CN109790943A - 球阀系统 - Google Patents

Abstract

一种定位在第一管线与第二管线之间的球阀，包括壳体和球，所述球设置在所述壳体内。所述球包括孔并且被配置成在打开位置与关闭位置之间旋转。所述球阀还包括环形阀座，所述环形阀座设置在所述壳体与所述球之间。所述环形阀座包括：第一环形密封环，所述第一环形密封环围绕所述环形阀座的径向外表面沿周向延伸；以及轴向延伸的通道，所述轴向延伸的通道延伸穿过所述环形阀座以使得流体流能够从阀腔流到在所述环形阀座与所述壳体之间的环形空间。所述第一环形密封环、所述轴向延伸的通道和所述环形空间促成所述环形阀座的在所述球从所述关闭位置朝向所述打开位置旋转时远离所述球的移动。

Description

球阀系统

背景技术

本部分意图为读者介绍本领域中可能与下文描述和/或要求保护的本发明的各个方面相关的各个方面。这种论述被认为有助于向读者提供背景信息，以便于更好地理解本发明的各个方面。因此，应理解，这些说明应从这个角度进行阅读，并且不应被视为对现有技术的承认。

在各种应用中，球阀被采用来打开或关闭以启用或阻断流体流。典型的球阀可以包括主体、接头、设置在主体和接头内的可旋转球以及联接到球的阀杆。固定球阀使用物理地接触球阀的球的阀座。然而，在球在球阀内从关闭位置旋转到打开位置时，受压流体会驱使阀座进入球中，从而例如增加将球移动到打开位置所需的扭矩和/或引起球和/或阀座的接触表面的磨损。

附图说明

在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的各种特征、方面和优点，其中类似的符号表示贯穿附图的类似的部件，在附图中：

图1是根据本公开的实施方案的球阀的截面侧视图；

图2是在线2-2内取得的图1的球阀的一部分的截面侧视图，其中球阀处于关闭位置；

图3是球阀的接近于图2的部分的另一个部分的截面顶视图，其中球阀是在关闭位置与打开位置之间；

图4是图2的球阀的部分的截面侧视图，其中球阀处于打开位置；并且

图5是根据本公开的另一个实施方案的球阀的截面侧视图。

具体实施方式

下文将描述本发明的一个或多个具体实施方案。这些描述的实施方案仅是对本发明的例举。另外，为了提供对这些示例性实施方案的简要描述，说明书中可能不会描述实际实现方式中的所有特征。应了解，如同在任何工程或设计项目中一样，在开发任何此类实际实现方式时，均必须做出与实现方式特定相关的各种决定，以实现开发人员的特定目标，诸如遵守与系统相关以及与业务相关的限制，这些限制可能会随实现方式而变化。此外，应了解，此类开发工作可能复杂而且耗时，但对受益于本公开的普通技术人员而言，这仍将是设计、制作和生产中的常规任务。

本公开的某些实施方案包括具有可调整阀座的球阀。特别地，本文公开的球阀的阀座被配置成响应于整个阀座上的压力的变化而自动地移动。例如，阀座被配置成在球阀的空腔内的压力增加(例如，大幅度和/或突然增加)之后(例如，在使球从完全关闭位置朝向打开位置旋转之后)自动地远离球移动。阀座然后可以在整个阀座上压力平衡时自动地返回至其原始位置和/或往回朝向球移动。因此，所公开的阀座可以被配置成在不用使用外部流体源、复杂的电子控制器、马达和/或致动器的情况下机械地自调整以暂时地在球阀的阀座与球之间提供间隙，但是在某些实施方案中，外部流体源、复杂的电子控制器、马达和/或致动器等等可以被利用来补充本文公开的技术。球阀可以被用作任何合适的流体处理系统，诸如能量采集或处理系统(例如，油气开采或处理系统，诸如海底或地表油井或气井、管道、天然气处理终端、炼油厂或以天然气为动力的电厂等等)的部分。

现转向附图，图1是根据实施方案的球阀10的截面侧视图。球阀10包括壳体，所述壳体可以由环形主体12和环形接头14形成。在所示的实施方案中，球阀10的主体12和接头14被配置成彼此配合，使得密封被形成于主体12与接头14之间。球阀10可以被构造成具有两个接头。球阀10包括球16，所述球16被配置成如由箭头22所示围绕旋转轴线18在所示的打开位置24与关闭位置之间旋转。如所示，球16联接到阀杆20，使得阀杆20(例如，经由液压或气动或电子致动器，或经由可以手动地操作的手柄实现)的旋转能使球16旋转。

