CN1517581A - 阀密封装置和方法 - Google Patents

Abstract

将阀结合元件密封在阀体上的阀密封装置和方法。第一阀座元件固定地设置在阀体机壳内。两个密封环设置在阀体机壳和机壳插件之间并且一个密封环设置在机壳插件和阀座元件之间以提供下游密封。位于阀座元件之一上的内置凸缘和另一个阀座元件上的容纳凹槽防止碎片进入这两个阀座元件之间的空隙。机壳插件阀座元件的外部环状表面上的保持环将机壳插件固定在阀体内。阀座元件的外部环状表面上的保持环将阀座元件固定在机壳插件内。

Description

阀密封装置和方法

技术领域

本发明总体上涉及一种用于油田的阀，更特别地涉及一种阀密封装置以及密封阀的方法。

背景技术

各种各样的阀用在油田油井勘探、钻井和生产设备中。阀连接于管道并且通常用于切断或打开诸如液体、气体或二者都有的流体流动。阀通常为单向或双向。在单向阀中，必须将阀只安装在管道的特定方向上以便匹配压力方向。在双向阀中，阀的每一侧都可以用做上游侧，这使得阀可以安装在管道上而不需要任何特定侧面向压力方向。阀密封部件通常对称以方便安装和维护并且实现双向。

闸阀包括一个基本为矩形的闸门，它由操作机构移动进入或脱出阀体以控制流体。操作机构例如可以是手动的或者液压地、气动地或电动地致动。闸阀还包括密封闸门的环形阀座元件。根据闸阀的设计，可以在闸门的每一侧设置一个阀座元件，或者可选地，另外的阀座元件可以设置在该阀座元件附近，这些元件用于密封阀。另外的阀座元件密封阀座元件和机壳之间的通道。

阀体机壳通常容放密封装置。阀密封装置通常包括密封元件，例如靠近阀结合元件的阀座元件以及其他例如称之为阀体轴衬或机壳插件的相关的阀座元件。密封装置通常还包括至少一个密封环，它在各个阀座元件、阀体机壳和闸门之间提供密封。扩张式闸阀使用了扩张式闸门组件结构，该结构包括闸门元件和部件，用于顶着密封环相互横向地扩张。

另一种类型的阀设计是旋塞阀，其中利用一个在其中心具有孔的圆柱形旋塞来堵塞流体流动或者通过旋转旋塞允许流体经过阀。当旋塞孔平行对准阀孔时，阀打开允许流体流经旋塞。当旋塞孔垂直对准阀孔时，阀关闭堵塞流体流经旋塞。

闸阀分成下游密封或者上游密封。对于下游密封闸阀设计，在阀的下游侧进行密封。阀的下游侧是离压力源最远的一侧。因此，具有下游密封设计的阀在阀的离压力源最远的一侧进行密封。相反地，具有上游密封设计的阀在阀的离压力源最近的一侧进行密封。

对于这些阀已经提出各种类型的密封装置。其中例如阀座压配合在阀体内的阀座壳内，必须利用特定的工具和相关的高成本程序安装阀座或出于修理的目的将其取出。

发明内容

由于阀密封装置具有改进的密封布置，本发明的实施例实现了技术优点。两个密封元件包括靠近阀结合元件的一个阀座元件，以及靠近阀座元件的一个机壳插件。机壳插件固定地装配在阀体内。密封环放置在阀座元件和机壳插件之间，并且两个U形密封环放置在机壳插件和阀体之间。

披露了一种用于将阀结合元件密封在阀体上的阀密封装置的一个优选实施例。该密封装置包括一个第一环状阀座元件，用于固定地密封地装配在第一环状阀体机壳内，该第一阀座元件具有基本为L形的横截面，L形的横截面具有一个底部和一个侧部。一个第一环状凹槽设置在第一阀座元件L形横截面的底部，一个第二环状凹槽设置在第一阀座元件的底部，该第二环状凹槽和第一环状凹槽同心，并且一个第一密封环设置在第一阀座元件和第一阀座元件第一凹槽内的第一阀体机壳之间。一个第二密封环设置在第一阀座元件和第一阀座元件第二凹槽内的第一阀体机壳之间，第二环状阀座元件用于密封地装配在第一阀座元件内，该第二阀座元件包括设置在第一阀座元件L形底部的上方的环状凹槽，第二阀座元件用于密封地连接于阀结合元件第一面，并且一个第三密封环设置在第二阀座元件和第二阀座元件凹槽内的第一阀座元件之间。

还披露了一种用于将阀结合元件密封在阀体上的阀密封装置，该密封装置包括一个第一环状阀座元件，用于密封地装配在环状阀体机壳之一内，该第一阀座元件具有基本为L形的横截面，第一阀座元件沿外侧具有一个环状凹槽。至少一个密封环设置在第一阀座元件和阀体机壳之间，并且一个第二环状阀座元件用于密封地装配在第一阀座元件内，该第二阀座元件用于密封地连接于阀结合元件。一个第一保持环用于装配在第一阀座元件凹槽内，其中第一保持环用于将第一阀座元件固定在阀体机壳内，并且至少一个密封环设置在第一阀座元件和第二阀座元件之间。

另外还披露了一种用于将阀结合元件密封在阀体上的阀密封装置，该密封装置包括一个第一环状阀座元件，用于密封地装配在环状阀体机壳之一内，该第一阀座元件具有基本为L形的横截面，并且至少一个密封环设置在第一阀座元件和阀体机壳之间。一个第二环状阀座元件用于密封地装配在第一阀座元件内，该第二阀座元件用于密封地连接于阀结合元件并且沿外侧包括一个环状凹槽。一个第一保持环用于装配在第二阀座元件凹槽内，其中第二保持环用于将第二阀座元件固定在第一阀座元件内，并且至少一个密封环设置在第一阀座元件和第二阀座元件之间。

