CN110873196A - 阀、阀组件及其应用 - Google Patents
阀、阀组件及其应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110873196A CN110873196A CN201910675415.1A CN201910675415A CN110873196A CN 110873196 A CN110873196 A CN 110873196A CN 201910675415 A CN201910675415 A CN 201910675415A CN 110873196 A CN110873196 A CN 110873196A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- valve
- seal
- head
- seat
- valve seat
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000013011 mating Effects 0.000 claims abstract description 80
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 73
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 41
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 41
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 32
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 30
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 16
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910000531 Co alloy Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 11
- 238000003780 insertion Methods 0.000 claims description 8
- 230000037431 insertion Effects 0.000 claims description 8
- 230000000712 assembly Effects 0.000 abstract description 5
- 238000000429 assembly Methods 0.000 abstract description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 abstract description 4
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 16
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 12
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 10
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 7
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 7
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 7
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 7
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 7
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 5
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 5
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 4
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 4
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 3
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 3
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 3
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 3
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 3
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L hydroxy(oxo)manganese;manganese Chemical compound [Mn].O[Mn]=O.O[Mn]=O AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004372 laser cladding Methods 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 239000011156 metal matrix composite Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 1
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical compound B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 1
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910020968 MoSi2 Inorganic materials 0.000 description 1
- VEQPNABPJHWNSG-UHFFFAOYSA-N Nickel(2+) Chemical compound [Ni+2] VEQPNABPJHWNSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N Raney nickel Chemical compound [Al].[Ni] NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910033181 TiB2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002902 bimodal effect Effects 0.000 description 1
