CN116557600A - 安全阀、用于泄压阀的隔膜组件和改造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种安全阀、用于泄压阀的隔膜组件和改造方法。安全阀包括：阀体、启闭件保持器、阀盖和隔膜所述阀体容纳入口喷嘴和出口。所述启闭件保持器配置成相对于入口喷嘴移动，以允许或限制从入口喷嘴到出口的流动。所述阀盖联接到所述阀体。所述阀盖内的弹簧，所述弹簧将力施加到启闭件保持器，以推压启闭件保持器朝向入口喷嘴。所述隔膜具有所述启闭件保持器延伸所穿过的孔口，其中所述隔膜的外部部分被压缩在所述阀体和所述阀盖之间，所述隔膜在所述安全阀处于关闭位置中时与入口喷嘴的内部流体隔离。

Description

安全阀、用于泄压阀的隔膜组件和改造方法

本分案申请是基于中国发明专利申请号为202180031600.2(国际申请号为PCT/US2021/030238)、发明名称为“确定背压平衡安全阀中故障的系统和方法”、申请日为2021年4月30日的专利申请的分案申请。

背景技术

泄压阀广泛用于需要压力保护的流体系统和容器中。例如，在某些系统中，过压会导致过程中断、仪器故障或其他设备故障。泄压阀通过允许加压流体通过辅助通道流出系统来释放过压。一些流体系统包括可以承受背压的泄压阀，例如，当泄压阀不直接排放到大气中时。

发明内容

通常，本发明的实施例可以提供监测系统以帮助识别压力平衡组件的部件中的潜在故障，所述部件包括背压平衡安全阀的压力平衡波纹管或隔膜。

本发明的一些实施例提供了一种背压平衡安全阀系统。该安全阀系统可以包括活塞、波纹管或隔膜之一以及压力传感器。可以在活塞与波纹管或隔膜之一之间形成压力室。压力传感器可以与压力室流体连通，并且可以配置为监测压力室中的压力以指示波纹管或隔膜之一的潜在故障。

本发明的一些实施例可以提供一种背压平衡安全阀系统。背压平衡安全阀系统可以包括活塞、平衡装置和压力端口。平衡装置可以包括压力平衡波纹管或压力平衡隔膜中的一个，并在活塞和平衡装置之间限定第一压力室。压力端口可以与第一压力室流体连通。压力端口可以被配置为接收压力传感器或与压力传感器流体连通，以使压力传感器监测第一压力室中的压力以指示平衡装置的潜在故障。

在一些实施例中，背压平衡安全阀系统可以包括控制系统，该控制系统被配置为监测第一压力室中的压力并基于第一压力室中的压力提供警报。

在一些实施例中，背压平衡安全阀系统可以包括控制系统，该控制系统被配置为基于第一压力室中的压力高于第一参考压力超过阈值时间而提供警报。

在一些实施例中，背压平衡安全阀系统可以包括阀盖，该阀盖限定了在阀盖和活塞之间的第二压力室。第二压力端口可以与第二压力室流体连通。第二压力端口可以被配置为接收第二压力传感器或与第二压力传感器流体连通，以便第二压力传感器监测第二压力室中的压力。控制系统可以被配置为基于第二压力室中的压力提供警报。

在一些实施例中，背压平衡安全阀系统可以包括控制系统，该控制系统被配置为基于确定第二压力室中的压力显著低于第一压力室中的压力或低于第二压力阈值提供警报，以指示平衡装置的潜在故障。

在一些实施例中，背压平衡安全阀系统可以包括控制系统，该控制系统被配置为例如基于确定第二压力室中的压力不显著低于第一压力室中的压力或不低于第二压力阈值提供警报，以指示潜在的阀盖故障，例如阀盖排气，或管道疏通故障。

在一些实施例中，背压平衡安全阀系统可以包括控制系统，该控制系统被配置为基于第一压力室中的压力计算平衡装置的泄漏率。

在一些实施例中，背压平衡安全阀系统可以包括在活塞的与第一压力室相对的一侧上的阀盖。流量计可以配置为监测通过阀盖到大气的流量。控制系统可以被配置为基于由流量计测量的通过阀盖的流量来确定平衡装置的破裂区域。

在一些实施例中，背压平衡安全阀系统可以包括阀盖，该阀盖限定了在阀盖和活塞之间的第二压力室。控制系统可以被配置为基于在第二压力室中测量的压力和基于背压平衡安全阀系统的背压来计算平衡装置的破裂面积，并且基于计算出的破裂面积计算泄漏率。

在一些实施例中，背压平衡安全阀系统可以包括控制系统，该控制系统被配置为基于背压平衡安全阀系统的最大背压计算背压平衡安全阀系统的最大泄漏率。

在一些实施例中，背压平衡安全阀系统可以包括平衡装置，该平衡装置包括压力平衡隔膜。压力平衡隔膜可以是改装组件的一部分，该改装组件被配置为将阀门转换为隔膜操作的背压平衡安全阀系统。

