CN111442096A - 一种阀芯自旋式被动防控型含固多相流控制阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及阀门领域，具体涉及可应用于含固多相流介质工况的一种阀芯自旋式被动防控型含固多相流控制阀。本发明包括阀体、阀芯、阀座，阀芯上开设流道槽；阀芯可回转的配合于阀座上，且各流道槽沿阀芯轴向环绕布置后共同形成螺旋槽结构，从而在含固多相流介质沿流道槽行进时可推动阀芯作相对阀座轴线的回转动作。本发明操作灵活度极高，能够延缓含固多相流介质对阀内件的磨蚀破坏速率，从而可在确保阀内件的高使用寿命的前提下，有效减少甚至杜绝阀内出现含固多相流介质的沉积堵塞状况，工作可靠性可得到显著提升。

Description

一种阀芯自旋式被动防控型含固多相流控制阀
技术领域
本发明涉及阀门领域，具体涉及可应用于含固多相流介质工况的一种阀芯自旋式被动防控型含固多相流控制阀。
背景技术
随着原油重质化、劣质化趋势的加剧，市场对轻质油品需求的不断增加以及环保法规的日益严格，煤炭及重/渣油的高效转化和清洁利用成为世界炼油工业关注的焦点，其解决途径则分别有：煤直接液化、煤油混炼、劣质重/渣油加氢裂化等诸多化工工艺，这些工艺中涉及到大量的含固多相流介质的流动控制。特别是热高压分离器的控制阀，其是工艺装置中不可或缺的关键设备，使用工况非常苛刻，需面向高温、高压差、腐蚀、含固多相流等介质环境。此类控制阀多是采用角式结构，洁净式阀腔设计，阀内件则主要采用锥头阀芯和文丘里阀座型式，通过阀芯的抛物线型/直线型形面与阀座之间形成节流面积变化，来实现对多相流介质的控制，满足工艺需求。
如中国专利CN 107725833 B公开了一种减压阀，在阀体内设置有至少两套阀芯阀座，将流体进行减压后排至阀出口。共用一个主阀体，彼此之间相互独立，互不干扰，可灵活切换或者同时使用。该技术方案仅是冗余设置了一套阀芯阀座，并未有效解决含固量较大时堵塞、局部磨蚀等问题。
而中国专利CN 104633134 B公开了一种加氢裂化热高分高压调节角阀，包括阀体和上盖，阀体内设有阀芯和阀座，阀座内设有第一节流板和第二节流板，阀座上部沿圆周方向均匀设有多个阀座节流窗；阀芯上设有第一节流套和第二节流套，第一节流套位于第二节流套内圈，第一节流套上沿圆周方向设有多个均匀分布的第一腰形流道孔，第二节流套上沿圆周方向设有多个均匀分布的第二腰形流道孔，多个第一腰形流道孔和多个第二腰形流道孔一一对应形成流通通道，第一节流套上沿圆周方向设有多个矩形的流量调节窗口。其结构复杂，只能适合含固量较少的工况使用，在含固量较大时，则极易发生堵塞，且无法解决局部磨蚀的问题。
针对该类阀门在使用过程中存在的阀内件损坏严重而导致的使用寿命短的问题，尤其是若介质含固量较高、介质粘度大时，小开度条件下更容易发生含固多相流介质的沉积堵塞状况，研究并改进阀门的材料与结构，提高并延长阀门的有效使用寿命，是业内技术人员关注并研究的重点。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而实用的阀芯自旋式被动防控型含固多相流控制阀；本发明操作灵活度极高，能够延缓含固多相流介质对阀内件的磨蚀破坏速率，从而可在确保阀内件的高使用寿命的前提下，有效减少甚至杜绝阀内出现含固多相流介质的沉积堵塞状况，工作可靠性可得到显著提升。