CN110701321A - 用于旋塞阀的阀座、阀组件和阀座组装方法 - Google Patents

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Abstract

本文中提供了用于旋塞阀的阀座、阀组件和阀座组装方法。该阀座可以包括：陶瓷阀座插入件，该陶瓷阀座插入件定位在金属阀座壳体内并包括凹部，该凹部与金属阀座壳体的保持唇部相对应；以及柔性套管，该柔性套管围绕陶瓷阀座插入件的外表面的至少一部分同轴地定位。

Description

用于旋塞阀的阀座、阀组件和阀座组装方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年7月10日提交的序列号为62/696,192的美国临时申请的权益和优先权，该美国临时申请的内容整体通过参引并入本文中。
背景技术
在各种工业处理、比如在金属精炼中，在高温和高压下可以将固体和液体从一个容器输送到另一个容器。可能期望在两个容器之间进行流控制，使得流可以不时地被阻止。
发明内容
在各种实施方式中，提供了一种阀座，该阀座包括：陶瓷阀座插入件，该陶瓷的阀座插入件定位在金属的阀座壳体内并包括凹部，该凹部与阀座壳体的保持唇部相对应；以及柔性套管，该柔性套管围绕阀座插入件的外表面的至少一部分同轴地定位。柔性套管可以包括柔韧的聚合材料、比如聚四氟乙烯。阀座壳体可以包括镍铬合金、钛合金或锆合金，并且还可以包括阀座表面。
阀座表面可以具有与塞头的一部分的形状相对应且能够接纳塞头的一部分的形状，比如圆化端部轮廓。陶瓷阀座插入件和柔性套管可以压配合在金属阀座壳体内。
在各种实施方式中，提供了一种阀组件，该阀组件包括：塞头组件，该塞头组件包括塞头和平移轴；阀座，该阀座构造成接纳塞头，其中，塞头与陶瓷阀座插入件接合，其中，陶瓷阀座插入件定位在阀座内并包括与阀座的保持唇部相对应的凹部，并且其中，阀座还包括柔性套管，该柔性套管围绕阀座插入件的外表面的至少一部分同轴地定位。柔性套管可以包括柔韧的聚合材料、比如聚四氟乙烯。阀插入件可以包括阀座表面，该阀座表面可以具有构造成接纳塞头的一部分的圆化端部轮廓。阀座可以包括镍铬合金、钛合金或锆合金，并且塞头可以包括陶瓷材料。
在各种实施方式中，提供了一种用于组装阀座组件的方法，该方法包括：将陶瓷阀座插入件插入到柔性材料坯件的中央孔中；将柔性材料坯件的围绕阀座插入件的部分的直径减小以形成柔性套管；将阀座插入件和柔性套管插入到阀座壳体中；以及将柔性材料坯件的长度减小以形成具有端部轮廓的柔性套管。阀座插入件可以包括位于远端端部处的凹部。柔性材料坯件可以包括聚四氟乙烯。阀座插入件可以包括阀座表面，该阀座表面具有构造成接纳塞头的一部分的圆化端部轮廓。柔性套管的端部轮廓可以与阀座插入件的阀座表面的部分齐平。
附图说明
在说明书的结论部分中特别指出并清楚地要求各种实施方式。以下是对附图的概述，其中，相同的数字表示相同的元件，并且其中：
图1示出了根据各种实施方式的具有旋塞阀的工业处理。
图2示出了根据各种实施方式的旋塞阀座构型的横截面视图；
图3A示出了根据各种实施方式的部分组装的阀座组件的横截面视图；
图3B示出了根据各种实施方式的部分组装的阀座组件的另一横截面视图；以及
图3C示出了根据各种实施方式的组装的阀座组件的横截面。
具体实施方式