一些实施例提供了一种检测背压平衡安全阀的故障的方法。该方法可以包括提供通过背压平衡安全阀的流量，该安全阀包括活塞、波纹管或隔膜之一，以及与活塞和波纹管或隔膜之一之间的压力室流体连通的压力传感器。使用压力传感器，可以对压力室中的压力进行电子监控。该方法还可包括使用与压力传感器通信的控制系统基于压力室中的压力高于参考点来提供警报。

一些实施例提供了一种检测安全阀的故障的方法。该方法可以包括使用压力传感器以电子方式监测安全阀的第一室和第二室中的压力；并且基于第一压力室中的压力高于参考点，使用与压力传感器通信的控制系统提供潜在故障的警报。

一些实施例提供了一种检测安全阀中潜在故障的方法。该方法可以包括使用压力传感器以电子方式监测由安全阀的活塞或阀盖中的一个或多个以及安全阀的波纹管或隔膜中的一个限定的第一压力室中的压力。该方法还可以包括使用与压力传感器通信的控制系统，基于第一压力室中的压力增加，提供安全阀的潜在故障的警报。

在一些实施例中，检测安全阀中的潜在故障的方法可以包括使用与压力传感器通信的控制系统，基于第一压力室中的压力增加，提供安全阀的潜在故障的警报。

在一些实施例中，检测安全阀中的潜在故障的方法可以包括基于第一压力室中的压力、安全阀的背压或活塞的间隙区域中的一个或多个压力确定来自第一压力室的泄漏率。

在一些实施例中，检测安全阀中的潜在故障的方法可以包括提供警报。提供警报可以包括基于第一室中的压力和以下中的一个或多个计算波纹管或隔膜中的一个的破裂面积：系统背压或通过阀盖的测量的流速。

在一些实施例中，检测安全阀中的潜在故障的方法可以包括提供警报，该警报可以包括基于最大预期系统背压确定通过阀盖阀的最大泄漏率。

一些实施例提供了背压平衡安全阀系统。背压平衡安全阀系统可以包括活塞、阀盖、波纹管和第一压力传感器。阀盖可以在活塞和阀盖之间形成阀盖室。波纹管可以在活塞和波纹管之间形成波纹管室，所述波纹管室可以与阀盖室流体连通。第一压力传感器可以与波纹管室流体连通，所述压力传感器被配置为监测波纹管室中的非瞬态压力并且如果波纹管室中的非瞬态压力增加到超过零表压，则提供潜在波纹管故障的警报。

一些实施例提供了背压平衡安全阀。背压平衡安全阀可包括阀体；阀体内的阀座；配置成相对于阀座移动以允许或限制通过阀体的流量的启闭件(disc)组件；配置成与启闭件组件一起移动的活塞；阀盖，其在活塞和阀盖之间限定阀盖室；波纹管，其在活塞和波纹管之间限定波纹管室，所述波纹管室在活塞两侧与阀盖室流体连通；第一压力传感器，其与波纹管室流体连通，所述第一压力传感器被配置为监测波纹管室中的非瞬态压力；以及电子控制器，其被配置为监测波纹管室中的非瞬态压力以识别潜在的波纹管故障。

在一些实施例中，背压平衡安全阀可以包括电子控制器，该电子控制器被配置为基于波纹管室中的非瞬态压力增加到零表压以上来提供潜在的波纹管故障的警报。

在一些实施例中，背压平衡安全阀可以包括与阀盖室流体连通的第二压力传感器。电子控制器可以被配置为基于第一和第二压力传感器检测到阀盖室中的压力增加和波纹管室中的压力增加来提供潜在阀盖故障的警报。

一些实施例提供了隔膜组件。隔膜组件可以包括隔膜、阀盖适配器、垫片和活塞板。隔膜可以设置在阀体和泄压阀的阀盖之间，泄压阀的启闭件保持器延伸穿过隔膜的中心部分。阀盖可以至少部分地围绕隔膜并且位于隔膜和阀盖之间。垫片可以与启闭件保持器的中心部分的第一侧接合。活塞板可以与启闭件保持器的中心部分的与垫片相对的第二侧接合。隔膜组件可以配置为泄压阀的改装组件。

在一些实施例中，隔膜组件是非背压平衡安全阀的改装件。

在一些实施例中，隔膜组件限定了等于泄压阀的喷嘴面积的有效面积。

在一些实施例中，隔膜组件可以包括垫片。该垫片可以包括取压口，其配置成接收压力传感器以监测泄压阀的活塞和隔膜之间的第一压力室中的压力。

附图说明

并入在本说明书中且形成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，且与说明书一起用于解释本发明的实施例的原理：

