CN105257829B - 一种超高压压力截止阀 - Google Patents

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Abstract

一种超高压压力截止阀，包括手柄、阀杆、阀体、压紧螺母和阀针，立式固定于阀体内部的压紧螺母上开设轴向通孔，通孔内活动套装阀针，阀针和压紧螺母通孔的配合段上，具有防止阀针绕轴向转动的限位面；压紧螺母下方的阀体内开设安装孔，安装孔内立式装入阀座，阀座和安装孔之间具有上窄下宽的第一密封腔；其下端内上、下层叠装入第一延展金属密封圈和第一耐磨硬质纤维密封圈；阀针从阀座的中心通孔内活动穿过，阀针外周面和中心通孔内周面之间具有上窄下宽的第二密封腔；第二密封腔下端内上、下层叠装入第二延展金属密封圈和第二耐磨硬质纤维密封圈。本发明能够确保保证在高压、超高压环境下阀针的密封性，提高了阀门的使用寿命和密封可靠性。

Description

一种超高压压力截止阀
技术领域
本发明涉及压力计量领域，尤其涉及超高压压力截止阀。
背景技术
压力计量所涉及的压力范围从几Pa到2000多MPa，通常将其划分为微压(<10kPa)、低压(0.01MPa～0.25MPa)、中压(0.25MPa～100MPa)、高压(>100MPa)、超高压(>600MPa)。传递压力的介质主要有气、液等流体。对于高压和超高压力计量，必然涉及到压力的产生和测量；一般通过压力管道、阀门、动力源将液体介质增压到所需的超高压力，再由标准源复现量值，阀门在高压压力计量中非常关键，其安全性和密封性是保证压力量值准确传递的重要因素。
目前，工业应用中的压力阀门主要包括单向阀、溢流阀、截止阀及止回阀等，随着阀门行业的快速发展，对阀门的各方面技术参数、耐强腐蚀和使用寿命等方面提出了更高的要求。
在专利CN 104455477 A(以下简称D1)、CN 201851685 U(以下简称D2)、CN102563091 A(以下简称D3)中公开了三种压力阀门。这三种压力阀门的阀杆阀针都是两段式结构，上段阀杆和下段阀针之间自由连接，以此达到通过将阀杆的上下旋转运动转化为阀针的上下直线运动，通过阀针与阀体的配合来达到管道的截止隔断。但是，上述三种阀针的结构都存在如下缺陷：
首先，在超高压环境下，压力阀门要达到高寿命和密封可靠的性能，其阀针尖端和阀体之间最好每次密封结合的相对位置保持不变，以防止阀针尖端和阀体的密封位置之间相互磨损，阀的总体密封性受到影响，降低阀的使用寿命。阀针的绝对直线运动不仅可以保证阀针杆部的密封，更重要的是可以保证阀针尖端在密封阀体时每次密封结合的相对位置不变。
D1没有限制阀针转动的防转结构，不能保证阀针在上下直线运动的过程中不发生细微的转动；D2中采用了类似滑动螺旋副的原理来确保阀针的上下直线运动，通过阀杆螺母3，销子14，止动螺栓4，限位垫片5，螺钉6对下阀杆2进行限位，结构比较复杂，在超高压环境下不适合阀门的操作；D3不仅没有限制阀针转动的防转结构，并且对于100MPa以上压力的高压和超高压力计量来说，要想实现管路的截止隔断，D3中的球头密封截止是不合理的，虽然球头的密封能够提供的管道流量较大，但阀杆受力太大，不适合阀门的操作，因此D3的球头结构是不适合应用在超高压环境下的。
