向套8外圈与阀体腔105之间，用于自密封导向套8与阀体腔105上端口之间的密封。
自密封导向套8的结构如图4所示，其内部设置有导向套腔801，腔体内装有合金球2、弹簧座3和辅助复位弹簧4，合金球2下端与止回口103动密封，上端顶着弹簧座3，辅助复位弹簧4压设在弹簧座3与导向套腔801之间。导向腔体下半部侧面开设有两圈介质流动孔802、803(图中仅是剖出其中的一个孔)，这两圈介质流动孔一高一低，都是用来与阀体上的介质出口102相通，高、低位的不同是为了限制导向套腔内介质的流量和介质流出的方向，以及用于在介质回流时辅助增强合金球的复位能力。在导向套的外围，设置有三级阶梯轴，最低的第一级阶梯轴804，其外径与阀体腔105内径相吻合，用于防止介质上流，起到初级密封作用；上边还有两级阶梯轴，第二级阶梯轴805用于安置组合密封圈5和金属垫圈6，第三级阶梯轴806用于与四开档环7形成互挡。在第一级阶梯轴804与第二级阶梯轴805之间设置楔形过渡面807，用于与组合密封圈5组合成楔形嵌入式密封。自密封导向套8与阀体1的外泄漏通过组合密封圈5、金属垫圈6和四开档环7来完成自密封。阀盖9压入在导向套的上端轴肩808处。导向套外接轴上带有外螺纹用于与垫圈10和六角螺母11连接。
四开档环7，如图5所示，它是由4个瓣环组成，中间开档的目的是可以为了适应温度的变化，使档环可以缩胀自如，且具有一定的弹性。四开档环7外缘装设在阀 体1上端的凹槽内，内缘与自密封导向套8的轴面接触，对阀体腔形成密封；同时四开档环也是用来阻拦导向套受介质压力或六角螺母11收紧，而使组合密封圈5、金属垫圈6向上移动时的限位。
本发明中，辅助复位弹簧4是推动合金球2复位的主要部件。当介质进口101有介质流入时，阀体腔下端入口处压力增大，向上推动合金球2，是止回口103开启，介质进入导向套腔中，再通过导向套腔体侧面开设的介质流动孔，流向介质出口102；与此同时阀门开启时弹簧座3受介质压力的影响向上推离，辅助复位弹簧4也受到合金球2的上升而被压缩。当介质进口无介质流入时，合金球下方无介质压力，合金球借助辅助复位弹簧4的回弹力推动弹簧座3带动合金球下行复位，止回口关闭，靠弹簧弹力高精度超硬合金球使其表面与阀体1硬质密封面紧密压紧形成球面密封。阀门关闭和启开均由工作介质压力自动完成。
总结起来，本发明的主要特点可以通过以下几方面体现。
特点1：为提高其耐腐蚀、耐低温性能。该阀门主体-阀体1、自密封导向套8、阀盖9材料均采用进口高强度耐腐蚀奥氏体不锈耐酸合金钢A182-F316L材料锻造。锻件经热处理工艺消除内应力，再经切削和磨削工艺加工，并经过低温处理成形。简单讲其工艺就是：材料-锻造-固熔处理-机加工处理。固熔处理是指：加温1050℃，根据零件大小保温1小时以上，然后急冷。
特点2：为解决其耐磨损问题，阀体密封面堆焊高强度耐磨耐腐蚀硬质合金材料，该堆焊材料为进口合金STL-6/STL12，经热处理工艺消除内应力，经切削、磨削和超精度研磨工艺加工，低温处理，使其密封面更可靠密封。且使用上述工艺形成的密封面，极大的提高了密封面的效果。
特点3：为提高其耐腐蚀、耐低温、无维修性能，该阀门密封件球体采用高精度超硬合金球2，球正常圆度在0.02um，现要求达到在0.001um，硬度正常HRC38～42，现要求达到在HRC52～66。材料可选为EDRCrMoWCo-A，HRC52～58；或EDRCrMoWCo-B，HRC62～66。合金球处理工艺为：材料-锻造-固熔(加温1050℃，根据零件大小保温1小时以上，急冷-高精度研磨。
特点4：为提高其耐腐蚀、耐低温性能，弹簧座3、弹簧4均为耐腐蚀合金，材料纯为进口合金，为钨钴铬类硬质合金或钨钴类硬质合金。
特点5：合理设置该阀密封件-高精度超硬合金球2的导向系统。在合金球的上 方与导向套之间设置弹簧座3和辅助复位弹簧4的组合结构，当阀开启时借助介质上行压力，合金球向上弹起，弹簧座3受介质压力的影响向上推离，弹簧被压缩；阀门关闭时，借助导向腔中下行介质压力，并借助压缩弹簧的回弹力，推动弹簧座3、高精度超硬合金球2与阀体1堆焊硬质合金密封部位紧密贴合形成球面密封。阀的关闭和开启均由工作介质压力自动完成。
弹簧座3随同高精度超硬合金球2、辅助复位弹簧4一起导向，辅助复位弹簧4始终压设着合金球，给球以回弹力。弹簧座3与高精度超硬合金球2接触面同为堆焊硬质合金，实行顶点接触，能促使高精度超硬合金球2在自密封导向套8内自由定蕊，介质回压，顺应弹簧的辅助复位，阀门的工作灵活性得以长久保持。
