CN1902417A - 集成式柱导向阀座环组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种控制阀(20)，带有由一整块材料制成的阀座环组件(30)。该阀座环组件可以包括基座(44)，该基座用来作为阀的阀塞(36)的阀座，并且包括多个外螺纹(46)，用来旋转连接到阀体(22)的多个内螺纹(47)。该阀座环组件还可以包括一个柱导向承载面(52)，用来使阀塞相对阀座保持对准。该阀座环组件能够简单地通过螺纹连接固定到阀体上。而且，通过将阀座(62)和导向面与阀座环组件集成在一起，可降低制造成本和维修需要量，进而提高密封泄漏的性能。

Description

集成式柱导向阀座环组件

技术领域

本发明涉及阀门，特别涉及滑杆式控制阀，该滑杆式控制阀带有螺纹固定到该阀的阀座环。

背景技术

滑杆式控制阀通常用来在过程控制环中控制流体流量，如本领域技术人员所知，滑杆式控制阀通过利用连接到阀帽组件的执行机构移动控制元件或阀塞相对阀座做往复运动来调节穿过阀体的流体流量。阀座环在阀体内提供了一个环形表面，当需要时，阀塞朝向该环形表面而接合，从而关闭阀门。滑杆式控制阀的两个重要的特征是，它必须以预定的方式控制或调节流体流量，包括当阀门关闭时提供密封切断，它也必须能够经得住工作过程中压力和温度影响。

此外，惯用的滑杆式控制阀提供了一些导向形式以校直阀塞和阀座在一条直线上。本领域技术人员所知的一种导向类型是由阀帽组件内的衬套或导向面提供的。阀塞小尺寸直径的一端贴在安装在阀帽组件的轴颈内的衬套上。已知这种导向类型为柱导向(post guiding)。如本领域普通技术人员所知，标准制造公差和惯用的装配工序可能会使阀座的中心线与阀塞导向不在同一条直线上。这种同轴不重合度或偏差不能使阀塞刚好安置于阀座内，因此在阀切断或阀关闭时，阀塞和阀座之间会形成明显的泄漏通路。在某些应用中，同轴问题会降低切断性能和可能会产生高速流动，这会腐蚀阀座因此进一步降低阀门性能。

同样是本领域技术人员所知的柱导向的另一种典型导向类型是，阀塞是通过阀内件(trim)(即，经过加工的内部阀部件)来导向的。通常，阀座环护圈在流体流道内提供了内部导向面，阀塞在该流道上移动贯穿它的满行程。在这种阀结构下，分离的阀座环护圈和阀座环典型地是夹在阀体和阀帽之间。在传统的夹紧装配设计下，通常提供垫圈，如螺旋钢丝垫圈，安装于阀帽和阀座环护圈之间。如本领域技术人员所知，这种夹紧装配提供了工程设计的、预先加载的力来压缩螺旋钢丝垫圈。在加压下，螺旋钢丝垫圈提供反向弹簧力使阀座环护圈和阀帽之间，阀座环和阀体之间产生密封。这些设计都很容易如下面将要详细描述的那样导致密封失效。本领域技术人员认识到三个与惯用的垫圈和密封件有关的特定问题。

第一，滑杆式控制阀频繁使用于可能遭遇温度超过300华氏度和压降超过150psi的过程应用中。这些极限工作环境由于结构材料的热膨胀能力不同，产生了阀组件泄漏问题。使用不同的结构材料，阀门制造商能够提高阀的性能和/或降低成本。例如，一般的过程应用可以使用带有钢制阀体和不锈钢阀座环护圈的阀。我们知道，钢制阀体具有与不锈钢阀座环护圈不同的热膨胀特性。因此，工作温度的增加会随之增加预紧力，使得螺旋钢丝垫圈过应力或达到极限而导致永久失效。当温度恢复到室温时，弹簧钢丝垫圈将不能恢复到预应力条件下，从而产生泄漏通路。可选地，如果制作阀体的材料热膨胀系数大于制作阀座环护圈的材料热膨胀系数，那么工作温度的增加将会相应地导致螺旋钢丝弹簧的预紧力减小，从而在阀座环和阀体间产生泄漏通路。

