CN109707885A - 平衡活塞式恒压阀 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种平衡活塞式恒压阀，包括阀体，阀体上设置有流体进口和流体出口，阀体内导向滑动装配有带有活塞杆的第一活塞，第一活塞上开设有连通流体进口和流体出口的活塞进口和活塞出口，阀体上设置有连通第一活塞两侧的有杆腔和无杆腔的连通管，第一活塞的活塞杆伸出阀体之外并连接有恒力机构，恒力机构包括固定连接在阀体的有杆腔一侧的壳体，壳体具有大气连通口和与阀体相连接的壳底，壳体内导向滑动装配有第二活塞，第二活塞与活塞杆为顶推配合且第二活塞与壳底之间为真空。本发明的有益效果：本发明不依赖调节弹簧，采用恒力机构提高了恒压阀的使用稳定性，流体输出压强精确，使用中随着第一活塞的自动调节，流体输出压强始终保持稳定。

Description

平衡活塞式恒压阀

本申请为下述申请的分案申请，原申请的申请日：2017年2月3日，原申请的申请号：2017100633455，原申请的发明名称：一种平衡活塞式恒压阀。

技术领域

本发明涉及一种平衡活塞式恒压阀。

背景技术

气田产水气井井口温度低，冬季约4-7℃，夏季约14-16℃，井筒及管线易形成水合物和冻堵而发生频繁堵塞。为了阻止水合物的形成，通常向天然气中加入能够降低水合物生成温度的天然气水合物抑制剂，例如甲醇，从而降低天然气的露点，防止水合物的生成。采用这种方法时需要配置注醇管线及含醇污水处理设备，注甲醇工艺的实施难度比较大，且使用甲醇存在三大弊端：第一、甲醇有毒，存在一定危害；第二、甲醇用量大，总成本高；第三、注醇及废水处理设备及配套设施投资大。

因此，目前一些气田采用“井下节流、低压集气”的清洁生产模式开发，井下节流技术是将节流器安装在油管适当位置，使天然气的节流降压膨胀过程发生在井内，同时利用地温对节流后的气流进行加热，使节流后的气流温度能得到大幅度回升，高于节流后气流压力条件下的水合物生成温度，从而达到防治水合物在井筒和地面管线生成的目的。井下节流技术能降低井筒和地面管线压力，解防堵效果显著，与高压集气模式相比，该开发模式能节省单井注醇管线投资和每日注醇材料费，同时因地面集气管线耐压等级降低，故能大幅降低地面集气管线壁厚和钢材耗量，节省油建费用，大大降低了地面工程投资，有效提高了气田的开发效益。

但是，对于一些产水量比较高的气田来说，例如最高达到72.5方/天，气井自身携液能力不足，存在较大的排液难题；同时常规井下节流技术用在这类高产液气井中，由于油管内安装节流器后容易造成井筒不通畅，不利于高产液气井连续排液生产，容易引起高产液气井积液、水淹停产，严重限制了气田产能发挥。

为了保证高产液气井连续携液稳定生产，且又必须满足气田低压集输开发模式的要求，因此在不安装井下节流器条件下，一般会在井口处安装一个减压阀，来实现高产液气井节流降压生产，一方面有效降低地面管线压力，减少安全风险，节约投资；另一方面可有效防治水合物生成，有利于气井连续稳定排液生产，可提高气田开发效益。

目前市面上常见的减压阀都是通过调节弹簧来控制减压后的输出压力，如授权公告号为CN201715057U，授权公告日为2011.01.19的中国实用新型专利公开的一种平衡活塞感应式气动减压阀，该减压阀在使用时需要通过拧转阀盖以压缩调节弹簧来设定输出压力，同时拧转阀盖、压缩调节弹簧还可以使平衡活塞向下顶压阀芯，从而使阀芯与阀座之间脱离形成一开口，这样也算是打开了流体的流通通道，使流体能够从进气口进、并从出气口出。当流体的压力小于预设压力时，开口不会变化，当流体的压力大于预设压力时，活塞受到的向上的反馈压力大于弹簧预设压力，此时活塞向上移动，阀芯在复位弹簧作用下也向上移动，开口变小，开口减小到一定程度后不再变化，系统达到一个平衡，减压阀的出口压力稳定下来。如此循环往复，减压阀的出口压力基本保持不变，稳定于某一范围内。