还披露了一种将阀结合元件围绕井筒密封在阀体上的方法以及将阀座元件固定在阀内的方法。

本发明的实施例的优点包括提供一种改进的用于阀结合元件的密封装置。密封装置的实施例允许流体当施加压力时从管道进入阀腔内，并且允许阀腔内的压力和管道孔连通。当阀结合元件处于完全关闭或打开位置时压力不会堵塞在阀腔内。井筒流体不会经过阀座元件和阀体机壳之间，这防止阀体机壳的腐蚀和侵蚀。机壳插件固定在阀体机壳内并且是一个牺牲部件，这样通过避免修理阀体机壳而节约了劳动和成本。在阀结合元件密封装置中实现均衡，防止损坏密封机构和部件。设置在每个U形密封内的支撑环防止U形密封由于暴露于压力中而破裂。内置凸缘防止碎片进入两个带有内置凸缘的阀座元件之间的空隙内。这防止阀失效并防止损坏密封和密封元件。保持环将机壳插件保持在阀体机壳内，或者将阀座元件保持在机壳插件内，即使当阀孔处于垂直位置时。这提高了保养和维修阀的简易性，对于工人来说不再需要将阀取出并水平地放在地面上修理它。

附图简述

从以下结合附图的说明中将更加清楚地理解本发明的实施例的上述特征，其中：

图1是具有O形环密封的在先技术的上游闸阀密封装置的横截面图；

图2到4是具有固体氟聚合物树脂密封的在先技术的闸阀密封装置的横截面图；

图5和6是具有U形密封环的在先技术的下游闸阀密封装置的横截面图；

图7示出本发明的一个优选实施例，包括连接于机壳插件的环状阀座元件，具有连接在它们之间的C形金属密封环以及设置在机壳插件和阀体机壳之间的两个U形密封环，阀座元件具有内置凸缘部分，并且支撑环设置在U形密封环内；

图8示出一个实施例，具有设置在机壳插件和阀座元件之间的固体氟聚合物树脂密封环以及设置在机壳插件和阀体机壳之间的两个U形密封环；

图9示出本发明的一个实施例的阀座元件、机壳插件和闸门的部分的完整横截面，在机壳插件和阀座元件内具有凹槽用于容放图中的各种密封和保持环；

图10示出本发明的一个实施例，包括具有内置凸缘的阀座元件以及具有保持环的机壳插件；

图11是图10的内置凸缘部分的放大图；

图12是图10的实施例的透视图；

图13示出本发明的一个实施例，包括具有内置凸缘的机壳插件以及具有对应的凸缘容纳凹槽的阀座元件；以及

图14示出本发明的一个优选实施例，具有设置在阀座元件和机壳插件之间的C形密封，以及设置在机壳插件和阀体之间的C形密封和U形密封。

除非另有说明，不同的附图中的相应的标号和符号表示相应的部分。部件以概念性的方式示出以便于说明并且不表示加工尺寸、大小或细节。尺寸可以放大以便更加清楚地示出所论特征。在每个附图中，只表示出阀密封装置的上半部分，尽管密封装置的镜像也包括了阀的下半部分，该下半部分围绕具有中心线A-B的孔环状地定位。

具体实施方式

以下说明在先技术的闸阀及其具有的问题，随后说明本发明的一些优选实施例以及这些实施例的优点。

在先技术的附图1中示出一种套筒阀座组件闸阀20的一个示例类型。图1示出闸阀的上部，该闸阀公开在于1989年11月7日授予F.W.Meyer，Jr.的美国专利4,878,651中，该专利作为参考包含于本文。闸阀20位于未示出的管道的水平轴线或中心线A-B上方。闸阀20包括闸门24和阀体10，阀体10内有阀腔14(14a和14b)。闸门24由未示出的操作机构横向地并和阀体10成直角地插入和取出，以便分别关闭和打开阀20。阀20是对称的，具有上游侧(孔16周围的“a”部分)和下游侧(孔18周围的“b”部分)。环状的机壳插件基座元件32装配在阀体10的机壳30内。环状的阀座元件34装配在机壳插件32内并且当结合闸门24时也形成和闸门24的金属-金属密封。机壳插件32有时也称为阀座保持器32，因为它将阀座元件34保持在位。

O形环36在阀体机壳30和机壳插件32之间提供密封。O形环38和40在机壳插件32和阀座元件34之间提供密封。在闸门24的两侧对称地设置有类似的基座组件。

当闸门24如下结合时，闸阀20提供上游密封。当流体进入上游流体通道16，(例如当用于开采油或气时)，O形环36a压缩填充机壳插件32a上的凹槽，阻断流体流入阀腔14。机壳插件32a被压靠在阀座元件34a上并且O形环40a压缩形成密封。阀座元件34a金属-金属密封地压靠在闸门24上。类似地，当流体进入下游流体通道18时，例如测试时，O形环36b和40b分别在机壳30b和机壳插件32b之间，以及机壳插件32b和阀座元件34b之间提供密封。

闸阀20被称为直通管道密封设计，因为在正常操作中，当闸门24被结合时，由于O形环36/38/40所提供的软密封，没有流体流经阀腔14a/14b。

因为O形环用橡胶制成，该材料是一种容易被腐蚀的有机材料并且具有爆发性减压现象，所以在下游密封设计中通常使用氟聚合物树脂(例如Teflon^TM)。氟聚合物树脂基密封对于绝大多数流体是惰性的并且可以经受得起较高的温度；但是，它们不能象O形环那样提供软密封，并且必须当阀座元件在压缩时密封。

图2示出具有氟聚合物树脂密封的在先技术下游密封闸阀。利用氟聚合物树脂基密封的闸阀依赖于阀体10、机壳插件32a/32b、阀座元件34a/34b和闸门24的压缩以形成密封。当流体从上游方向进入空腔16时，流体流经氟聚合物树脂密封环44a和46a进入阀腔14a。压力增加，将所有的密封装置部件一起沿从上游“a”侧到下游“b”侧的方向压缩(水平地，如图2所示)。该压缩在氟聚合物树脂密封环46a和46b上产生密封，由于阀座元件34b压靠在机壳插件32b上，并且机壳插件32b压靠在阀体机壳30b上，从而没有流体流入孔18。