- 238000005422 blasting Methods 0.000 description 1
- XTDAIYZKROTZLD-UHFFFAOYSA-N boranylidynetantalum Chemical compound [Ta]#B XTDAIYZKROTZLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- BFGKITSFLPAWGI-UHFFFAOYSA-N chromium(3+) Chemical compound [Cr+3] BFGKITSFLPAWGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910000907 nickel aluminide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 1
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 1
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001935 vanadium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
- F16K25/00—Details relating to contact between valve members and seats
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
- F16K1/00—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
- F16K1/12—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces with streamlined valve member around which the fluid flows when the valve is opened
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
- F16K1/00—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
- F16K1/32—Details
- F16K1/34—Cutting-off parts, e.g. valve members, seats
- F16K1/36—Valve members
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
- F16K1/00—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
- F16K1/32—Details
- F16K1/34—Cutting-off parts, e.g. valve members, seats
- F16K1/42—Valve seats
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
- F16K1/00—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
- F16K1/32—Details
- F16K1/34—Cutting-off parts, e.g. valve members, seats
- F16K1/46—Attachment of sealing rings
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
- F16K25/00—Details relating to contact between valve members and seats
- F16K25/005—Particular materials for seats or closure elements
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Lift Valve (AREA)
Abstract
本发明题为“阀、阀组件及其应用”。本文描述了阀和阀组件，该阀和阀组件采用架构，该架构可减轻降解磨损机制，从而延长组件的寿命。在一个方面，阀包括头部，该头部包括圆周表面和阀座配合表面。腿部构件从头部延伸，其中腿部构件中的一个或多个腿部构件的厚度沿远离头部的方向渐缩，以引起头部周围的层流流体流动。该阀还可包括联接到头部的圆周表面的密封件。在一些实施方案中，密封件的外部表面表现出一曲率半径，从而保持阀周围的层流流体流动。另外，在一些实施方案中，密封件可与阀座配合表面的一部分重叠。
Description
技术领域
本发明涉及阀和阀组件，并且具体地讲，涉及用于流体端应用的阀和阀组件。
背景技术
阀和相关的阀组件在高压泵的流体端中起着关键作用，该高压泵在多个气缸中包含正排量活塞。由于阀主体和阀座之间的高压和周期性冲击，阀的操作环境通常很严峻。这些严峻的操作条件可引起阀组件的过早出现故障和/或泄漏。此外，通过流体端并且接触阀组件的流体可包括来自水力压裂操作的高水平颗粒物质。另外，一种或多种酸和/或其他腐蚀性物质可存在于流体/颗粒混合物中。在水力压裂中，在来自井的水压被释放之后，采用颗粒浆料来维持地质构造中的裂缝开口。在一些实施方案中，由于氧化铝相对于二氧化硅颗粒或砂具有较高的压缩强度，因此在浆料中采用氧化铝颗粒。颗粒浆料可在阀和阀座的接触表面上赋予显著的磨损。另外，浆料颗粒可陷入阀密封循环中，从而导致阀组件的进一步性能退化。
发明内容
鉴于这些缺点，本文描述了阀和阀组件，该阀和阀组件采用架构，该架构可减轻降解磨损机制，从而延长组件的寿命。在一个方面，阀包括头部，该头部包括圆周表面和阀座配合表面。腿部构件从头部延伸，其中腿部构件中的一个或多个腿部构件的厚度沿远离头部的方向渐缩，以引起头部周围的层流流体流动。阀还可包括联接到头部的圆周表面的密封件。在一些实施方案中，密封件的外部表面表现出一曲率半径，从而保持阀周围的层流流体流动。另外，在一些实施方案中，密封件可与阀座配合表面的一部分重叠。
在另一方面，阀包括头部，该头部包括圆周表面和阀座配合表面。密封件联接到圆周表面，其中密封件与阀座配合表面形成在密封件上建立主座接触区的角度。主座接触区可具有靠近密封件的外圆周表面的位置。如本文进一步所述，当阀与阀座配合时，压缩应力可被集中在主座接触区处。在一些实施方案中，密封件与阀座配合表面的一部分重叠。