本文中对示例性实施方式的详细描述参照了附图，附图以说明的方式示出了示例性实施方式和最佳方式。尽管足够详细地描述了这些示例性实施方式以使得本领域技术人员能够实践本发明，但是应当理解，可以实现其他实施方式并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出逻辑、化学和机械改变。因此，本文的详细描述仅出于说明的目的而非限制的目的呈现。例如，任何方法或处理描述中所述的步骤可以以任何顺序执行，并且不一定限于所呈现的顺序。此外，许多功能或步骤可以外包给一个或更多个第三方或由一个或更多个第三方执行。此外，对单数的任何引用包括复数实施方式，并且对多于一个的部件或步骤的任何引用可以包括单数部件或步骤。此外，对附接、固定、连接等的任何引用可以包括永久的、可移除的、临时的、部分的、完整的和/或任何其他可能的附接选项。
隔离阀可以操作成对管道中的流体或浆料的流动进行控制。例如，参照图1，示出了矿石加工系统100。矿石加工系统100可以用于与高压酸浸(HPAL)、压力氧化(POX)或任何其他采矿或工业应用——其中，溶剂与包括一种或更多种金属的材料混合并经受例如升高的温度或升高的压力中的至少一者——结合使用。
固体和液体的混合物——该混合物可以称为浆料——可以在高压釜 102中经受高温和/或高压。例如，矿石可以与强酸(例如H2SO4)或强碱 (例如NaOH或NH3)混合并且可以经受从80℃至300℃的温度或更高的温度和从约10psi(～68kPa)至900psi(～6,205kPa)的总压力。浆料可以具有介于1与4之间(在酸性应用中)或介于约10与14之间(在碱性应用中)的pH。这种处理可以称为加压浸取(pressure leaching)。隔离阀、比如旋塞阀104可以定位在高压釜102与高压闪蒸罐106之间，并且可以用于阻止(stop)矿石加工系统100的这两个部件之间的流。还示出了低压闪蒸罐108以用于参照。旋塞阀104可以与隔离阀111配对。隔离阀111 可以是球阀、旋塞阀或任何其他合适的阀。尽管参照特定应用和操作条件进行了描述，但是隔离阀111可以在任何合适的处理中使用。
可以根据工业需求来设定高压釜102的尺寸，但是高压釜102的尺寸在各种实施方式中都大于200m3。排出管线110的尺寸也可以变化，但是排出管线110的尺寸在各种实施方式中以直径计都大于50mm。
旋塞阀104可以包括角型隔离阀，并且在各种实施方式中，旋塞阀 104可以被认为是全径阀或接近全径阀(full bore valve)。旋塞阀104可以以“流不足(flow under)”取向构造，在该取向中，流倾向于迫使阀打开，与流倾向于迫使阀闭合的“溢流”阀相反。在该方面，浆料配置成从高压釜102流动至高压闪蒸罐106。
在其他实施方式中，旋塞阀104可以包括非隔离阀，其中，旋塞阀 104用于减小或调节压力和/或流(与操作成使阻止流通过阀的隔离阀相反)。例如，旋塞阀104可以包括排气阀、闪蒸减压阀或液面控制阀、以及其他类型的非隔离阀。
在操作中，旋塞阀104可以被致动至闭合位置以将高压釜102与高压闪蒸罐106流体地隔离。响应于致动至打开位置，当浆料从高压釜102向高压闪蒸罐106流动时，旋塞阀104可能经历处于高的速度、温度和压力的浆料流。
参照图2，以横截面示出了旋塞阀104的塞头组件部分。为方便起见，在该图和其他图中示出了轴向-径向-周向(A-R-C)轴线。应当指出的是，示出的相对于第二部件沿正轴向方向移位的第一部件可以被称为第二部件的远端部。塞头组件250包括平移轴218和塞头202。塞头202可以包括一种或更多种材料。在各种实施方式中，塞头202可以包括一种或更多种金属，比方说例如各种钢合金、不锈钢、钛、诸如碳化硅(SiC)的陶瓷、碳化硼(B4C)、碳化钨(WC)、氧化锆(ZrO2)和诸如奥氏体镍铬合金——比如以商标INCONEL出售的奥氏体镍铬合金——的镍铬合金。镍铬合金可以很好地适合于高温环境。常规的高压釜隔离阀镶边(trim) 可以包括具有薄陶瓷涂层的金属。在操作中，薄陶瓷涂层可能很快由于镶边的滑动作用而被磨损、通过使浆料流中的大固体碎片破碎而被损坏并且通过高速浆料的通过而被腐蚀。在这些应用中，整体陶瓷可以提供对这些磨损、损坏和腐蚀潜能的更好的抗力。迄今为止，陶瓷镶边还没有用于常规的高压釜球阀中，因为很难设计并构造出不会由于陶瓷材料的脆性而过早失效的球部和座部。随着镶边尺寸的增加，球阀陶瓷镶边的这种失效趋势自然地增加。在各种实施方式中，角旋塞构型和操作使得对带耐用陶瓷镶边的阀的设计和构造变得实际。