如图1和2所示的在先技术阀的问题在于固体和碎片，例如泥浆、沙子和岩石，会进入机壳插件32和阀座元件34之间的通道33。这会导致机壳插件32和阀座元件34上的磨损，并且会损坏密封46，导致阀失效。而且，如果几小时不用阀，碎片会干燥并堵塞通道33。这会阻碍阀座元件34的激发，而这种激发是压缩密封所需要的，尤其是使用氟聚合物树脂密封时。

如图1和2所示的在先技术阀的另一个问题在于机壳插件32滑动配合在阀体机壳30内，在机壳插件32内没有保持装置来固定。当在现场使用时，具有闸阀的管组垂直地放置，例如下降到地面或海面内。当为了维修或保养拆卸阀同时管组和阀保持垂直时，缺乏保持装置使得难于将机壳插件32重新放回到上部密封装置上的阀体机壳30内，因为重力使机壳插件32降落。阀修理工经常试图在机壳插件32和阀体30的表面上擦肥皂以使它们粘接在一起的时间足够长以重新装配阀。这经常是不成功的，并且整个阀体必须从管组中取出并水平地放置在地面上以进行保养。

图3示出在先技术的阀密封装置60，具有分别连接于阀座元件34a和34b的阀体轴衬32a和32b。保持板62a和62b分别连接于阀座元件34a和34b。密封环46a和46b包括固体氟聚合物树脂方形密封环。保持板62a和62b分别容置阀座元件34a和34b。阀体轴衬32a和32b放置在阀体机壳10a和10b内。由于密封环46a/46b包括诸如氟聚合物树脂的刚性材料，所以在这些密封中没有弹性或者弹性回复。密封环46a/46b是死密封，它只在压缩时密封。因此，当加压流体进入上游侧(“a”侧)，上游密封44a和46a不密封，加压流体进入阀腔14。流体压力还将关闭的闸门24向着下游侧(“b”侧)推动。该作用力足以在下游阀座元件34b、闸门24、阀体轴衬32b以及阀体机壳10b之间获得密封。下游“b”侧上的密封环44a和46b进入压缩状态提供下游密封。

但是，如图3所示的密封装置60存在一些问题。井筒流体从阀体机壳10a和阀体轴衬32a之间以及阀座元件34a和阀体轴衬32a之间的上游“a”侧进入阀腔16。高压流体会侵蚀或腐蚀阀体机壳10a，这是一个昂贵的部件，如果受损就需要更换、修理或废弃。阀体10通常在闸阀总成本中占有很高的比例，阀体10的机壳的损坏增加了成本。还有，和如图1和2所示的在先技术密封装置一样，诸如沙砾的固体会进入阀腔14，因为没有机构可以防止固体进入阀腔14。而且，密封环44a/46a/46b/44b没有弹性回复作用，因为它们没有弹性。这会当使用一段时间后在密封上产生问题，尤其是在例如300磅/平方英寸的低压下，因为在这种低压下没有足够的作用力将闸门24向下游推动并由下游密封环44a/46a/46b/44b获得防漏密封。另外，如果阀孔垂直放置，阀体轴衬32a或32b不能放置在阀体机壳10a或10b内，因为没有任何东西能够将它保持在位；阀体轴衬32a或32b将由于重力作用下落。

图4示出另一种在先技术的下游密封装置70的截面图。密封装置70类似于图3，除了它在闸门24的每侧只包含一个阀座元件72a/72b。包括诸如氟聚合物树脂的刚性材料的单个固体密封环74a/74b放置在阀座元件72a/72b和阀体机壳10a/10b之间。密封装置70也是压缩时密封，并且具有和如图3所示的密封装置60一样的问题。

图5示出另一种在先技术的密封装置80的截面图，该密封装置在1988年5月3日授予Bunch等的美国专利4,741,509中有说明，该专利作为参考包含于本文。密封装置80包括分别连接于阀座元件86a/86b之间的两个U形密封环82a/84a/82b/84b。密封环82a/84a/82b/84b包括聚醚醚酮或聚醚砜并且是单向的。密封环82a/84a/82b/84b具有内置弹簧，因而具有弹性回复作用或者弹性。

在先技术的密封装置80的问题包括密封装置80是单件阀座元件86a/86b设计，它可以机械地浮动。因为没有东西可以阻止阀座元件86a/86b的运动，井筒16流体在阀体机壳10a和阀座元件86a之间流动进入阀腔14，这增加了阀体机壳10a的腐蚀和侵蚀。而且，由于密封环82a/84a/82b/84b具有弹性回复作用，它们试图在上游密封，因此井筒流体需要大量时间渗入阀腔14从而闸门24能够被推动向下游移动以获得下游密封。这增加了测试阀所需要的时间，这是不利的，因为例如钻井时间，尤其是近海钻井时间成本很高。而且，如果阀孔垂直放置，阀座元件86a或86b不能放置在阀体机壳10a/10b内，因为没有任何东西能够将它保持在位，并且它将由于重力作用下落。还有，和如图1-4所示的在先技术密封装置一样，诸如沙砾的固体会进入阀腔14，因为没有机构可以防止固体进入阀腔14。

图6示出另一种在先技术的密封装置90的截面图。该结构类似于图5，除了在阀座元件94a/94b和阀体机壳10a/10b之间只放置了一个U形密封环92a/92b，而不是两个密封环。密封装置90具有和如图5所示的密封装置80一样的问题。

在先技术的密封装置所存在的问题可以利用本发明的优选实施例得以消除。下面针对围绕阀结合元件的两个镜像说明本发明的密封装置的实施例，其中两个镜像通常不会分别具体引用为上游侧“a”和下游侧“b”上的“a”和“b”部件。

图7示出本发明的一个优选实施例的截面图，密封装置100具有上游侧“a”和下游侧“b”。在上游侧“a”上，第一阀座元件132a和第二阀座元件134a在阀体110a机壳130a和阀结合元件124之间提供密封，该阀结合元件124可以包括闸门124。可选地，阀结合元件124例如可以包括旋塞或者其他类型的结合元件。