特点6：该阀采用压力自密封及固定密封，双密封结构装置，有力地保证了阀门的密封性能。具体为：自密封导向套8与阀体1组合。导向套与阀体内腔结合部装有组合密封圈5。当高压介质进入上腔后，高压力推动自密封导向套8沿轴向向上移，受上端凹槽内四开档环7的阻挡，导向套压紧组合密封圈5，促使阀门自密封，该设计为介质压力越高密封越好。为加强密封防松性能，在自密封导向套8上部设置固定螺丝，通过垫圈10、六角螺母11与阀体1、阀盖9旋紧连接，形成完整的密封体。
组合密封圈5的结构如图6所示。组合密封圈是由纯柔性石墨材料压制而成，具有耐磨、耐腐蚀、耐高低温性能。组合密封圈具有内斜面，与导向套的楔形过渡面拉紧而密封。
该阀金属硬密封结构(球面金属密封，且为高强度耐磨耐腐蚀硬质合金堆焊材料)，使该阀门的密封可靠性得以长久保持。该阀门的研制成功，填补了目前市场上空白，使行业发展又提高了一个档次，该阀经国际权威技术检测机构实际检测，完全符合国际标准要求，已达国际先进技术水平。该阀是一种典型的适用于深海海洋-196℃超低温天然气工程用多种连接形式的硬密封完全依靠介质压力全自动启闭的球形止回阀，阀与外界的连接方式可以采用螺纹连接的方式，也可以采取承插焊的方式，接口可以直接口，也可以采用斜向接口，可以采用等径接口，也可以采用变径接口。阀体下端为法兰连接形式，整体锻造(或铸造)法兰，或用焊接形成焊接上法兰。
上文所列出的一系列详细说明，仅仅是针对本发明的一个可行性实例的具体说明，但是该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技术精神所作的等效实施或变更，均属包含本案的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种硬密封球形止回阀，其特征在于：是在阀体(1)密封部位堆焊高强度耐磨耐腐蚀合金，形成球密封面，与硬质合金球(2)构成球密封；
自密封导向套(8)穿过阀盖(9)进入到阀体腔(105)中，导向套腔(801)中压设辅助复位弹簧(4)和弹簧座(3)，弹簧座(3)底部与硬质合金球(2)顶部构成点接触；
导向套腔(801)侧壁上开设有介质流动孔，与阀体上的介质出口(102)相连通；
在自密封导向套(8)外围与阀体腔(105)之间设置组合密封圈(5)、金属垫圈(6)和四开档环(7)，形成自密封；
所述堆焊高强度耐磨耐腐蚀合金材料为6号司太立特合金/12号司太立特合金，
所述阀体(1)、自密封导向套(8)、阀盖(9)材料为A182-F316L；
其中，所述自密封导向套(8)外围设置有三级阶梯轴，低端的第一级阶梯轴(804)外径与阀体腔(105)内径相吻合，中间的第二级阶梯轴(805)外围套装所述组合密封圈(5)和金属垫圈(6)，上端的第三级阶梯轴(806)与所述四开档环(7)形成互挡；所述第一级阶梯轴(804)与第二级阶梯轴(805)之间设置为楔形过渡面；
其中，所述硬质合金球(2)要求圆度在0.001～0.02um，硬度在HRC52～66。
2.根据权利要求1所述的硬密封球形止回阀，其特征在于：所述阀体(1)上设置三个阀口，一个介质入口(101)，一个介质出口(102)，一个止回口(103)，介质入口(101)通过止回口(103)通向介质出口(102)，介质入口(101)低于止回口(103)，止回口(103)又低于介质出口(102)，所述球密封面设置在止回口(103)边缘处，硬质合金球(2)置于止回口处。
3.根据权利要求1所述的硬密封球形止回阀，其特征在于：所述自密封导向套(8)，外端通过垫圈(10)和六角螺母(11)连接在阀盖(9)上；所述自密封导向套(8)下部设置所述导向套腔(801)，导向套腔(801)上端封闭，下端开口，硬质合金球(2)落入在导向套腔(801)中。
4.根据权利要求1或2或3所述的硬密封球形止回阀，其特征在于：所述导向套腔(801)下半部侧面开设有两圈介质流动孔，两圈介质流动孔一高一低，都与阀体上的介质出口(102)相通。
5.根据权利要求1所述的硬密封球形止回阀，其特征在于：所述四开档环(7)，是由4个瓣环组成，中间开档。
6.根据权利要求1所述的硬密封球形止回阀，其特征在于：所述组合密封圈(5)，由柔性石墨材料压制而成，组合密封圈具有内斜面，与导向套外围的楔形过渡面拉紧而密封。
7.根据权利要求1所述的硬密封球形止回阀，其特征在于：所述A182-F316L材料件采用锻造工艺成形，其工艺步骤为：材料—锻造—固熔处理—机加工处理，其中固熔处理是指：加温1050℃，根据零件大小保温1小时以上，然后急冷。
8.根据权利要求1所述的硬密封球形止回阀，其特征在于：所述弹簧座(3)、辅助复位弹簧(4)为钨钴铬类硬质合金或钨钴类硬质合金。
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