其次，超高压环境下，不仅阀针的尖端受压大，阀针的杆部本身的受压也非常大，虽然D1、D2和D3中公开的三种阀门都采用了类似密封圈或者密封填料的结构，但是密封圈或者密封填料的形状都不能在超高压环境下较好的实现阀针光杆的动密封，不利于阀针杆部在超高压环境下的工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种超高压压力截止阀，该截止阀不仅能通过简单可靠的防转限位结构保证阀针的绝对上下直线运动，并且能够确保在超高压环境下，阀针杆部的动密封。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种超高压压力截止阀，包括手柄、阀杆、阀体、压紧螺母和阀针，手柄和阀杆上端垂直交叉固定，阀杆下端和阀针上端相连，压紧螺母立式固定于阀体内部，压紧螺母上开设轴向通孔，通孔内套装阀针，阀针可在通孔内移动，
其特征在于：
所述阀杆底部开设上端大、下端小的两层台阶形阀针安装孔，其上台阶层为光孔，下台阶层为螺纹孔；
所述阀针上端大头插入阀针安装孔上台阶层内，阀针上端端面和阀针安装孔底面为相互配合的球面，阀针和阀杆能够相对转动；带有中心光孔的限位螺母旋紧在阀针安装孔下层台阶内，阀针从限位螺母的中心光孔中活动穿过；
所述阀针和压紧螺母通孔的配合段上，分别具有相互匹配的、防止阀针绕轴向转动的限位面，两限位面紧贴，阀针只能在压紧螺母的轴向通孔内沿轴向上下直线运动，不能绕轴向转动；
所述压紧螺母下方的阀体内开设安装孔，安装孔内立式装入阀座，两者之间过渡配合，阀座外周面和安装孔内周面之间具有环形的第一密封腔；
第一密封腔上端的横截面由下至上逐渐变小，且上端的横截面小于等于下端横截面，其下端内上、下层叠装入第一延展金属密封圈和第一耐磨硬质纤维密封圈，第一延展金属密封圈和第一密封腔之间紧配合，第一耐磨硬质纤维密封圈和第一密封腔之间紧配合；
所述阀针从阀座的中心通孔内活动穿过，阀针外周面和中心通孔内周面之间具有环形的第二密封腔；
第二密封腔上端的横截面由下至上逐渐变小，且上端的横截面小于等于下端横截面，第二密封腔下端内上、下层叠装入第二延展金属密封圈和第二耐磨硬质纤维密封圈，第二延展金属密封圈和第二密封腔之间紧配合，第二耐磨硬质纤维密封圈和第二密封腔之间紧配合。
为了保证阀门的密封可靠和使用安全，本发明设计了防止阀针绕轴向转动的限位面，旋转手柄时，阀杆旋转产生的轴向位移可使阀针在该通孔内只能上下自由直线移动，不会在阀杆的带动下转动，阀针的绝对上下直线运动，使阀针尖端每次密封时与阀体的密封位置保持不变，不仅使阀针的尖端和杆部在超高压力下更容易密封，而且有利于提高阀门的使用寿命和密封可靠性。
防转限位面可以采用如下结构：将所述阀针中段平行于轴向平切，形成的轴向平切面为阀针的限位面；压紧螺母的轴向通孔形状与阀针中段形状相匹配，轴向通孔内壁的轴向平面为轴向通孔的限位面。阀针中段呈一段键型结构，与之相配合的压紧螺母固定安装在阀体上，两限位面紧贴在一起，因此能起到较好的防转限位作用。除了平面的防转限位面外，防转限位面也可以采用平键、折弯面等具有类似功能的结构。
阀杆的动密封是通过如下密封结构实现的：在高压环境下，由耐磨硬质纤维密封圈的变形实现对阀针杆部的动密封，采用耐磨硬质纤维材料制成的密封圈能保证长期使用中密封圈的磨损性小，承压性能较好；在超高压环境下，延展金属密封圈受挤压变形、产生弹性形变，向密封腔室的上端延展，并逐渐填充满密封腔室的上端，停留在密封腔室的上端内，由于采用了上窄下宽的锥形密封腔室结构，在压力的反作用下，密封圈受锥面的抑制，沿着锥面产生变形，使密封圈和锥面之间贴合更加紧密，使密封更加可靠，压力越大，变形越大，密封越可靠。真正起到在高压、超高压环境下截止、隔断、密封作用。