第二，惯用的使用螺旋钢丝垫圈的滑杆式阀具有压力极限。螺旋钢丝弹簧的这种屈从特性对很多应用都产生稳固密封作用，但是如本领域技术人员中所知，只有在一定范围内的压降或压差内，螺旋钢丝弹簧才可以认为不失密封性。例如，如果不平衡式控制阀内的螺旋钢丝垫圈能够维持足够夹紧力的压力上限为300psi，则任何超过该压力上限的压力都可能导致垫圈暂时变形，从而产生泄漏通路。

第三，惯用的夹式设计的滑杆式控制阀组件间的泄漏通过在阀帽螺栓上加载大负荷进行解决。如本领域普通技术人员所知，增加阀帽螺栓的负荷将增加控制阀成本，这是因为阀体和阀帽内需要较重的结构件承受增加的负荷，还需要较大的阀帽螺栓加载该负荷。

因此可以看出，存在改进滑杆式控制阀的阀座环组件的需要，使得滑杆式控制阀由更少的部件组成，这些部件能够使用比现有所需更少的硬件和结构进行装配和维护。

发明内容

根据本发明的一个方面，公开的控制阀可以包括阀体、阀塞、阀杆和集成式柱导向阀座环组件。所述阀体可以包括入口、出口和位于入口和出口之间的腔。所述阀塞可滑动地安装在阀座环组件内，且阀杆与阀塞相连。所述阀座环组件位于所述腔内。该阀座环组件可螺纹紧固到阀体。

根据本发明的另一方面，公开一种装配控制阀的方法，该方法可以包括：将带有集成式柱导向的阀座环组件插入控制阀的阀体内，将该阀座环组件螺纹连接到控制阀阀体，并将阀帽组件固定到控制阀阀体。

下面结合附图对本发明进行详细描述，上述这些方面和其他方面和本发明的特点将会更清楚。

附图说明

图1是本发明柱导向不平衡滑杆式控制阀的剖视图。

虽然本发明会有各种修改和替换结构，但附图描述了某些实施例，下面将对它们作详细描述。然而，可以理解，本发明并不局限于所公开的这种特殊形式，而相反，如所附权利要求所限定的，本发明涵盖所有在本发明思想和范围内的修改、替换结构和等同结构。

具体实施方式

参见图1，本发明的滑杆式控制阀由参考标号20指示。可以理解，这里使用的“滑杆式控制阀”包含任何如下结构的控制阀：安装到往复阀杆的阀塞相对于安装在阀体入口和出口之间的阀体内的阀座直线平移或往复运动。另外，本领域普通技术人员容易认识到，滑杆式控制阀包含多种控制阀，如球阀或角阀。

所公开的实例在不平衡式控制阀环境下进行描述。可以理解，不平衡式球阀是指其中滑动控制元件，即阀塞，不允许流体通过该控制元件连通的控制阀。结果是，该控制元件两边具有了明显的压力差，因而必然导致相对高的作用力。所示的柱导向不平衡式控制阀20包括一个限定了入口24和出口26的阀体22。入口24和出口26之间形成腔28，并且腔28容纳一个阀座环组件30。阀帽组件32固定于阀体20，靠近腔28，且带有开口33用来容纳将阀塞36与执行机构(未示出)连接起来的阀杆34。填料(未示出)设置于阀帽32内且围绕阀杆34，使阀帽32与阀杆34足够密封。

阀帽组件32通过多个紧固件(未示出)与阀体22紧固连接。所示阀座环组件30基本为圆柱形，由一整块材料制成，该材料可以是铸钢、不锈钢或类似材料。可选地，阀座环组件30不只局限于圆柱形，只要阀座环组件30能够容纳于控制阀20的内部空间内。阀座环组件30的基座44有多个螺纹47，用于将阀座环组件30螺纹连接到阀体22上。更具体地说，阀体22在腔28底部的通道53上有多个螺纹47。因此，通过将阀座环组件30相对阀体22旋转进行螺纹连接，从而将阀座环组件30物理连接到阀体22上。

