CN115003941A - 闸阀 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种闸阀，该闸阀具有相对于通孔的第一侧和第二侧。圆形本体空腔在第一侧上，并且矩形本体空腔在第二侧和第一侧的一部分上，由此闸门可操作以在本体空腔内上下移动。由于矩形本体空腔，阀座比闸门更纤薄。使用了裙状件组件，当闸门移动到关闭位置时，该裙状件组件插入在闸门之上以覆盖闸门开口，从而阻止碎屑和其他污染物进入本体空腔。安装四个U形密封件，以使得闸阀成为具有在上游密封件故障的情况下备有备用下游密封的上游密封的双向闸阀。

Description

闸阀

背景技术

本发明总体上涉及阀组件，更特别地涉及一种改进的闸阀组件。

闸阀用于油田中并且具有内部滑动闸门，该内部滑动闸门控制通过闸阀的通孔的流体流动。滑动闸门是平坦的，具有开口侧和坯件密封侧。当闸门的开口侧与通孔对准时，那么流体能够流动通过闸阀。当闸门的坯件密封侧与钻井孔对准时，那么阻止流体流动通过闸阀。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的闸阀组件。

本发明的另一个目的是提供一种闸阀组件，该闸阀组件具有至少部分为矩形的本体空腔，以减轻阀本体的重量，因此阀座和闸门可以比本体空腔为类圆形的情况更纤薄，以进一步减轻重量。

本发明的又一个目的是提供一种在第一侧上具有圆形空腔并且在第二侧上具有矩形空腔的本体空腔。

本发明的另一个目的是为闸阀组件提供尺寸减小的阀座。

本发明的还有一个目的是在阀座上提供双向密封件，以帮助密封井内的流体流动。

本发明的又一个目的是提供一种裙状件组件以阻止污染物进入本体空腔，以确保闸阀的可靠操作。

本发明的又一个目的是提供上游和/或下游密封。

本发明的又一个目的是提供在油田应用中遇到的所有温度范围、压力范围和流体类型范围内进行操作的密封件。

虽然闸阀比BOP轻得多，但另一个目的是在不牺牲功能的情况下针对相同尺寸的通孔减轻闸阀的重量并且减小闸阀的尺寸。将令人期望的是减少零件数量并且使相同尺寸的闸阀可用于许多不同的应用。

在一些情况下，不知闸阀将在用于何处或不知该闸阀可能移动到何处使得选择适当的密封件成问题。又一个目的是能够在油田应用中遇到的所有温度范围、压力范围和流体类型范围内针对期望的通孔尺寸使用相同的闸阀。

另一个目的是具有一种双向的闸阀，该闸阀具有备有下游备用密封件的上游密封。然而，还有可能的目的是，闸阀可通过简单地移除一个或多个密封件而转换成下游密封，这是因为一些使用者偏好仅具有下游密封闸阀。

一个一般方面包括闸阀。闸阀还包括通孔，该通孔在闸阀中、延伸穿过闸阀。阀还包括本体空腔，该本体空腔在闸阀中、被定向成与通孔成直角。闸门在本体空腔中、沿着轴线在打开位置与关闭位置之间轴向地可移动。阀杆利用阀杆-闸门连接件连接到闸门，阀杆在通孔的第一侧上。本体空腔在通孔的第一侧上可以包括类圆形截面部分和第一矩形截面部分。本体空腔在通孔的与第一侧相反的第二侧上可以包括第二矩形截面。本体的第二矩形截面接纳闸门的矩形截面。闸门可以包括在打开位置与通孔对准的闸门开口以及在关闭位置与通孔对准的坯件部分。坯件部分具有两个平坦侧。阀还包括阀座，该阀座在闸门的两侧上。阀座可以具有穿过该阀座的开口并且与通孔呈包围关系。每个阀座具有密封端，该密封端在闸阀关闭时接合闸门的两个平坦侧中的一个平坦侧。附加地，每个阀座具有与密封端相反的、装配到闸阀中的对应的阀囊中的外端。闸门的坯件部分的两个平坦侧之间的闸门宽度大于每个阀座的密封端与外端之间的阀座宽度。每个阀座可以具有至少一个非弹性体U形密封件，该至少一个非弹性体U形密封件被定向成使得每个阀座上的至少一个非弹性体U形密封件的开口朝向闸门并且形成下游密封件。因此，当关闭闸门时，在闸门的下游侧上的至少一个非弹性体U形密封件被定位成将流体压力接收到开口中以进行密封，使得闸阀形成具有下游密封的双向闸阀。

实施方式可以包括闸阀的以下特征中的一个或多个特征，其中，每个阀座可以包括两个非弹性体U形密封件，这两个非弹性体U形密封件被定向成使得非弹性体U形密封件的开口背向彼此。每个U形密封件具有用于向外推动非弹性体U形密封件的腿部的弹簧。两个非弹性体U形密封件被定位成形成上游密封件和下游密封件。闸阀可以是具有上游密封和下游密封的双向闸阀。用于每个阀座的弹簧定位在外端上以将每个阀座朝向闸门推动。金属凸缘形成在阀座上、在两个非弹性体U形密封件之间。与金属凸缘直接相邻的两个非弹性体支撑环可以由材料制成以用作非挤压环。其他保持件环具有装配在形成在阀座中的槽中的腿部。闸阀可以包括两个金属唇缘，这两个金属唇缘形成在阀座上，这两个金属唇缘将两个非弹性体支撑环和两个非弹性体U形密封件保持在阀座上的适当位置。闸门开口邻近阀杆-闸门连接件，使得闸门开口定位在坯件部分与阀杆-闸门连接件之间。闸阀在闸门的每一侧具有裙板，该裙板被安装成允许闸门相对于裙板滑动。当将闸门移动到关闭位置时，在闸门的每一侧上的裙板覆盖闸门开口。每个裙板接合对应的阀座。阀杆-闸门连接件可以包括不带螺纹的闩锁。闸阀的在两个平坦侧之间的闸门宽度可以大于每个阀座的密封端与外端之间的长度。