这种传统的减压阀虽能够起到减压作用，但是在阀体、阀芯等零部件结构尺寸确定的情况下，其输出压力完全取决于调节弹簧的预设状态，使用前还需要人工对其进行调节，而调得的输出压力是多少，就全靠操作人员的经验了，或者只能是测量出输出压力后才能够知晓，如果不合适，还需要进一步调整，调整、使用非常不方便。另外，调节弹簧的压缩量随着流体输入压力的波动在不断变化，随着使用时间的延长，调节弹簧在无数次的压缩和回复作用后，其弹性力会有所下降，尤其是调节弹簧在腐蚀、结垢或被杂质堵塞后，其使用性能会大打折扣，将严重影响减压阀的减压和使用效果，因此这种的减压阀的使用寿命和稳定性不好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不依赖于调节弹簧的、使用稳定性比较高的、且流体输出压强精确稳定的平衡活塞式恒压阀。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

平衡活塞式恒压阀，包括阀体，阀体上设置有流体进口和流体出口，阀体内导向滑动装配有带有活塞杆的第一活塞，第一活塞上开设有连通所述流体进口和流体出口的活塞进口和活塞出口以使阀体上流体出口的压强可通过第一活塞的移动进行调整，阀体上设置有连通第一活塞两侧的有杆腔和无杆腔的连通管，第一活塞的活塞杆伸出阀体之外并连接有恒力机构，阀体内设置有防止第一活塞脱出阀体的第二挡止结构。

进一步的,所述阀体呈一端开口、另一端封闭的筒状结构，所述开口构成阀体的流体出口，所述流体进口开设在阀体的筒壁上，所述第一活塞也呈一端敞口、另一端封闭的筒状结构，所述敞口构成第一活塞的活塞出口，所述活塞进口开设在第一活塞的筒壁上，第一活塞内具有连通活塞进口和活塞出口的活塞腔。

进一步的，第一活塞上的活塞进口与阀体上的流体进口内径相等。

本发明的有益效果在于：由于第一活塞上开设有连通阀体上流体进口和流体出口的活塞进口和活塞出口，因此当第一活塞在阀体内移动时，当活塞进口与流体进口重合的开度比较大时，流过的流体比较多，此时流体出口的压强比较大，当活塞进口与流体进口重合的开度比较小时，流体出口的压强将变小，因此通过第一活塞的移动可以调整阀体上流体出口的压强；

由于阀体上设置有连通第一活塞两侧的有杆腔和无杆腔的连通管，因此有杆腔和无杆腔的流体压强是相等的，但是第一活塞上受有杆腔和无杆腔的流体压力是不相等的，因为有杆腔多出了一个活塞杆，其受力的横截面积小于无杆腔的受力面积，因此第一活塞所受的合力是朝向有杆腔一侧的，并且该合力就等于流体压强乘以活塞杆的横截面积，也就是说，第一活塞总是有向有杆腔一侧移动的趋势；

由于第一活塞的活塞杆伸出阀体之外并连接有恒力机构，因此通过该恒力机构可以对活塞杆施加一个与所述合力方向相反的恒力，当恒力值等于合力值时，第一活塞就保持平衡，此时活塞进口与流体进口重合的开度保持不变，恒压阀将输出恒压流体，该恒压值就等于所设定的恒力值除以活塞杆的横截面积，因此在设置时，可以根据已知的活塞杆的横截面积，设定一个恒力值，那么恒压阀所输出的恒压值就可以知晓了；