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种阀芯自旋式被动防控型含固多相流控制阀，包括阀体，阀体阀腔构成用于容纳阀芯的容纳腔；阀腔内还布置有阀座，阀芯与阀座彼此同轴且阀芯外柱面与阀座套腔间构成密封面式轴向滑移配合关系，阀芯上开设有起到流量控制功能的流道槽；阀腔处贯穿式的开设有连通外部环境的介质进口及介质出口，以使得含固多相流介质经由介质进口涌入后，能通过流道槽所形成的液流通路进入介质出口；其特征在于：阀芯可回转的配合于阀座上，且各流道槽沿阀芯轴向环绕布置后共同形成螺旋槽结构，从而在含固多相流介质沿流道槽行进时可推动阀芯作相对阀座轴线的回转动作。
优选的，所述阀芯外形呈轴线铅垂的圆柱体状，阀芯的顶端同轴固接回转套，阀杆沿铅垂向向下延伸并与回转套间构成回转配合关系；阀杆顶端伸出阀体阀腔外并与驱动阀杆产生轴向动作的驱动源的动力端相固接。
优选的，回转套的外壁处轴向环绕均布有用于提升阀芯回转性能的螺旋叶片，所述螺旋叶片的旋向与流道槽的旋向同向。
优选的，所述阀杆底端同轴凸设有定位凸环，从而在阀杆底端形成T型头结构；阀杆上套设有螺纹套，螺纹套外壁形状呈上粗下细的二段式阶梯轴状，螺纹套的小直径段外壁处布置外螺纹，回转套套腔内设置内螺纹，螺纹套与回转套间构成螺纹配合；定位凸环的外径大于螺纹套的小直径段外径而小于回转套孔径，此时螺纹套的底端面构成限制定位凸环产生铅垂上行动作的限位面。
优选的，T型头结构的底面与阀芯顶端之间同轴的布置有压缩弹簧。
优选的，本含固多相流控制阀还包括盖覆于阀体上筒口处的阀盖和法兰配合于阀体下筒口处的底部法兰，阀体下筒口构成所述介质出口，阀体侧壁贯穿设置所述介质进口；阀座包括外环套及内阀套，所述外环套外壁处同轴凸设有环形翼片，并依靠阀体与底部法兰相向施力夹持环形翼片从而定位外环套位置，外环套内同轴穿设有内阀套，所述内阀套的上段筒腔与阀芯间构成密封面式轴向滑移配合关系。
优选的，所述内阀套及阀芯材质为高硬度不锈钢或喷涂碳化钨或注渗碳化钨或实体碳化钨或陶瓷。
优选的，所述内阀套的下段筒腔外形呈孔径由上至下逐渐增大的喇叭口状构造。
优选的，所述内阀套的顶端筒口同轴凹设有环形台阶，所述环形台阶的台阶面高度高于阀杆处于最低位时的流道槽的顶端高度。
本发明的有益效果在于：
1)、通过上述方案，本发明可以在阀门调节过程中，随着含固多相流介质流动力的作用下，使得阀芯因自身的回转结构而绕自身轴线自动旋转，从而使得含固多相流介质的流动磨蚀影响在圆周方向上更加均匀，并有效延缓含固多相流介质的磨蚀程度，可确保阀内件的高使用寿命。实践证明，与现有技术中含固多相流调节阀相比，相同节流面积条件下，本发明中阀芯的开度更大，更有利于含固多相流介质的通过，也更有益于延长阀门的实际使用寿命；其节流面积的形状特性也更有利于固体颗粒的通过，可在一定程度上避免固相介质在阀腔内的淤积堵塞状况。此外，由于阀芯为回转配合结构，也即非刚性强行固定在阀腔内，因此阀芯与阀腔内常规阀座的密封可实现自动找正，从而能进一步提升密封效果。与此同时，由于阀芯自回转特性，可以形成一定的搅拌效果，进而有效减少甚至杜绝阀内出现含固多相流介质的沉积堵塞等状况，以确保含固多相流介质能始终顺利通过本发明并排出至指定外部设备处；即使含固多相流介质中固体颗粒较大或者过多，也都能通过上述搅拌甚至破碎作用而有效改善流体环境，其工作可靠性及稳定性可得到显著提升。