一个一般方面包括闸阀。闸阀具有通孔，该通孔在闸阀中、延伸穿过闸阀。在闸阀中的本体空腔被定位成与通孔成直角。闸门在本体空腔中、沿着轴线在打开位置与关闭位置之间可移动。阀还具有阀杆，该阀杆可利用阀杆-闸门连接件连接到闸门，其中，阀杆在通孔的第一侧上。本体空腔在通孔的第一侧上并且可以包括类圆形截面部分和第一矩形截面部分。本体空腔在通孔的与第一侧相反的第二侧上具有第二矩形截面。本体的第二矩形截面接纳闸门的矩形截面。闸门具有在打开位置与通孔对准的闸门开口以及在关闭位置与通孔对准的坯件部分。坯件部分具有两个平坦侧。阀还包括阀座，该阀座在闸门的两侧上。阀座具有穿过该阀座的开口并且与通孔呈包围关系。弹簧在每个阀座的外端上。每个弹簧接合闸阀中的闸门的两侧上的对应的壁。当关闭闸阀时，每个弹簧将每个阀座的密封端推动成与闸门的两个平坦侧中的一个平坦侧接合。两个平坦侧之间的闸门宽度大于每个阀座的密封端与外端之间的长度。阀还包括至少一个非弹性体U形密封件，该至少一个非弹性体U形密封件安装在阀座中的至少一个阀座上、在形成下游密封件的位置处。

实施方式可以包括闸阀的以下特征中的一个或多个特征，其中，每个阀座可以包括两个非弹性体U形密封件，这两个非弹性体U形密封件被定向成使得非弹性体U形密封件的开口背向彼此。两个非弹性体U形密封件被定位成形成上游密封件和下游密封件。闸阀是具有上游密封和下游密封的双向闸阀。闸阀可以包括非金属保持件环，该非金属保持件环定位在阀座的外端周围、接合两个非弹性体U形密封件中的一个非弹性体U形密封件。金属凸缘从每个阀座径向向外延伸并且定位在两个非弹性体U形密封件之间。第二非金属保持件环在阀座的密封端处。第二非金属保持件环可以包括唇缘，该唇缘延伸到形成在每个阀座周围的凹槽中。闸阀可以包括：两个金属凹槽，这两个金属凹槽形成在每个阀座周围、用于两个非弹性体U形密封件中的每个非弹性体U形密封件；以及从每个阀座径向向外延伸的的金属凸缘，该金属凸缘定位在两个非弹性体U形密封件之间。闸门开口邻近阀杆-闸门连接件，使得闸门开口定位在坯件部分与阀杆-闸门连接件之间。阀杆-闸门连接件可以包括无螺纹闩锁。闸阀可以在闸门的每一侧上包括裙板，其中，闸门相对于裙板滑动。当将闸门移动到打开位置时，在闸门的两侧上的裙板覆盖闸门开口。

本发明的这些和其他目的、特征和优点将从附图、本文给出的描述、以及所附权利要求变得明显。然而，应当理解，上述所列出的本发明的目的和/或优点仅旨在帮助理解本发明的各方面，并不旨在以任何方式限制本发明，因此不构成目的、和/或特征、和/或优点的全面性或限制性列表。

附图说明

以下具体实施方式和权利要求仅是对通用发明的说明。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员将容易地提出本发明的附加的模式、优点和细节。通过参考结合附图考虑的以下具体实施方式，将容易地了解对本发明和其所附带的许多优点的更为全面的理解，其中，相同的附图标记指代相同的部分，并且在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的具有矩形下部本体空腔和类圆形上部本体空腔的闸阀的立体图；

图2是根据本发明的一个实施例的不带阀盖的闸阀的侧视立视图，示出了矩形本体空腔、未示出类圆形本体空腔；

图3是根据本发明的一个实施例的闸阀组件的通过圆形上部本体空腔朝矩形下部本体空腔向下看本体空腔的俯视图；

图4是根据本发明的一个实施例的闸阀组件的侧视截面视图，示出了矩形本体空腔内的闸门侧上的阀座可能比类圆形本体空腔情况下的阀座更纤薄；

图5是根据本发明的一个实施例的闸阀的侧视图，示出了在闸门的两侧上的、在本体空腔的矩形部分中的两个阀座和密封组件；

图6是根据本发明的一个实施例的闸阀组件的两个阀座中的一个阀座上的可能的密封组件的侧视图。

图7是根据本发明的一个实施例的闸阀的具有密封组件的阀座一个实施例的分解立体图。

图8是根据本发明的一个实施例的闸阀的一个阀座上的另一种可能的密封组件的侧视图。

图9是根据本发明的一个实施例的闸阀的滑动地装配到T形阀杆连接器上的T形槽连接器闸门的立体图。

图10是根据本发明的一个实施例的闸阀的用于阻止或限制碎屑进入本体空腔的裙状件组件的立体图。

图11是根据本发明的一个实施例的闸阀的插入本体空腔的类圆形部分和矩形部分中以在打开和关闭闸门时阻止碎屑进入本体空腔的裙状件组件的部分截面立体图。

图12是根据本发明的一个实施例的闸阀的插入本体空腔的圆形部分和矩形部分中的裙状件组件的截面视图。

具体实施方式

本文提供了对本发明的详细描述。然而，应当理解，本发明可以以各种形式实施。因此，本文所披露的具体细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为权利要求书的基础并且作为教导本领域技术人员以实际上任何适当的详细系统、结构或方式采用本发明的代表性基础。

现在参考附图，更特别地参考图1，示出了闸阀100，该闸阀具有阀本体18。在阀本体18内部的是本体空腔16，该本体空腔包括类圆形截面的上部本体空腔28和矩形截面的下部本体空腔38。通孔36(也是类圆形的)延伸穿过闸阀100、垂直于本体空腔16。阀盖17也限定类圆形上部本体空腔28的一部分。底板21是类圆形本体空腔28的底部和矩形本体空腔38的起始部，并且包括本体空腔16的在通孔36上方的矩形喉部部分19。换句话说，在通孔36正上方有本体空腔的第一矩形截面部分，但如图所示，从底板21向上，本体空腔16是类圆形的。虽然整个上部本体空腔28可以是矩形的(如图2所示)，但是已经发现有利的是，上部本体空腔28是类圆形的，如下文所讨论的。类圆形本体空腔可以是圆形或椭圆形的。

闸门20包括平坦侧26，这些平坦侧与本体空腔16和阀座70接触。在一个可能的实施例中，闸门20在该闸门的上部部分上具有开口22。开口22在与通孔36对准时是闸阀100的打开位置并允许流体流动通过通孔36。坯件密封表面24在闸门20的与开口22相反的一侧上，在与通孔36对准时阻挡流体流动并且密封通孔36。