如本文中所指出的，实际的阀镶边材料不包括陶瓷。常规的高压釜隔离球阀操作倾向于在打开和闭合期间使球部和座部受磨损，浆料流在打开和闭合期间腐蚀球部和座部，当球部在座部上闭合时，悬浮在浆料中的固体颗粒捕获并挤压，从而使座部和/或球部的密封元件(或表面)损坏。这些动作的重复组合很快就会引发用于高压、高腐蚀性闪蒸流的泄漏路径，高压、高腐蚀性闪蒸流将快速且显著地增加泄漏路径的尺寸并可能破坏座部、球部和阀本体。这导致高压釜停机和相关的大量生产损失。
在各种实施方式中，塞头202可以包括陶瓷材料，正如阀座插入件 216可以包括陶瓷材料，如本文中所描述的。陶瓷尤其很好地适于高腐蚀应用。塞头202可以具有变化的几何形状204。例如，几何形状204可以是球形、抛物线形、平坦的或任何其他合适的几何构型。如图2中所描绘的，几何形状204是平坦的。
在闭合位置中，塞头202与阀座组件200围绕阀座表面206配合(例如接触)。当旋塞阀104处于闭合位置中时，阀座表面206周向地围绕塞头202。在该方面，塞头202与阀座表面206之间的接触用以抵抗和/或阻止流体或浆料流动经过塞头202。因此，在闭合位置中，旋塞阀104防止流体或浆料流动经过塞头202。
在各种实施方式中，阀座组件200包括阀座插入件216、套管210和阀座壳体212。阀座壳体212可以包括一种或更多种金属，例如各种钢合金、不锈钢、钛和诸如奥氏体镍铬合金——比如以商标INCONEL出售的奥氏体镍铬合金——的镍铬合金。镍铬合金可以很好地适合高温环境。
在各种实施方式中，阀座插入件216包括陶瓷材料。例如，阀座插入件216可以包括陶瓷材料，并且阀座壳体212可以包括金属材料。在这样的实施方式中，阀座插入件216的陶瓷材料包括与阀座壳体212的金属材料不同的热膨胀系数(CTE)。因此，在旋塞阀104的操作期间，阀座壳体212的金属材料可以以与阀座插入件216的陶瓷材料不同的速率和量级线性地膨胀。一般来讲，金属具有比精细陶瓷高的热膨胀系数，从而在阀座插入件216(线性膨胀相对较少)和阀座壳体212(线性膨胀相对较多) 的整体膨胀方面产生显著的差异。例如，INCONEL合金的热膨胀系数可以从约13*10-6/℃至约16*10-6/℃变化，并且精细陶瓷的热膨胀系数可以从约2*10-6/℃至约11*10-6/℃变化。这样，阀座壳体212的金属材料中的较大程度的线性膨胀在阀座插入件216的陶瓷材料上产生显著的轴向拉伸载荷，该轴向拉伸载荷可以导致陶瓷材料的失效。
在各种实施方式中，套管210围绕阀座插入件216的外表面228的至少一部分。例如，套管210可以同轴地定位在阀座插入件216的外表面 228与阀座壳体212的内表面238之间。套管210可以包括柔韧材料。在该方面，套管210可以包括各种热塑性塑料和/或热固性塑料(thermoset) 和/或聚合物材料。例如，套管210可以包括刚性或半刚性聚四氟乙烯(PTFE)。在各种实施方式中，可弹性变形的套管210响应于流体或浆料活动和/或响应于热膨胀而允许阀座插入件216与阀座壳体212之间的相对运动。换句话说，套管210通过允许阀座壳体212和阀座插入件216相对于彼此轴向滑动而使由这两个部件的线性膨胀的差异引起的轴向拉伸载荷的传递减少。