在下游侧“b”，第一阀座元件132b和第二阀座元件134b在阀体110b机壳130b之间提供密封。阀座元件132b和134b用于和闸门124的垂直于孔115/118中心线A-B的表面形成金属-金属密封。优选地，密封装置100的部件132a/132b/134a/134b对称以便提供双向阀。结合致动器连接于闸门124，未示出。当闸门124关闭时阀密封装置110可以在下游侧“b”密封并防止流体沿下游流动进入井筒118，本文将进一步加以说明。

第一阀座元件或机壳插件132包括一个环状件，用于装配在机壳130上的阀体110内。机壳插件132可以装配在阀体110内(而不是在阀体110内机械浮动)。机壳插件132的固定连接可以通过将机壳插件132的尺寸设计为和阀体机壳130具有装配接口来实现。可选地，机壳插件132和阀体机壳130的固定连接可以通过使用保持环164来实现，本文将进一步说明。

第二阀座元件134包括一个环状件，用于以叠缩的方式装配在机壳插件132内。阀体110、机壳插件132、以及阀座元件134优选地包含钢并且可选地可以包含其他材料，优选地和其上安装有阀密封装置100的管组(未示出)的材料一样，以防止腐蚀。机壳插件132的横截面优选地如图所示为L形。当阀座元件134机械浮动时，机壳插件132可以保持固定。

根据本发明的一个实施例，单个密封环166连接在机壳插件132和阀座元件134之间。阀座元件134优选地包括一个凹槽157用于容纳密封环166。密封环166优选地包括如图所示的“C”形环。优选地，C形密封环166包含金属。可选地，密封环166可以包括其他的具有方形或矩形横截面并且包括诸如不锈钢的金属或者例如氟聚合物树脂的密封环。金属密封环166优选地具有字母“C”的形式并且放置在阀座元件134内的凹槽157里。优选地，C形密封环166的开口部分远离孔中心线A-B。金属密封环166包括一个单向密封并且设计为不会密封上游侧例如166a处的任何压力，并且将允许井筒流体快速并容易地流入阀体114。

阀体114充满流体之后，闸门124被向着下游推动以获得密封。下游侧“b”上的金属密封环166b开始起作用，密封流体压力，防止流体进入井筒118并提供下游密封。金属C形环166a/166b设计为它具有足够的弹性回复以在下游保持较小的压力例如200磅/平方英寸，并且保持阀的全部工作压力，该工作压力例如可以达到大约20000磅/平方英寸。

优选地，两个密封环151/152如图所示连接在机壳插件132和阀体110之间。机壳插件132优选地包括两个凹槽156/155用于分别容纳密封环151/152并提供密封。优选地，密封环151/152包括弹簧赋能的密封，该密封是单向的并且具有弹性或弹性回复。密封环151/152优选地例如包括一个由碳填充的聚四氟乙烯(PTFE)构成的外部高温塑料U形体。可选地，U形密封环151/152例如可以包括PEEK(聚醚醚酮)或PES(聚醚砜)。密封环151/152还优选地包括一个连接于该高温塑料体的内弹簧件，用于在U形体向上的支腿上向外施加作用力并且分别在机壳插件凹槽156和155的内表面上提供密封。内弹簧件优选地例如包括诸如耐蚀游丝合金的合金，并且可选地可以包括其他材料。优选地，密封环151/152的宽度比凹槽156/155的宽度大0.015”以确保在凹槽156/155内的充分密封。

优选地，可选的支撑环158和153如图所示分别放置在U形密封环152和151内，以助于防止U形密封环152和151的旋转、移动或陷缩。优选地，支撑环158和153例如由诸如多酚硫化物(例如Ryton^TM)的耐热热塑材料制成。优选地，支撑环158和153包括开口环以便于安装在密封环152和151内。而且，优选地，支撑环158和153不提供密封而是主要用于机械支撑。如果由于某些原因压力进入密封151和158之间的空隙内，支撑环153和158允许密封151a、151b、158a、和158b的凸缘偏转以减轻压力，保证密封有效并且即使在高压时也保持密封。这样，支撑环153和158保证U形密封环152和151用作单向密封，并防止当在密封的跟部受到压力时U形密封环152和151挤出和陷缩内弹簧。

根据本发明的实施例，密封环151/152/166可以包含其他类型的密封。例如，密封环152可以包括如优选地用于密封环166的C形环，并且C形密封环152例如可以由金属制成。密封环151例如可以包括固体环状金属或氟聚合物树脂环。密封环166例如可以包括由氟聚合物树脂制成的方形横截面的固体环。

根据本发明的一个实施例，保持环164位于机壳插件132的紧邻阀体110机壳130的内表面的外环面处。机壳插件132包括靠近(或在其上面，未示出)L形角部的外部环状凹槽165用于容纳保持环164。保持环164优选地具有方形或矩形横截面。优选地，保持环164包括诸如金属的可压缩材料，并且可选地，保持环164例如可以包括氟聚合物树脂。保持环164不提供密封，而是优选地开口以允许流体围绕保持环164流动。保持环164尺寸稍大以获得装配在外部环状凹槽165内的接口，例如相对凹槽165的深度大0.006”以向着阀体110施加作用力以便在阀的任何位置包括垂直位置将机壳插件132保持在机壳130内。

根据本发明的一个实施例，保持环154也位于阀座元件134的紧邻机壳插件132的内表面的外环面处。阀座元件134包括外部环状凹槽159用于容纳保持环154。保持环154优选地例如包括具有方形或矩形横截面的氟聚合物树脂，并且可选地，保持环154例如可以包括金属。保持环154不提供密封，而是优选地开口以允许流体围绕保持环154流动。保持环164尺寸稍大，例如相对凹槽165的深度大0.002”以向着机壳插件132施加作用力以便在阀100的任何位置包括垂直位置将阀座元件134保持在机壳插件132内。