闸门20设置有与通孔36尺寸相同的类圆形开口22，这样在打开位置时允许流体流动通过闸门，而在关闭位置时阻止流体流动。在优选实施例中，当闸门如图所示被直立定向时，此开口定位在闸门20的上部部分中。在通孔的顶部处具有开口22的一个益处是使用裙状件60，该裙状件减少进入本体空腔16的碎屑的量。参见示出了裙状件60的图10至图12，该裙状件包围闸门20、与该闸门滑动接合，在打开位置与关闭位置之间的移动期间，该裙状件阻止碎屑收集在本体空腔16中或在该本体空腔周围移动。在顶部处具有开口的另一个实际益处允许所有闸阀尺寸由于所需的不同零件的数量减少而得到简化。使不同尺寸的闸阀所需的零件数量减少的这种标准化降低了针对期望应用制造闸阀(即，针对特定环境制造2英寸闸阀、4英寸闸阀或5英寸闸阀)所需的库存要求和时间。

阀座70定位在闸门20与阀本体18之间、在闸门20的两侧上。闸门接合金属阀座70，以提供与阀座的金属对金属密封。金属对金属密封在油田作业中遇到的宽范围的温度、压力和流体类型内操作。下文讨论了在阀座70周围、在阀座与阀本体18之间、在阀囊32中的泄漏。

可以通过使用旋转式的手柄12手动地操作闸阀100。然而，也可以利用动力操作器。在此情况下，手柄12连接到阀的阀杆14，该阀杆旋转以使闸门20上升或下降。

更详细地，继续以上讨论，本体空腔16可以被划分为两个部分：在底板21上方的上部类圆形或圆形空腔侧28和在底板21下方的下部矩形空腔侧38。上部本体空腔28可以具有圆形截面、卵形截面、椭圆形截面等。虽然卵形截面可以减小本体尺寸、减少栓柱数量等以使重量/尺寸减小最大化，但使用圆形截面本体空腔进行制造可能更容易。

上部本体空腔28的类圆形截面相对于矩形截面的优点是，上部本体空腔28可以更好地装填有油脂或其他合适的润滑剂，以便于闸门在空腔内的移动和密封。应当了解，由于与矩形上部本体空腔相比，上部圆形本体空腔28的尺寸较大，因此可以利用更多的油脂，从而提供了更多的润滑并且阻挡来自通过通孔36的流体流动的碎屑。在闸门的打开和关闭期间，碎屑可以由于在闸门开口22中的积聚而进入本体空腔16中。

闸门20具有与下部本体空腔38的矩形截面紧密地装配的矩形截面。如图3所示，从顶部向下看向阀(其中，阀盖被移除)可见下部本体空腔38的矩形截面的视图。矩形截面本体空腔38(其也可以被称为第二矩形截面部分)减少了针对给定尺寸的通孔36构造闸阀所需的材料量并且由此减轻了重量。矩形本体空腔的另一个优点在于，该矩形本体空腔减小了阀座70所需的阀座宽度62(参见图2)，因为这些阀座不一定要宽到足以在到达其中装配有阀座70的阀囊32之前延伸穿过圆形本体空腔的半径。这还可以允许如下文所讨论的较窄闸门20。

闸阀的下侧30包括矩形本体空腔38。如上文所解释，使用矩形本体空腔允许利用阀座宽度62(和重量)较小的阀座并且允许较窄闸门。与闸门宽度63(图2)相比，阀座的从闸门向外延伸的阀座宽度62(图2)可以减小。这进而减少了构造所需要的材料量、构造所需的成本，并且减轻了闸阀的总重量。

转到图2，示出了根据本发明的一个实施例的闸阀100的侧视立视图。穿过本体空腔16的轴线74垂直于通孔36并且将本体空腔16一分为二。在打开和关闭操作期间，闸门20沿着轴线74轴向地移动。轴线74还将闸门20一分为二。在图2中，闸门20被轴向地定位成使得开口22与通孔36对准，由此允许流体流动通过通孔36。

阀座宽度62是每个阀座的密封端61与外端65之间的距离。在现有技术系统中，类圆形的空腔通常与平坦闸门一起使用，这进而需要较宽的阀座。在一个实施例中，闸门20的两个平坦密封侧26之间的闸门宽度63大于每个阀座的所述密封端61与外端65之间的阀座宽度62。相应地，使用矩形本体空腔提供了以下优点：减少制造扩大尺寸的类圆形的本体空腔所需的材料量、减轻针对相同尺寸的通孔36的阀的重量、减小针对相同尺寸的通孔的阀的尺寸、以及降低闸阀的压力额定值。以此方式，阀本体18的重量可以减轻大约32％。在其他可能的实施例中，减轻的重量的量也可以大于或小于32％。

作为一个示例，对于通孔36的直径为3 1/16英寸并且压力额定值为15K的阀来说，现有技术的类圆形本体空腔需要大约5.5英寸的阀座宽度和4.5英寸的闸门宽度。在用矩形本体空腔针对相同尺寸的通孔36进行的新设计中，闸门的厚度63可以为2.62英寸，并且阀座的厚度62可以为1.6英寸。在此示例中，阀座宽度是闸门宽度的62％。相应地，阀座宽度小于闸门宽度的100％、或小于闸门宽度的90％、或小于闸门宽度的80％、或小于闸门宽度的70％，或可以是此范围内的任何百分比。这样不仅减轻了本体的重量，而且大大减轻了闸门和阀座的重量。闸门的厚度63小于通孔36的直径，并且在此示例中为通孔的85％、或小于通孔的90％。

图3示出了根据本发明的一个实施例的闸阀组件100的闸阀本体18的向下看向本体空腔16中的俯视图。本体空腔16的圆形空腔28部分形成在本体18的在底板21处触底的上部部分内。闸门20定位在圆形空腔28和矩形本体空腔38内。闸门20是矩形的，其矩形截面40垂直于轴线74。闸门20包含平坦密封侧26，这些平坦密封侧接合阀座(参见图1和图2)。矩形闸门20紧密地装配到矩形本体空腔38中。圆形空腔28还可以装填有油脂或其他合适的润滑剂，从而允许在闸门从打开位置或关闭位置移动时闸门在本体空腔内的移动期间的较顺滑的操作和较少的磨损。如上所述，与本体空腔在阀的顶部处还是呈矩形的情况相比，使上部本体空腔呈类圆形允许更多的油脂。然而，根据本发明，在阀的顶部处具有矩形本体空腔也将是可能的设计。