图1是背压平衡安全阀的剖视图。

图2是根据本发明实施例的背压平衡安全阀的剖视图，其包括波纹管组件和压力传感器。

图3是根据本发明实施例的图2的背压平衡安全阀的剖视图，其包括第二压力传感器。

图4是根据本发明的实施例的波纹管室中的累积压力与破裂孔与活塞孔的比率的关系图，以支持监测波纹管或隔膜故障。

图5是根据本发明实施例的背压平衡安全阀的剖视图，其包括隔膜组件和压力传感器。

图6是根据本发明实施例的改装有隔膜组件的背压平衡安全阀的剖视图。

图6A是图6的隔膜组件的横截面详细视图。

具体实施方式

呈现以下论述以使本领域技术人员能够制造和使用本发明的实施方案。本领域的技术人员将容易了解对所说明实施例的各种修改，且可在不脱离本发明的实施例的情况下将本文中的一般原理应用于其它实施例和应用。因此，本发明的实施例不旨在限于所示出的实施例，而是应被赋予与本文所公开的原理和特征相一致的最广范围。将参考附图理解以下详细描述，其中不同附图中的相似元件具有相似的附图标记。不一定按比例绘制的附图描绘了选择的实施例，并且不旨在限制本发明的实施例的范围。技术人员将认识到，本文提供的实例具有许多有用的替代方案，并且落入本发明的实施方案的范围内。

在详细地解释本发明的任何实施方案之前，应理解，本发明在其应用方面不限于以下描述中阐述的或以下附图中图示的构造细节和部件布置。本发明能够具有其他实施方案且能够以各种方式实践或进行。此外，应理解，本文中所使用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应视为限制性的。例如，本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变型的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。

如上所述，某些系统和容器需要压力保护以避免过压。在这种系统中可以使用弹簧驱动式泄压阀来释放和转移过多的流体压力。通常，弹簧驱动式泄压阀包括被压缩至预定值的弹簧。弹簧沿阀门关闭方向(例如，向下)在阀启闭件上提供相应的力，从而将阀偏置朝向关闭位置。可以通过弹簧调节机构(如针对给定阀门升程控制弹簧压缩程度的可调节螺钉)来调节弹簧的压缩。当加压流体施加在阀启闭件上的打开(例如，向上的)力等于弹簧的关闭(例如，向下的)力加上任何辅助力(例如，由于阀启闭件组件的重量)时，阀开始打开以释放系统压力。随着流体压力继续增加，将弹簧进一步压缩并将阀进一步打开。

通常，弹簧驱动式泄压阀被配置成提供设定压力，该设定压力通常在安装阀之前进行预先确定和预设。尽管在不同的装置中应用了其他定义，设定压力通常是阀门打开时的压力，并且系统压力显著降低，这在行业中是已知的。在一些情况下，设定压力可以被定义为当弹簧驱动式泄压阀释放系统压力时，用户可以听到第一声音响应(即“砰”的一声)时的压力，或者可以被定义为通过阀门的泄漏对于操作人员来说是第一声音响应的压力。根据需要，可以通过改变阀门内弹簧的压缩来调节特定阀门的设定压力，包括通过调节压力调节螺钉以将弹簧压缩或释放一定程度。

同样如上简述，一些流体系统包括承受背压的泄压阀。承受背压的泄压阀可以是公共总管头、具有高管道损失的排放系统或其他不直接排放到大气中的加压系统的一部分。通常，背压通过阀的出口(即阀座下游)引入。因此，在某些情况下，背压会在阀内的阀关闭方向上导致启闭件保持器上的附加力。阀启闭件保持器上的这种附加力会影响(即增加)设定压力，并相应地影响泄压阀的适当功能，以释放系统压力。背压对安全阀的其他潜在负面影响可包括来自阀门出口的流体无意中通过覆盖弹簧的阀盖排放到大气中，等等。

一般来说，背压有叠加背压和累积背压两种。叠加背压是阀门需要操作时存在于阀门出口处的压力。累积背压是由于流经阀门和排放系统而在阀门出口处存在的压力。在某些情况下，可能需要解决这两种类型的背压以获得最佳阀门性能。

一种调节背压的已知方法包括降低阀的设定压力以补偿阀出口处的背压。然而，该方法仅适用于恒定背压条件，并且依赖于主动识别背压大小。对抗背压对安全阀的负面影响的另一种方法包括添加平衡装置，其防止背压将净向下力施加到阀的启闭件保持器上。平衡装置可以在存在可变和恒定背压的情况下保持阀门的设定压力，并且还可以帮助防止由于背压而导致流体通过阀盖意外排放。

背压平衡安全阀可以使用波纹管、隔膜、活塞等设计，以及它们的组合，以抵消背压的影响。这种背压平衡安全阀通常包括涉及大气压或近大气压的阀盖。相反，背压不平衡的阀门通常包括关闭或通向阀门出口且不涉及大气压力的阀盖。

现在参考图1，示出了背压平衡安全阀100。背压平衡安全阀100包括容纳入口喷嘴和出口的阀体104，以及容纳弹簧的阀盖112，该弹簧在阀关闭方向(即，朝向入口喷嘴)上向启闭件保持器108提供力)。此外，背压平衡安全阀100中的背压平衡系统包括阀盖排放口114，其将阀盖112通过阀盖排放口114通到大气或其他出口；活塞116；提供活塞壳体的阀盖垫片120；和波纹管124。背压平衡安全阀100还包括由波纹管124和活塞116限定的波纹管室128。通常，背压平衡安全阀100的活塞116提供补充背压平衡机构。然而，在其他实施例中，背压平衡安全阀可以包括波纹管结构，在其他方面类似于波纹管124，但例如没有活塞。

