CN112384722A - 用于插塞头组件的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
插塞头组件具有：陶瓷插塞头，其具有环形保持槽，其中，该陶瓷插塞头具有近端和远端；第一夹持部，其具有与环形保持槽相符合的第一环形保持突出；第二夹持部，其具有与环形保持槽相符合的第二环形保持突出；以及环形保持套筒，其与环形保持槽相符合，该环形保持套筒被布置在第一夹持部和第二夹持部中的至少一个与环形保持槽之间。
Description
背景技术
在阀组件中，通过致动相对于阀座的插塞头组件来控制流体流。在极端操作环境中(例如在升高的温度、压力和/或腐蚀性或研磨性流体下)，可能使插塞头组件的部件弱化或变得比预期更松地联接。例如，在陶瓷插塞头由常规保持装置保持的情况下，保持装置可以以比陶瓷插塞头更高的速率膨胀，从而使保持装置与陶瓷插塞头之间的配合松动。此外，热事件和破碎留下的固体可能导致陶瓷插塞头破裂，然后该陶瓷插塞头可能与插塞头组件分离或损害插塞头陶瓷的完整性。
陶瓷插塞头(例如包括烧结碳化硅(SSiC)的插塞头)经常用于极端操作环境中，例如高温应用(例如，从约20℃至约260℃)和/或高压应用(例如，从约5bar至约47bar)和/或涉及高侵蚀性和/或腐蚀性流体和/或浆料的应用。浆料包含可以高速流动的固体和流体二者。因此，高速行进的固体颗粒也包括极端操作环境。
发明内容
在各种实施方式中，提供了插塞头组件，其包括：陶瓷插塞头，其具有环形保持槽，其中，该陶瓷插塞头具有近端和远端；第一夹持部，其具有与环形保持槽相符合的第一环形保持突出；第二夹持部，其具有与环形保持槽相符合的第二环形保持突出；以及环形保持套筒，其与环形保持槽相符合，该环形保持套筒被布置在第一夹持部和第二夹持部中的至少一个与环形保持槽之间。
在各种实施方式中，组装插塞头组件的方法包括：将环形保持套筒布置在陶瓷插塞头的环形保持槽中；围绕陶瓷插塞头的近端圆周布置环形保持环；将第一夹持部的第一环形保持突出布置在环形保持槽中；以及将第二夹持部的第二环形保持突出布置在环形保持槽中。
附图说明
在说明书的结论部分中特别指出且清楚地要求保护各种实施方式。下面是附图的概述，其中，相似的附图标记表示相似的元素并且其中：
图1示出了根据各种实施方式的插塞头组件；
图2示出了根据各种实施方式的图1的插塞头组件的截面图；
图3示出了根据各种实施方式的图1的插塞头组件的分解图；
图4示出了组装插塞头组件的方法；
图5示出了根据各种实施方式的插塞头组件的分解图；以及
图6示出了根据各种实施方式的具有突耳的插塞头组件的分解图。
具体实施方式
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及其最佳模式。虽然充分详细地描述了这些示例性实施方式以使本领域的技术人员能够实践本发明，但应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可实现其他实施方式并且可以进行逻辑、化学和机械改变。因此，本文中的详细描述仅用于说明而非限制的目的。例如，在任何方法或过程描述中叙述的步骤可以以任何顺序执行，并且不必限于所呈现的顺序。此外，许多功能或步骤可以被外包给一个或更多个第三方或者由一个或更多个第三方执行。此外，对单数的任何提及包括复数个实施方式，并且对多于一个部件或步骤的任何提及可以包括单个实施方式或步骤。同样，对附接、固定、连接等的任何提及可以包括永久的、可移除的、临时的、部分的、完全的和/或任何其他可能的附接选项。
根据本公开内容的插塞头组件可以适合在包括高温、腐蚀性流体流、含有颗粒物质的流体流以及处于高压下的流体流的环境中使用。在这方面，根据本公开内容的插塞头组件可以包括陶瓷部分，用于增加抗侵蚀性和/或腐蚀性以及增强耐久性。陶瓷部分可以包括例如以下中的一种或更多种：碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)和氧化锆(ZrO2)。与例如许多金属和金属合金相比，陶瓷通常具有较低的热膨胀系数(CTE)。考虑到材料的不同CTE，在高温环境中，陶瓷部分与插塞组件的其他部分的保持变得重要。