转到图4，示出了根据本发明的一个实施例的闸阀100的侧视截面视图。本体空腔16具有矩形形状的下部本体空腔部分或矩形本体空腔38，该矩形形状的下部本体空腔部分或矩形本体空腔在通孔36下方、在闸阀的第二侧或下侧30上。本体空腔16的上部本体空腔部分包括圆形空腔28，该圆形空腔在底板21上方、在闸阀的第一侧或上侧10上。在其他实施例中，上部本体空腔部分可以是卵形或矩形形状。

在一个实施例中，当闸阀100移动到打开位置时，本体空腔的在闸阀的下侧30上的下部部分滑动地接纳矩形闸门20。在另一个可能的实施例中，闸门20可以在该闸门的下部上具有开口22，而坯件在闸门20的上侧上。如所示出的，在开口22与通孔36对准的情况下，闸门20处于打开位置，由此允许流体流动。当期望或需要时，可以通过转动连接到阀杆14并且进一步连接到闸门20的手柄12而使闸门20下降。矩形闸门20于是将轴向地移动到矩形空腔38中。还应当了解，阀座70具有减小的宽度。矩形本体空腔形状使阀座70更靠近闸门20，并且消除了对阀座保持件的需求，在一些现有技术闸阀中使用了这些阀座保持件。消除了对用于将阀座相对于闸门20保持处于阀囊32内的位置的阀座保持件的需求进一步减少了制造符合本发明的闸阀的库存要求和时间限制。

在图5中，示出了根据本发明的一个实施例的阀座组件150的侧视图。如所示出的，在开口22与通孔36对准的情况下，闸门20处于打开位置。阀座70安装在本体18中的阀囊32中。上游侧由流动箭头42指示，而下游侧由流动箭头44指示。当闸门20移动到关闭位置时，通孔36中的流体流动被闸门20的坯件区段24(参见图1)的平坦侧阻挡。上游密封件48、46和下游密封件66和68阻止流体在阀座70周围、在阀座与阀本体18之间流动。然而，对于每个流动方向，仅使用一个上游密封件和一个下游密封件。

例如，如果关闭阀，那么上游密封件46阻止流体在上游阀座与本体18之间流动。如果密封件46故障、无法操作、或没有安装，那么流体可能会在上游阀座周围和在闸门20周围流动经过密封件48，但会被下游密封件68密封。换句话说，U形上游密封件48和下游U形密封件68(这两个密封件的敞开端部指向上游流动)阻挡如流动箭头42所指示的流体流动。使用两个密封件提供的益处是：在上游密封件没有阻止流体流动的情况下，密封能力由于冗余而更强。换句话说，如果上游密封件46阻止流体在上游阀座70周围流动，那么下游密封件68不会进行密封、或在该时刻不会被用来阻止流体的流动。

阀的一些购买者偏好在闸阀中仅具有双向下游密封。于是，在以上的示例中，密封件46和66被移除，使得仅利用下游密封。以那种方式，当关闭阀时，下游密封件68将使下游阀座与本体18之间密封，以阻止经过下游阀座的泄漏。如果期望仅具有双向上游密封，那么可以使用密封件48和68。如果出于某种原因期望仅具有单个方向的密封(例如，上游密封)，那么可以移除密封件46之外的所有密封件。因此，密封件配置可以针对使用者偏好进行改变，但对于双向冗余密封来说，所有密封件都要安装。以本文所描述的方式制造阀座组件150允许产生一个标准化零件组件，这种标准化零件组件满足多种不同的密封需求(即，仅下游密封需求、仅上游密封需求、或双向密封需求)，而不需要针对每个单独的期望应用制造不同的阀座组件150。

应当了解，如果流体流动是反向的，那么密封件66变成上游密封件，而密封件48变成阀座周围的下游备用密封件。因此，阀是双向的，并且有效地针对任一方向上的流体流动进行操作。根据通孔36中的流体流动的方向，只有两个密封件是可操作的。这种配置对于在变化的条件下使用来说是最佳的。

在图6和图8中，更详细地示出了阀座密封件46和48的部件。阀座密封件66、68是相同的构造。每个阀座70包括具有多个非弹性体密封构件的金属阀座本体。在优选实施例中，阀座70的金属阀座本体本身是因康镍合金(Inconel)金属。密封构件包括具有不锈钢弹簧以对下游密封件赋能的PTFE密封件、以及用于上游密封件和下游密封件两者的PEEK材料的支撑环和保持环。通过消除弹性体O形环，闸阀将具有更长的使用寿命，因为维护要求减少，同时能够承受暴露于更极端的条件。操作温度范围于是为-50华氏度至350华氏度。这些密封构件有益于将会在油田中遇到的所有或几乎所有流体，包括腐蚀性流体和酸性流体。进一步，这些密封件有益于所有压力，高达20,000psi。同样，这种材料会持续较长时间。因此，与针对将遇到的压力、流体和温度选择正确的O形环相关联的问题得以消除。同样，由于年限定期更换密封件的问题得以消除。

再次转到图6，示出了根据本发明的一个实施例的阀座70的放大侧视图。如果流体试图如箭头79所指示的在阀座70后面流动，那么密封件46会阻止流体流动。这将是图5中所讨论的情形，其中，流体在42处所指示的方向上流动到通孔36中。

如果流体流动的方向与如图5所示的相反，并且已经通过上游密封件66泄漏，那么如朝向阀座70的流体流动箭头81所指示的，导引流体朝向使阀座周围密封的密封件48。

如图6中可能比图7更好地示出的，在金属凸缘73的一侧上的与阀座70一起使用的U形密封件48和支撑环72的密封组件通过保持件环56而固持在适当位置。保持件环可以是非金属或非弹性体保持件环。通过将从保持件环56延伸的腿部59插入槽57中，保持件环56被卡入或压入适当位置中。保持件环56将U形密封件48和支撑环72抵靠阀座70的金属凸缘73维持在适当位置。优选地，由于支撑环72由相较于U形密封件46的基部区域41和U形密封件48的基部区域43而言较硬的材料构成，因此该支撑环还提供防挤压或非挤压功能。支撑环可以是非弹性体的。在此实施例中，不需要在与保持件环56相反的一侧上将保持件环76卡入适当位置中，因为阀本体18可操作以将U形密封件46和对应的支撑环75维持在适当位置。支撑环72和75与金属凸缘73直接相邻并且在U形密封件46与U形密封件48之间。当关闭闸门以密封通孔36时，阀座70的密封端或表面82接合闸门20的平坦侧中的一个平坦侧。在阀座70的外端84处的外弹簧78推动阀座70抵靠闸门20，以形成初始密封。外端84的径向长度大于密封端82的径向长度，使得阀囊壁32与外端84之间的压力产生将阀座70朝向闸门20推动的力，从而在关闭闸门时，随着通孔36中的压力上升，保持阀座牢固地抵靠在闸门上。