通常，波纹管124可以通过有效减小暴露于背压的启闭件保持器108的表面积来抵消出口处的背压的影响，使得在启闭件保持器108上的来自背压的净力实际上为零。结果，当波纹管124工作时，即使在背压变化的情况下，背压对阀100的开度的任何影响也可以最小化，并且背压平衡安全阀100的设定压力可以适当地保持。

此外，在如图所示的背压平衡安全阀100中，活塞116可以提供补充背压平衡，包括在波纹管124故障时接管波纹管124的部分功能。例如，由于活塞116和阀盖垫片120之间的间隙相对较小，背压渗入波纹管室128将导致活塞116上的向上力。由于活塞116和波纹管124内的启闭件保持器108的相似投影表面积，这种向上力通常可以抵消启闭件保持器108上向下力的同步增加。因此，活塞116可以提供一层保护，使得在波纹管故障期间阀门性能基本上不会受到影响。然而，活塞116和阀盖垫片120具有间隙并且在它们之间不包括密封件。因此，活塞116不提供对已经破坏波纹管124的使用介质(即流体)的完全封闭，并且可能允许通过阀盖排放口114泄漏到大气中。

还如下文所述(参见例如图5)，压力平衡安全阀的其他实例可以包括代替波纹管的隔膜。与波纹管类似，隔膜通过将背压转换为向上力(通常等于启闭件保持器上的背压引起的相应向下力)，有助于平衡可能通过阀门出口进入的背压的影响：即，使得抵抗阀门打开的背压的净力基本上为零。在波纹管破裂的情况下，相关联的活塞可以与活塞116类似地操作以减轻一些所产生的压力效应。

尽管活塞设计可以在压力平衡安全阀发生某些类型的故障(例如压力平衡波纹管或隔膜破裂)时提供回退保护，但通常检测泄压阀内平衡装置的故障是有用的。例如，如果平衡装置发生故障(例如，如果波纹管破裂)，则阀门的功能可能受到影响，并且其在所需压力下释放所需容量的流体的能力可能受到影响。在平衡装置发生故障的其他情况下，来自阀门出口的流体可能通过阀盖排放到大气中，这可能是不希望的。因此，迅速检测和表征背压平衡安全阀中的平衡装置的潜在故障可能是有用的。

在一些实施例中，根据本发明配置的泄压阀故障检测系统可以解决这些(或其他)问题。例如，在一些实施例中，根据本发明的泄压阀可以包括压力传感器，该压力传感器与由平衡装置(例如，隔膜或波纹管)和活塞之间产生的压力室流体连通。包括压力传感器的控制系统可以配置为监测压力室内的压力并基于该监测提供警报以指示潜在问题。例如，升高的压力(例如，高于0psig)可以指示平衡装置发生故障并且由阀中的背压加压的流体已经渗入压力室。在不同的情况下，可以以不同的方式提供警报，包括作为警报器、更新日志、重要的传输流量参数(例如，泄漏率或破裂大小)或其他通信等。

在一些实施例中，控制系统可以提供多个级别或程度的警报。例如，初始警报可以指示微小的泄漏，该泄漏可能对应于平衡装置中的小但可操作的破裂，阀门在该破裂下仍然操作。例如，初始警报可以记录在数据库中，并在计划或安排阀门维护时参考。此外，控制系统可以继续监测破裂或泄漏率的任何增长，以提供次级警报。例如，次级警报可以指示比初始警报更紧急的实际或潜在故障(例如，可能对应于超过一个或多个相关阈值的破裂尺寸或泄漏率)。因此，一般来说，多个级别或程度的警报可以指示平衡装置中破裂的逐渐增长，这也可以帮助规划或安排阀门维护。

图2图解了根据本发明实施例配备的背压平衡安全阀200的实例。在某些方面，背压平衡安全阀200类似于图1的背压平衡安全阀100。例如，背压平衡安全阀200类似地包括阀体204、在阀关闭方向上在启闭件保持器208上提供力的弹簧、入口喷嘴和出口。背压平衡安全阀200中的平衡系统包括通过阀盖排放口214通向大气或其他出口的阀盖212、活塞216和提供活塞壳体的阀盖垫片220。在所示实例中，在活塞216和阀盖垫片220之间有一个活塞孔口222，在一些情况下，它可以允许有限的流体流动，如下文进一步描述的。

在所示实例中，背压平衡安全阀200还包括波纹管224。波纹管224和活塞216限定了波纹管室228，该波纹管室是由波纹管224和活塞216之间的容纳容积产生的压力室，与由阀盖212和活塞216限定的阀盖室在活塞216的对面(即，如所示实例中的波纹管224、活塞216和阀盖垫片220所限定的)。然而，其他配置是可能的。在一些实施例中，背压平衡安全阀(例如，类似于安全阀200)可以包括隔膜(参见例如图5)或其他平衡装置。

如本文所用，“压力室”不一定指完全密封的容积。例如，如上一般讨论的，在活塞216和阀盖垫片220之间没有提供密封，但这两个部件之间的紧密间隙(即活塞孔222)可以显著限制流体流动。因此，波纹管室228可能够维持相对于周围容积(例如，由阀盖212限定的压力室)升高的压力，包括在阀出口处存在背压的情况下。类似地，如本文所用，“压力室”不一定指仅包括单个隔室的容积。例如，如图2所示，波纹管室228包括在波纹管224内的隔室、在波纹管上方的启闭件引导件中的一个或多个孔口、以及启闭件引导件和活塞216之间的另一隔室。