安装孔和阀座是过渡配合，但间隙也很小，如果太大，密封圈会钻出来，如果太小，不便于拆卸，不便于更换密封圈；密封圈和安装孔、密封圈和阀座的外缘、密封圈和阀座的内孔、密封圈和阀针之间是紧配合，但在压力作用下，由于锥面的存在，密封圈会产生径向变形，大大提高密封性。
再进一步，第一密封腔可以采用如下结构形成：所述安装孔为上端大、下端小的两层阶梯孔，所述阀座外形呈与安装孔相对应的上端粗、下端细的柱形，上、下两端之间通过锥形中段过渡，锥形中段位于安装孔的台阶上方，锥形中段与台阶之间的空隙形成第一密封腔，第一密封腔上端横截面呈锥形，下端横截面呈方形。这种腔室结构不仅能够形成上窄下宽的锥形腔室形状，并且可以与第二密封腔的形状相配合，使阀座内、外受到的部分压力相互抵消。当然，第一密封腔也可以采用直柱形的阀座和锥形安装孔的类似配合结构，同样可以形成上窄下宽的腔室形状。
再进一步，第二密封腔可以采用如下结构形成：所述中心通孔为由下至上、孔径逐层减小的的三层阶梯孔：中心通孔的上层台阶孔内径与阀针外径对应，中心通孔的中层台阶孔上端呈由下至上直径逐渐缩小的锥形，中层台阶孔的内周面与阀针外周面之间的空隙形成第二密封腔，第二密封腔上端横截面呈锥形，下端横截面呈方形，中心通孔的下层台阶孔内配置一个锁紧螺母，锁紧螺母通过外螺纹锁紧在中心通孔内，阀针从锁紧螺母中心光孔内活动穿过，锁紧螺母向上压紧第二延展金属密封圈和第二耐磨硬质纤维密封圈。
再进一步，所述第一密封腔、第二密封腔锥形的锥度为15°～30°，锥度太大，预置变形就需要更多的预紧力，不利于安装，如果锥度太小，在超高压力下，由于压力的自密封，导致密封圈的变形量太少，无法密封超高压力。并且，由于第二密封腔的直径比第一密封腔的小，所以预置变形需要的更小，而超高压下需要的变形量也愈小，所以锥度可以比第一密封腔的小。
再进一步，第一延展金属密封圈、延展金属密封圈可以是铍青铜密封圈或者是其它高压下延展性较好的金、铂、铜、银、钨、铝等金属或合金。
再进一步，第一耐磨硬质纤维密封圈、第二耐磨硬质纤维密封圈为尼龙密封圈或者其它耐磨硬质高分子合成材料制成。
再进一步，安装孔顶部开设安全孔，安全孔与阀体外部连通。
再进一步，所述阀体包括上阀体和下阀体，上阀体上开设限制阀杆拧出孔，限制阀杆拧出孔为上端小、下端大的两层台阶孔，上台阶层为光孔，下台阶层为螺纹孔；所述阀杆上端为光杆，下端端部的外径大于上端的光杆直径，且设有外螺纹，下端旋入限制阀杆拧出孔的螺纹孔内，上端从限制阀杆拧出孔的光孔内活动伸出，阀杆光杆和限制阀杆拧出孔的光孔过渡配合。开设限制阀杆拧出孔，限制了阀杆拧出阀体的位移，避免阀杆过度拧出时带出阀针，造成高压流体直接溢流，避免了误操作的风险，提高了阀门的操作可靠性。
再进一步，所述高压压力截止阀为两通、三通、四通或其它多通结构的压力阀门，本阀门适用于压力计量领域中压力的产生和测量。
本发明的有益效果在于：
1、限位面确保了阀杆旋转产生的轴向位移使阀针仅在压紧螺母的轴向通孔内上下自由直线移动，阀针尖端和阀体之间密封结合的相对位置始终不变化，不仅使阀针光杆在超高压力下更容易密封，而且有利于提高阀门的使用寿命和密封可靠性。
2、阀杆在开启阀门时不能无限制的旋转上移，避免阀杆过度拧出时带出阀针，造成高压流体直接溢流，避免了误操作的风险，提高了阀门的操作可靠性。
3、阀针的直线运动使阀针光杆和密封圈之间不产生剪切变形，阀针光杆在超高压力下更容易密封，且密封腔形状能够保证在高压、超高压压力作用下阀针周向上不仅不会产生泄漏，并且工作环境的压力越高，密封性越好，提高了阀门的使用寿命和密封可靠性。