在另一方面，本文中描述了阀组件。在一些实施方案中，阀组件包括阀座和与阀座往复接触的阀，该阀包括头部，该头部包括圆周表面和阀配合表面。腿部构件从头部延伸，其中腿部构件中的一个或多个腿部构件的厚度沿远离头部的方向渐缩，以引起头部周围的层流流体流动。阀还可包括联接到头部的圆周表面的密封件。在一些实施方案中，密封件的外部表面表现出一曲率半径，从而保持阀周围的层流流体流动。在一些实施方案中，密封件还可与阀座配合面的一部分重叠。另外，密封件可与阀座配合表面形成在密封件上建立主座接触区的角度。在一些实施方案中，主座接触区靠近密封件的外圆周表面定位。当与阀座配合时，密封件上的主接触区可表现出压缩应力的集中。
在一些实施方案中，阀座可包括主体，该主体包括用于插入流体端的流体通道中的第一节段以及从第一节段纵向延伸的第二节段，该第二节段包括耐磨镶嵌件定位在其中的凹陷部。耐磨镶嵌件用作阀配合表面。在一些实施方案中，耐磨镶嵌件表现出压缩应力条件。此外，阀座的第一节段和第二节段可具有相同外径或不同外径。例如，第二节段的外径可大于第一节段的外径。在其他实施方案中，阀座可由单个合金组合物形成，从而避免了耐磨镶嵌件。
在另外的方面，本文还描述了控制流体流动的方法。在一些实施方案中，控制流体流动的方法包括提供阀组件，该阀组件包括阀座以及与阀座往复接触的阀。阀包括头部，该头部包括圆周表面和阀座配合表面。腿部构件从头部延伸，其中腿部构件中的一个或多个腿部构件的厚度沿远离头部的方向渐缩。阀移动脱离阀座以使流体流过组件，其中一个或多个锥形腿部构件引起头部周围的层流流体流动。阀随后与阀座配合以阻止流体流过阀。在一些实施方案中，密封件联接到头部的圆周表面。密封件可具有一曲率半径，从而保持阀周围的层流流体流动。
这些和其他实施方案在以下具体实施方式中进一步描述。
附图说明
图1示出了根据一些实施方案的接合阀座的密封件的主座接触区。
图2示出了根据一些实施方案的与阀座接触的阀密封件的应力分布。
图3示出了根据一些实施方案的阀的正视图。
图4为图3的截面图B。
图5为沿着A-A线的图3的阀的剖视图。
图6为图5的截面图C。
图7A至图7F示出了根据一些实施方案的各种横截面密封件几何形状。
图8为根据一些实施方案的图3至图6中的阀的流体流动建模，示出了阀头部周围的层流流动。
图9为根据一些实施方案的阀座的横截面示意图。
图10为根据一些实施方案的阀座的横截面示意图。
图11为根据一些实施方案的阀座的底部平面视图。
图12为根据一些实施方案的阀座的顶部平面视图。
图13为根据一些实施方案的阀座的透视图。
图14为根据一些实施方案的阀座的侧正视图。
图15为根据一些实施方案的烧结硬质碳化物镶嵌件的剖视图。
图16为根据一些实施方案的阀座的剖视图，该阀座包括联接到合金主体或壳体的烧结硬质碳化物镶嵌件。
图17为根据一些实施方案的阀座的剖视图，该阀座包括联接到合金主体或壳体的烧结硬质碳化物镶嵌件。
具体实施方式
通过参考以下具体实施方式和示例，可更容易地理解本文所述的实施方案。然而，本文所述的元素、设备和方法并不限于具体实施方式和示例中所呈现的具体实施方案。应当认识到，这些实施方案仅示例性地说明本发明的原理。在不脱离本发明实质和范围的情况下，多种修改和变更对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
I.阀
本文描述了阀，该阀采用架构，该架构可减轻降解磨损途径，从而延长阀的寿命。在一个方面，阀包括头部，该头部包括圆周表面和阀座配合表面。腿部构件从头部延伸，其中腿部构件中的一个或多个腿部构件的厚度沿远离头部的方向渐缩，以引起头部周围的层流流体流动。腿部构件可具有与引起头部周围的层流流体流动一致的任何锥角。例如，腿部中的一个或多个腿部可具有1度至10度的锥角。在其他实施方案中，腿部锥角可以是2度至5度。阀的腿部构件可表现出相同锥角或不同锥角。每个腿部构件的锥角可根据阀的流体流动环境单独调整。另选地，腿部构件的锥角可彼此结合调整，以引起头部周围的层流流体流动。腿部构件还可包括圆形表面和/或平坦表面。例如，腿部构件的一个或多个边缘可以是圆形的。
阀可包括任何所需的数量的腿部构件。可以根据若干考虑因素来选择腿部构件的数量，该若干考虑因素包括但不限于阀的流体流动环境和结合有阀的组件的结构参数。阀可包括3个至6个腿部构件。在一些实施方案中，阀的腿部构件可表现出等距的径向间距或偏移。在其他实施方案中，腿部构件之间的径向间距可以是可变的。
腿部构件从阀头部的底表面延伸。中间主体构件或躯干可驻留在腿部构件和头部的底表面之间。腿部构件可从中间主体构件径向延伸。在一些实施方案中，腿部构件相对于阀的纵向轴线以45度至80度的角度径向延伸。在一些实施方案中，腿部构件相对于阀的纵向轴线以60度至70度的角度径向延伸。腿部构件中的每个腿部构件可以以相同角度径向延伸。另选地，腿部构件可相对于纵向轴线以不同角度径向延伸。另外，位于中间主体构件和阀头部的底表面之间的过渡区域可表现出一曲率半径。曲率半径可在0.25mm至5mm的范围内。在一些实施方案中，过渡区域曲率半径在0.5mm至2mm的范围内。曲率半径可有助于保持头部周围的层流流体流动。
阀还可包括联接到头部的圆周表面的密封件。在一些实施方案中，圆周表面限定接合密封件的环形凹槽，该环形凹槽包括顶表面和底表面。环形凹槽的顶表面可径向延伸超过底表面。另外，环形凹槽的底表面可过渡到阀座配合表面。在一些实施方案中，位于凹槽底表面和阀座配合表面之间的过渡区域具有小于环形凹槽曲率半径的曲率半径。
密封件的外部表面可具有一曲率半径，从而保持阀头部周围的层流流体流动。因此，锥形腿部构件可与密封件和中间主体构件一起工作，以提供阀头部周围的层流流体流动。在一些实施方案中，密封件与阀座配合表面的一部分重叠。在其他实施方案中，密封件终止于阀座配合表面的端壁处，并且不与阀座配合表面的一部分重叠。密封件可包括与高压流体环境中的阀组件的密封一致的任何材料，诸如在用于水力压裂操作的流体端中遇到的那些材料。在一些实施方案中，密封件包含聚合物材料，诸如聚氨酯或聚氨酯衍生物。在其他实施方案中，密封件可单独地或与其他聚合物材料组合地包含一种或多种弹性体材料。
值得注意的是，密封件可与阀座配合表面形成角度(α)。与阀座配合表面形成的角度(α)可在密封件上建立用于接触阀座的主要区。该主座接触区的位置可靠近密封件的外圆周表面。通过改变由密封件和阀座配合表面形成的角度(α)，可以改变主座接触区的径向位置。例如，主座接触区可通过增加角度在密封件上径向向外移动，或者通过减小角度径向向内移动。密封件和阀座配合表面之间的角度(α)例如可在5度至30度的范围内。在一些实施方案中，α的值选自表I。
表I-α的值(度)
| 5-25 |
| 10-20 |
| 8-15 |
| 12-17 |
主座接触区通常是在采用阀的阀组件操作期间接触阀座的密封件的第一区。当阀与阀座配合时，压缩应力可以是最高的或集中在主座接触区。通过建立主座接触区，可以控制密封件的应力释放和/或耗散特性。在一些实施方案中，例如，主座接触区靠近密封件的外圆周表面定位。通过占据该向外径向位置，由于到密封件的外表面的能量传递距离短，主座接触区可快速耗散应力集中或上升。以这种方式，避免了内部径向位置处的应力梯级，并且增强了密封件寿命。该技术解决方案基于一般的应力管理原则是反直觉的，其中应该避免应力梯级，并且应力均匀地分布在密封件的整个区上。