根据本发明的一个实施例，阀座元件134沿孔116/118在内部环状表面上包括内置环状凸缘176，其功能在于例如防止诸如泥浆、沙子、污物、和岩石等的固体进入阀腔114。机壳插件132包括一个环状凹槽178用于容纳阀座元件内置凸缘176。内置凸缘176防止碎片进入机壳插件132和阀座元件134之间的空隙。为了进一步防止碎片进入机壳插件132和阀座元件134之间的空隙，内置凸缘176和凹槽178可以设计为在凸缘176处比靠近孔116/118处在它们之间具有较窄的空隙，本文将进一步说明。

阀密封装置100用于在下游方向，例如在“b”侧进行密封。下面将说明密封机制。当流体从上游侧进入井筒116，流体被密封环151a阻止经过，该U形密封环151a具有支腿，在机壳插件132a凹槽156a和阀体机壳130a上向外施加作用力。流体由C形密封环166a通过，因为“C”开口面向上，并且流体进入机壳插件132a和阀座元件134a之间进入阀腔114。流体在阀腔114内的“a”侧内流动进入下游侧“b”。此时，流体压力通常将增大到足以将以下元件相互压靠，如图所示横向从左到右：阀体110a、机壳插件132a、阀座元件134a、闸门124、阀座元件134b、机壳插件132b和阀体110b。在机壳插件132b和阀体110b机壳130b的接口处由密封环158b以及在机壳插件132b和阀座元件134b的接口处由密封环166b形成下游密封，防止流体流动进入下游井筒118。

注意密封环151a防止井筒流体从阀座机壳130a和机壳插件132a之间的上游侧“a”的流通，因此防止阀体110a机壳130a的腐蚀和侵蚀。保持环164将机壳插件132固定在阀体110内，而不管阀密封装置100的位置如何。保持环164还防止机壳插件132的浮动，这样允许密封环151a密封上游侧“a”上的流体压力。

阀密封装置100是双向并对称的，并且将在每个方向提供密封。例如，在开采石油时，从上游方向流出的流体将使得装置100当闸门关闭时在下游侧密封。在测试时，例如当流体从下游侧流出时，装置100将在上游侧密封。也就是说，密封装置100将在压力源的相反侧上密封。

阀密封装置100还优选地设计为当压力从井筒116/118排出时，压力从阀腔114释放出来，通过阀座元件134a和机壳插件132a之间的上游侧上的金属密封116a。

金属密封环166优选地由机械合金金属制成，例如由Inco AlloysInternational，Inc.公司生产的Inconel^TM，它以化学方法插入在绝大多数井筒流体中并且具有高温度强度、耐腐蚀和疲劳性。由于是金属环，密封环166b比其他非金属密封更好地保留其物理属性，例如弹性回复。

图8示出本发明的一个实施例，该实施例和如图7所示的实施例类似。图7和8中对应的元件标号表示对应的元件，从而避免重复说明这些元件。密封环266a和266b包括方形横截面环而不是C形环。密封环266a和266b优选地包含金属并且可选地例如可以包含氟聚合物树脂。如图所示的阀密封装置200在阀座元件234上没有内置凸缘。密封环251和252不包含如图7所示的可选支撑环153和158。

图9示出沿具有围绕中心线A-B的孔216/218的管道装配的闸阀密封装置200的一部分的完整横截面图。图9示出环状阀座元件234和机壳插件232的顶部、底部以及两侧部。用于容纳各个不同密封环的凹槽254、255、256、257、265在机壳插件232和阀座元件234内可以看得见。

图10以横截面的形式示出本发明的一个实施例300。第一阀座元件或机壳插件370用于装配在机壳330上的阀体310内。阀体310、机壳插件370、以及阀座元件368优选地包含钢或者可选地可以包含其他材料，优选地和其上安装有阀密封装置300的管组(未示出)的材料一样，以防止腐蚀。机壳插件370的横截面优选地如图所示基本为L形。密封环352和354可以包括氟聚合物树脂或O形环或者本领域内的其他密封。

保持环364位于机壳插件370的紧邻阀体机壳330的内表面的外环面处。机壳插件370包括靠近(或在其上面，未示出)L形角部的外部环状凹槽365用于容纳保持环364。保持环364例如可以包括氟聚合物树脂或金属，并且优选地开口以允许流体围绕保持环364流动。保持环364不提供密封，而是向着阀体施加作用力以便在阀的任何位置包括垂直位置将机壳插件370保持在机壳330内。保持环364具有和阀体机壳330装配的接口，并且因此保持环364优选地包括可压缩材料。

另外一个未示出的保持环可以设置在阀座元件368和机壳插件370之间，未示出，在阀座元件368的容纳凹槽之内，同样也没示出，如在图7和8中所述(保持环154和254)。

阀座元件368在内部环状表面上包括内置环状凸缘376。机壳插件370包括一个环状凹槽378用于容纳阀座元件内置凸缘376。内置凸缘376防止碎片和固体材料进入机壳插件370和阀座元件368之间的空隙。

为了进一步防止碎片进入机壳插件370和阀座元件368之间的空隙，内置凸缘376和凹槽378可以设计为在凸缘376处比靠近孔116/118处在它们之间具有较窄的空隙。

图11示出图10的下游侧“b”的展开图，其中机壳插件370b和阀座元件368b在内置凸缘376b处对接。优选地，垂直于孔318的空隙391b和392b比平行于孔318的空隙394b大至少2倍，并且更优选地大5倍。例如，空隙391b和392b可以是0.010”而空隙306可以是0.002”。空隙差别有助于确保碎片不会进入含有密封354b的阀腔。空隙差别还在压缩时形成例如机壳插件370和阀座元件368之间的大约0.010”的永久间隙，这减小了密封354b上的压力。

图12示出上游密封装置300叠缩装配在阀体机壳330a内的透视图。阀座元件368a包括一个围绕具有内置凸缘376a的孔316的中空圆柱形体。阀座元件368a可以在机壳插件370a内同心地滑动。机壳插件370a也包括一个围绕孔316的中空圆柱形体，其中该圆柱体基本为L形用于容纳紧贴其内部的阀座元件368a。保持环364a搭扣配合在机壳插件370a的外部环状凹槽365a内。保持环364a包括一个开口367，这有助于安装并且防止密封机壳330a和机壳插件370a之间的空隙。机壳插件370a包括位于因此而设计的凹槽内的密封344a。