在打开位置24，球阀10使得流体流能够流过球阀10。如所示，在打开位置24，球16的孔30与主体12的孔32和接头14的孔34对准，使得流体可以穿过球阀10。一般而言，流体36可以通过主体12或接头14进入并且通过另一者离开。例如，在所示的实施方案中，流体36从第一管线或通道进入主体12的孔32，流过球16的孔30并且离开接头14的孔34进入第二管线或通道。在关闭位置，球16的孔30被旋转成垂直于主体12和接头14的孔32、34，从而基本上阻断流体36穿过球阀10的流动。如下文更详细所论述，在关闭位置，球阀10的空腔47内的空腔压力可能小于主体12的孔32中的管线压力。

如图1所示，球阀10还包括两个环形阀座，即第一阀座38(例如，第一环形阀座或上游环形阀座)，所述第一阀座38定位在球16与主体12之间；以及第二阀座40(例如，第二环形阀座或下游环形阀座)，所述第二阀座40定位在球16与接头14之间。在球阀10的操作期间，阀座38、40在球16与主体12之间以及在球16与接头14之间产生相应的密封。第一阀座38可以包括沿着第一阀座38的第一径向外表面44(例如，径向最外侧表面)的密封件42(例如，环形密封件)和/或一个或多个通道46(例如，轴向延伸的通道)。

如下文更详细所论述，密封件42和/或通道46可以使得第一阀座38能够在球阀10的空腔47内的压力随着球16从关闭位置朝向打开位置24旋转而增加之后自动地、暂时地远离球16移动(例如，大幅度增加，诸如与球阀10从关闭位置移动时的空腔47内的基线压力相比较，超过或近似10％、20％、30％、40％、50％的增加；和/或突然增加，诸如与一段时间，诸如少于或近似5、10、20或30秒内的空腔47内的基线压力相比较，超过或近似10％、20％、30％、40％、50％的增加)。第一阀座38可以在一段时间之后和/或在球16朝向打开位置24进一步旋转期间在整个第一阀座38上压力平衡时自动地返回至其原始位置和/或朝向球16移动。因此，第一阀座38可以被配置成自调整以暂时地在球阀10的第一阀座38与球16之间提供间隙，从而例如减小使球16旋转经过从关闭位置朝向打开位置24的至少部分行程所需的扭矩和/或减少球16和/或第一阀座38的接触表面的磨损。在某些实施方案中，第一阀座38可以在不用使用外部流体源(即，仅由因球阀10内，诸如空腔47和孔30、32、34内的流体36的移动所引起的压力变化驱动)、复杂的电子控制器、马达和/或致动器的情况下自动地移动，但是在某些实施方案中，外部流体源、复杂的电子控制器、马达和/或致动器等等可以被利用来补充本文公开的技术。

在某些实施方案中，球阀10包括注入端口48，所述注入端口48被配置成与阀座38、40中的注入通道50对准并且实现与所述注入通道50的流体连通。注入端口48和注入通道50有助于将润滑或密封剂流体递送到阀座38、40与球16之间的界面。润滑流体能降低球16与阀座38、40之间在球16在打开位置24与关闭位置之间旋转时生成的摩擦力。为了便于论述，可以参考轴向轴线或方向52、径向轴线或方向54和周向轴线或方向56描述球阀10以及其部件。

图2是在线2-2内取得的图1的球阀10的一部分的截面侧视图。在所示的实施方案中，球阀10处于关闭位置58(例如，完全关闭位置)。在关闭位置58，球16的孔30被旋转成垂直于主体12和接头14的孔32、34，从而基本上阻断流体36穿过球阀10的流动。另外，当球阀10处于关闭位置58时，第一阀座38的接触表面72(例如，密封面)接触球16的外表面74并且与球16形成密封76。在某些实施方案中，接触表面72是联接到第一阀座38的主体75的插入件70(例如，环形插入件或环形密封件)的部分。