如本文所述，阀包括阀座配合表面。当采用阀的阀组件处于闭合位置时，阀座配合表面接触阀座。在一些实施方案中，阀座配合表面包括形成阀的其余部分的相同合金。另选地，阀座配合表面可包括耐磨包层。耐磨包层例如可包含耐磨合金。合适的耐磨合金包括钴基合金和镍基合金。在一些实施方案中，包层的钴基合金具有选自表II的组成参数。
表II-钴基合金
| 元素 | 量(重量％) |
| 铬 | 5-35 |
| 钨 | 0-35 |
| 钼 | 0-35 |
| 镍 | 0-20 |
| 铁 | 0-25 |
| 锰 | 0-2 |
| 硅 | 0-5 |
| 钒 | 0-5 |
| 碳 | 0-4 |
| 硼 | 0-5 |
| 钴 | 余量 |
在一些实施方案中，钴基合金包层具有选自表III的组成参数。
表III-钴基合金包层
在一些实施方案中，镍基合金包层可具有选自表IV的组成参数。
表IV-镍基合金
在一些实施方案中，例如，镍基合金包层包含18重量％至23重量％的铬、5重量％至11重量％的钼、总共2重量％至5重量％的铌和钽、0重量％至5重量％的铁、0.1重量％至5重量％的硼以及余量的镍。另选地，镍基合金包层包含12重量％至20重量％的铬、5重量％至11重量％的铁、0.5重量％至2重量％的锰、0重量％至2重量％的硅、0重量％至1重量％的铜、0重量％至2重量％的碳、0.1重量％至5重量％的硼以及余量的镍。另外，镍基合金包层可包含3重量％至27重量％的铬、0重量％至10重量％的硅、0重量％至10重量％的磷、0重量％至10重量％的铁、0重量％至2重量％的碳、0重量％至5重量％的硼以及余量的镍。
在一些实施方案中，钴基包层和/或镍基包层可通过烧结粉末冶金技术来生产。在其他实施方案中，钴基包层和镍基包层可根据激光熔覆或等离子体转移电弧技术来生产。另外，用于阀配合表面的耐磨包层可具有任何所需的厚度。例如，包层厚度可选自表V。
表V-包层厚度
| ≥50μm |
| ≥100μm |
| 100μm-200μm |
| 500μm-1mm |
钴基包层或镍基包层还可包含硬颗粒。在此类实施方案中，硬颗粒被捕获在于粉末合金的烧结或熔融期间形成的合金基质中。合适的硬颗粒可包括以下材料的颗粒：金属碳化物、金属氮化物、金属碳氮化物、金属硼化物、金属硅化物、胶结碳化物、铸态碳化物、金属间化合物或其他陶瓷或它们的混合物。在一些实施方案中，硬颗粒的金属元素包含铝、硼、硅和/或一种或多种选自周期表IVB、VB和VIB族的金属元素。本文所述的周期表的族是根据CAS名称标识的。
在一些实施方案中，例如，硬颗粒包含钨、钛、铬、钼、锆、铪、钽、铌、铼、钒、硼或硅或它们的混合物的碳化物。硬颗粒还可包含铝、硼、硅、钛、锆、铪、钽或铌(包括立方氮化硼)或它们的混合物的氮化物。另外，在一些实施方案中，硬颗粒包含硼化物，诸如二硼化钛、B4C或硼化钽，或者硅化物，诸如MoSi2或Al2O3-SiN。硬颗粒可包含压碎的胶结碳化物、压碎的碳化物、压碎的氮化物、压碎的硼化物、压碎的硅化物或者其他陶瓷颗粒增强型金属基质复合材料、或它们的组合。例如，压碎的胶结碳化物颗粒可具有2重量％至25重量％的金属粘结剂。另外，硬颗粒可包含金属间化合物，诸如铝化镍。
硬颗粒可具有不违背本发明目的的任何粒度。在一些实施方案中，硬颗粒具有约0.1μm至约1μm范围内的粒度分布。硬颗粒还可表现出双峰粒度分布或多峰粒度分布。硬颗粒可具有任何所需的形状或几何形状。在一些实施方案中，硬颗粒具有球形、椭圆形或多边形的几何形状。在一些实施方案中，硬颗粒具有不规则形状，包括具有锋利边缘的形状。
硬颗粒可以以不违背本发明目的的任何量存在于本文所述的合金包层中。包层的硬颗粒填充可根据若干考虑因素而改变，该若干考虑因素包括但不限于包层的所需的硬度、耐磨性和/或韧性。在一些实施方案中，硬颗粒以0.5重量％至40重量％的量存在于包层中。在一些实施方案中，硬颗粒以1重量％至20重量％或5重量％至20重量％的量存在于包层中。
在一些实施方案中，包层直接施加到阀的阀座配合区。如本文所述，包层可通过粉末冶金技术包括烧结来施加。在其他实施方案中，包层可通过激光熔覆或等离子体转移电弧来施加。另选地，包层可作为镶嵌件提供。例如，包层可被预制成所需的尺寸作为镶嵌件，其中镶嵌件设置在阀主体上的凹陷部中以提供阀座配合表面。镶嵌件可具有以上对于阀座配合表面所述的组成特性中的任一个组成特性，包括钴基合金、镍基合金和/或硬颗粒。阀座配合镶嵌件可经由铜焊合金压配合和/或冶金结合到阀主体。
图1示出了根据一些实施方案的接合阀座的密封件的主座接触区。如图1所示，主座接触区11(圆圈)靠近或邻近密封件10的外圆周表面12定位。图2示出了在与座15接触时密封件10的应力分布。压缩应力集中在主座接触区11中为最高，并且可通过密封件10的相邻外部表面12快速耗散。
图3示出了根据一些实施方案的阀的正视图。阀30包括头部31以及从头部31延伸的腿部构件32。在图3的实施方案中，存在三个腿部构件32，该三个腿部构件具有等距的径向间距。每个腿部构件32的厚度沿远离头部31的方向渐缩以产生头部31周围的层流流体流动。图4为图3的截面图B。腿部构件32的锥度与腿部构件32的圆形边缘33一起是明显的。图3的阀还包括联接到头部31的外圆周表面的密封件34。图5为沿着图3的A-A线截取的阀的剖视图。在剖视图中，密封件34接合环形凹槽35，该环形凹槽具有顶表面35a和底表面35b。具有曲率半径R1的过渡区域35c连接顶表面35a和底表面35b。此外，顶表面35a径向延伸超过底表面35b。在图5的实施方案中，底表面35b经由具有曲率半径R2的过渡区域38过渡到阀座配合表面37。在一些实施方案中，R1大于R2。如上所述，阀座配合表面37包括耐磨包层37a。在图3的实施方案中，阀座配合表面37表现出截头圆锥形几何形状。密封件34与阀座配合表面37形成角度(α)。如上所述，角度(α)可以为密封件34建立主座接触区。图6为图5的截面图C，提供环形凹槽35和相关联密封件34的放大细节。密封件34a的外部表面可表现出用于保持头部31周围的层流流体流动的曲率半径R3。
再次参加图5，腿部构件32从中间主体构件39径向延伸。在中间主体构件39和头部31的底表面之间建立具有曲率半径R3的弯曲过渡区域40。该过渡区域40可具有一曲率半径，从而有助于头部31周围的层流流体流动。在其他实施方案中，过渡区域40不是弯曲的。图7A至图7F示出了根据一些实施方案的各种密封件几何形状和设计的剖视图。
图8示出了示于图3至图6中的阀的流体流动建模。如图8所示，腿部构件32引起头部31周围的层流流体流动。弯曲过渡区域40和密封件34的弯曲外部表面34a有助于保持层流流体流动。
在另一方面，阀包括头部，该头部包括圆周表面和阀座配合表面。密封件联接到圆周表面并且与阀座配合表面形成在密封件上建立主座接触区的角度。主座接触区可靠近密封件的外圆周表面定位。在一些实施方案中，密封件与阀座配合表面的一部分重叠。阀和相关联的主座接触区可具有上面在该第I部分中描述的任何组成、特性和/或功能。例如，阀和密封件可表现出如本文在图1至图8中所述的架构和功能。
Ⅱ.阀组件