2)、具体至阀芯自身的回转结构，可由多种构造来实现，如在阀杆上布置回转轴承座来配合阀芯等。或如本发明所言，在阀芯顶端布置回转套来配合阀杆底端，以使阀杆自身在驱动源作用下的轴向往复动作的同时，还能因回转套的存在，而使得阀芯可相对阀杆产生自回转动作。更具体而言，可以在阀杆底端布置T型头结构，并将T型头结构伸入回转套内后，再依靠螺纹套与回转套的配合来限位T型头结构，以确保阀芯的自身工作性能。压缩弹簧的布置，则用于消除轴向间隙，保证阀杆对阀芯的可靠掌控效果。
3)、螺旋叶片的设置，可配合流道槽，实现双重的对阀芯的旋转推动功能，以确保阀芯始终处于稳定可靠的被动回转式的工作状态中。
4)、阀座采用内外双层嵌套结构，因此可将内阀套采用材质更好的高硬度不锈钢或实体碳化钨等材质制作，阀芯可采用同等材质制成；这样，可以在尽可能节省生产成本的前提下，提高节流元件的抵抗含固多相流介质的流动磨蚀能力，延长本发明的稳定运行寿命。
5)、介质出口采用渐扩型也即喇叭口结构，可以降低介质的出口速度，有效减轻含固多相流介质对下游管道或设备的冲刷磨蚀的影响程度。
6)、在内阀套的顶端筒口处设置环形台阶；也即，当本发明开启时，阀门流道的最小节流面积发生在环形台阶与阀芯配合处，这样可使节流面与密封面脱离，进一步有效地减缓含固多相流介质对阀门密封面的冲刷磨蚀，从而延长控制阀的使用寿命。
附图说明
图1为本发明处于阀门关闭状态下的结构示意图；
图2为图1的I部分局部放大图；
图3为本发明处于阀门打开状态下的结构示意图；
图4为图3的II部分局部放大图；
图5、图6、图7及图8为带有回转套的阀芯的四个具体实施例的立体结构示意图。
附图中附图标记的具体含义如下：
10-阀体 11-介质进口 12-介质出口
20-阀芯 21-流道槽
30-阀座 31-外环套 31a-环形翼片 32-内阀套 32a-环形台阶
40-回转套 41-螺旋叶片
50-阀杆 51-定位凸环
60-驱动源 70-螺纹套 80-阀盖 90-底部法兰
具体实施方式
为便于理解，此处对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：
本发明的具体实施结构可参照图1-8所示，主要包括阀体10、阀芯20、阀座30、阀杆50、驱动源60及阀盖80等。在如图1-4所示结构中，阀芯20外壁与阀座30套腔处形成柱面式的密封面配合，而阀芯20与阀杆50则通过回转套40与T型头结构形成回转连接。实际工作时，阀芯20可通过上述回转连接而产生绕自身或阀座30轴线的自由回转动作。
更具体而言，如图1及图3所示的，本发明由上至下依序布置驱动源60、阀杆50、阀盖80、阀体10及底部法兰90。阀杆50顶端通过连接器连接驱动源60的动力端，阀杆50的底端同轴凸设定位凸环51，从而在阀杆50底端形成类似鼓槌头状的T型头结构。T型头结构如图4所示的插入阀芯20上的回转套40内，并通过螺纹套70的限定功能来在保证阀芯20回转的同时，还同步限制T型头的上行动作。T型头结构底部的球面可与阀芯20顶部的小凸台点状相抵，两者之间还可增加压缩弹簧，以便消除轴向间隙，提升阀芯20的工作可靠性。实际操作时，螺纹套70与阀芯20之间可额外布置防松结构，如螺纹胶、点焊等。通过上述装配方案，可确保阀芯20绕阀杆50轴线的自由旋转。螺纹套70与T型头结构的接触处可如图4所示的布置为线接触状态，摩擦力很小，而T型头结构的底部球面与阀芯20顶部的小凸台又相抵，理论上为点接触，从而可提供阀芯20的高活动性，进一步的确保阀芯20密封面的自动找正效果。