在图10-12中，内置凸缘376表示为形成在阀座元件368上。可选地，阀座元件或机壳插件481可以包含内置凸缘482，如图13中的实施例所示。在该实施例中，如图所示，阀座元件484包括一个环状凹槽486用于容纳机壳插件481上的内置凸缘482。

在图10、11和13中，示出阀体机壳330/430和机壳插件370/480之间的密封352/452，以及阀座元件368/484和机壳插件370/480之间的密封354/454。但是，密封352/452和354/454可以包含O形环、氟聚合物树脂环、金属环、单向U形弹簧辅能密封、以及其他可以经受住油田阀应用中的高温和压力的衬垫。在每个区域可以使用一个以上的密封，尽管在本文的附图中只使用一个密封，并且根据本发明的实施例可以在阀座元件和阀体之间放置密封的组合。新式保持环364/464以及阀座元件内置凸缘376/482在任何的密封结构中，包括上游和下游密封装置中都是有利的。

图14示出本发明的一个优选实施例，阀密封装置500具有设置在阀座元件534和固定于阀座元件534环状凹槽557内的机壳插件532之间的环状C形密封566。环状C形密封552设置在机壳插件532和机壳插件532环状凹槽555内的阀体510之间。C形密封552和566优选地包含金属并且优选地定向为“C”的开口远离井筒516/518以获得下游密封设计。U形环状密封551也设置在机壳插件532和机壳插件532环状凹槽556内的阀体510之间。优选地，U形密封551包括含有例如PTFE的外部高温塑料U形体。可选地，U形密封环551/552例如可以包括PEEK或PES。可选的支撑环553优选地设置在U形密封551的支腿之间。支撑环553优选地包含多酚硫化物，并且可选地例如可以包含金属。支撑环553提供机械支撑并且用于防止U形密封551在压力下陷缩。

在本文所述的每个优选实施例中，有利地，机壳插件132/232/370/470/532固定在阀体110/210/310/410/510机壳130/230/330/430/530内。由于机壳插件和阀体机壳接插口被固定地密封，流体不会进入机壳插件和阀体机壳之间。这防止阀体机壳的腐蚀。流体经由阀座元件和上游侧“a”上的机壳插件之间的空隙进入阀腔114/214/314/414/514。机壳插件包括一个牺牲部件，该牺牲部件受到腐蚀，而不是如在先技术的设计中那样阀体机壳受到腐蚀。机壳插件132/232/370/470/532可以由保持环564固定地保持在阀体机壳内，或者可选地，机壳插件132/232/370/470/532的尺寸可以设计为利用接口装配压配合在阀体机壳内。

本文所述的环状凹槽155/156/157/159/164/178/255/256/257/259/265/365/378/465/486/555/556/557/559/564/578以及内置凸缘176/376/482/576如本领域技术人员所理解的那样优选地机加工而成。例如，可以使用计算机数值控制(CNC)程序来机加工阀座元件134/234/368/468/534和机壳插件132/232/370/470/532。可选地，例如可以模制凹槽155/156/157/159/164/178/255/256/257/259/265/365/378/465/486/555/556/557/559/564/578以及内置凸缘176/376/482/576。

接下来说明本发明的实施例的一些优点。优选地，非弹性密封用于密封环，避免了和诸如爆炸减压的弹性体、以及特定维护时弹性体所要求的精细选择过程(例如H₂S、CO₂、甲醇)、高温和高压应用相关的问题。金属密封C形环166允许在施加压力时流体从管道孔116进入阀腔114，并且同样允许阀腔内的压力和管道孔116连通。

一些在先技术的上游密封阀由于“直通管道密封”性能存在缺陷，其中上游密封阀会给操作人员提供错误的指示，即当阀完全打开时没有阀腔压力，但是可以潜在地截留到阀腔内的工作压力。有利地，本文所述的本发明的实施例不允许当阀结合元件124处于完全关闭或打开位置时压力截留在阀腔114内。

本发明阀密封装置100的实施例防止阀体机壳130附近的井筒流体的流通，然而允许流体经过阀座元件132和机壳插件134之间，阀座元件132和机壳插件134是牺牲部件，这样保护阀体机壳130免受腐蚀和侵蚀。由于本发明的机壳插件134是牺牲部件，可以避免阀体机壳130的昂贵的Inconel^TM嵌入处理。

本发明的实施例使得闸阀体114内保持均衡，防止对其密封结构和部件的任何损坏，即使在海底应用时，其中在海底时阀装置受到工作压力以及水压，这对于密封是有害的。

根据本发明的实施例，井筒压力辅助装置作为缺省设计在其中并且用于自动防故障设计应用，不必需要另外钻制孔和修改闸门。

本发明的实施例使用一个带有T形槽的浮动闸门124，这允许闸门在井筒压力的方向上浮动并且有助于保持闸门124和阀座元件134a和134b之间的平整的密封面。

本发明的实施例的其他优点包括在机壳插件132/370上提供了阀座元件内置凸缘176/376和容纳凹槽178/378。这一特征例如对于任何具有叠缩部件的阀密封装置都是有益的。内置凸缘176/376防止碎片进入机壳插件132/370和阀座元件178/368之间的空隙，延长了机壳插件132/370、阀座元件178/368和它们之间的任何密封154/354的使用寿命。通过使用内置凸缘176/376防止了阀的故障。

保持环154/164/254/264/364/464对于将机壳插件保持在阀体机壳内或者将阀座元件保持在机壳插件内是有利的，即使当阀放置在垂直位置。通过使用保持环可以在垂直方向修理或保养阀。

尽管本文以闸阀为例说明了本发明的实施例，可以明白本文所述的新颖概念例如对于用在井底钻制的其他阀例如旋塞阀是有益的。例如具有旋转、往复移动、滑动或者其他运动元件或阀结合元件的其他阀可以从本文所述的本发明的阀密封装置获益。