在另一方面，本文中描述了阀组件。在一些实施方案中，阀组件包括阀座和与阀座往复接触的阀，该阀包括头部，该头部包括圆周表面和阀配合表面。腿部构件从头部延伸，其中腿部构件中的一个或多个腿部构件的厚度沿远离头部的方向渐缩，以引起头部周围的层流流体流动。阀还可包括联接到头部的圆周表面的密封件。在一些实施方案中，密封件的外部表面表现出一曲率半径，从而保持阀周围的层流流体流动。在一些实施方案中，密封件还可与阀座配合面的一部分重叠。另外，密封件可与阀座配合表面形成在密封件上建立主座接触区的角度。在一些实施方案中，主座接触区靠近密封件的外圆周表面定位。当与阀座配合时，密封件上的主接触区可表现出压缩应力的集中。用于阀组件的阀可具有上面在第I部分中描述的任何架构、特性和/或组成。例如，阀可表现出如本文在图1至图8中所述的架构和功能。
在一些实施方案中，阀座可包括主体，该主体包括用于插入流体端的流体通道中的第一节段以及从第一节段纵向延伸的第二节段，该第二节段包括耐磨镶嵌件定位在其中的凹陷部，其中耐磨镶嵌件包括阀配合表面。在一些实施方案中，耐磨镶嵌件表现出压缩应力条件。此外，阀座的第一节段和第二节段可具有相同外径或不同外径。例如，第二节段的外径可大于第一节段的外径。在其他实施方案中，阀座可由单个合金组合物形成，从而避免了耐磨镶嵌件。
现在参见图9，阀座10包括用于插入流体端的流体通道中的第一节段11。在图9的实施方案中，第一节段11包括锥形外表面12以及大致平行于座10的纵向轴线14的内表面13。在一些实施方案中，内表面13可也是锥形的。锥形外表面12可呈现第一节段11的可变外径D1。另选地，第一节段11的外表面12不是锥形的并且保持平行于纵向轴线14。在此类实施方案中，第一节段11具有静态外径D1。第一节段的外表面12可还包括用于接收O形环的一个或多个凹陷部15。一个或多个O形环可有助于与流体通道壁密封。
第二节段16从第一节段11纵向延伸。第二节段的外径D2大于第一节段11的外径D1。在图9的实施方案中，包围第二节段16的环19形成外径D2的一部分。在一些实施方案中，环19可考虑第二节段16的外径大于第一节段11。在此类实施方案中，阀座的主体可为圆柱形的，其中环19的添加为第二节段16提供较大外径D2。另选地，如图9和图10所示，独立于环19的第二节段16的外径D2可大于第一节段的外径D1。
肩部17由第二节段16的较大外径D2形成。在图9的实施方案中，肩部表面17a大致垂直于阀座10的纵向轴线14。在其他实施方案中，肩部表面17a可成锥形和/或与纵向轴线形成值为5度至70度的角度。肩部17的设计可根据若干考虑因素进行选择，该若干考虑因素包括但不限于流体通道的入口几何形状和阀座在操作时所经受的压力。在一些实施方案中，例如，肩部的锥度可根据与肩部接合的流体通道入口的曲率进行设定。第一节段11在弯曲交叉处18处过渡到第二节段16。该弯曲交叉处可具有任何所需的半径。在一些实施方案中，弯曲交叉处的半径可为肩部的宽度的0.05倍至0.5倍。在其他实施方案中，第一节段和第二节段之间不存在弯曲过渡。此外，在一些实施方案中，第二节段(16)的外径(D2)与第一节段(11)的外径(D1)相等或基本上相等(例如，D1＝D2)。
第二节段16还包括截头圆锥形阀配合表面20，其中第二节段16被环19包围。在图9的实施方案中，环19以同心布置联接到第二节段16的外表面。环19将压缩应力条件赋予第二节段16。通过将第二节段16置于压缩应力中，当将第一节段11压力配合到流体端的流体通道中时，环19可有助于平衡或均衡第一节段11和第二节段16之间的应力。压缩应力条件还可抑制第二节段16中的裂缝形成和/或裂缝扩展，从而增强阀座的寿命并且减少突发或灾难性阀座故障的发生率。压缩应力条件可还使得能够在第二节段16中使用更硬和更脆的材料，诸如形成阀配合表面的更硬和更耐磨等级的硬质碳化物。
在图9的实施方案中，环19与第二节段16的外表面或周边形成平面界面。在其他实施方案中，环19可包括驻留在环19的内环形表面上的一个或多个突起部或凸缘。内环表面上的突起部或凸缘可沿第二节段16的周边装配到凹陷部或凹槽中。这种结构布置可有助于位于环19和第二节段16之间的适当接合。这种结构布置还可有助于在操作流体端期间将第二节段16保持在环19内。在另一个实施方案中，第二节段16可包括一个或多个凸缘的突起部，该一个或多个突起部用于接合环19的内部环形表面中的一个或多个凹陷部。
图10为示出本文所述的阀座的另一个实施方案的示意图。图10的阀座包括图9所示的相同结构特征部。然而，图10中的环19至少部分地覆盖肩部17。例如，环19可设置有径向凸缘19a，用于连接第二节段16的肩部17。在一些实施方案中，环19完全覆盖肩部17。图11为具有图10的架构的阀座的底部平面视图。如图11所示，环19联接到第二节段的周边并且部分地覆盖肩部17。图12为具有图10的架构的阀座的顶部平面视图。截头圆锥形阀配合表面20过渡到阀座10的孔21中。环19包围第二节段16，从而将压缩应力条件赋予第二节段16。相应地，将压缩应力条件赋予阀配合表面20，这可有助于抵抗配合表面20中的裂缝形成和/或裂缝扩展。此外，图13示出了图10的阀座的透视图。图14示出了根据一些实施方案的阀座的侧正视图，其中在第一节段11和第二节段16之间不存在弯曲交叉处。
如本文所述，阀座可包括烧结硬质碳化物。在一些实施方案中，阀座的第一节段和第二节段各自由烧结硬质碳化物形成。另选地，第一节段可由金属或合金(诸如钢或钴基合金)形成，并且第二节段由烧结硬质碳化物形成。形成烧结硬质碳化物的第二节段可相对于其他材料(诸如钢)将硬度和耐磨性赋予阀配合表面。
在一些实施方案中，第二节段由包括烧结硬质碳化物和合金的复合材料形成。例如，可将烧结硬质碳化物镶嵌件联接到钢基材上，其中烧结硬质碳化物镶嵌件形成阀配合表面的一部分或全部，并且钢基材形成第二节段的其余部分。在此类实施方案中，烧结碳化物镶嵌件可径向延伸以接触包围第二节段的环，从而允许环将压缩应力条件赋予烧结碳化物镶嵌件。在其他实施方案中，钢或合金基材包括凹陷部，烧结碳化物镶嵌件定位在该凹陷部中。在该实施方案中，凹陷部的外边缘定位在烧结碳化物镶嵌件和环之间，其中由环赋予的压缩应力通过外边缘传递到烧结碳化物镶嵌件。
阀座的烧结硬质碳化物可包含碳化钨(WC)。WC可以至少70重量％的量或以至少80重量％的量存在于烧结碳化物中。另外，硬质碳化物的金属粘结剂可包含钴或钴合金。例如，钴可以3重量％至20重量％范围内的量存在于烧结硬质碳化物中。在一些实施方案中，钴以5重量％至12重量％或6重量％至10重量％范围内的量存在于阀座的烧结硬质碳化物中。此外，烧结硬质碳化物阀座可表现出粘结剂富集的区域，该区域始于基材的表面并且从基材的表面向内延伸。阀座的烧结硬质碳化物还可包含一种或多种添加剂，诸如例如以下元素和/或其化合物中的一种或多种：钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪。在一些实施方案中，钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪与烧结硬质碳化物的WC形成固溶体碳化物。在此类实施方案中，烧结碳化物可以0.1重量％至5重量％范围内的量包含一种或多种固溶体碳化物。