作为操作的一个可能的示例，在箭头81的方向上的流体流动可以流动经过保持件环56、到U形密封件48，由此流体的压力使U形密封件48膨胀敞开，以阻挡流体行进到密封件之外。腿部膨胀弹簧52的端部上的实际密封件47和49如上文所讨论的由PTFE形成。腿部膨胀弹簧52用于将密封件保持与阀囊32的金属壁接合并且保持处于适当的取向以进行适当的密封。弹簧52使密封件47和49膨胀，从而在阀囊32内压靠在本体18上，以产生初始密封。由于通孔36中的压力而在U形密封件48内产生的压力推动弹簧52的翼部或腿部敞开，使得密封件49维持较高压力密封。通孔36中的压力越高，在密封件49上产生的力由于密封件的U形内部内的压力而越大，由此增大U形内部的开口。弹簧52可以由不锈钢或其他合适的材料构造。

外弹簧78安装在阀座70与闸门20相反的一侧上，以在阀座与闸门20之间产生初始张力或压力，由此在闸门20的平坦侧与阀座70的面或密封端82之间产生初始金属对金属密封。

转到图7，示出了根据本发明的一个可能的实施例的具有密封组件的阀座70的分解立体图。阀座70与对应的密封件的组合可以被称为阀座组件。如上文所讨论，阀座组件进一步包含外弹簧78，该外弹簧用于将阀座70压靠在闸门上，以产生初始张力，由此在闸门表面与阀座70的金属表面之间形成初始金属对金属密封。

在一个可能的密封环组件实施例中，保持件环56可以被压入适当位置中，以保持多个其他环的位置并且将阀座抵靠阀本体保持在适当位置中。与保持件环56相反的是保持件环76。密封环48和46可操作以膨胀，从而阻止流体流过。密封件可操作以进行双向密封。这些密封环可以由PTFE构成，具有不锈钢弹簧，这些不锈钢弹簧帮助将密封件压靠在本体上以获得更强的密封能力。聚四氟乙烯(PTFE)是四氟乙烯的合成含氟聚合物，具有许多应用。相较于现有技术橡胶环，使用PTFE允许使用更大范围的温度、压力和条件。这些密封件还可以被称为非弹性体密封件。非弹性体密封件提供的优点是：与弹性体相比，维护需求较少并且温度范围较宽，以及化学相容性的范围较广。因此，利用非弹性体密封件将允许操作者将一组环用于更加广泛不同的应用中，从而使得更换密封件的时间减少、维护成本降低并且操作灵活性提高。因为阀座70将能够用于多种应用中，而不是使单独的阀座70用于每种不同的应用，所以针对多种应用保持库存所需的部件数量显著减少。防挤压支撑环72、75和保持环56和76可以由PEEK材料构成。PEEK是半晶质热塑性塑料，具有优异的机械性质和耐化学性质，这些性质会在高温下得以保持。

在图6中，外保持件环56、76用于形成外屏障，这些外屏障包含阀座70上的密封环48、46，而在图8中，阀座金属本体本身包括金属外屏障或唇缘，这些金属外屏障或唇缘包含阀座70上的密封环。

将图6与图8进行比较，示出了不同的密封组件。因为不需要外阀座保持件环56、76来将阀座固持处于相对于闸门的布置，所以需要的密封环较少。如在图8中可以看出的，使用唇缘54而省略了保持件环56。

在此实施例中，U形密封环46、48可以使用锥形工具(未示出)滑动地安装经过唇缘54。换句话说，锥形工具的直径较小，使得U形密封环放置在该锥形工具上，并且该锥形工具的直径平稳地增大至唇缘的直径。U形密封件沿着锥形工具滑动，直到该密封件被充分压缩以滑移超过在密封侧附近的唇缘(比如金属唇缘)54或在相反一侧上的金属唇缘55。如果试图在不用工具的情况下安装U形密封环，那么U形密封件将非常有可能被损坏，因为U形部分会被硬压在一起，这是由于唇缘的尺寸被设置成在U形密封件的直径可以滑移超过而不会造成损坏的圆周外范围内。

唇缘54突出到通道或间隙中，以允许密封件滑动到适当位置中，同时还会执行不再需要的保持环56(图6)的功能。附加地，在相对于唇缘54相反的端部上，保持环76已被省略。同样地，已经添加了类似于唇缘54的唇缘55，以执行在此实施例中已被移除的保持环的功能。因此，在保持相同功能的同时，需要进行组装的零件较少。

在图9中，示出了根据本发明的一个实施例的闸阀的闸门的立体图。在一个可能的实施例中，闸门20是大致矩形的，该闸门包括平坦侧26和矩形截面40，如先前所讨论的。闸门20具有开口22和坯件密封区域24，该坯件密封区域在与通孔对准时将提供密封，或该开口在与通孔对准时将允许流体流动通过通孔。如上文所讨论，阀座与坯件密封区域24形成金属对金属密封。当闸门被竖直地定向时，T形槽(其也可以被称为阀杆连接器、闸门连接器、阀杆-闸门连接件)或闩锁58可以定位在顶部处。连接器58可以被铣削或锻造到闸门20中。连接器58还具有在阀杆上的、用于插入连接器58中的相应连接器。T形槽58可以是无螺纹闩锁，以允许阀杆滑入或压入闸门20上的连接件。这种类型的连接器可以向闸门以及闸门与阀杆之间的连接件提供额外的强度和刚度，并且附加地，组装闸阀可能需要的时间减少。