在图2中进一步图示，背压平衡安全阀200包括穿过阀盖垫片220的取压口236。取压口236可以允许压力传感器，例如压力转换器240，监测波纹管室228中的压力。在所示实例中，压力传感器被配置为压力转换器，但其他配置也是可能的。例如，压力传感器可以是压力变送器、压力开关或任何压力测量装置。此外，如图所示，取压口236延伸穿过阀盖垫片220，但在其他配置中，取压口可以通过例如延伸穿过活塞216或穿过其他部件来监测波纹管室228中的压力。

在一些实施例中，压力转换器240可以与控制系统例如本地或远程电子控制系统(例如，各种公知配置的远程电子控制系统242)通信。除了其他功能之外，控制系统可以被配置为监测来自压力转换器240的压力读数，并且如果波纹管室228中的压力表明波纹管224的潜在故障(例如，如果压力高于参考阈值压力)，则提供警报。例如，在背压平衡安全阀200的正常操作期间，波纹管室228内的稳态压力可以为0psig(或另一个阈值压力)。如果压力转换器240测量波纹管室228内的非瞬态压力大于0psig，这可能表明波纹管224中的破裂使波纹管室228暴露于背压，并且控制系统可以相应地提供警报(例如，将升高的压力或相关指示器记录到日志中，发送警报以供操作员操作等)。

在一些实例中，相当大的非零表压(例如，高于0.07psig或另一个阈值压力)可以对应于波纹管故障，例如波纹管224中允许使用介质从阀的出口到波纹管室228的穿孔或破裂。在一个实例中，取决于具体的系统配置和灵敏度，当波纹管室228内的非瞬态压力高于0psig(例如，小于1英寸的水柱表压)到与阀门200出口处的背压一样高时，控制系统可以提供一个或多个警报。

同样如上所述，在波纹管224有故障的情况下，活塞216可以通过抵消启闭件保持器208上的背压的力并且从而防止阀设定压力的显著变化，推迟更严重的阀故障。然而，虽然活塞孔口222可以限制流体流动，但它不提供与完整的波纹管224相同的密封，因为活塞216和阀盖垫片220之间的间隙通常不包含密封件。结果，基于检测到波纹管室228中升高的压力提供警报可以提醒用户潜在的重大阀门故障，同时仍有时间修复或更换背压平衡安全阀200。在一些实施例中，可以在活塞216和阀盖垫片220之间实现密封，包括硬密封，这可以增加较小破裂区域的检测水平。

在一些情况下，仅当波纹管(或其他)室中的压力变化足够非瞬态(例如，存在超过阈值时间量，或表现出另一种预定行为)时，才可提供警报。例如，当阀200在正常操作期间打开或关闭时，由于波纹管室228和阀盖212之间的压力均衡延迟，可能看到一些瞬时压力峰值。然而，如果波纹管224适当地操作，则一旦启闭件保持器208和活塞216静止(例如，一旦阀200关闭)，任何这样的压力峰值都可以预期会迅速消除(例如，返回到0psig)。与用于识别非瞬态压力变化的其他标准一样，适当的阈值时间量可以根据特定阀门或安装系统的特定特性而变化。然而，在一些实施例中，如果在大约100到800毫秒内解决了压力峰值(例如，返回到0psig或其他阈值)，则可以将压力峰值视为瞬时的。

如上所述，波纹管室228中的稳态高压有时可以指示波纹管故障。然而，在其他情况下，波纹管室228中的非瞬时升高的压力(例如，大于0psig)可以对应于阀盖212中的压力的非瞬时增加，而不是波纹管故障。在某些情况下，波纹管室228中的这种压力增加可以相应地表明阀盖排放口214而不是波纹管224的问题。例如，阀盖212被堵塞或阀盖212的管道系统发生故障有时会导致阀盖212内的压力增加。这可能导致波纹管室228内的压力相应增加，即使波纹管224可以完全完好无损并且可操作。

本发明的一些实施例可以被配置为区分可能由阀盖故障(例如，如上所述)导致的压力增加和可能由波纹管(或其他类似)故障导致的压力增加。现在参考图3，阀200在某些情况下可以配备有第二压力转换器244。特别地，如图所示，第二压力转换器244可以监测阀盖212中的压力。在一些实施例中，第二压力转换器244是第二压力传感器，并且可以类似于可以监测波纹管室228中压力的压力转换器240。在一些实施例中，可以使用被配置为识别两个位置之一处的压差和压力的单个多变量压力转换器。