在一些实施方案中，可采用单一等级的烧结硬质碳化物来形成阀座的第一节段和第二节段。在其他实施方案中，在第一节段和第二节段的烧结硬质碳化物之间可存在一个或多个组成梯度。例如，第一节段的烧结硬质碳化物可具有较大平均晶粒尺寸和/或较高金属粘结剂含量以增加韧性。相比之下，第二节段的烧结硬质碳化物可具有较小平均晶粒尺寸和较少粘结剂以增强硬度和耐磨性。另外，在阀座的第一节段和/或第二节段内可存在组成梯度。在一些实施方案中，形成阀配合表面的烧结硬质碳化物包括小平均晶粒尺寸和较低金属粘结剂含量以增强硬度和耐磨性。随着远离阀配合表面进展，第二节段的烧结硬质碳化物组合物可增加晶粒尺寸和/或粘结剂含量，以增强韧性和抗断裂性。在一些实施方案中，例如，高硬度和高耐磨性的烧结硬质碳化物可在第二节段中延伸至50μm至1mm或75μm至500μm的深度。一旦达到所需的深度，烧结硬质碳化物组合物就变成更坚韧的抗断裂组合物。
在一些实施方案中，当阀配合表面由烧结硬质碳化物形成时，烧结硬质碳化物的表面粗糙度(Ra)可为1μm至15μm。烧结硬质碳化物的表面粗糙度(Ra)还可为5μm至10μm。形成阀配合表面的烧结硬质碳化物的表面粗糙度可经由机械加工(包括但不限于研磨技术和/或喷砂技术)获得。此外，形成阀座的第二节段(包括阀配合表面)的烧结硬质碳化物可表现出至少500MPa的压缩应力条件。在一些实施方案中，形成第二节段的烧结硬质碳化物可具有选自表I的压缩应力条件。
表VI-烧结硬质碳化物压缩应力(GPa)
烧结硬质碳化物的压缩应力条件可以是由包围第二节段的环赋予的压缩和/或对烧结硬质碳化物进行机械加工以提供具有所需的表面粗糙度的阀配合表面而造成的。烧结硬质碳化物的压缩应力可根据Sin2ψ方法经由X射线衍射确定。阀座的烧结硬质碳化物可还表现出88-94 HRA的硬度。
包围第二节段的环可由任何合适的材料形成，该材料可操作以将压缩应力条件赋予第二节段。在一些实施方案中，环由金属或合金(诸如钢)形成。环也可以由陶瓷、金属陶瓷和/或聚合物材料形成，诸如聚氨酯。
在另一个方面，阀座包括用于插入流体端的流体通道中的第一节段以及从第一节段纵向延伸的第二节段，第二节段包括具有表面粗糙度(Ra)为1μm至15μm的烧结硬质碳化物的截头圆锥形阀配合表面。在一些实施方案中，阀配合表面的烧结硬质碳化物被设置为联接到金属或合金主体的镶嵌环。在其他实施方案中，第二节段由烧结硬质碳化物形成。第二节段的外径可大于第一节段的外径。另选地，第一节段和第二节段的外径相等或基本上相等。此外，阀座的第二节段可任选地被如本文所述的环包围。
在另一个方面，用于流体端的阀座包括主体，该主体包括用于插入流体端的流体通道中的第一节段以及从第一节段纵向延伸的第二节段。第二节段包括凹陷部，烧结硬质碳化物镶嵌件定位在该凹陷部中，其中烧结硬质碳化物镶嵌件包括阀配合表面并且表现出压缩应力条件。在一些实施方案中，烧结硬质碳化物镶嵌件的表面粗糙度(Ra)为1μm至15μm。图15示出了根据一些实施方案的烧结硬质碳化物镶嵌件。烧结硬质碳化物镶嵌件70包括截头圆锥形阀配合表面71。形成镶嵌件70的烧结硬质碳化物可具有上述任何组成和/或性质。烧结硬质碳化物镶嵌件可联接到金属或合金主体或者壳体。金属或合金主体可形成阀座的第二节段的一部分以及第一节段。图16为根据一些实施方案的阀座的剖视图，该阀座包括联接到合金主体或壳体的烧结硬质碳化物镶嵌件。在图16的实施方案中，合金主体82形成阀座80的用于插入流体端的流体通道中的第一节段81。合金主体82还形成第二节段86的一部分并且限定凹陷部83，烧结硬质碳化物镶嵌件70定位在该凹陷部中。如图15所示，烧结硬质碳化物镶嵌件70包括表面粗糙度(Ra)为1μm至15μm的截头圆锥形阀配合表面71。在一些实施方案中，阀配合表面71的Ra为5μm至10μm。烧结硬质碳化物镶嵌件70可通过任何所需的手段(包括钎焊、烧结、热等静压和/或压力配合)联接到合金主体82。在一些实施方案中，第二节段86中的合金主体的内环形表面包括一个或多个突起部，该一个或多个突起部用于接合烧结硬质碳化物镶嵌件70的周边上的凹槽。在一些实施方案中，合金主体82可将压缩应力条件赋予烧结硬质碳化物镶嵌件70。例如，合金主体82的第二节段86可将压缩应力条件赋予烧结硬质碳化物镶嵌件70。在一些实施方案中，烧结硬质碳化物镶嵌件70可表现出具有选自上表I的值的压缩应力。合金主体82可由任何所需的合金形成，包括但不限于钢和钴基合金。在图16的实施方案中，合金主体82提供第二节段86的一部分，该第二节段的外径D2大于第一节段81的外径D1。在一些实施方案中，外径D1可随第一节段81的外表面84的锥度而改变。在第一节段81和第二节段86的过渡处存在弯曲交叉处88。另外，第二节段86的较大外径D2产生肩部87。肩部87可具有如本文在图9至图10中所述的构造。在其他实施方案中，第一节段81的外径D1和第二节段86的外径D2相等或基本上相等。在其中D1和D2相等的此类实施方案中，主体82的外表面84可为圆柱形的。
如本文所述，阀座的第一节段和第二节段可具有相同外径或基本上相同的外径。在此类实施方案中，与示于图16中的阀座的双外径(D1,D2)相比，阀座表现出单外径。图17示出了根据一些实施方案的包括烧结硬质碳化物镶嵌件的单外径阀座。图17中的附图标号对应于与图16中的相同部件。如图17所示，阀座80包括单外径D1。在一些实施方案中，阀座80不采用烧结硬质碳化物或其他耐磨材料的镶嵌件70。例如，阀配合表面可由与座主体的其余部分相同的合金形成。在一些实施方案中，耐磨包层可被施加到阀配合表面的合金。耐磨包层可包含本文所述的钴基合金或镍基合金、或者金属基质复合材料。在另外的实施方案中，阀座的外径可沿远离阀配合表面的方向渐缩。例如，座的第一节段的外径可大于第二节段。然而，肩部不存在于第一节段和第二节段之间，并且外径线性向内渐缩。耐磨镶嵌件或包层还可用于其中阀座的外径渐缩而不建立肩部的实施方案中。
III.流体流动控制
在另外的方面，本文还描述了控制流体流动的方法。在一些实施方案中，控制流体流动的方法包括提供阀组件，该阀组件包括阀座以及与阀座往复接触的阀。阀包括头部，该头部包括圆周表面和阀座配合表面。腿部构件从头部延伸，其中腿部构件中的一个或多个腿部构件的厚度沿远离头部的方向渐缩。阀移动脱离阀座以使流体流过组件，其中一个或多个锥形腿部构件引起头部周围的层流流体流动。阀随后与阀座配合以阻止流体流过阀。在一些实施方案中，密封件联接到头部的圆周表面。密封件可具有一曲率半径，从而保持阀周围的层流流体流动。组件的阀和阀座可具有上面在第I部分和第II部分中描述的任何架构、组成和/或特性。例如，阀和阀座可表现出如本文在图1至图17中所述的架构和功能。
针对实现本发明多个目的，已描述了本发明的多个实施方案。应当认识到，这些实施方案仅示例性地说明本发明的原理。在不脱离本发明的实质和范围的情况下，其多种修改和变更对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
Claims (40)
1.一种阀，包括：
头部，所述头部包括圆周表面和阀座配合表面；和
腿部构件，所述腿部构件从所述头部延伸，其中所述腿部构件中的一个或多个腿部构件的厚度沿远离所述头部的方向渐缩，以产生所述头部周围的层流流体流动。
2.根据权利要求1所述的阀，其中中间主体构件被定位在所述头部和所述腿部构件之间。
3.根据权利要求1所述的阀，其中位于所述中间主体构件和所述头部之间的过渡区域具有0.5mm至5mm的曲率半径。