尽管参照示意性实施例说明了本发明的实施例，但是本说明书不应理解为限定性的。这些示意性实施例的各种修改，以及本发明的其他实施例，对于本领域技术人员而言通过参考本说明书是显而易见的。因此，所附的权利要求包含了任何这些修改或实施例。

Claims (43)

1.一种阀密封装置，用于将阀结合元件密封于阀体，该阀结合元件具有第一面和第二面，该阀体包括同心地围绕井筒设置的第一和第二相对的环状阀体机壳，该阀体机壳设置在阀结合元件的任一侧，所述阀密封装置包括：

一个第一环状阀座元件，用于固定地密封地装配在第一环状阀体机壳内，该第一阀座元件具有基本为L形的横截面，L形的横截面具有一个底部和一个侧部；

一个第一环状凹槽，设置在第一阀座元件L形横截面的底部；

一个第二环状凹槽，设置在第一阀座元件的底部，该第二环状凹槽和第一环状凹槽同心地设置；

一个第一密封环，设置在第一阀座元件和位于第一阀座元件第一凹槽内的第一阀体机壳之间；

一个第二密封环，设置在第一阀座元件和位于第一阀座元件第二凹槽内的第一阀体机壳之间；

一个第二环状阀座元件，用于密封地装配在第一阀座元件内，该第二阀座元件包括设置在第一阀座元件L形底部的上方的环状凹槽，该第二阀座元件用于密封地连接于阀结合元件第一面；以及

一个第三密封环，设置在第二阀座元件和位于第二阀座元件凹槽内的第一阀座元件之间。

2.如权利要求1所述的阀密封装置，进一步包括：

一个第三环状阀座元件，用于密封地装配在第二环状阀体机壳内，该第三阀座元件具有基本为L形的横截面，L形的横截面具有一个底部和一个侧部；

一个第一环状凹槽，设置在第三阀座元件L形横截面的底部；

一个第二环状凹槽，设置在第三阀座元件的底部，该第二环状凹槽和第一环状凹槽同心地设置；

一个第四密封环，设置在第三阀座元件和位于第三阀座元件第一凹槽内的第二阀体机壳之间；

一个第五密封环，设置在第三阀座元件和位于第三阀座元件第二凹槽内的第二阀体机壳之间；

一个第四环状阀座元件，用于密封地装配在第三阀座元件内，该第四阀座元件包括设置在第一阀座元件L形底部的上方的环状凹槽，该第四阀座元件用于密封地连接于阀结合元件第二面；以及

一个第六密封环，设置在第四阀座元件和位于第四阀座元件凹槽内的第三阀座元件之间，其中当阀结合元件结合或关闭时从上游井筒方向进入井筒的流体密封在下游井筒方向。

3.如权利要求1所述的阀密封装置和所述阀结合元件结合。

4.如权利要求3所述的阀密封装置，其特征在于，阀结合元件包括闸门或者旋塞阀。

5.如权利要求1所述的阀密封装置和管道结合，该管道连接于阀体，其特征在于，井筒延伸过管道长度的至少一部分。

6.如权利要求1所述的阀密封装置，其特征在于，第一和第二密封环包括U形弹簧赋能密封环，并且第三密封环包括C形横截面的密封环。

7.如权利要求6所述的阀密封装置，其特征在于，第一和第二密封环包括碳填充的聚四氟乙烯(PTFE)，并且第三密封环包括金属。

8.如权利要求6所述的阀密封装置，进一步包括设置在每个U形的第一和第二密封环内的支撑环。

9.如权利要求8所述的阀密封装置，其特征在于，支撑环包括多酚硫化物并且在其中包括开口。

10.如权利要求1所述的阀密封装置，其特征在于，第一环状阀座元件具有装配在第一环状阀体机壳内的接口。

11.如权利要求1所述的阀密封装置，进一步包括：

形成在第一环状阀座元件L形横截面侧部的外部内的一个环状凹槽；以及

设置在位于阀体机壳和第一环状阀座元件之间的第一环状阀座元件凹槽内的一个第一保持环。

12.如权利要求11所述的阀密封装置，进一步包括：

形成在第二环状阀座元件外部内的一个环状凹槽；以及

设置在位于第一环状阀座元件和第二环状阀座元件之间的第二环状阀座元件凹槽内的一个第二保持环。

13.如权利要求1所述的阀密封装置，进一步包括：

形成在第二环状阀座元件外部内的一个环状凹槽；以及

设置在位于第一环状阀座元件和第二环状阀座元件之间的第二环状阀座元件凹槽内的一个保持环。

14.如权利要求1所述的阀密封装置，其特征在于，阀座元件之一在其内部环状表面上包括一个内置凸缘，其中另一个阀座元件内部环状表面包括一个环状凹槽以容纳另一个阀座元件内置凸缘。

15.如权利要求1所述的阀密封装置，其特征在于，第一密封环包括U形弹簧赋能密封环，并且第二和第三密封环包括C形横截面的密封环。

16.一种用于将阀结合元件密封在阀体上的阀密封装置，该阀体包括同心地围绕井筒设置的第一和第二相对的环状阀体机壳，该阀体机壳设置在阀结合元件的任一侧，所述密封装置包括：

一个第一环状阀座元件，用于密封地装配在环状阀体机壳之一内，该第一阀座元件具有基本为L形的横截面，L形的横截面具有一个底部和一个侧部，第一阀座元件沿外侧具有一个环状凹槽；