使用时，若进入阀体的流体压强发生变化，由于恒力机构的恒力值没有变化，因此第一活塞的平衡状态将会被打破，当流体压强变大时，第一活塞将自动向有杆腔一侧移动，与此同时，活塞进口与流体进口重合的开度将变小，进入阀体的流体压强将自动变小，直到第一活塞再次达到平衡，此时恒压阀所输出的流体压强仍然是所述恒压值；相反，当流体压强变小时，第一活塞将自动向无杆腔一侧移动，与此同时，活塞进口与流体进口重合的开度将变大，进入阀体的流体压强将自动变大，直到第一活塞再次达到平衡，此时恒压阀所输出的流体压强仍然是所述恒压值，也就是说，第一活塞可以自动通过自身移动来适应进入阀体的流体压强的变化，从而使恒压阀始终输出一个确定的恒压值。

因此，本发明的平衡活塞式恒压阀不依赖于调节弹簧，而是采用一个恒力机构，从而规避了调节弹簧的使用性能会发生变化的风险，提高了本发明的平衡活塞式恒压阀的使用稳定性，同时平衡活塞式恒压阀的流体输出压强比较精确，在设定恒力机构的恒力值时即可知晓，并且使用中随着第一活塞的自动调节，流体输出压强始终保持稳定，使用效果显著。

附图说明

图1为本发明中平衡活塞式恒压阀的一个实施例的结构示意图。

图中：1.第一密封圈；2.丝堵；3.第二密封圈；4.第三密封圈；5.进气管；6.第四密封圈；7.平衡活塞；8.第一限位环；9.阀体；10.连通管；11.第五密封圈；12.第六密封圈；13.真空活塞；14.壳体；15.第二限位环；16.活塞杆；17.第一进气口；18.第二进气口。

具体实施方式

平衡活塞式恒压阀的实施例如图1所示，包括左右布置的恒力机构和平衡恒压机构，其中平衡恒压机构包括阀体9、进气管5、平衡活塞7、活塞杆16、连通管10、第一限位环8以及各密封圈，恒力机构包括壳体14、真空活塞13、丝堵2、第二限位环15以及各密封圈。

阀体9的轴线沿左右方向延伸，阀体9呈左端封闭、右端开口的筒状结构，阀体9上设置有供流体流入和流出的流体进口和流体出口，其中流体出口由阀体9上右端的开口构成，阀体9的右端可直接连低压输气管道。流体进口为开设在阀体9的筒壁上的第一进气口17，第一进气口17的轴线垂直于阀体9的轴线，在阀体9的外壁上还焊接固定有与第一进气口17的同轴的进气管5，进气管5的另一端可直接与高压管线连接。

阀体9的内腔中导向滑动密封装配有带有活塞杆16的第一活塞，该第一活塞为平衡活塞7，平衡活塞7也呈左端封闭、右端敞口的筒状结构，平衡活塞7上开设有连通第一进气口17和流体出口的活塞进口和活塞出口，其中活塞出口由平衡活塞7右端的敞口构成，活塞进口为开设在平衡活塞7的筒壁上的第二进气口18，平衡活塞7内具有连通第二进气口18和活塞出口的活塞腔。

第二进气口18用于与阀体9上的第一进气口17重合相对，从而形成一定大小的开度，以供流体流入阀体9内，第一进气口17和第二进气口18的内径相等。为了保证密封性能，在平衡活塞7上与阀体9的内壁之间分别设置有第三密封圈4和第四密封圈6，第三密封圈4和第四密封圈6分别位于第二进气口18的左右两侧。

阀体9的下方筒壁上位于平衡活塞7的左右两侧分别开设有连通口，两个连通口之间焊接固定有连通管10，连通管10的管径与连通口的内径相等，连通管10连通平衡活塞7左右两侧的有杆腔和无杆腔，使得有杆腔和无杆腔的压强保持一致。因此，当流体经进气管5、第一进气口17、第二进气口18进入活塞腔中后，一部分流体会排出阀体9，流向下游的低压输气管道中，另一部分通过连通管10到达平衡活塞7左侧的有杆腔，使平衡活塞7左右两侧腔体的流体压强保持相等。