转到图10至图12，示出了根据本发明的一个实施例的用于闸阀100的裙状件组件的各种视图。当关闭闸门时，裙状件60覆盖闸门20的开口22。以此方式，裙状件60阻止可能会在操作期间被捕获在开口22中的污垢、碎屑等在关闭阀时进入本体空腔16。这会阻止污垢或碎屑污染本体空腔，否则可能会导致阻塞、妨碍或以其他方式阻碍闸阀的操作。附加地，使用裙状件60确保了适当的操作，并且增加了操作时间，同时减少了清洁和维护闸门所需的停工时间。

在一个可能的实施例中，如图10所示，裙状件60由与闸门20互补的矩形框架构造。如在图11至图12中看出的，裙状件60被插入本体空腔16中并且在闸门20之上，在此处该裙状件相对于阀本体18固定在适当位置。裙状件60具有两个侧或裙板81，这两个侧或裙板滑动地接合闸门，由此密封空腔免受污染。裙状件60包括两个半圆形凹部83，以允许与阀座70紧密接合。裙状件在顶部处具有圆形开口85，以允许阀杆和闸门的连接。裙状件60可以由弹性足以承受在井下操作期间存在的压力和温度的金属或其他合适的材料构成。

在图12中，可以看出的是，裙状件60的两个侧81延伸穿过圆形或类圆形的空腔28、经过类圆形的空腔28的底板21、并且与阀座70接合。如上文所解释，当打开闸门、并且碎屑被捕获在闸门的开口22中时，那么侧81会阻止碎屑进入本体空腔。同样如上文所讨论，本体空腔优选地填充有油脂，以进一步阻止碎屑进入本体空腔。

当将现有技术阀与本发明进行比较时，改进的闸阀组件的闸门和阀座两者都更纤薄，因为本体空腔尺寸总体上有所减小。这提供的优点是，针对特定通孔尺寸的重量减轻且尺寸减小，在非常宽范围的温度、压力和流体下进行操作。而且，与现有技术闸阀相比，对维护的需求有限，因为单独的部件因通常与应用的当前参数兼容而不必被更换。

进一步，零件数量减少以及温度、压力和流体操作的范围更广允许在许多不同类型的应用中使用相同的阀。在考虑到尺寸、压力额定值和材料类别时，有980种选项；并且在考虑到尺寸、压力、材料和温度时，有3,920种组合。然而，针对期望应用，可能需要的阀组合至少有38,000,000,000种，这取决于孔尺寸、压力额定值、温度额定值、材料类别、PSL等级、PR等级、第3方要求、API规范、栓柱连接要求、覆盖物、工作介质、表面或海底环境、型号、端部连接类型、操作者类型、指示器类型和阀座裙状件。经常地，需要制造具有不同设计的多种型号，以满足这些选项。通过基于温度额定值、材料类别、PSL等级、栓柱连接要求、覆盖物、型号、指示器类型和阀座裙状件使零件标准化，本发明能够将针对要生产的闸阀的可能组合数量减少至17,000,000以下。这样降低了针对特定应用构建每个阀所需的工程成本，并且甚至允许能够保持阀和其相关联部件的库存。本发明可以有可能减少完全满足上文所概述的期望参数所需的型号数量。

目前，基于API标准，对于阀而言有4种不同的温度范围选项：1)P+U(-20华氏度至250华氏度)、2)P+X(-20华氏度至350华氏度)、3)L+U(-50华氏度至250华氏度)、以及4)L+X(-50华氏度至350华氏度)。本发明仅使用满足L+X选项并且因此也覆盖了其他3个温度选项的非弹性体密封件(参见图7)。这样消除了先前制造闸阀所需的4个库存选项中的3个库存选项。

对于材料类别DD至材料类别FF而言，通过将目前由1.5、360和“无限制”H2S分压组成的材料类别选项标准化至仅“无限制”选项，本发明去除了先前需要耗费时间保留在库存(制造昂贵或按需制造)中的6个选项。材料类别AA至材料类别CC的进一步标准化与本文中教导了一种减少制造闸阀的库存要求和时间的方法的教导一致。

如本文所讨论，在参考图6和图8时，阀座70是用因康镍合金制造的。当考虑到阀座重量和壁厚度设计因素时，阀座70的阀座几何形状可以针对以下阀尺寸和压力额定值进行组合：1)2”：用于5KSI应用、10KSI应用、15KSI应用和20KSI应用的一种阀座设计；2)3”：用于5KSI应用、10KSI应用、15KSI应用和20KSI应用的一种阀座设计；3)4”：用于5KSI和10KSI的一种阀座设计、用于15KSI和20KSI的一种阀座设计；4)5”：用于5KSI和10KSI的一种阀座设计、用于15KSI和20KSI的一种阀座设计。

此外，用于手动阀、液压阀和故障安全关闭阀的闸门的制造可以标准化为仅采用因康镍合金和4140钢，孔在闸门20的上部部分上。考虑到闸门重量和壁厚度设计因素时，闸门几何形状可以针对以下阀尺寸和压力额定值进行组合：1)2”：用于5KSI应用、10KSI应用、15KSI应用和20KSI应用的一种闸门设计；2)3”：用于5KSI应用、10KSI应用、15KSI应用和20KSI应用的一种闸门设计；3)4”：用于5KSI和10KSI的一种闸门设计、用于15KSI和20KSI的一种闸门设计；4)5”：用于5KSI和10KSI的一种闸门设计、用于15KSI和20KSI的一种闸门设计。

另外，阀杆可以标准化为仅采用因康镍合金和4140钢。考虑到阀杆重量和壁厚度设计因素时，阀杆几何形状可以针对以下阀尺寸和压力额定值进行组合：1)2”：用于5KSI应用、10KSI应用、15KSI应用和20KSI应用的一种阀杆设计；2)3”：用于5KSI应用、10KSI应用、15KSI应用和20KSI应用的一种阀杆设计；3)4”：用于5KSI和10KSI的一种阀杆设计、用于15KSI和20KSI的一种阀杆设计；4)5”：用于5KSI和10KSI的一种阀杆设计、用于15KSI和20KSI的一种阀杆设计。

通过如上文所描述的基于温度额定值、材料类别、PSL等级、栓柱连接要求、覆盖物、型号、指示器类型和阀座裙状件使零件标准化，本发明能够将针对闸阀的可能组合数量从超过38,000,000,000减少至17,000,000以下，可能组合中减少了超过2,000个因素。这样降低了针对特定应用构建每个阀所需的工程成本，并且甚至允许能够保持阀的库存。这样使得交货速度更快。