至少一个密封环，设置在第一阀座元件和阀体机壳之间；

一个第二环状阀座元件，用于密封地装配在第一阀座元件内，该第二阀座元件用于密封地连接于阀结合元件；

一个第一保持环，用于装配在第一阀座元件凹槽内，其中第一保持环用于将第一阀座元件固定在阀体机壳内；以及

至少一个密封环，设置在第一阀座元件和第二阀座元件之间。

17.如权利要求16所述的阀密封装置，其特征在于，第一保持环包括开口环。

18.如权利要求16所述的阀密封装置，其特征在于，开口的第一保持环包括氟聚合物树脂或者金属。

19.如权利要求16所述的阀密封装置，进一步包括：

沿第二阀座元件的外部的一个环状凹槽；以及

一个第二保持环，用于装配在第二阀座元件凹槽内，其中第二保持环用于将第二阀座元件固定在第一阀座元件内。

20.如权利要求19所述的阀密封装置，其特征在于，第二保持环包括开口环。

21.如权利要求19所述的阀密封装置，其特征在于，第二保持环包括氟聚合物树脂或者金属。

22.如权利要求16所述的阀密封装置，其特征在于，第一和第二阀座元件之一在其内部环状表面上包括一个内置凸缘，其中另一个阀座元件内部环状表面包括一个环状凹槽以容纳另一个阀座元件内置凸缘。

23.如权利要求16所述的阀密封装置和所述阀结合元件结合。

24.如权利要求23所述的阀密封装置，其特征在于，阀结合元件是闸门或者旋塞阀。

25.如权利要求16所述的阀密封装置和管道结合，该管道连接于阀体，其特征在于，井筒延伸过管道长度的至少一部分。

26.一种用于将阀结合元件密封在阀体上的阀密封装置，该阀体包括同心地围绕井筒设置的第一和第二相对的环状阀体机壳，该阀体机壳设置在阀结合元件的任一侧，所述密封装置包括：

一个第一环状阀座元件，用于密封地装配在环状阀体机壳之一内，该第一阀座元件具有基本为L形的横截面，L形的横截面具有一个底部和一个侧部；

至少一个密封环，设置在第一阀座元件和阀体机壳之间；

一个第二环状阀座元件，用于密封地装配在第一阀座元件内，该第二阀座元件用于密封地连接于阀结合元件并且沿外侧包括一个环状凹槽；

一个第一保持环，用于装配在第二阀座元件凹槽内，其中第二保持环用于将第二阀座元件固定在第一阀座元件内；以及

至少一个密封环，设置在第一阀座元件和第二阀座元件之间。

27.如权利要求26所述的阀密封装置，其特征在于，第一保持环包括开口环。

28.如权利要求27所述的阀密封装置，其特征在于，开口的第一保持环包括氟聚合物树脂或者金属。

29.如权利要求26所述的阀密封装置，其特征在于，第一和第二阀座元件之一在其内部环状表面上包括一个内置凸缘，其中另一个阀座元件内部环状表面包括一个凹槽以容纳另一个阀座元件内置凸缘。

30.如权利要求26所述的阀密封装置和所述阀结合元件结合。

31.如权利要求26所述的阀密封装置和管道结合，该管道连接于阀体，其特征在于，井筒延伸过管道长度的至少一部分。

32.一种用于将阀结合元件密封在阀体上的阀密封装置，该阀体包括同心地围绕井筒设置的第一和第二相对的环状阀体机壳，该阀体机壳设置在阀结合元件的任一侧，所述密封装置包括：

一个第一环状阀座元件，用于密封地装配在第一环状阀体机壳内；

至少一个密封环，设置在第一阀座元件和第一阀体机壳之间；

一个第二环状阀座元件，用于密封地装配在第一阀座元件内，该第二阀座元件用于密封地连接于阀结合元件；以及至少一个密封环，设置在第一阀座元件和第二阀座元件之间，其中第一和第二阀座元件之一在其内部环状表面上包括一个内置凸缘，并且其中另一个阀座元件内部环状表面包括一个凹槽以容纳另一个阀座元件内置凸缘。

33.如权利要求32所述的阀密封装置和所述阀结合元件结合。

34.如权利要求33所述的阀密封装置，其特征在于，阀结合元件是闸门或者旋塞阀。

35.如权利要求32所述的阀密封装置和管道结合，该管道连接于阀体，其特征在于，井筒延伸过管道长度的至少一部分。

36.如权利要求32所述的阀密封装置，进一步包括位于第一阀座元件和第二阀座元件之间的空隙，其特征在于，第一和第二阀座元件之间的空隙的一部分小于其余的空隙部分。

37.如权利要求36所述的阀密封装置，其特征在于，较小的空隙部分平行于靠近阀座元件内置凸缘的井筒。

38.一种将阀结合元件围绕井筒密封在阀体上的方法，阀体在阀结合元件的任一侧具有机壳，该方法包括：

在阀体机壳内提供具有基本为L形的横截面的第一阀座元件；

提供一个第二阀座元件，它设置在第一阀座元件内围绕阀孔同心地连接于第一阀座元件，该第二阀座元件密封地连接于阀结合元件；

在第一阀座元件和阀体机壳之间连接一个第一密封环；

在第一阀座元件和阀体机壳之间连接一个和第一密封环同心的第二密封环，第二密封环的直径大于第一密封环的直径；以及

在第一和第二阀座元件之间连接一个第三密封环。

39.如权利要求38所述的方法，其特征在于，连接第一密封环包括连接U形密封环，U形开口远离井筒中心线，并且连接第二密封环包括连接U形密封环，U形开口向着井筒中心线。

40.如权利要求38所述的方法，其特征在于，连接第三密封环包括连接C形密封环。

41.一种将阀结合元件围绕井筒密封在阀体上的方法，阀体在阀结合元件的任一侧具有机壳，该方法包括：

在阀体机壳内提供具有基本为L形的横截面的第一阀座元件；以及

提供一个第二阀座元件，它设置在第一阀座元件内围绕阀孔同心地连接，该第二阀座元件密封地连接于阀结合元件，其中阀座元件之一在其内部环状表面上包括一个内置凸缘，并且其中另一个阀座元件内部环状表面包括一个凹槽以容纳另一个阀座元件内置凸缘。

42.一种将阀座元件固定在阀内的方法，包括：

提供一个L形的环状机壳插件，用于装配在阀体机壳内，机壳插件沿其外侧具有一个环状凹槽；以及

在机壳插件凹槽内提供一个保持环，其中保持环用于当阀体垂直放置时将机壳插件固定在阀体机壳内。

43.如权利要求40所述的方法，其特征在于，提供保持环包括提供由氟聚合物树脂或者金属构成的开口环。

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