平衡活塞7上的活塞杆16比较长，一直延伸到穿出阀体9的左侧封闭端，活塞杆16与阀体9之间为导向滑动密封配合，因此在阀体9的内孔中与活塞杆16之间设置有第二密封圈3。

阀体9的有杆腔一侧的左端呈阶梯轴状，其小径段为螺纹段，恒力机构的壳体14的右端设有螺纹孔，壳体14与阀体9通过螺纹固定连接。壳体14的左端具有与大气相连通的连通开口、右端为一壳底，该壳底也即是所述螺纹孔的底端，壳体14与阀体9螺纹连接后，该壳底与阀体9的左侧端面相接触。活塞杆16延伸出阀体9之后又穿过该壳底并延伸到壳体14的内腔中，活塞杆16与壳底之间为导向滑动密封配合，因此在壳底的内孔中与活塞杆16之间设置有第五密封圈11。

壳体14的内腔中导向滑动密封装配有第二活塞，该第二活塞为真空活塞13，真空活塞并不意味着这个活塞是真空的，而是真空活塞13与所述壳底之间的空间是真空的，为了方便抽真空操作，在壳体14的壳底上可拆连接有一个丝堵2，当拆下丝堵2时，就可以方便抽真空操作，从而可以卸掉或者排尽真空活塞13与壳底之间的气体压强，使该部分压强为零，装上丝堵2后，就可以保持真空状态，因此丝堵2就相当于泄压阀的作用。为了保证良好的密封效果，在丝堵2与壳底内孔之间设置有第一密封圈1，在真空活塞13与壳体14的内壁之间设置有第六密封圈12。

真空活塞13与活塞杆16之间为顶推配合，为了方便配合，在真空活塞13的朝向活塞杆16的端面上开设有用于容设活塞杆16端部的顶推孔。

阀体9内设置有用于限制平衡活塞7向右移动的移动极限的第二挡止结构，该第二挡止结构可以防止平衡活塞7脱出阀体9，在该实施例中，所述第二挡止结构为螺纹连接在阀体9内壁上的第一限位环8，且当阀体9上的第一进气口17和平衡活塞7上的第二进气口18完全对应时，即进气口开度最大时，平衡活塞7与第一限位环8之间的距离非常微小，此时平衡活塞7能够向右移动的距离非常有限。当然在其他实施例中，当进气口开度最大时，平衡活塞7与第一限位环8之间也可以具有足够的距离，或者第二挡止结构是设置在阀体9内壁上的限位销，此时当进气口开度最大时，平衡活塞7与所述限位销可直接挡止配合，平衡活塞7无法向右移动。

壳体14内设置有用于限制真空活塞13向左移动的移动极限的第一挡止结构，该第一挡止结构可以防止真空活塞13脱出壳体14，在该实施例中，所述第一挡止结构为螺纹连接在壳体14内腔中的第二限位环15，第二限位环15上的中心孔构成与大气连通的连通孔，当然在其他实施例中，第一挡止结构也可以是设置在壳体14内腔中的限位销。

平衡活塞式恒压阀的工作原理是：该恒压阀是用于安装在液气井的井口处，代替现有的调节弹簧式的减压阀，对高压的液气流体进行节流降压，并使输出的流体压强保持在一个恒定值的恒压阀。使用时，将进气管5与高压管线连接，阀体9的右端口与低压输气管道连接，恒压阀的初始状态即如图1所示，在未通入高压流体时，第一进气口17与第二进气口18完全对应，此时进气口开度最大，需要说明的是，此时真空活塞13也基本处于壳体14的最右端，也就是说，真空活塞13向右移动的空间是十分有限的，此时就算没有在阀体9上设置第一限位环8，真空活塞13也无法推着平衡活塞7向右移动。