实际工作时，阀芯20可以为如图5-6所示的单级结构，也可以为如图7-8所示的多级型式。单级结构不必赘述，此时单级的流道槽21在环绕阀芯20均布的同时呈现螺旋状布局。而当阀芯20为如图7-8所示的多级型式时，与多级的阀芯20配合的阀座30也应当为多级型式。阀芯20上的每一级流道槽21的截面积也是随开度逐渐扩大，且流道槽21的数量逐级增多。若阀芯20为三级节流型式，则流道槽21逐级数量之比可为：1:1:2或1:2:3或1:2:4等。如要求流道槽21数量比为1:1:2，则阀芯20可采用方案为：第一级两个流道槽、第二级两个流道槽、第三级四个流道槽，如图8所示。而无论采用上述何种型式，前提需保证至少一级的流道槽21整体呈现螺旋状布局，多级中优选最末一级，以保证工作效果。当阀芯20仅最后一级的流道槽21为螺旋状时，上游各级的流道槽21均可为常规外形，如刻槽型、切割型等各种型式。每一级中流道槽21的截面积也是随开度逐渐扩大，且流道槽21数量逐级增多，或总的流道节流面积逐级增大。当然，仅最后一级设置螺旋状的流道槽21，可以在一定程度上降低加工难度及成本，生产设计时可酌情考虑。
在变化阀芯20结构的情况下，可如图6所示的在阀芯20顶端处回转套40外壁上设置有若干螺旋叶片41。在图6所示结构中，螺旋叶片41为环绕均布的三组且旋向与下方流道槽21旋向相同。当阀芯20在含固多相流介质作用下旋转时，阀芯20上的螺旋叶片41可以提高对含固多相流介质的搅拌效果，并且对旋转起到一定的加速助力效果。而必要时，螺旋桨叶也可以采用直叶片甚至是反向叶片，从而视情况可以满足缓慢旋转的要求。而在如图1-2所示结构中，在构成阀座30的内阀套32的顶端还设置有环形台阶32a；也即，当本发明开启时，阀门流道的最小节流面积发生在环形台阶32a与阀芯20配合处，这样可进一步有效地减缓含固多相流介质对阀门密封面的冲刷磨蚀，从而延长本发明的使用寿命。
当本发明正常打开时，含固多相流介质从介质进口11流入；流过阀芯20时，由于流道槽21为螺旋状，在介质力的作用下则会驱动阀芯20进行绕轴线转动，从而实现含固多相流介质对阀座30的均匀磨蚀效果。并且由于流动产生了旋流，可在一定程度上加长了含固多相流介质的流程，进一步增加了含固多相流介质的流动阻力，减缓节流后的含固多相流介质对下游的冲刷磨蚀。此外的，含固多相流介质在螺旋叶片41及流道槽21的旋转搅动下，原有的大颗粒会被带动而产生流动性，从而避免了含固多相流介质在阀腔内的淤塞和沉积现象，成效显著。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，如对阀芯20回转结构的常规技术变化，或流道槽21外形的适应性变化等在上述结构基础上的常规技术延伸，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种阀芯自旋式被动防控型含固多相流控制阀，包括阀体(10)，阀体(10)阀腔构成用于容纳阀芯(20)的容纳腔；阀腔内还布置有阀座(30)，阀芯(20)与阀座(30)彼此同轴且阀芯(20)外柱面与阀座(30)套腔间构成密封面式轴向滑移配合关系，阀芯(20)上开设有起到流量控制功能的流道槽(21)；阀腔处贯穿式的开设有连通外部环境的介质进口(11)及介质出口(12)，以使得含固多相流介质经由介质进口(11)涌入后，能通过流道槽(21)所形成的液流通路进入介质出口(12)；其特征在于：阀芯(20)可回转的配合于阀座(30)上，且各流道槽(21)沿阀芯(20)轴向环绕布置后共同形成螺旋槽结构，从而在含固多相流介质沿流道槽(21)行进时可推动阀芯(20)作相对阀座(30)轴线的回转动作。