通常，监测波纹管室228的压力转换器240和监测阀盖212的第二压力装置器244的存在可以允许控制系统(例如，如图2中的控制系统242)确定波纹管室228的非瞬时(例如，稳定)升高的压力读数可以指示潜在的阀盖故障还是潜在的波纹管故障。具体地，阀盖212和波纹管室228两者中的压力增加(例如，高于0psig)通常可以指示与阀盖212相关联的故障(例如，在阀盖排放口214处)。比较而言，仅波纹管室228中的压力增加(例如，高于0psig)通常可以指示与波纹管或其他平衡装置相关的故障。因此，在一些实施例中，如果在波纹管室228和阀盖212之间存在显著的非瞬态压差(例如，压差大于0.5psi或大于5％)，则控制系统可以提供波纹管(或者，一般而言，平衡装置)故障警报。比较而言，如果波纹管室228和阀盖212中的每一个中的压力存在显著的非瞬时增加(例如，增加大于0.5psi或大于5％)，则控制系统可以提供阀盖故障警报。可选地，一些控制系统可以被配置为，当波纹管室228中存在升高的压力时，如果阀盖压力不超过阈值压力(例如，0psig)则提供波纹管警报，或者如果阀盖压力超过阈值压力(例如，0psig)则提供阀盖警报。

通常，当背压平衡安全阀200出现波纹管故障时，会建立从安全阀200的出口到阀盖排放口214的流动。这种流动由两个限制(或孔口)控制。第一个限制是波纹管破裂区域，范围从针孔到明显撕裂。第二个限制是活塞孔口222，它由活塞216和阀盖垫片220之间的间隙区域限定。在波纹管故障期间，基于流过波纹管室228、阀盖212和阀盖排放口214的压力驱动流动的相应特性，波纹管破裂区域和活塞孔口222的大小(单独或共同)通常控制在波纹管室228中形成的压力。

继续参考图3，阀门200在某些情况下可以配备流量计246。特别地，如图所示，流量计246可以监测通过阀盖排放口214流出阀盖212的流体。在一些情况下，如下文进一步讨论的，流量计246可以在波纹管故障事件期间测量通过阀盖排放口214的流体流速。

一般而言，基于波纹管(或其他压力)室中的压力增加，具有特定灵敏度的监测系统识别波纹管(或其他类似)故障的能力可取决于相关破裂区域相对于相应活塞孔口的大小并且在某些情况下还取决于背压。图4示出了波纹管故障期间波纹管室228内的非瞬态表压的示例图形表示，这是针对具有10psig背压的系统的波纹管破裂面积和活塞孔222的尺寸的比率绘制的。在一种实施方式中，如图4所示，一旦波纹管破裂面积约为活塞孔口222的23％(见图2)，0.5psig(即背压的5％)就会积聚在波纹管室228中。因此，对于具有类似配置的经济制造的阀，即使当波纹管破裂小于活塞孔口222尺寸的25％(例如，～0.006in²)时，也可以检测到波纹管故障。然而，应该理解，图4中表示的数据对应于特定设备的特定安装，并且可检测的非瞬态表压和可检测的波纹管破裂尺寸的变化是可能的。

可以基于背压平衡安全阀200的某些特性，包括系统背压(例如，测量的或预定的)和波纹管室228内的压力(如通过压力转换器240测量的)，通过已知的流体动力学计算，生成图4的图中的数据曲线。因此，对于特定的背压平衡安全阀(例如安全阀200)，如果系统背压已知，则可以检测波纹管破裂的存在和大小。特别地，如图4所示，根据已知的系统背压和测得的波纹管室压力，可以(近似地)计算出波纹管破裂面积。然后可以使用计算的破裂面积来确定通过阀盖(例如，阀盖212)的泄漏率。

以类似的方式，给定最大预期系统背压，可以确定通过阀盖212的最大泄漏率。在这点上，由活塞孔口提供的流量限制通常可以被认为是为给定的压降设定最大流量，因为平衡装置中的破裂尺寸通常可以远远超过活塞孔口的尺寸。此外，可以为特定的安全阀构建类似于图4的曲线(或相应的查找表)以将孔口尺寸与各种背压下的流速相关联。因此，例如，基于活塞孔口222的已知面积和最大预期系统背压，可以确定最大可能泄漏率。

在背压平衡安全阀(例如阀200)的一些安装中，系统背压可能是未知的。尽管如此，在某些情况下，仍然可以根据压力和其他测量值来检测和表征波纹管破裂。例如，根据本发明的实施例，流量计246可用于测量通过阀盖排放口214的流速。然后该流速与波纹管室228中的感测压力相结合，可以参考用于安全阀200的预定曲线或查找表以确定相应的破裂面积。结果，使用通过阀盖排放口214的流速和通过压力转换器240在波纹管室228中测量的压力，可以检测到低至微小水平的波纹管破裂(例如，～0.001in²破裂面积)。与上述其他实例一样，参数(例如，破裂面积和流速)之间的关系有时可能特定于特定阀门。因此，一些实例可依赖于在特定阀门的预安装表征期间预先确定(例如，凭经验)的相关关系。

在一些实施例中，对于在波纹管室中测量的给定压力，可以直接计算通过阀盖的相关泄漏率。例如，在阀200的表征期间，可以建立曲线或查找表，其将波纹管室228中的压力与在各种背压和孔口尺寸下通过阀盖排放口214的相应泄漏率相关联。此外，对于给定的背压，相同或其他表征测试可以建立波纹管室228中的压力和孔口尺寸之间的相关性。因此，例如，对于已知的背压，波纹管室228中的特定压力可以指示波纹管破裂的特定孔口大小和特定泄漏率。波纹管破裂面积的大小也可以基于波纹管室228的已知容积、活塞孔口222面积和波纹管室228中的压力，或使用基于假设(例如，标准)的排放系数或流量系数的已知推导来计算。