参照图1和图2，插塞头组件100以截面示出。为了方便，示出了X-y-z轴。x方向可以被称为轴向方向，并且z方向和y方向可以被称为径向方向。应当注意，示出为相对于第二部件在正轴向方向(正x方向)上移位的第一部件可以被称为第二部件的远端，并且示出为相对于第二部件在负轴向方向(负x方向)上移位的第一部件可以被称为第二部件的近端。圆周方向可以指从y轴延伸至z轴的弧或圆。
插塞头组件100包括向近端延伸的平移杆102。平移杆102可以包括一种或更多种抗侵蚀和/或抗腐蚀金属，例如各种钢合金、不锈钢、钛、钛合金、锆、锆合金，和/或镍铬合金，例如奥氏体镍铬合金(如以商标INCONEL出售的奥氏体镍铬合金)。镍铬合金可能非常适合高温环境。平移杆102可以包括具有薄陶瓷涂层的金属。
插塞头组件100还包括插塞头104。插塞头104可以包括一种或更多种合适的陶瓷材料。插塞头104可以包括例如以下中的一种或更多种：碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)、碳化钨(WC)和氧化锆(ZrO2)。在各种实施方式中，插塞头104包括碳化硅。
另外参照图3，插塞头104包括环形保持槽202。环形保持槽202环绕插塞头104。就这方面，环形保持槽202包括在插塞头104中的一个或更多个弧形的截面轮廓。例如，特别参照图2，环形保持槽202可以包括单一曲率半径的弧。然而，在各种实施方式中，环形保持槽202可以包括多个曲率半径的轮廓。环形保持槽202可以具有在远端上大于在近端上的半径。
在各种实施方式中，插塞头104可以具有轮廓表面124。轮廓表面124可以是抛物线形、椭圆形、球形或任何其他合适的几何形状。例如，如图1和图2所示，轮廓表面124具有在远端方向上突出的中央突出部和在径向方向上向近端扫掠的表面。轮廓表面124可以采用任何合适的形状，并且被构造成与各种阀座组件一起使用。轮廓表面124上的中央突出部充当插塞头104的远端。插塞头104的近端126被示出与垫圈120接触。
在各种实施方式中，环形保持套筒112至少部分地布置在环形保持槽202内。在这方面，环形保持套筒112可以至少部分地呈现环形保持槽202的轮廓。在各种实施方式中，环形保持套筒112覆盖环形保持槽202的全部外表面区域。环形保持套筒112可以包括聚四氟乙烯(PTFE)和/或膨胀PTFE。环形保持套筒112可以是刚性、半刚性或其他机械柔顺性的PTFE。环形保持套筒112还可以包括橡胶、合成橡胶、硅酮和/或与碳化硅和不锈钢相比具有较高的CTE的其他材料。在操作温度可以超过260℃的应用中，使用PTFE作为环形保持套筒112可能是不合适的。因此，在操作温度可以超过260℃的应用中，环形保持套筒112可以包括与碳化硅和不锈钢相比具有更高CTE的金属或金属合金。例如，环形保持套筒112可以包括铝、锡、锌和其他合适的金属和金属合金。
在各种实施方式中，第一夹持部106a和第二夹持部106b围绕插塞头104。第一夹持部106a和第二夹持部106b中的每一个围绕插塞头104延伸超过一百八十度(180°)，从而在第一夹持部106a与第二夹持部106b之间的界面处交叠。在这方面，第一夹持部106a的一部分可以与第二夹持部106b交叠，从而利于它们如本文中所述的那样联接。然而，在各种实施方式中，可以有多于两个的夹持部。例如，在各种实施方式中，可以使用三个夹持部，每个夹持部围绕插塞头104约一百二十度(120°)。
第一夹持部106a和第二夹持部106b的远端部可以包括环形保持突出，例如第一环形保持突出302a和第二环形保持突出302b。环形保持突出包括第一夹持部106a和第二夹持部106b的分别径向向内延伸的部分。第一环形保持突出302a和第二环形保持突出302b与环形保持槽202和环形保持套筒112的几何形状相符合。在这方面，第一环形保持突出302a和第二环形保持突出302b可以包括单一曲率半径的弧。然而，在各种实施方式中，第一环形保持突出302a和第二环形保持突出302b可以包括多个曲率半径的轮廓。第一夹持部106a和第二夹持部106b可以由任何合适的材料制成：一种或更多种金属，例如各种钢合金、不锈钢、钛、钛合金、锆、锆合金，和/或镍铬合金，例如奥氏体镍铬合金(如以商标INCONEL出售的奥氏体镍铬合金)。镍铬合金以及钛和锆可能非常适合高温环境。