位于基座44上部的阀座环组件30的导向部分45的内径基本上大于阀塞36的外径。因此，阀塞36在上边缘48与导向部分45接合，这可以通过如下方式实现：使用基底金属作为衬套提供带有小尺寸直径部分的上边缘48，或者更有效地，通过提供一个单独的元件，比如衬套50，如图所示，以便与阀塞36直接接合并进行对准。在本实施例中，衬套50靠摩擦力安装在上边缘48内或者按照本领域普通技术人员所知的各种方法连接到上边缘48内。该衬套50的内表面52作为承载和导向面帮助滑动。衬套50的内表面52的直径比阀塞36的直径大公称0.010英寸，以便于装配，又被限定为在工作时提供导向作用。阀座环组件30的基座44提供阀座62，以便与阀塞36的削边圆周表面64接合。另外，应该注意该阀塞36包括头部(nosesection)66，该头部66的形状为预先设定以使控制阀20提供需要的流量特性。执行机构(未示出)的移动引起阀杆34移动，而阀杆34的移动接着引起阀塞36相对阀座62移动。因此阀塞36相对于阀座62的相对移动使得控制阀20开启或关闭。

在阀座环组件30内部靠近阀座62的一端设置有一个或多个孔70。图1中示出两个孔70。根据本领域技术人员的理解，只要流体流经控制阀20时不受到阻碍，孔70可以有任意结构和形状。例如，如图1所示，孔70可以是延伸于基座44与上边缘48之间的矩形孔。可选地，也可以在阀座环组件30上提供数个小孔(未示出)。

如上所述，传统的带有夹紧阀内件(即，除过阀体和阀帽的阀元件)的不平衡式控制阀使用阀体-阀帽螺栓连接的力向螺旋钢丝垫圈加载负荷，而加有负荷的螺旋钢丝弹簧随之使阀内件夹紧在一起。该螺旋钢丝垫圈起到弹簧的作用。因为该螺旋钢丝垫圈作为弹簧使用，因此限制了阀适应不同的温度和压力的能力。温度极限是由于阀体和阀内件的不同热膨胀系数产生的。也就是说，阀内件可能膨胀得比阀体更多或更少，如果超过温度极限，这就可能导致螺旋钢丝垫圈的过应力或负应力。压力差极限典型地是由于向上反作用于阀内件上的压力，该压力可能导致螺旋钢丝垫圈过应力从而产生泄漏。

本领域所知的其他不平衡式控制阀在阀帽内具有单独的导向衬套和一个独立的阀座环组件来避免上述的阀内件/螺旋钢丝垫圈出现的问题。然而，这种阀容易受同轴问题影响。也就是说，阀塞的阀座表面与阀座环的校直受阀体、阀座环、阀帽、导向衬套和阀塞的很多加工同轴度公差的影响。阀部件之间同轴度的丧失会导致阀塞不能完全接合阀座。而这个又显著地降低了当切断或关闭控制阀时控制阀的性能，或者由于不完全切断引发的高流速而引起的阀座腐蚀。在所公开的控制阀20中，包括阀座62、衬套50和基座44的阀座环组件30是单独一个部件，并且可以由同种材料如S31600 SST制成。因此所公开的控制阀20不容易产生由于温度和压力波动引起的问题。

可选地，衬套50可以由具有较大耐磨度的材料，如CoCr-A合金或S17400 SST制成，从而显著地降低衬套50在工作过程中的维护和磨损。此外，可以看出，阀座环组件30不只为阀塞提供校直，还可以在不使用平薄板垫圈或螺旋钢丝垫圈，或者其它密封机构的情况下，在入口24和出口26之间进行密封。通过将阀座环组件30螺纹连接到阀体22和在足够压力下将阀塞36压靠阀座62而与阀座62接合，在不使用任何形式的垫圈或其他形式的密封件的情况下，就能达到入口24和出口26之间的足够密封。还有，通过将阀座环组件30螺纹连接到阀体22，和通过避免使用任何形式的垫圈或其他形式的密封件，阀帽32能够通过明显少的结构制成，然后在明显小的压力下连接到阀体22上，但仍然能够向控制阀20提供正常的工作和密封。