尽管上面的详细讨论特别涉及具有波纹管的阀，包括图2和图3所示的配置，但类似的方法可用于其他系统，包括具有带不同构造的波纹管的压力平衡组件的阀门以及具有带隔膜的压力平衡组件的阀门。现在参考图5，示出了根据本发明实施例的背压安全阀200的另一种可能的配置。如图所示，图5中的背压安全阀200的构造与图2中的背压安全阀200的构造大体上类似，但提供了隔膜232，以平衡背压，而不是波纹管224。

在这方面，隔膜232在隔膜232和活塞216之间形成隔膜室248，类似于由波纹管224和活塞216形成的波纹管室228(见图2)。相应地，如图5所示，与波纹管室228类似，压力转换器240可以延伸通过取压口236以监测隔膜室248中的压力。然后与波纹管室228中的压力基本相似，可以使用压力转换器240监测隔膜室248中的压力，如上文相对于图2所描述的，并相应地提供相应的警报。因此，监测隔膜室248中的压力的描述和方法以及图5的配置将省略，以避免重复。

此外，在其他实施例中，配备有隔膜232的背压平衡安全阀200还可包括使用第二压力传感器监测由阀盖212限定的阀盖室内的压力，例如使用第二压力转换器244，如图3所示。如上类似讨论的，当隔膜室248中的非瞬态表压增加时，使用第二压力传感器可以允许用户检测特定的故障模式。类似地，对于潜在破裂事件或阀盖故障的其他指示的监测也可以如上一般讨论的那样进行，尽管已经为图5的阀200(或其他隔膜阀)建立了相关性。

现在转到图6，本发明的实施例提供了一种用隔膜组件302改造阀300以使阀300具有背压平衡能力的方法。所述改造可以提供具有能够平衡背压的隔膜的阀，类似于图5中所示的隔膜232和阀200。一般来说，改造可以应用于各种阀门，例如缺乏背压平衡能力的阀门或具有替代性背压平衡组件的阀门。例如，图1中所示的阀门100或图2、3和5所示的阀门200可以用隔膜组件302改装。在图1-3中所示的阀门100和200的情况下，波纹管124、224可以从阀门100、200上拆下，并且阀门100、200可以用隔膜组件302改造。因此，在一些实施例中，阀门300可以是阀门100或阀门200的改造型。

通常，隔膜组件302可以提供阀盖部件与流过阀门的危险和/或腐蚀性介质的隔离。隔膜组件302可包括隔膜，例如隔膜332，其可包括配置成提供紧密密封的弹性体材料。隔膜组件302可以设置在阀体304和阀盖312之间。阀门300的启闭件保持器308可以延伸穿过隔膜332。如图6A所示，隔膜组件302还可包括阀盖适配器316和活塞板318。阀盖适配器316围绕隔膜332的一部分并且设置(例如，夹紧)在隔膜332和阀盖310之间。

隔膜组件302还可以包括垫片320和活塞板318。垫片320定位在隔膜332和启闭件保持器308之间以在隔膜332被夹在阀盖适配器316和启闭件引导件之间时提供它们之间的适当间距。活塞板318接合隔膜332的与垫片320相对的中心部分，并且配置成将隔膜323的中心部分夹在垫片320上，并且还确保隔膜332在操作期间的适当结构完整性(例如，以限制中心变形)。在一些情况下，可以使用锁定垫圈324和螺母326固定活塞板318，从而将隔膜332相对于启闭件保持器308固定，尽管其他方法也是可能的。在一些情况下，隔膜组件302还可以包括衬垫328，该衬垫被配置为在阀体304和阀盖312之间提供额外的密封。

在使用中，一旦阀300用隔膜组件302改装，阀300可以类似于图5中所示的阀200操作。例如，阀300中的隔膜332在隔膜332和阀盖312之间形成隔膜室348，类似于图5所示的隔膜室248。相应地，压力转换器，例如，类似于压力转换器240，可以延伸通过取压口以监测隔膜室348中的压力。然后可以使用压力转换器监测隔膜室348中的压力，这与波纹管室228或隔膜室248中的压力基本相似，如上文分别相对于图2和图5描述的。然后可以相应地提供相应的警报。因此，监测隔膜室348中的压力的描述和方法以及图6的配置将省略。

因此，所公开的发明的实施例可以提供一种确定背压平衡安全阀中的故障的系统和方法。提供所公开实施例的先前描述以使得本领域的任何技术人员均能够制造或使用本发明。本领域的技术人员将容易地显而易见对这些实施例的各种修改，且在不脱离本发明的精神或范围的情况下可将本文中定义的一般原理应用于其它实施例。因此，本发明不旨在局限于本文中所展示的实施例，而是旨在就本文中所公开的原理和新颖特征达成最广泛范围的一致。

Claims (20)