4.压紧螺母能够压紧下方的密封组件，使其能密封阀针光杆，使阀针周向超高压压力不泄漏。
附图说明
图1为截止阀的结构示意图
图2为压紧螺母和阀针的配合示意图
图3为图2的A-A向剖视图
图4为另一种防转限位面的结构示意图
图5为未装配密封圈的阀座、阀体配合示意图
图6为装配了密封圈的阀座、阀体配合示意图
图7为阀座结构示意图
图1～7中：1为手柄，2为手柄销，3为阀杆，4为上阀体，5为限位螺母，6为压紧螺母，7为下阀体，8为阀座，9为第一延展金属密封圈，10为第一耐磨硬质纤维密封圈，11为第二延展金属密封圈，12为第二耐磨硬质纤维密封圈，13为锁紧螺母，14为阀针，15为第一密封腔，16为第二密封腔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，作为本发明一种优选实施方案，截止阀包括手柄1，手柄销2，阀杆3，阀体，限位螺母5，压紧螺母6，阀座8，第一延展金属密封圈9，第一耐磨硬质纤维密封圈10，第二延展金属密封圈11，第二耐磨硬质纤维密封圈12，锁紧螺母13和阀针14。
手柄1和阀杆3上端之间通过手柄销2垂直交叉固定。
为便于加工和装配，阀体由上、下两部分组成，包括上阀体4和下阀体7。阀体采用不锈钢制作，通过固溶处理获得非常高的强度和韧性，能够承受高压压力。上阀体4和下阀体7之间通过不锈钢螺丝连接。
上阀体4上开设限制阀杆拧出孔，限制阀杆拧出孔为上端小、下端大的两层台阶孔，上台阶层为光孔，下台阶层为螺纹孔；阀杆3上端为光杆，下端端部的外径大于上端的光杆直径，且设有外螺纹，下端旋入限制阀杆拧出孔的螺纹孔内，上端从限制阀杆拧出孔的光孔内活动伸出，阀杆3光杆和限制阀杆拧出孔的光孔过渡配合。开设限制阀杆拧出孔，限制了阀杆拧出阀体的位移，避免阀杆过度拧出时带出阀针，造成高压流体直接溢流，避免了误操作的风险，提高了阀门的操作可靠性。
阀杆3底部开设上端大、下端小的两层台阶形阀针安装孔，其上台阶层为光孔，下台阶层为螺纹孔；阀针14上端大头插入阀针安装孔上台阶层内，阀针14上端端面和阀针安装孔底面为相互配合的球面，阀针14和阀杆3能够相对转动；带有中心光孔的限位螺母5旋紧在阀针安装孔下层台阶内，防止阀针14上端从阀针安装孔中掉出来，阀针14从限位螺母5的中心光孔中活动穿过。
压紧螺母6立式配置于下阀体7的顶部，其下端通过外螺纹锁紧固定在下阀体7内，压紧螺母6上开设轴向通孔，通孔内套装阀针14的中段。
阀针14和压紧螺母6通孔的配合段上，分别具有相互匹配的、防止阀针14绕轴向转动的限位面，两限位面紧贴，阀针14只能在压紧螺母6的轴向通孔内沿轴向上下直线运动，不能绕轴向转动。防转限位面可以有效限制阀针14的周向转动。如图2～3所示的一种防转限位面结构，将所述阀针14中段平行于轴向平切，形成的轴向平切面为阀针14的限位面；压紧螺母6的轴向通孔形状与阀针14中段形状相匹配，轴向通孔内壁的轴向平面为轴向通孔的限位面。此外，防转限位面也可以是如图4所示的折弯面，或者其它类似的键型结构。
防转限位面结构设置的目的是避免阀针14跟随阀杆3转动，阀针14在高压作用下会顶紧阀杆3，使阀针14的上端球面和阀杆3之间产生非常大的摩擦力，如果不限制阀针14的转动，阀针14在此摩擦力作用下会跟随阀杆3转动，这样阀针并没有绝对的直线移动，导致阀针14下端与阀体7之间的密封位置发生改变，阀的总体密封性受到影响，并且降低阀的使用寿命。