4.根据权利要求1所述的阀，还包括密封件，所述密封件联接到所述头部的所述圆周表面。
5.根据权利要求4所述的阀，其中所述圆周表面限定接合所述密封件的环形凹槽，所述环形凹槽具有顶表面和底表面。
6.根据权利要求5所述的阀，其中所述环形凹槽的所述顶表面径向延伸超过所述底表面。
7.根据权利要求6所述的阀，其中所述底表面过渡到所述阀座配合表面。
8.根据权利要求7所述的阀，其中所述底表面到所述阀配合表面的过渡具有小于所述环形凹槽曲率半径的曲率半径。
9.根据权利要求4所述的阀，其中所述密封件的外部表面表现出一曲率半径，从而保持所述阀周围的所述层流流体流动。
10.根据权利要求4所述的阀，其中所述密封件与所述阀座配合表面形成角度，所述角度在5度至30度的范围内。
11.根据权利要求10所述的阀，其中所述角度在10度至20度的范围内。
12.根据权利要求10所述的阀，其中所述角度在所述密封件上建立主座接触区。
13.根据权利要求12所述的阀，其中所述主座接触区靠近所述密封件的外圆周表面。
14.根据权利要求13所述的阀，其中当所述阀与阀座配合时，压缩应力被集中在所述主座接触区处。
15.根据权利要求1所述的阀，其中所述阀座配合表面包括合金包层。
16.根据权利要求15所述的阀，其中所述包层包含钴基合金或镍基合金。
17.根据权利要求16所述的阀，其中所述合金包层还包含硬颗粒。
18.根据权利要求1所述的阀，其中所述腿部中的一个或多个腿部具有1度至10度的锥角。
19.根据权利要求1所述的阀，其中所述密封件在所述阀座配合表面的一部分上方延伸。
20.一种阀，包括：
头部，所述头部包括圆周表面和阀座配合表面；和
密封件，所述密封件联接到所述圆周表面，其中所述密封件与所述阀座配合表面形成在所述密封件上建立主座接触区的角度，所述主座接触区靠近所述密封件的外圆周表面。
21.根据权利要求20所述的阀，其中所述角度在5度至30度的范围内。
22.根据权利要求21所述的阀，其中所述角度在10度至20度的范围内。
23.根据权利要求20所述的阀，其中当所述阀与阀座配合时，压缩应力被集中在所述主座接触区处。
24.根据权利要求20所述的阀，其中所述密封件在所述阀座配合表面的一部分上方延伸。
25.一种阀组件，包括：
阀座；和
阀，所述阀与所述阀座往复接触，所述阀包括头部和腿部构件，所述头部具有圆周表面和阀配合表面，所述腿部构件从所述头部延伸，其中所述腿部构件中的一个或多个腿部构件的厚度沿远离所述头部的方向渐缩，以产生所述头部周围的层流流体流动。
26.根据权利要求25所述的阀组件，其中位于中间主体构件和所述头部之间的过渡区域具有0.5mm至5mm的曲率半径。
27.根据权利要求25所述的阀组件，其中所述腿部构件中的一个或多个腿部构件具有1度至10度的锥角。
28.根据权利要求25所述的阀组件，还包括密封件，所述密封件联接到所述头部的所述圆周表面。
29.根据权利要求28所述的阀组件，其中所述密封件的外部表面表现出一曲率半径，从而保持所述头部周围的层流流体流动。
30.根据权利要求28所述的阀组件，其中所述密封件与所述阀座配合表面形成在所述密封件上建立主座接触区的角度，其中所述主座接触区靠近所述密封件的外圆周表面。
31.根据权利要求30所述的阀组件，其中当所述阀与所述座配合时，压缩应力被集中在所述主座接触区处。
32.根据权利要求30所述的阀组件，其中所述角度在5度至30度的范围内。
33.根据权利要求25所述的阀组件，其中所述阀座包括主体，所述主体包括用于插入流体端的流体通道中的第一节段以及从所述第一节段纵向延伸的第二节段，所述第二节段包括烧结硬质碳化物镶嵌件被定位在其中的凹陷部，其中所述烧结硬质碳化物镶嵌件包括阀配合表面并且表现出压缩应力条件。
34.根据权利要求33所述的阀组件，其中所述第一节段的外径等于所述第二节段的外径。
35.一种阀组件，包括：
阀座；和
阀，所述阀与所述阀座往复接触，所述阀包括头部和密封件，所述头部包括圆周表面和阀座配合表面，所述密封件联接到所述圆周表面，其中所述密封件与所述阀座配合表面形成在所述密封件上建立主座接触区的角度，其中所述主座接触区靠近所述密封件的外圆周表面。
36.根据权利要求35所述的阀组件，其中所述角度在5度至30度的范围内。
37.根据权利要求35所述的阀组件，其中当所述阀与所述阀座配合时，压缩应力被集中在所述主座接触区处。
38.根据权利要求35所述的阀组件，其中密封件在所述阀座配合表面的一部分上方延伸。
39.根据权利要求35所述的阀组件，其中所述阀座包括主体，所述主体包括用于插入流体端的流体通道中的第一节段以及从所述第一节段纵向延伸的第二节段，所述第二节段包括烧结硬质碳化物镶嵌件被定位在其中的凹陷部，其中所述烧结硬质碳化物镶嵌件包括阀配合表面并且表现出压缩应力条件。
40.一种控制流体流动的方法，包括：
提供阀组件，所述阀组件包括阀座和与所述阀座往复接触的阀，所述阀包括头部和腿部构件，所述头部具有圆周表面和阀配合表面，所述腿部构件从所述头部延伸，其中所述腿部构件中的一个或多个腿部构件的厚度沿远离所述头部的方向渐缩；
将所述阀移动脱离所述阀座以使流体流过所述阀组件，所述一个或多个锥形腿部构件引起所述头部周围的层流流体流动；以及
将所述阀与所述阀座配合以阻止流体流过所述阀。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US16/119,513 | 2018-08-31 | ||
| US16/119,513 US20200072368A1 (en) | 2018-08-31 | 2018-08-31 | Valves, valve assemblies and applications thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110873196A true CN110873196A (zh) | 2020-03-10 |
Family
ID=69526931
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910675415.1A Pending CN110873196A (zh) | 2018-08-31 | 2019-07-25 | 阀、阀组件及其应用 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20200072368A1 (zh) |
| CN (1) | CN110873196A (zh) |
| DE (1) | DE102019123225A1 (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11566713B2 (en) | 2021-04-09 | 2023-01-31 | Kennametal Inc. | Valve seat assembly having mating surfaces with a reverse taper angle |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103597262A (zh) * | 2011-04-14 | 2014-02-19 | S.P.M.流量控制股份有限公司 | 阀组件的预配置密封件 |