特别地，响应于温度的升高，阀座壳体212可以沿径向方向膨胀比阀座插入件216大的程度，因为阀座壳体212的CTE大于阀座插入件216的CTE。然而，套管210的CTE比阀座壳体212和阀座插入件216的CTE大，因此套管210沿径向方向膨胀以有助于将阀座插入件216保持在阀座壳体212中。应当指出的是，陶瓷材料、比如可以用于阀座插入件216的陶瓷材料可以相对抵抗压缩载荷。除了沿径向方向的膨胀之外，响应于温度的升高，阀座壳体212可以沿轴向方向膨胀比阀座插入件216大的程度。在该方面，由阀座壳体212施加拉伸载荷。如果阀座插入件216与阀座壳体212直接接触，则该拉伸载荷可以传递至阀座插入件216，从而在阀座插入件216上产生拉伸载荷或剪切载荷，该拉伸载荷或剪切载荷可能是有害的。然而，由于套管210设置在阀座插入件216与阀座壳体212之间，因此套管210减轻了拉伸载荷。此外，在套管210包括PTFE的实施方式中，考虑到PTFE的低摩擦系数，阀座壳体212可以相对于套管210有益地滑动。以这种方式，阀座壳体212可以被允许轴向地膨胀而不会在阀座插入件216上产生拉伸载荷或剪切载荷，从而倾向于减少阀座插入件216失效的机会。
在各种实施方式中，套管210包括非聚合材料，比如硅基化合物或金属材料。例如，在升高温度下(比方说例如高于260℃)，硅基化合物或金属材料可以具有更高的CTE，这可以改善套管210的性能(如与在相同的升高温度下的聚合材料的性能相比)。
在各种实施方式中，阀座壳体212包括远离阀座表面206的保持唇部 220。例如，保持唇部220可以与阀座插入件216的也远离阀座表面206 定位的凹部224相对应。在这样的实施方式中，保持唇部220与凹部224 接合并防止阀座插入件216在流通过旋塞阀104期间从阀座壳体212移开或与阀座壳体212断开接合。
流动通过角旋塞阀的预期材料以及该材料旨在流动的速度在阀设计中是重要的。在各种实施方式中，包括固相和液相的浆料旨在流动通过角旋塞阀。根据可压缩流动理论(compressible flow theory)和多相系统的热力学，根据各种实施方式，喉部处的流被阻塞并以当地声速流动。喉部之前的流表现得像不可压缩的流体并且喉部之后的流表现得像可压缩的超音速流体。当喉部下游的面积扩大时，流体的局部性能是喉部面积与局部流动面积之比的函数和上游流体供应热力学性能的函数。紧靠喉部下游的超音速流动性能独立于远离下游的流动状态、比如下游的罐压力。随着面积扩大，速度增加并且流体密度降低。根据Smith在美国专利No.7,237,574 中的方程式、参考文献和描述，对这些性能进行数学建模，该美国专利的全部内容通过参引并入本文中。
座面间隙流动面积(Ag)可以计算为座面ID乘以面间隙(Ag＝D面×g 面)。当阀座组件200闭合时，塞头202与阀座插入件216之间的环形流动面积减小，直到塞的筒形突出部的面刚刚开始进入孔径为止。该阈值最小流动面积与显著更大的座面间隙流动面积(Ag)一致。随着闪蒸流在喉部之后膨胀，速度增加并且流体密度降低。在各种实施方式中，成对的塞和座的几何尺寸被制成使得在Ag处的闪蒸流的速度可以达到100m/s或更高并且密度可以达到喉部上游的流体密度的25％或更小。使用上述流建模方法来确定正确的几何面积比。例如，浆料的上游源压力可以在5bar与60 bar之间，温度可以在100℃与300℃之间，并且浆料密度可以在900kg/m3与1,200kg/m3之间。例如，在各种实施方式中，浆料的上游源压力可以在约47bar之间，温度可以为253℃，并且浆料密度可以为1,113kg/m3。在角旋塞阀打开的情况下，在各种实施方式中，流动面积比可以在1/60 与1/80之间，速度可以在80m/s与120m/s之间，并且浆料密度可以在 170kg/m3与190g/m3之间。在角旋塞阀打开的情况下，在各种实施方式中，流动面积比可以为约1/73，速度可以为102m/s，并且浆料密度可以为181g/m3。