当球阀10处于关闭位置58时，密封76和主密封件78(例如，环形密封件)基本上阻断流体36穿过第一阀座38的流动。在某些情况下，在球阀10到达关闭位置58之后，球阀10的空腔47内的空腔压力(例如，经由管道下游压力的下降或阀或其他卸压系统)释放或降低。因此，第一阀座38的第一侧59上(例如，上游侧或主体12中的孔32中)的压力高于第一阀座38的第二侧上(例如，下游侧或球阀10的空腔47内)的压力，这使第一阀座38维持与球16接触。例如，在某些实施方案中，流体36将力62施加在第一阀座38的轴向朝向的表面60(例如，环形表面)上，和/或流体36如由箭头64所示行进穿过注入通道50，以将力68施加在第一阀座38的轴向朝向的表面66(例如，环形表面)上以便将第一阀座38朝向球16驱动。另外地或可选地，诸如由定位在主体12和第一阀座38的相对的轴向朝向的表面之间的偏置构件63(例如，弹簧)施加在第一阀座38上的弹力61可以将第一阀座38朝向球16驱动。

在某些情况下，当球阀10处于关闭位置58时，大的压差(例如，超过30、50、70或100兆帕(MPa)和/或超过10％、20％、30％、40％或50％)可能存在于整个球阀10上。在没有所公开的实施方案的情况下，在使球阀10从关闭位置58朝向打开位置24旋转(例如，从完全关闭位置58旋转到近似20至25度开口)时，流体36穿过球阀10的流动可能会在第一阀座38与球16之间的界面处引起高的局部力，和/或导致第一阀座38被以略微歪斜或倾斜的位置推入到球16的孔30内，从而损坏这些部件和/或增加打开球阀10的扭矩需求。如下文更详细所论述，所公开的实施方案有利地提供诸如第一阀座38的径向外表面44中的密封件42和/或通道46的特征，所述特征使第一阀座38在球阀10从关闭位置58朝向打开位置24移动时自动地远离球16移动。

图3是球阀10的接近于图2的部分的另一个部分的截面顶视图。在球阀10从关闭位置58朝向打开位置24移动(例如，移动到所示的中间位置82，所述中间位置82距离关闭位置58可能小于或等于约5、10、15、20、25、30、40、50或60度，或距离关闭位置58在约5至40、10至25或15至20度之间)时，球阀10的空腔47内的空腔压力增加。密封件42是沿着第一阀座38的径向外表面44周向地延伸的环形密封件。密封件42被配置成阻断沿着第一阀座38的径向外表面44的流体流，从而使空腔压力将力84施加在第一阀座38的轴向朝向的表面86上，所述力84驱动第一阀座38远离球16。因此，在所公开的实施方案中，第一阀座38可以在球16旋转通过其在关闭位置58与打开位置24之间的路径的一部分时与球16物理地隔开(例如，可能不接触)间隙88(例如，环形间隙)。在一些实施方案中，第一阀座38和球16可以彼此物理地隔开超过或近似0.5、1、5、10、30或60秒。在一些实施方案中，第一阀座38和球16可以在关闭位置58至打开位置24之间的行程的至少约5、10、15、20、25、30或40度内彼此物理地隔开。另外地或可选地，第一阀座38和球16可以彼此物理地隔开，直到球16从关闭位置58旋转到超过或近似5、10、15、20、25或30度为止。例如，这种配置可以合意地减小使球16旋转所需的扭矩和/或减少第一阀座38和球16的接触表面的磨损。

如所示，主体12包括肩部89(例如，环形的轴向朝向的表面)，所述肩部89被配置成阻止和/或限制第一阀座38相对于主体12的轴向移动，这进而可以保护弹簧63。在所示的实施方案中，由空腔47中的空腔压力施加的力84作用于第一表面区域(例如，轴向朝向的表面86的表面区域)上，所述第一表面区域明显大于(例如，有超过或等于约10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％大于)由管线压力施加的力62、68作用所在的第二表面区域(例如，轴向朝向的表面60、66的表面区域)。在一些此类实施方案中，在将球16从关闭位置58旋转到中间位置82时，空腔47中的空腔压力几乎可以立即驱动第一阀座38远离球16。

在所示的实施方案中，第一阀座38包括通道46。在某些实施方案中，一个或多个通道46延伸穿过第一阀座38的主体75并且沿着径向轴线54定位在密封件42与主密封件78之间。沿着轴向轴线52延伸的一个或多个通道46可以围绕第一阀座38沿周向定位在离散位置处。一个或多个通道46可以具有使得流体能够从空腔47流动到在第一阀座38的与空腔47相对的一侧上的空间90(例如，环形空间)的任何合适的配置。在所示的实施方案中，空间90被限定在主体12与第一阀座38的轴向朝向的表面92之间。这种配置使得压力在空间90中能够随时间推移而增加，从而最终促成整个第一阀座38上的压力平衡并且使得第一阀座38能够往回朝向球16移动。通道46可以具有任何合适的直径、几何形状、间距和/或数目以调整第一阀座38的移动的时机和/或速度。例如，相对较小的通道46可以使第一阀座46在比相对较大的通道46更长的时间段内保持与球16隔开。因此，第一阀座38可以在球16从关闭位置58朝向打开位置24旋转时自动地、暂时地与球16隔开，并且一旦在整个第一阀座38上压力平衡就返回来接触球16。