当高压的液气流体通过进气管5、第一进气口17与第二进气口18进入活塞腔中后，活塞腔、阀体9内的压强瞬间增大，流体通过连通管10进入到平衡活塞7的左侧有杆腔，平衡活塞7左右两侧腔室的压强相等，设此时的压强为P，此时对于平衡活塞来说，根据F＝P A，其受到向左的力＝活塞的横截面积×P，其受到向右的力＝(活塞的横截面积-活塞杆16的横截面积)×P，两者差值肯定是向左的，平衡活塞7将向左移动，其受到的合力为活塞杆16的横截面积×P。

平衡活塞7向左移动后，将通过活塞杆16顶推真空活塞13，对于真空活塞13来说，由于其与壳体14的壳底之间为真空，所以其受到的向左的力只有平衡活塞7的推力，其受到的向右的力是大气压强×平衡活塞7的横截面积。

当然，在平衡活塞7向左移动的过程中，第一进气口17与第二进气口18逐渐错开，进气口开度逐渐变小，因此活塞腔中的压强是逐渐减小的，也就是说，平衡活塞7受到的向左的合力是逐渐减小的，当压强减小到一定程度，假设减小到P₁，这时活塞杆16的横截面积×P₁＝大气压强×平衡活塞7的横截面积，此时平衡活塞7受力平衡，将不再移动，进气口开度不再变化，而阀体9的输出压强就稳定在了P₁。

上述这个调压降压的过程是自发进行的，不需要任何外力的驱使和干预，由于大气压强为0.1MPa，是固定不变的，因此最终输出压强P₁＝0.1×平衡活塞7的横截面积/活塞杆16的横截面积，看来输出压强的大小完全取决于平衡活塞7与活塞杆16的横截面积之比，在其他零部件结构尺寸不变的情况下，只需改变平衡活塞7与活塞杆16的横截面积比值即可得到某一恒定值的输出压强，因此在设计时，可以通过控制平衡活塞7与活塞杆16的横截面积比值来获得一个最理想的设定输出压强，该比值越大，则设定输出压强越大，反之则越小。

在该实施例中，由于恒力机构与平衡恒压机构为螺纹连接，因此在需要调整设定输出压强时，只需将整个恒力机构完全拆下，换上具有另外一种规格的平衡活塞的恒力机构即可获得不一样的输出压强值，因此在制造时，可多制造几套恒力机构，不同恒力机构之间的区别就在于真空活塞横截面积的不同。

当进气管5中的高压流体的压强一直比较稳定时，平衡活塞7会一直保持在平衡状态，进气口开度不会发生变化，输出压强持续保持稳定。但是当进气管5中的高压流体的压强不稳定时，例如当高压流体的压强突然升高时，此时活塞腔中的压强也会瞬时增大，平衡活塞7的平衡状态被打破，平衡活塞7将向左移动，进气口开度再次变小，进而活塞腔中的压强会有所降低，最终平衡活塞7再次达到平衡，从而保证了输出压强始终保持在设定值。

而当高压流体的压强突然降低时，此时活塞腔中的压强也会瞬时降低，平衡活塞7的平衡状态被打破，平衡活塞7将向右移动，进气口开度会变大，进而活塞腔中的压强会有所升高，最终平衡活塞7再次达到平衡，从而保证了输出压强始终保持在设定值。

如此循环往复，不管高压流体的压强是多少，只要平衡活塞7与活塞杆16的横截面积比值是一定的，那么通过平衡活塞7的左右移动，就可以改变进气口开度的大小，最终使平衡活塞都能够调整成平衡状态，同时输出压强的值也始终是恒定的，从而实现了恒压输出。

当然，上述自我调节过程除了跟平衡活塞7与活塞杆16的横截面积比值有很重要的关系之外，跟第一进气口17和第二进气口18的大小以及高压流体的压强大小也是有关系的，比如高压流体的压强如果瞬时剧增，平衡活塞7很快向左移动，如果大气压强产生的压力难以使平衡活塞保持平衡，那么平衡活塞有可能会将第一进气口17堵上，进气口开度变为0，此时流体会被截断。不过当这一部分流体排出阀体9和低压输气管道后，在大气压强的作用下，平衡活塞会再次向右移动，进气口开度变大，流体又可以进入活塞腔中了，不过这种情况并不是本发明所期望出现的，因为这样断断续续的输出方式会影响到液气井的正常连续生产。