总之，闸阀100使用矩形下部本体空腔38。上部本体空腔28可以是类圆形的。阀座70较窄，并且这些阀座的宽度可以远小于闸门20的宽度。非弹性体U形密封件提供了备有下游备用密封的双向上游密封。裙状件60阻止碎屑进入本体空腔16。

本发明的上述披露内容和描述是对本发明的说明和解释，并且本领域技术人员应当了解，在不背离本发明精神的情况下，可以对各种核心元件的尺寸、形状和材料以及所展示构造的细节或特征的组合做出各种改变。此外，本专利的范围并不限于其字面意义，而是涵盖了所述权利要求的所有等效物。

Claims (23)

1.一种闸阀，包括：

通孔，该通孔在所述闸阀中、延伸穿过所述闸阀；

本体空腔，该本体空腔在所述闸阀中、横向于所述通孔定向；

闸门，该闸门能够在所述本体空腔中、沿着穿过所述本体空腔的轴线在打开位置与关闭位置之间轴向地移动；

阀杆，该阀杆利用阀杆-闸门连接件连接到所述闸门，所述阀杆在所述通孔的第一侧上；

所述本体空腔在所述通孔的所述第一侧上包括类圆形截面部分和第一矩形截面部分；

所述本体空腔在所述通孔的与所述第一侧相反的第二侧上包括第二矩形截面，所述本体空腔的所述第二矩形截面接纳所述闸门的矩形截面；

所述闸门包括在所述打开位置与所述通孔对准的闸门开口以及在所述关闭位置与所述通孔对准的坯件部分，所述坯件部分包括两个平坦侧；

阀座，该阀座在所述闸门的两侧上，每个所述阀座包括穿过该阀座的开口并且与所述通孔呈包围关系，每个所述阀座包括在关闭所述闸阀时接合所述闸门的所述两个平坦侧中的一个平坦侧的密封端，每个所述阀座包括与所述密封端相反的、装配到所述闸阀中的对应的阀囊中的外端；并且

每个所述阀座包括至少一个非弹性体U形密封件，该至少一个非弹性体U形密封件被定向成使得每个所述阀座上的所述至少一个非弹性体U形密封件的开口朝向所述闸门并且形成下游密封件，由此当关闭所述闸门时，在所述闸门的下游侧上的所述至少一个非弹性体U形密封件被定位成将流体压力接收到所述开口中以进行密封，由此所述闸阀是具有下游密封的双向闸阀。

2.如权利要求1所述的闸阀，其中，每个所述阀座包括两个非弹性体U形密封件，该两个非弹性体U形密封件被定向成使得所述两个非弹性体U形密封件的开口背向彼此，所述两个非弹性体U形密封件中的每个U形密封件包括用于向外推动所述两个非弹性体U形密封件的腿部的腿部膨胀弹簧，由此所述两个非弹性体U形密封件被定位成形成上游密封件和下游密封件，并且由此所述闸阀是具有上游密封和下游密封的双向闸阀。

3.如权利要求2所述的闸阀，进一步包括用于每个所述阀座的外弹簧，该外弹簧定位在所述外端上以将每个所述阀座朝向所述闸门推动，所述闸门的所述坯件部分的所述两个平坦侧之间的闸门宽度大于每个所述阀座的所述密封端与所述外端之间的阀座宽度。

4.如权利要求3所述的闸阀，进一步包括形成在每个所述阀座上、在所述两个非弹性体U形密封件之间的金属凸缘。

5.如权利要求4所述的闸阀，进一步包括两个非弹性体支撑环，该两个非弹性体支撑环与所述金属凸缘直接相邻、由材料构成以用作非挤压环。

6.如权利要求5所述的闸阀，进一步包括两个非弹性体保持件环，其中，一个保持件环包括装配在邻近每个所述阀座的所述密封端形成在每个所述阀座中的槽中的腿部，并且一个保持件环定位在每个所述阀座的相反端部上、邻近每个所述阀座的所述外端。

7.如权利要求5所述的闸阀，进一步包括形成在每个所述阀座上的两个金属唇缘，该两个金属唇缘将所述两个非弹性体支撑环和所述两个非弹性体U形密封件保持在每个所述阀座上的适当位置，所述两个金属唇缘在每个所述阀座的相反的外端上，其中，所述两个金属唇缘中的一个金属唇缘在每个所述阀座的所述密封端上，并且所述两个金属唇缘中的一个金属唇缘在每个所述阀座的所述外端上。

8.如权利要求1所述的闸阀，其中，所述闸门开口邻近所述阀杆-闸门连接件，使得所述闸门开口定位在所述坯件部分与所述阀杆-闸门连接件之间。

9.如权利要求8所述的闸阀，进一步包括裙状件组件，所述裙状件组件在所述闸门的每一侧上包括裙板，该裙板被安装成允许所述闸门相对于所述裙板滑动。

10.如权利要求9所述的闸阀，其中，当所述闸门移动到所述关闭位置时，在所述闸门的每一侧上的所述裙板覆盖所述闸门开口。

11.如权利要求10所述的闸阀，其中，每个所述裙板接合对应的阀座。

12.如权利要求1所述的闸阀，其中，所述阀杆-闸门连接件包括不带螺纹的闩锁。

13.如权利要求1所述的闸阀，包括所述两个平坦侧之间的闸门宽度，该闸门宽度大于每个所述阀座的所述密封端与所述外端之间的长度。

14.一种闸阀，包括：

通孔，该通孔在所述闸阀中、延伸穿过所述闸阀；

本体空腔，该本体空腔在所述闸阀中、横向于所述通孔定向；

闸门，该闸门能够在所述本体空腔中、沿着穿过所述本体空腔的轴线在打开位置与关闭位置之间轴向地移动；

阀杆，该阀杆利用阀杆-闸门连接件连接到所述闸门，所述阀杆在所述通孔的第一侧上；

所述闸门包括在所述打开位置与所述通孔对准的闸门开口以及在所述关闭位置与所述通孔对准的坯件部分，所述坯件部分包括两个平坦侧；

阀座，该阀座在所述闸门的两侧上，每个所述阀座包括穿过该阀座的开口并且与所述通孔呈包围关系，每个所述阀座包括在关闭所述闸阀时接合所述闸门的所述两个平坦侧中的一个平坦侧的密封端，每个所述阀座包括与所述密封端相反的、装配到所述闸阀中的对应的阀囊中的外端；外弹簧，该外弹簧在每个所述阀座的所述外端上，当关闭所述闸阀时，每个所述外弹簧将每个所述阀座的所述密封端推动成与所述闸门的所述两个平坦侧中的一个平坦侧接合；并且