图4是图2的球阀10的部分的截面侧视图。在所示的实施方案中，球阀10处于打开位置24。在打开位置24，整个第一阀座38上的包括弹力61的压力和力将第一阀座38朝向球16驱动，使得第一阀座38的接触表面72与球16接触并且与之形成密封76。

应理解，上文相对于图1至图4公开的特征可以适于与其他类型的具有不同结构的球阀或环形阀座一起使用。例如，图5是具有环形阀座102(例如，双活塞环形阀座)的球阀100的一部分的截面侧视图。在所示的实施方案中，球阀100包括球104和环形阀座102，所述环形阀座102定位在球104与主体106之间。环形阀座102可以包括沿着环形阀座102的第一径向外表面110(例如，径向最外侧表面)的密封件108(例如，环形密封件)和/或一个或多个通道112(例如，轴向延伸的通道)。在所示的实施方案中，夹头114(例如，环形夹头)沿着环形阀座102的径向外表面116定位并且可以支撑一个或多个密封环120。因此，环形阀座102可以被配置成在球104如上文相对于图1至图4所论述在关闭位置与打开位置之间旋转时自动地、暂时地远离球104移动。

虽然本发明可能容许有各种修改和替代形式，但是附图中已通过举例示出并已在文中详细地描述了特定实施方案。然而，应理解，本发明不意图限于所公开的特定形式。相反，本发明打算覆盖落入如由以下随附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效物和替代方案。

本文呈现和要求保护的技术被引用和应用于可明确地完善本技术领域的实物和具有实用性的具体实例，并且因此不是抽象的、无形的或纯理论的。另外，如果随附在本说明书结尾的任何权利要求包含表示为“用于[执行][功能]的构件…”或“用于[执行][功能]的步骤…”的一个或多个要素，则这类要素意图根据35U.S.C.112(f)进行解释。然而，对于包含以任何其他方式表示的要素的任何权利要求，这类要素不意图根据35U.S.C.112(f)进行解释。

Claims (20)

1.一种定位在第一管线与第二管线之间的球阀，所述球阀包括：

壳体；

球，所述球设置在所述壳体内并且具有孔，其中所述球被配置成在打开位置与关闭位置之间旋转；

环形阀座，所述环形阀座设置在所述壳体与所述球之间，其中所述环形阀座包括：

第一环形密封环，所述第一环形密封环围绕所述环形阀座的径向外表面沿周向延伸；以及

轴向延伸的通道，所述轴向延伸的通道延伸穿过所述环形阀座以使得流体流能够从阀腔流到在所述环形阀座与所述壳体之间的环形空间，其中所述第一环形密封环、所述轴向延伸的通道和所述环形空间促成所述环形阀座的在所述球从所述关闭位置朝向所述打开位置旋转时远离所述球的移动。

2.如权利要求1所述的球阀，其中所述第一环形密封环被配置成在所述环形阀座的所述径向外表面与所述壳体之间形成环形密封并且阻止流体流从所述阀腔流到所述环形空间。

3.如权利要求1所述的球阀，其中所述第一环形密封环围绕所述环形阀座的所述径向外表面的径向最外侧部分沿周向延伸。

4.如权利要求3所述的球阀，所述球阀包括第二环形密封环，所述第二环形密封环围绕所述环形阀座的所述径向外表面沿周向延伸，其中所述第二环形密封环被配置成阻止工作流体流从所述第一管线流到在所述环形阀座与所述壳体之间的所述环形空间。

5.如权利要求4所述的球阀，其中所述轴向延伸的通道沿着所述球阀的径向轴线定位在所述第一环形密封环与所述第二环形密封环之间。

6.如权利要求1所述的球阀，所述球阀包括一个或多个附加的轴向延伸的通道，所述一个或多个附加的轴向延伸的通道从所述阀腔延伸到所述环形空间并且围绕所述环形阀座定位在离散的周向位置处。