2.根据权利要求1所述的一种阀芯自旋式被动防控型含固多相流控制阀，其特征在于：所述阀芯(20)外形呈轴线铅垂的圆柱体状，阀芯(20)的顶端同轴固接回转套(40)，阀杆(50)沿铅垂向向下延伸并与回转套(40)间构成回转配合关系；阀杆(50)顶端伸出阀体(10)阀腔外并与驱动阀杆(50)产生轴向动作的驱动源(60)的动力端相固接。
3.根据权利要求2所述的一种阀芯自旋式被动防控型含固多相流控制阀，其特征在于：回转套(40)的外壁处轴向环绕均布有用于提升阀芯(20)回转性能的螺旋叶片(41)，所述螺旋叶片(41)的旋向与流道槽(21)的旋向同向。
4.根据权利要求2或3所述的一种阀芯自旋式被动防控型含固多相流控制阀，其特征在于：所述阀杆(50)底端同轴凸设有定位凸环(51)，从而在阀杆(50)底端形成T型头结构；阀杆(50)上套设有螺纹套(70)，螺纹套(70)外壁形状呈上粗下细的二段式阶梯轴状，螺纹套(70)的小直径段外壁处布置外螺纹，回转套(40)套腔内设置内螺纹，螺纹套(70)与回转套(40)间构成螺纹配合；定位凸环(51)的外径大于螺纹套(70)的小直径段外径而小于回转套孔径，此时螺纹套(70)的底端面构成限制定位凸环(51)产生铅垂上行动作的限位面。
5.根据权利要求4所述的一种阀芯自旋式被动防控型含固多相流控制阀，其特征在于：T型头结构的底面与阀芯(20)顶端之间同轴的布置有压缩弹簧。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种阀芯自旋式被动防控型含固多相流控制阀，其特征在于：本含固多相流控制阀还包括盖覆于阀体(10)上筒口处的阀盖(80)和法兰配合于阀体(10)下筒口处的底部法兰(90)，阀体(10)下筒口构成所述介质出口(12)，阀体(10)侧壁贯穿设置所述介质进口(11)；阀座(30)包括外环套(31)及内阀套(32)，所述外环套(31)外壁处同轴凸设有环形翼片(31a)，并依靠阀体(10)与底部法兰(90)相向施力夹持环形翼片(31a)从而定位外环套(31)位置，外环套(31)内同轴穿设有内阀套(32)，所述内阀套(32)的上段筒腔与阀芯(20)间构成密封面式轴向滑移配合关系。
7.根据权利要求6所述的一种阀芯自旋式被动防控型含固多相流控制阀，其特征在于：所述内阀套(32)及阀芯(20)材质为高硬度不锈钢或喷涂碳化钨或注渗碳化钨或实体碳化钨或陶瓷。
8.根据权利要求6所述的一种阀芯自旋式被动防控型含固多相流控制阀，其特征在于：所述内阀套(32)的下段筒腔外形呈孔径由上至下逐渐增大的喇叭口状构造。
9.根据权利要求6所述的一种阀芯自旋式被动防控型含固多相流控制阀，其特征在于：所述内阀套(32)的顶端筒口同轴凹设有环形台阶(32a)，所述环形台阶(32a)的台阶面高度高于阀杆(50)处于最低位时的流道槽(21)的顶端高度。
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