每个所述阀座包括两个非弹性体U形密封件，该两个非弹性体U形密封件被定向成使得所述非弹性体U形密封件的开口背向彼此，每个U形密封件包括用于向外推动所述两个非弹性体U形密封件的腿部的腿部膨胀弹簧，所述两个非弹性体U形密封件被定位成形成上游密封件和下游密封件，由此所述闸阀是具有上游密封和下游密封的双向闸阀。

15.如权利要求14所述的闸阀，进一步包括在每个所述阀座上、在所述两个非弹性体U形密封件之间的金属凸缘，

所述本体空腔在所述通孔的所述第一侧上包括类圆形截面部分和第一矩形截面部分，并且

所述本体空腔在所述通孔的与所述第一侧相反的第二侧上包括第二矩形截面，所述本体空腔的所述第二矩形截面接纳所述闸门的矩形截面。

16.如权利要求15所述的闸阀，进一步包括定位在每个所述阀座的所述外端周围的第一非金属保持件环，该第一非金属保持件环接合所述两个非弹性体U形密封件中的一个非弹性体U形密封件；从每个所述阀座径向向外延伸并且定位在所述两个非弹性体U形密封件之间的金属凸缘；以及在每个所述阀座的所述密封端处的第二非金属保持件环，所述第二非金属保持件环包括延伸到形成在每个所述阀座周围的槽中的腿部。

17.如权利要求15所述的闸阀，进一步包括形成在每个所述阀座上的两个金属唇缘，该两个金属唇缘将两个非弹性体支撑环和所述两个非弹性体U形密封件保持在每个所述阀座上的适当位置，所述两个非弹性体支撑环定位在邻近所述金属凸缘的相反两侧上，所述两个金属唇缘在每个所述阀座的相反的外端上，其中，所述两个金属唇缘中的一个金属唇缘在每个所述阀座的所述密封端上，并且所述两个金属唇缘中的一个金属唇缘在每个所述阀座的所述外端上。

18.如权利要求14所述的闸阀，其中，所述闸门开口邻近所述阀杆-闸门连接件，使得所述闸门开口定位在所述坯件部分与所述阀杆-闸门连接件之间。

19.如权利要求14所述的闸阀，其中，所述阀杆-闸门连接件包括无螺纹闩锁。

20.一种闸阀，包括：

通孔，该通孔在所述闸阀中、延伸穿过所述闸阀；

本体空腔，该本体空腔在所述闸阀中、横向于所述通孔定向；

闸门，该闸门能够在所述本体空腔中、在打开位置与关闭位置之间移动；

阀杆，该阀杆能够利用阀杆-闸门连接件连接到所述闸门，所述阀杆在所述通孔的第一侧上；

所述本体空腔在所述通孔的所述第一侧上包括类圆形截面部分；

所述闸门包括在所述打开位置与所述通孔对准的闸门开口以及在所述关闭位置与所述通孔对准的坯件部分，所述坯件部分包括两个平坦侧；

阀座，该阀座在所述闸门的两侧上，每个所述阀座包括穿过该阀座的开口并且与所述通孔呈包围关系，每个所述阀座包括在关闭所述闸阀时接合所述闸门的所述两个平坦侧中的一个平坦侧的密封端，每个所述阀座包括与所述密封端相反的、装配到所述闸阀中的对应的阀囊中的外端；

每个所述阀座包括至少一个非弹性体U形密封件，该至少一个非弹性体U形密封件被定向成使得每个所述阀座上的所述至少一个非弹性体U形密封件的开口朝向所述闸门；以及

在所述闸门的每一侧上的裙板，由此所述闸门相对于所述裙板滑动，并且当所述闸门移动到所述打开位置时，在所述闸门的两侧上的所述裙板覆盖所述闸门开口。

21.一种减少制造闸阀的库存要求和时间的方法，该方法包括：

锻造多个阀本体，该多个阀本体限定阀空腔，该阀空腔包括第一圆形腔室和第二矩形腔室，该阀空腔进一步包括延伸穿过所述第二矩形腔室的通孔，所述阀本体具有一系列标准化库存尺寸；

提供非弹性体材料的多个闸门，该多个闸门包括在打开位置与所述通孔对准的闸门开口以及在关闭位置与所述通孔对准的坯件部分，所述坯件部分包括两个平坦侧，所述多个闸门具有一系列标准化库存尺寸；

形成非弹性体材料的多个阀座，每个阀座包括穿过该阀座的开口并且与所述通孔呈包围关系，每个所述阀座包括在关闭所述闸阀时接合所述闸门的所述两个平坦侧中的一个平坦侧的密封端，每个所述阀座包括与所述密封端相反的、装配到所述闸阀中的对应的阀囊中的外端；在每个所述阀座的所述外端上形成外弹簧，当关闭所述闸阀时，每个所述外弹簧将每个所述阀座的所述密封端推动成与所述闸门的所述两个平坦侧中的一个平坦侧接合，每个所述阀座包括两个非弹性体U形密封件，该两个非弹性体U形密封件被定向成使得所述非弹性体U形密封件的开口背向彼此，每个U形密封件包括用于向外推动所述两个非弹性体U形密封件的腿部的腿部膨胀弹簧，所述多个阀座能够选择性地布置成提供下游密封、上游密封或双向密封，所述多个阀座具有一系列预定库存尺寸；以及

由此能够将所述多个阀本体、所述多个闸门、和所述多个阀座选择性地组合，以基于多个应用参数形成期望的闸阀，而不用选择性地制造每个单独的零件来满足所述应用参数。

22.如权利要求21所述的方法，其中，所述多个应用参数包括但不限于孔尺寸、压力额定值、温度额定值、PSL等级、PR等级、API规范、栓柱连接要求、密封要求、覆盖物、工作介质、海底或表面环境、型号、端部连接类型、操作者类型、和/或指示器类型。

23.如权利要求21所述的方法，其中，所述非弹性体材料是因康镍合金。

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