7.如权利要求1所述的球阀，所述球阀包括偏置构件，所述偏置构件定位在所述环形空间中，其中所述偏置构件被配置成使所述环形阀座朝向所述球偏置。

8.如权利要求7所述的球阀，所述球阀包括肩部，所述肩部从所述壳体延伸并且被配置成限制所述环形阀座的所述移动，从而保护所述偏置构件。

9.如权利要求1所述的球阀，其中所述第一环形密封环、所述轴向延伸的通道和所述环形空间促成所述环形阀座的在所述球从所述关闭位置移动通过在约5度与40度之间的路径的至少一部分时远离所述球的移动。

10.如权利要求1所述的球阀，其中暴露于所述阀腔中的空腔压力的所述环形阀座的第一表面区域大于暴露于所述第一管线中的管线压力的所述环形阀座的第二表面区域。

11.一种定位在第一管线与第二管线之间的球阀，所述球阀包括：

壳体；

球，所述球设置在所述壳体内并且具有孔，其中所述球被配置成围绕旋转轴线在以下两者之间旋转：打开位置，所述打开位置使得工作流体流能够流过所述第一管线和所述第二管线；以及关闭位置，所述关闭位置阻止所述工作流体流流过所述第一管线和所述第二管线；

环形阀座，所述环形阀座设置在所述壳体与所述球之间；以及

环形空间，所述环形空间被限定在所述环形阀座与所述壳体之间；

其中所述环形阀座包括：多个密封件，所述多个密封件被配置成使所述环形空间与所述第一管线并与阀腔隔离；以及轴向延伸的通道，所述轴向延伸的通道延伸穿过所述环形阀座以使得流体流能够从所述阀腔流到所述环形空间；

其中所述多个密封件、所述轴向延伸的通道和所述环形空间促成所述环形阀座的在所述球从所述关闭位置朝向所述打开位置旋转时远离所述球的移动。

12.如权利要求11所述的球阀，其中所述多个密封件包括第一环形密封环，所述第一环形密封环围绕所述环形阀座的径向外表面的径向最外侧部分沿周向延伸，并且所述第一环形密封环被配置成接触所述壳体并且阻止流体流从所述阀腔流到所述环形空间。

13.如权利要求11所述的球阀，其中所述轴向延伸的通道沿着所述球阀的径向轴线定位在所述多个密封件的第一环形密封环与所述多个密封件的第二环形密封环之间。

14.一种定位在第一管线与第二管线之间的球阀，所述球阀包括：

壳体；

球，所述球被配置成设置在所述壳体内并且具有孔，其中所述球被配置成沿着旋转路径在以下两者之间旋转：打开位置，其中所述孔与所述第一管线和所述第二管线对准；以及关闭位置，其中所述孔大体正交于所述第一管线和所述第二管线；

环形阀座，所述环形阀座设置在所述壳体与所述球之间，其中所述环形阀座被配置成在所述球处于所述关闭位置时接触所述球，在所述球旋转通过所述旋转路径的第一部分时自动地远离所述球移动，并且在所述球旋转通过所述旋转路径的第二部分时自动地朝向所述球移动，使得所述环形阀座在所述球到达所述打开位置时接触所述球。

15.如权利要求14所述的球阀，其中所述球阀包括在所述环形阀座与所述壳体之间的环形空间，并且所述环形阀座包括：多个密封件，所述多个密封件被配置成使所述环形空间与所述第一管线并与阀腔隔离；以及轴向延伸的通道，所述轴向延伸的通道延伸穿过所述环形阀座以使得流体流能够从所述阀腔流到所述环形空间。

16.如权利要求14所述的球阀，其中所述环形阀座包括：第一环形密封环，所述第一环形密封环围绕所述环形阀座的径向外表面沿周向延伸；以及轴向延伸的通道，所述轴向延伸的通道延伸穿过所述环形阀座以使得流体流能够从阀腔流到在所述环形阀座与所述壳体之间的环形空间。

17.如权利要求16所述的球阀，所述球阀包括第二环形密封环，所述第二环形密封环围绕所述环形阀座的所述径向外表面沿周向延伸，其中所述第二环形密封环被配置成阻止工作流体流从所述第一管线流到在所述环形阀座与所述壳体之间的所述环形空间。

18.如权利要求17所述的球阀，其中所述轴向延伸的通道沿着所述球阀的径向轴线定位在所述第一环形密封环与所述第二环形密封环之间。

19.如权利要求14所述的球阀，所述球阀包括偏置构件，所述偏置构件被配置成使所述环形阀座朝向所述球偏置。

20.如权利要求14所述的球阀，其中所述环形阀座被配置成在不用使用外部流体源、电子控制器、马达和致动器的情况下自动地远离和朝向所述球移动。