如图5所示，压紧螺母6下方的下阀体7内开设上端大、下端小的两层阶梯形安装孔，安装孔内立式装入阀座8，两者之间过渡配合，阀座8外形呈与安装孔相对应的上端粗、下端细的柱形，上、下两端之间通过锥形中段过渡，锥形中段位于安装孔的台阶上方，锥形中段与台阶之间的空隙形成第一密封腔15。第一密封腔15的上端横截面呈直角三角形，下端横截面呈方形，下端内紧配合装入第一延展金属密封圈9和第一耐磨硬质纤维密封圈10，如图6所示。
如图7所示，阀座8上沿轴向开设中心通孔801，阀针14从中心通孔801内活动穿过，中心通孔801为由下至上、孔径逐层减小的的三层阶梯孔：
中心通孔801的上层台阶孔内径与阀针14外径对应；
中心通孔801的中层台阶孔上端呈由下至上直径逐渐缩小的锥形，中层台阶孔的内周面与阀针14外周面之间的空隙形成第二密封腔16，第二密封腔16上端横截面呈直角三角形，下端横截面呈方形，第二密封腔16下端内紧配合装入第二延展金属密封圈11和第二耐磨硬质纤维密封圈12；
中心通孔801的下层台阶孔内配置一个锁紧螺母13，锁紧螺母13通过外螺纹锁紧在中心通孔801内，阀针14从锁紧螺母13中心光孔内活动穿过，锁紧螺母13向上压紧第二延展金属密封圈11和第二耐磨硬质纤维密封圈12。
第一密封腔15的上端直角三角形横截面的锥度为30°左右，第二密封腔16的上端直角三角形横截面的锥度为20°左右，锥度太大，预置变形就需要更多的预紧力，不利于安装，如果锥度太小，在超高压力下，由于压力的自密封，导致密封圈的变形量太少，无法密封超高压力。另外，由于第二密封腔16的直径比第一密封腔15的小，所以预置变形需要的更小，而超高压下需要的变形量也愈小，所以锥度可以比第一密封腔的小。
手柄1正反向旋转时，带动阀杆3上下旋转运动，在防转限位面的限制下，阀针只能做绝对的上、下直线运动，封闭或者开放阀体的进压管路。
同时，高压工作环境下，压力会沿阀针尖端14的周向向上传递至阀杆处，第一耐磨硬质纤维密封圈10和第二耐磨硬质纤维密封圈12受压变形，起到动密封的作用；超高压工作环境下，第一延展金属密封圈9和第二延展金属密封圈11受压，分别向第一密封腔15和第二密封腔16的上端移动，由于其高延展性，第一延展金属密封圈9和第二延展金属密封圈11变形、进入横截面积逐渐变小的第一密封腔15和第二密封腔16的上端，并且停留在该位置，起到动密封的作用，防止压力泄漏。

Claims (10)

1.一种超高压压力截止阀，包括手柄(1)、阀杆(3)、阀体、压紧螺母(6)和阀针(14)，手柄(1)和阀杆(3)上端垂直交叉固定，阀杆(3)下端和阀针(14)上端相连，压紧螺母(6)立式固定于阀体内部，压紧螺母(6)上开设轴向通孔，通孔内套装阀针(14)，阀针(14)可在通孔内移动，
其特征在于：
所述阀杆(3)底部开设上端大、下端小的两层台阶形阀针安装孔，其上台阶层为光孔，下台阶层为螺纹孔；
所述阀针(14)上端大头插入阀针安装孔上台阶层内，阀针(14)上端端面和阀针安装孔底面为相互配合的球面，阀针(14)和阀杆(3)能够相对转动；带有中心光孔的限位螺母(5)旋紧在阀针安装孔下层台阶内，阀针(14)从限位螺母(5)的中心光孔中活动穿过；
所述阀针(14)和压紧螺母(6)通孔的配合段上，分别具有相互匹配的、防止阀针(14)绕轴向转动的限位面，两限位面紧贴，阀针(14)只能在压紧螺母(6)的轴向通孔内沿轴向上下直线运动，不能绕轴向转动；
所述压紧螺母(6)下方的阀体内开设安装孔，安装孔内立式装入阀座(8)，两者之间过渡配合，阀座(8)外周面和安装孔内周面之间具有环形的第一密封腔(15)；