参照图3A至图3C，示出了根据各种实施方式的用于组装阀组件的方法。参照图3A，阀座插入件216插入到柔性(compliant)材料坯件332 中。例如，阀座插入件216被按压到柔性材料坯件332的中央开口中。
柔性材料坯件332可以包括柔性材料块(piece)、比如刚性或半刚性聚四氟乙烯，该柔性材料块具有中央孔，该中央孔的直径的尺寸设定成与阀座插入件216的外径相对应。在各种实施方式中，柔性材料坯件332包括方形或圆形的柔性材料管。在其他实施方式中，柔性材料坯件332包括实心正方形、矩形或圆形形状件，通过例如钻孔或机械加工在该形状件中形成中央孔。
参照图3B，柔性材料坯件332可以减小至减小的外径334。例如，减小的外径334可以对应于套管210的期望厚度，比方说例如在约1.5毫米与约5毫米之间。在各种实施方式中，柔性材料坯件332的外部尺寸被减小成使得从阀座插入件216的端部338突出的延伸端部336保持处于比减小的外径334大的尺寸。例如，柔性材料坯件332可以包括比阀座插入件216的长度大的长度，该延伸端部336可以从阀座插入件216的阀座表面 206突出。
参照图3C，在柔性材料坯件332减小至减小的外径334(形成套管 210)之后，套管210和阀座插入件216可以插入到阀座壳体212中。例如，可以将套管210和阀座插入件216的尺寸设定成使得：在室温下，这两个部件作为压配合件(fit)、摩擦配合件或螺纹配合件装配在阀座壳体 212内。此外，套管210可以被加热、被插入到阀座插入件216中、并被允许冷却，从而产生热缩式配合。在各种实施方式中，套管210和阀座插入件216从近端的端部被插入到阀座壳体212中，使得保持唇部220和凹部224对准并与彼此接触。
返回参照图2，可以移除柔性材料坯件332的延伸端336以形成套管 210的端部轮廓240。例如，端部轮廓240可以与阀座插入件216的端部 242和/或阀座壳体212齐平，从而形成相对平坦的端部轮廓。
本文中已经关于具体实施方式描述了益处和其他优点。此外，本文包括的各个图中所示的连接线旨在表示各个元件之间的示例性功能关系和/ 或物理联接。应当指出的是，在实际系统中可以存在许多替代性或附加的功能关系或物理连接。然而，可能导致任何益处或优点发生或变得更加显著的益处、优点和任何元件不应当被解释为本公开的关键的、必需的或必要的特征或元件。因此，本公开的范围不受除了所附权利要求之外的任何内容限制，其中，除非明确地如此陈述，否则对单数形式的元件的引用并非旨在表示“一个且仅一个”，而是表示“一个或更多个”。此外，在类似于“A、B或C中的至少一者”的短语用在权利要求中的情况下，该短语旨在被理解成表示：在实施方式中可以存在仅A，在实施方式中可以存在仅B，在实施方式中可以存在仅C，或者在单个实施方式中可以存在元件 A、B和C中的任一组合，例如，A和B、A和C、B和C或者A和B和 C。
在本文中提供了系统、方法和设备。在本文的详细描述中，对“各个实施方式”、“一个实施方式”、“一实施方式”、“示例实施方式”等的引用指示所描述的实施方式可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施方式可能不一定都包括该特定特征、结构或特性。此外，这些短语不一定是指同一实施方式。此外，当结合实施方式描述特定特征、结构或特性时，认为结合其他实施方式实现这样的特征、结构或特性也落在本领域技术人员的知识内，而无论是否被明确描述。在阅读说明书之后，如何在替代性的实施方式中实现本公开对于相关领域的技术人员而言是明显的。