第一夹持部106a和第二夹持部106b可以分别容纳带肩螺栓114a和114b。当第一夹持部106a和第二夹持部106b联接时，远端孔口310a与近端孔口310b交叠并且在近端孔口310b的远端。带肩螺栓114a和114b可以与第一夹持部106a和第二夹持部106b中的相应孔口螺纹接合。例如，螺栓114a可以穿过近端孔口310b和远端孔口310a。例如，当旋转带肩螺栓114a时，可以沿平移杆102的远端凸缘304的方向拉动第一夹持部106a。因此，该第一环形保持突出302a可以与环形保持槽202与环形保持套筒112相互作用，从而在轴向方向上施加张力。以这种方式，带肩螺栓114a和114b使第一夹持部106a和第二夹持部106b保持抵靠平移杆102。参照图5，示出了插塞头组件500。插塞头组件500类似于插塞头组件100，但第一夹持部506a和第二夹持部506b具有凹部502a和502b以接纳螺栓514a和514b。在这方面，螺栓514a和514b可以齐平地或基本上齐平地安装在第一夹持部506a和第二夹持部506b中。螺栓514a和514b可以用螺母515a和515lb固定。
参照图6，示出了插塞头组件600。插塞头组件600类似于插塞头组件500，但第一夹持部606a和第二夹持部606b具有被构造成容纳在凹部608a和608b中的突出部604a和604b。在所示实施方式中，突出部604a和604b与凹部608a和608b的相互作用可改善对准，这趋于易于组装。第一夹持部606a和第二夹持部606b可以由螺栓514a和514b固定。
返回参照图1、图2和图3，杆102包括远端凸缘304。垫圈120可布置在插塞头104与远端凸缘304之间。垫圈120可以包括聚四氟乙烯(PTFE)和/或膨胀PTFE。垫圈120可以是刚性、半刚性或其他机械柔顺性的PTFE。垫圈120还可以包括橡胶、合成橡胶、硅酮和/或与碳化硅和不锈钢相比具有较高的CTE的其他材料。在操作温度可以超过260℃的应用中，使用PTFE作为垫圈120可能是不合适的。因此，在操作温度可以超过260℃的应用中，垫圈120可以包括与碳化硅和不锈钢相比具有更高CTE的金属或金属合金。例如，垫圈120可以包括铝、锡、锌和其他合适的金属和金属合金。
在各种实施方式中，垫圈120的CTE高于插塞头104以及/或第一夹持部106a和第二夹持部106b的CTE。在这方面，响应于温度的升高，垫圈120可以在轴向方向上膨胀，从而对插塞头104施加力，以促使插塞头104向远端延伸。垫圈120的CTE高于插塞头104的CTE，因此，与插塞头104相比，垫圈120将以更大的速率轴向膨胀。如上所述，第一夹持部106a和第二夹持部106b经由第一环形保持突出302a和第二环形保持突出302b与插塞头104相互作用，用于将插塞头104保持在插塞头组件100内。
环形保持环110限定远端凸缘304、垫圈120和插塞头104的近端部分。环形保持环110可以包括聚四氟乙烯(PTFE)和/或膨胀PTFE。环形保持环110可以是刚性、半刚性或其他机械柔顺性的PTFE。环形保持环110还可以包括橡胶、合成橡胶、硅酮和/或与碳化硅和不锈钢相比具有较高的CTE的其他材料。在操作温度可以超过260℃的应用中，使用PTFE作为环形保持环110可能是不合适的。因此，在操作温度可以超过260℃的应用中，环形保持环110可以包括与碳化硅和不锈钢相比具有较高CTE的金属或金属合金。例如，环形保持环110可以包括铝、锡、锌和其他合适的金属和金属合金。在各种实施方式中，环形保持环110的CTE高于插塞头104以及/或第一夹持部106a和第二夹持部106b的CTE。在这方面，响应于温度的升高，环形保持环110可以在轴向方向上膨胀，从而对插塞头104施加力，以促使插塞头104向远端延伸。环形保持环110的CTE高于插塞头104的CTE，因此，与插塞头104相比，环形保持环110将以更大的速率轴向膨胀。如上所述，第一夹持部106a和第二夹持部106b经由第一环形保持突出302a和第二环形保持突出302b与插塞头104相互作用，用于将插塞头104保持在插塞头组件100内。另外，环形保持环110可响应于温度的升高而径向膨胀。在这方面，环形保持环110对插塞头104、垫圈120和远端凸缘304施加径向压缩力，这趋于使插塞头104、垫圈120和远端凸缘304彼此保持。环形保持环110可以包括斜表面306。斜表面306可以包括环形保持环110中沿环形保持环110的环形远端部分的斜面，但在各种实施方式中，环形保持环110可以包括向远端延伸的凸缘。如图2所示，斜表面306可以接触第一环形保持突出和第二环形保持突出。此外，环形保持环110具有内径表面和外径表面，其中，内径表面的至少一部分与远端凸缘304、垫圈120和插塞头104接触。环形保持环110的外径表面的至少一部分与第一夹持部106a和第二夹持部106b接触。