第一密封腔(15)上端的横截面由下至上逐渐变小，且上端的横截面小于等于下端横截面，其下端内上、下层叠装入第一延展金属密封圈(9)和第一耐磨硬质纤维密封圈(10)，第一延展金属密封圈(9)和第一密封腔(15)之间紧配合，第一耐磨硬质纤维密封圈(10)和第一密封腔(15)之间紧配合；
所述阀针(14)从阀座(8)的中心通孔(801)内活动穿过，阀针(14)外周面和中心通孔(801)内周面之间具有有环形的第二密封腔(16)；
第二密封腔(16)上端的横截面由下至上逐渐变小，且上端的横截面小于等于下端横截面，第二密封腔(16)下端内上、下层叠装入第二延展金属密封圈(11)和第二耐磨硬质纤维密封圈(12)，第二延展金属密封圈(11)和第二密封腔(16)之间紧配合，第二耐磨硬质纤维密封圈(12)和第二密封腔(16)之间紧配合。
2.根据权利要求1所述的超高压压力截止阀，其特征在于：将所述阀针(14)中段平行于轴向平切，形成的轴向平切面为阀针(14)的限位面；压紧螺母(6)的轴向通孔形状与阀针(14)中段形状相匹配，轴向通孔内壁的轴向平面为轴向通孔的限位面。
3.根据权利要求1所述的超高压压力截止阀，其特征在于：
所述安装孔为上端大、下端小的两层阶梯孔，
所述阀座(8)外形呈与安装孔相对应的上端粗、下端细的柱形，上、下两端之间通过锥形中段过渡，锥形中段位于安装孔的台阶上方，锥形中段与台阶之间的空隙形成第一密封腔(15)，第一密封腔(15)上端横截面呈锥形，下端横截面呈方形。
4.根据权利要求1所述的超高压压力截止阀，其特征在于：
所述中心通孔(801)为由下至上、孔径逐层减小的的三层阶梯孔：
中心通孔(801)的上层台阶孔内径与阀针(14)外径对应，
中心通孔(801)的中层台阶孔上端呈由下至上直径逐渐缩小的锥形，中层台阶孔的内周面与阀针(14)外周面之间的空隙形成第二密封腔(16)，第二密封腔(16)上端横截面呈锥形，下端横截面呈方形，
中心通孔(801)的下层台阶孔内配置一个锁紧螺母(13)，锁紧螺母(13)通过外螺纹锁紧在中心通孔(801)内，阀针(14)从锁紧螺母(13)中心光孔内活动穿过，锁紧螺母(13)向上压紧第二延展金属密封圈(11)和第二耐磨硬质纤维密封圈(12)。
5.根据权利要求3或者4所述的超高压压力截止阀，其特征在于：所述锥形的锥度为15°～30°。
6.根据权利要求1所述的超高压压力截止阀，其特征在于：所述第一延展金属密封圈(9)、第二延展金属密封圈(11)为铍青铜密封圈。
7.根据权利要求1所述的超高压压力截止阀，其特征在于：所述第一耐磨硬质纤维密封圈(10)、第二耐磨硬质纤维密封圈(12)为尼龙密封圈。
8.根据权利要求1所述的超高压压力截止阀，其特征在于：所述安装孔顶部开设安全孔，安全孔与阀体外部连通。
9.根据权利要求1所述的超高压压力截止阀，其特征在于：所述阀体包括上阀体(4)和下阀体(7)，上阀体(4)上开设限制阀杆拧出孔，限制阀杆拧出孔为上端小、下端大的两层台阶孔，上台阶层为光孔，下台阶层为螺纹孔；
所述阀杆(3)上端为光杆，下端端部的外径大于上端的光杆直径，且设有外螺纹，下端旋入限制阀杆拧出孔的螺纹孔内，上端从限制阀杆拧出孔的光孔内活动伸出，阀杆(3)光杆和限制阀杆拧出孔的光孔过渡配合。
10.根据权利要求1所述的超高压压力截止阀，其特征在于：所述高压压力截止阀为两通、三通、四通或其它多通结构的压力阀门。
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