1.一种安全阀，所述安全阀包括：

阀体，所述阀体容纳入口喷嘴和出口；

启闭件保持器，所述启闭件保持器配置成相对于入口喷嘴移动，以允许或限制从入口喷嘴到出口的流动；

阀盖，所述阀盖联接到所述阀体；

所述阀盖内的弹簧，所述弹簧将力施加到启闭件保持器，以推压启闭件保持器朝向入口喷嘴；和

隔膜，所述隔膜具有所述启闭件保持器延伸所穿过的孔口，其中所述隔膜的外部部分被压缩在所述阀体和所述阀盖之间，其中所述隔膜在所述安全阀处于关闭位置中时与入口喷嘴的内部流体隔离。

2.根据权利要求1所述的安全阀，其中，孔口的边缘被压缩在第一部件和第二部件之间，所述第一部件定位成围绕启闭件保持器并且在隔膜上方，所述第二部件定位成围绕启闭件保持器并且在隔膜下方。

3.根据权利要求2所述的安全阀，其中，所述隔膜提供阀体和阀盖之间的流体密封。

4.根据权利要求1所述的安全阀，其中，所述隔膜是柔性的，并且其中隔膜的内部部分随着启闭件保持器一起移动。

5.根据权利要求4所述的安全阀，其中，将第一力施加到启闭件保持器以推压启闭件保持器朝向入口喷嘴的背压也将第二力施加到隔膜，以推压启闭件保持器远离入口喷嘴。

6.根据权利要求5所述的安全阀，其中，启闭件保持器的被背压作用以引起第一力的面积基本上等于隔膜的被背压作用以引起第二力的面积。

7.根据权利要求1所述的安全阀，其中，所述隔膜的外边缘被夹紧在阀盖适配器和启闭件引导件之间，所述启闭件引导件配置成接收启闭件保持器的一部分。

8.根据权利要求1所述的安全阀，其中，隔膜的中心部分被夹紧在活塞板和垫片之间，所述活塞板定位在隔膜上方，从启闭件保持器比垫片更远地沿径向方向延伸，并且配置成限制隔膜的中心部分的变形。

9.一种用于泄压阀的隔膜组件，所述隔膜组件包括：

启闭件引导件，所述启闭件引导件构造成接收启闭件保持器的一部分；

阀盖适配器；和

隔膜，所述隔膜在外边缘处被夹紧在启闭件引导件和阀盖适配器之间，其中所述膈膜组件配置成定位在泄压阀的阀盖与泄压阀的阀体之间，以通过抵消作用在启闭件保持器上的背压而将泄压阀转换成背压平衡泄压阀。

10.根据权利要求9所述的隔膜组件，其中，位于隔膜的中心部分的孔口接收启闭件保持器的一部分。

11.根据权利要求10所述的隔膜组件，其中，所述膈膜组件还包括垫片，所述垫片定位成围绕启闭件保持器的一部分并且在启闭件保持器与隔膜的中心部分之间。

12.根据权利要求11所述的隔膜组件，其中，所述膈膜组件还包括活塞板，活塞板接合隔膜的与垫片相对的中心部分，并且活塞板配置成将隔膜的中心部分夹紧在垫片上。

13.根据权利要求12所述的隔膜组件，其中，螺母推压活塞板朝向垫片并且将隔膜的中心部分夹紧在活塞板和垫片之间。

14.根据权利要求10所述的隔膜组件，其中，所述隔膜是柔性的，并且其中隔膜的中心部分随着启闭件保持器一起移动。

15.根据权利要求14所述的隔膜组件，其中，背压将第一力施加到启闭件保持器以推压启闭件保持器朝向泄压阀的入口喷嘴，并且也将第二力施加到隔膜，以推压启闭件保持器远离泄压阀的入口喷嘴。

16.根据权利要求15所述的隔膜组件，其中，启闭件保持器的被背压作用以引起第一力的面积基本上等于隔膜的被背压作用以引起第二力的面积。

17.根据权利要求9所述的隔膜组件，其中，隔膜室形成于隔膜和泄压阀的阀盖之间；并且

其中所述隔膜室与泄压阀的入口喷嘴流体隔离。

18.根据权利要求9所述的隔膜组件，其中，隔膜包括环形段，所述环形段沿轴向方向延伸，并且在径向方向上位于隔膜的外边缘和中心部分之间。

19.一种通过背压平衡组件来改造泄压阀的改造方法，所述方法包括：

将泄压阀的阀盖部分与泄压阀的阀体部分分隔开；

将背压平衡组件安装在阀盖部分与阀体部分之间，其中背压平衡组件包括：

启闭件引导件，所述启闭件引导件构造成接收泄压阀的启闭件保持器的一部分；

阀盖适配器；和

隔膜，所述隔膜在外边缘处被夹紧在启闭件引导件和阀盖适配器之间，。

20.根据权利要求19所述的改造方法，还包括：

将压力传感器安装在泄压阀的取压口处，所述取压口与隔膜室流体连通，所述压力传感器构造成监测隔膜室中的压力，

其中，安装背压平衡组件在隔膜和泄压阀的阀盖部分之间形成所述隔膜室。