参照图4，提供了组装插塞头组件的方法400。另外参照图1、图2和图3，方法400包括将环形保持套筒112布置在陶瓷插塞头104的环形保持槽202中(步骤402)。步骤404包括围绕陶瓷插塞头104的近端圆周布置环形保持环110。步骤406将垫圈120联接至插塞头104。步骤408包括将垫圈120联接至远端凸缘304。步骤410包括将第一夹持部106a的第一环形保持突出302a布置在环形保持槽202中。步骤412包括将第二夹持部106b的第二环形保持突出302b布置在环形保持槽202中。步骤414包括将第一带肩螺栓114a联接至第一夹持部106a并且将第二带肩螺栓114b联接至第二夹持部106b，
如上所述，本文中公开的包括PTFE环形保持套筒、垫圈和/或环形保持环的插塞头组件可以适合在操作温度范围从约100℃至约260℃以及从约20℃至约260℃的应用中使用，其中，在该上下文中的术语“约”仅意指+/-5℃。如本文所述，在具有金属或金属合金的环形保持套筒、垫圈和/或环形保持环的实施方式中，本文中公开的插塞头组件可以适合在操作温度范围从约260℃至约1000℃以及从约260℃至约500℃的应用中使用，其中，在该上下文中的术语“约”仅意指+/-5℃。本文中公开的插塞头组件可以适合在高压应用(例如，从约5bar至约47bar以及从约5bar至约20bar，其中，在该上下文中术语“约”仅意指+/-1bar)，和/或涉及高侵蚀性和/或腐蚀性流体和/或浆料的应用中使用。就这方面，插塞头组件的陶瓷插塞头具有低于插塞头组件的各种其他部件的CTE。因此，无论预期的操作条件如何，都有利于插塞头组件保持陶瓷插塞头。
在这方面，陶瓷插塞头的环形保持槽提供表面，通过该表面，夹持部的环形突出部可以经由环形套筒相互作用，以将陶瓷插塞头保持在插塞头组件内。当夹持部在径向方向上膨胀时，环形保持套筒膨胀得更快，因为环形保持套筒具有比夹持部高的CTE。该膨胀提供了有助于陶瓷插塞头保持的径向压缩力。另外，环形保持环由于其高CTE也会膨胀，还提供有助于陶瓷插塞头保持的径向压缩力。此外，环形保持环轴向膨胀，从而在远端方向上施加力来抵靠夹持部的环形突出部。垫圈也响应于温度的升高而轴向膨胀，从而在远端方向上推动陶瓷插塞头并且迫使陶瓷插塞头与环形突出部相互作用。在这方面，如本文中公开的插塞头组件可以能够在高温和/或高压下工作并且可以仍能保持陶瓷插塞头。此外，如本文中所公开的插塞头组件提供了从金属部件(例如夹持部)至陶瓷部件(例如陶瓷插塞头)的平滑过渡。平滑的过渡减少了腐蚀插塞组件的机会。另外，平滑的过渡减少了在插塞头组件与座之间捕获和压碎颗粒的机会。
关于特定实施方式本文中已经描述了益处和其他优点。此外，本文中包含的各个附图中所示的连接线旨在表示各个元素之间的示例性功能关系和/或物理联接。应当注意，在实际系统中可存在许多替选或额外功能关系或物理连接。然而，益处、优点和可使任何益处或优点出现或变得更显著的任何元素不应被解释为是本公开内容的关键、必需或必要的特征或元素。因此，本公开内容的范围将不受除所附权利要求以外的任何限制，在所附权利要求中，除非明确地如此陈述，否则对单数形式的元素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，在权利要求中使用类似于“A、B或C中的至少一个”的短语时，意图将该短语解释为意指A可单独存在于实施方式中，B可单独存在于实施方式中，C可单独存在于实施方式中，或元素A、B和C的任何组合可存在于单一实施方案中；例如，A和B、A和C、B和C、或A和B和C。
本文中提供了系统、方法和装置。在本文的详细描述中，对“各种实施方式”、“一个实施方式”、“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的特征、结构或特性，但每一实施方式可以不必包括该特定的特征、结构或特性。此外，这样的短语不一定指同一实施方式。另外，在结合实施方式描述特定的特征、结构或特性时，无论是否明确描述，认为结合其他实施方式来影响这样的特征、结构或特性在本领域技术人员的知识范围内。在阅读了说明书之后，相关领域的技术人员将清楚如何在替选实施方式中实现本公开内容。