此外，无论元件、部件或方法步骤是否在权利要求中明确叙述，本公开中的元件、部件或方法步骤都不旨在呈献给公众。权利要求要素均不旨在援引35U.S.C.112(f)，除非使用短语“用于……的方法”明确叙述该要素。如本文所使用的，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”或其任何其他变型旨在涵盖非排他性的包含，使得包括要素列表的过程、方法、制品或设备并非仅包括那些元件，而是可以包括其他未明确列出的元件或这些过程、方法、制品或设备固有的元件。

Claims (20)

1.一种阀座，包括：
陶瓷阀座插入件，所述陶瓷阀座插入件定位在金属阀座壳体内并包括凹部，所述凹部与所述金属阀座壳体的保持唇部相对应；以及
套管，所述套管围绕所述陶瓷阀座插入件的外表面的至少一部分同轴地定位。
2.根据权利要求1所述的阀座，其中，所述套管包括柔韧的聚合材料。
3.根据权利要求2所述的阀座，其中，所述套管包括聚四氟乙烯。
4.根据权利要求3所述的阀座，其中，所述金属阀座壳体包括镍铬合金、钛合金和锆合金中的一者。
5.根据权利要求4所述的阀座，其中，所述陶瓷阀座插入件包括阀座表面。
6.根据权利要求5所述的阀座，其中，所述阀座表面具有与塞头的一部分的形状相对应的形状。
7.根据权利要求6所述的阀座，其中，所述阀座表面包括圆化端部轮廓。
8.根据权利要求1所述的阀座，其中，所述陶瓷阀座插入件和柔性的所述套管被压配合在所述金属阀座壳体内。
9.一种阀组件，包括：
塞头组件，所述塞头组件包括塞头和平移轴；
阀座，所述阀座构造成接纳所述塞头，其中，所述塞头与陶瓷阀座插入件接合，
其中，所述陶瓷阀座插入件定位在所述阀座内并包括凹部，所述凹部与所述阀座的保持唇部相对应，并且
其中，所述阀座还包括套管，所述套管围绕所述陶瓷阀座插入件的外表面的至少一部分同轴地定位。
10.根据权利要求9所述的阀组件，其中，所述套管包括柔韧的聚合材料。
11.根据权利要求10所述的阀组件，其中，所述套管包括聚四氟乙烯。
12.根据权利要求9所述的阀组件，其中，所述陶瓷阀座插入件包括阀座表面。
13.根据权利要求12所述的阀组件，其中，所述阀座表面包括构造成接纳所述塞头的一部分的圆化端部轮廓。
14.根据权利要求9所述的阀组件，其中，金属阀座壳体包括镍铬合金、钛合金和锆合金中的一者。
15.根据权利要求14所述的阀组件，其中，所述塞头包括陶瓷材料。
16.一种用于组装阀座的方法，所述方法包括：
将陶瓷阀座插入件插入到材料坯件的中央孔中；
将所述材料坯件的围绕所述陶瓷阀座插入件的部分的直径减小以形成套管；
将所述陶瓷阀座插入件和所述套管插入到阀座壳体中；以及
将柔性的所述材料坯件的长度减小以形成具有端部轮廓的套管。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述陶瓷阀座插入件包括位于远端端部处的凹部。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述材料坯件包括聚四氟乙烯。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述陶瓷阀座插入件包括阀座表面，所述阀座表面具有构造成接纳塞头的一部分的圆化端部轮廓。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述套管的所述端部轮廓与所述陶瓷阀座插入件的所述阀座表面的一部分齐平。
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