根据目前的生产实际，液气流体到达井口时的压强一般都在十几兆帕，而所期望的输出压强为4MPa左右，因此在设计第一进气口17和第二进气口18的大小时已经考虑到了液气流体的压强浮动，从而可以规避第一进气口17和第二进气口18完全错开的情形，也就是平衡活塞在左右移动的过程中，进气口始终具有一定的开度，避免恒压阀将液气流体截断，影响正常生产。

那么如前所述，真空活塞13距离外壳14的壳底比较近，同时平衡活塞7也没有向右移动的空间，这样是考虑到，如果液气流体的压强低于设定的输出压强值时，大气压强会推动平衡活塞7一直向右移动，直到进气口开度变为0，这样就把流体给截止了，那也就无法正常生产了。因此真空活塞13距离外壳14的壳底比较近，同时平衡活塞7也没有向右移动的空间，这样万一液气流体的压强低于设定的输出压强值时，流体可以直接通过恒压阀进入到低压输气管道中，此时恒压阀就类似于一个中间连管的作用，不起调压的作用。

在平衡活塞式恒压阀的其他实施例中：阀体内也可以不设置防止第一活塞脱出阀体的第二挡止结构；壳体内也可以不设置防止第二活塞脱出壳体的第一挡止结构；第一活塞上的活塞进口与阀体上的流体进口内径也可以不相等，比如活塞进口的内径小于流体进口内径；壳体的壳底上也可以不设置丝堵，比如可以通过大气连通口抽真空，然后再装配第二活塞；阀体也可以不是一端开口、另一端封闭的筒状结构，比如两端都是封闭的筒状结构，在其中一端开设一个小的流体出口，或者流体出口也开设在筒壁上；第一活塞也可以不是一端敞口、另一端封闭的筒状结构，比如活塞进口、活塞出口以及活塞腔的内径均相等且均小于活塞端面大小；第二活塞朝向活塞杆的端面上开设的顶推孔也可以是螺纹孔，第二活塞先与活塞杆螺纹连接，然后再顶推配合；第二活塞朝向活塞杆的端面上也可以不开设顶推孔，第二活塞可与活塞杆直接顶推配合；恒力机构也可以是其他的与活塞杆相连的恒力装置，例如申请公布号为CN103723648A的中国发明专利申请公开的一种可调节的恒力输出装置，或者如申请公布号为CN103511392A的中国发明专利申请公开的一种不受气管扰动影响的恒力输出装置，或者是其他类型的恒力装置均可。

Claims (3)

1.平衡活塞式恒压阀，包括阀体，其特征在于：阀体上设置有流体进口和流体出口，阀体内导向滑动装配有带有活塞杆的第一活塞，第一活塞上开设有连通所述流体进口和流体出口的活塞进口和活塞出口以使阀体上流体出口的压强可通过第一活塞的移动进行调整，阀体上设置有连通第一活塞两侧的有杆腔和无杆腔的连通管，第一活塞的活塞杆伸出阀体之外并连接有恒力机构，阀体内设置有防止第一活塞脱出阀体的第二挡止结构。

2.根据权利要求1所述的平衡活塞式恒压阀，其特征在于：所述阀体呈一端开口、另一端封闭的筒状结构，所述开口构成阀体的流体出口，所述流体进口开设在阀体的筒壁上，所述第一活塞也呈一端敞口、另一端封闭的筒状结构，所述敞口构成第一活塞的活塞出口，所述活塞进口开设在第一活塞的筒壁上，第一活塞内具有连通活塞进口和活塞出口的活塞腔。

3.根据权利要求2所述的平衡活塞式恒压阀，其特征在于：第一活塞上的活塞进口与阀体上的流体进口内径相等。