此外，不管本公开内容中的元件、部件或方法是否在权利要求中明确陈述，这些元件、组件或方法步骤都不旨在专用于本公开。权利要求元素不旨在援引35 U.S.C.112(f)，除非使用短语“用于……的装置”明确陈述该元素。如本文中所使用的，术语“包括”、“包含”或其任何其他变型旨在适用非排他性包括，使得包括元素的列表的过程、方法、物品或装置不仅包括这些元素，还可以包括未明确列出的或这些过程、方法、物品或装置所固有的其他元素。
Claims (20)
1.一种插塞头组件包括：
陶瓷插塞头，其具有环形保持槽，其中，所述陶瓷插塞头具有近端和远端；
第一夹持部，其具有与所述环形保持槽相符合的第一环形保持突出；
第二夹持部，其具有与所述环形保持槽相符合的第二环形保持突出；以及
环形保持套筒，其与所述环形保持槽相符合，所述环形保持套筒被布置在所述第一夹持部和所述第二夹持部中的至少一个与所述环形保持槽之间。
2.根据权利要求1所述的插塞头组件，还包括布置在所述陶瓷插塞头的近端部分上的垫圈。
3.根据权利要求2所述的插塞头组件，还包括具有远端凸缘的平移轴，所述远端凸缘与所述垫圈接触。
4.根据权利要求3所述的插塞头组件，还包括限定所述远端凸缘、所述垫圈和所述陶瓷插塞头的所述近端部分的环形保持环。
5.根据权利要求4所述的插塞头组件，其中，所述第一夹持部和所述第二夹持部限定所述环形保持环。
6.根据权利要求5所述的插塞头组件，其中，所述第一夹持部由带肩螺栓保持。
7.根据权利要求5所述的插塞头组件，其中，所述环形保持槽具有至少两个曲率半径。
8.根据权利要求5所述的插塞头组件，其中，所述陶瓷插塞头在所述远端上的半径大于在所述近端上的半径。
9.根据权利要求5所述的插塞头组件，其中，所述陶瓷插塞头具有位于所述环形保持槽内的最小半径。
10.根据权利要求5所述的插塞头组件，其中，所述陶瓷插塞头具有第一热膨胀系数(CTE)，所述第一夹持部和所述第二夹持部具有第二热膨胀系数，并且所述环形保持套筒具有第三热膨胀系数，所述第三热膨胀系数大于所述第二热膨胀系数并且所述第二热膨胀系数大于所述第一热膨胀系数。
11.根据权利要求10所述的插塞头组件，其中，所述陶瓷插塞头包括以下中的至少一种：碳化硅、碳化硼、碳化钨或氧化锆。
12.根据权利要求11所述的插塞头组件，其中，所述环形保持套筒包括聚四氟乙烯。
13.根据权利要求12所述的插塞头组件，其中，所述环形保持环包括聚四氟乙烯，并且其中，所述第一夹持部和所述第二夹持部包括不锈钢。
14.根据权利要求1所述的插塞头组件，其中，所述第一夹持部具有第一凹部和第一突出部，其中，所述第二夹持部具有第二凹部和第二突出部，所述第一突出部被构造成配合于所述第二凹部内，并且所述第二突出部被构造成配合于所述第一凹部内。
15.根据权利要求4所述的插塞头组件，其中，所述环形保持环具有内径表面和外径表面，其中，所述内径表面的至少一部分与所述远端凸缘、所述垫圈和所述陶瓷插塞头接触，并且其中，所述外径表面的至少一部分与所述第一夹持部和所述第二夹持部接触。
16.根据权利要求15所述的插塞头组件，其中，所述环形保持环具有斜表面，所述斜表面与所述第一环形保持突出和所述第二环形保持突出接触。
17.一种组装插塞头组件的方法，包括：
将环形保持套筒布置在陶瓷插塞头的环形保持槽中；
围绕所述陶瓷插塞头的近端圆周布置环形保持环；
将第一夹持部的第一环形保持突出布置在所述环形保持槽中；以及
将第二夹持部的第二环形保持突出布置在所述环形保持槽中。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括将带肩螺栓附接至所述第一夹持部。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括将垫圈联接至所述陶瓷插塞头。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括将平移轴的远端凸缘联接至所述垫圈。
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