| US20150144826A1 (en) * | 2013-11-26 | 2015-05-28 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Valve seats for use in fracturing pumps |
| US20170002947A1 (en) * | 2015-07-02 | 2017-01-05 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Valve for Reciprocating Pump Assembly |
| CN107435147A (zh) * | 2016-05-26 | 2017-12-05 | 肯纳金属公司 | 带包层的制品及其应用 |
| CN107923541A (zh) * | 2015-07-02 | 2018-04-17 | S.P.M.流量控制股份有限公司 | 用于往复式泵组件的阀 |
-
2018
- 2018-08-31 US US16/119,513 patent/US20200072368A1/en not_active Abandoned
-
2019
- 2019-07-25 CN CN201910675415.1A patent/CN110873196A/zh active Pending
- 2019-08-29 DE DE102019123225.2A patent/DE102019123225A1/de not_active Ceased
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103597262A (zh) * | 2011-04-14 | 2014-02-19 | S.P.M.流量控制股份有限公司 | 阀组件的预配置密封件 |
| US20150144826A1 (en) * | 2013-11-26 | 2015-05-28 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Valve seats for use in fracturing pumps |
| US20170002947A1 (en) * | 2015-07-02 | 2017-01-05 | S.P.M. Flow Control, Inc. | Valve for Reciprocating Pump Assembly |
| CN107923541A (zh) * | 2015-07-02 | 2018-04-17 | S.P.M.流量控制股份有限公司 | 用于往复式泵组件的阀 |
| CN107435147A (zh) * | 2016-05-26 | 2017-12-05 | 肯纳金属公司 | 带包层的制品及其应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20200072368A1 (en) | 2020-03-05 |
| DE102019123225A1 (de) | 2020-03-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110056709B (zh) | 用于流体端应用的阀座和阀组件 | |
| US7681668B2 (en) | Shrink-fit sleeve assembly for a drill bit, including nozzle assembly and method therefor | |
| CA2667079C (en) | Particle-matrix composite drill bits with hardfacing and methods of manufacturing and repairing such drill bits using hardfacing materials | |
| US10214967B2 (en) | Composite polycrystalline diamond body | |
| US20090301788A1 (en) | Composite metal, cemented carbide bit construction | |
| US11566713B2 (en) | Valve seat assembly having mating surfaces with a reverse taper angle | |
| EP2089604A1 (en) | Earth-boring rotary drill bits including bit bodies comprising reinforced titanium or titanium-based alloy matrix materials, and methods for forming such bits | |
| US20090226688A1 (en) | Thermal degradation and crack resistant functionally graded cemented tungsten carbide and polycrystalline diamond | |
| US11566718B2 (en) | Valves, valve assemblies and applications thereof | |
| US7544412B2 (en) | Reducing abrasive wear in wear resistant coatings | |
| US10578123B2 (en) | Composite suction liners and applications thereof | |
| CN110873196A (zh) | 阀、阀组件及其应用 | |
| US20100288563A1 (en) | Methods of use of particulate materials in conjunction with braze alloys and resulting structures | |
| CN111795166A (zh) | 阀门、阀门总成以及其应用 | |
| US11203904B2 (en) | Fixed-cutter matrix bits with repairable gauge pads | |
| JP7014420B2 (ja) | 耐摩耗性複合材料及びその製造方法 | |
| EP2236735A2 (en) | Earth-boring tools with stiff insert support regions and related methods | |
| CA3081012A1 (en) | Wear resistant fluid ends |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200310 |