如上所述，本发明的阀与现有的使用垫圈的阀相反，现有技术中的阀只能通过阀帽组件加载足够的压缩力才能够进行正常工作。根据现有技术中的阀，阀帽组件和用来连接阀帽组件到阀体的紧固件或螺栓，需要被设计为尺寸能够承受较大的力，要求该力能够在控制阀工作中提供对密封件足够的压缩。现有技术的设计没有解决前面所描述的热膨胀问题和/或工作压力限制。因此，现有技术中的阀的工作和密封能力会受到影响。而本发明的集成式柱导向阀座环组件基本上不受热条件变化的影响，也没有传统螺旋钢丝垫圈设计的压力限制。通过使用本发明，可以去除额外部件，使得阀门更适用于这种宽的温度范围。

在操作时，可以看出，根据本发明教导所构造的阀通过简单地将阀座环组件螺纹连接到阀体上的多个内螺纹，因此很容易装配。因为阀的部件数量大量减少和所需的将阀帽固定到阀体的力也极大减小，因此这种阀的制造和维修都得到极大改进。

如上所述，本领域普通技术人员容易理解，可以采用本发明的教导，通过将阀座环组件螺纹连接到阀体，得到不平衡式柱导向式阀。这种做法，不仅达到密封效果，而制造成本和维修需要量也极大降低。

Claims (15)

1.一种控制阀，包括：

阀体，具有入口、出口以及在入口和出口之间的腔；

可滑动地安装在阀体内的阀塞；

与阀塞相连的阀杆；和

安装在所述腔内的阀座环组件，该阀座环组件具有第一端部和第二端部，且螺纹紧固到阀体，该阀座环组件进一步包括用来将阀塞容纳在第一端部的膛孔和安装在第一端部内的衬套；

其中所述阀塞可滑动地与衬套接合，且与安装在第二端部内部的阀座保持基本上同轴。

2.根据权利要求1所述的控制阀，其中所述控制阀是不平衡式的。

3.根据权利要求1所述的控制阀，其中所述阀座环组件不使用任何垫圈地紧固到阀体。

4.根据权利要求1所述的控制阀，其中所述阀座环组件包括穿过该阀座环组件圆筒形壁的至少一个孔。

5.根据权利要求1所述的控制阀，其中所述阀座环组件包括以预先设定的方式穿过该阀座环组件圆筒形壁的多个孔。

6.根据权利要求5所述的控制阀，其中所述多个孔的形状是预先设定的。

7.根据权利要求5所述的控制阀，其中所述多个孔是多个钻孔。

8.根据权利要求1所述的控制阀，其中所述阀塞包括基本上为圆柱形的底座，从该底座伸出一头部，该头部的形状形成为提供需要的流量特性。

9.一种用于阀门的阀座环组件，包括：

带有膛孔的外壳，该外壳上具有至少一个孔，该外壳具有第一端部和第二端部；

形成于第二端部内表面上的阀座；

形成于第二端部外表面上的多个螺纹，该阀座环组件被整体地形成为一个部件，其中所述第一端部的直径小于第二端部的直径，从而在阀座环组件内形成导向面。

10.根据权利要求9所述的阀座环组件，其中所述第一端部的直径通过在第一端部内安装衬套而被减小。

11.根据权利要求9所述的阀阀座环组件，其中所述阀座环组件包括多个孔。

12.一种装配控制阀的方法，包括：

将集成式柱导向阀座环组件插入控制阀阀体内；

将该集成式柱导向阀座环组件螺纹连接到所述控制阀阀体上；和

将阀帽组件固定在控制阀阀体上。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述控制阀是不平衡式球阀。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述控制阀是柱导向式的。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述阀帽组件通过螺纹紧固件固定到控制阀阀体。

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