专利名称：具有轴向柔性座的闸门阀组件的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及在油气工业中使用的闸门阀，并且具体而言，涉及具有为金属的且在轴向上有柔性的阀座的闸门阀组件。
背景技术：
参照图I和2，示出了根据现有技术的、在油气生产工业中使用的标准双向闸门阀10。阀10具有本体12，本体12具有延伸通过其中的流道14。一对环形座16靠在形成于本体12中的本体凹穴17中。座16各自具有在背离本体凹穴17的侧的前部面18和位于本体凹穴17中的后部面19。座12中的环形膛孔20限定具有大致等于流道14的内径的直径的内壁22。闸门26定位在座16之间。闸门26具有实心部分28，前部面18压靠在该实心部分28上。当闸门阀10在打开位置上时，通过实心部分28的孔30与膛孔20对准，从 而允许流通过阀10。闸门26能够相对于座16的前部面18在本体12中的腔体32内运动，腔体32围绕座16。在图2中显示，闸门26已经相对于其在图I中的位置运动，从而使孔30与膛孔20不对准，以关闭阀。无论阀10是在打开位置上还是在关闭位置上，座前部面18大体被推靠在闸门26上，以防止流体从膛孔20泄漏到腔体32中。虽然这个向内的动作典型地由弹簧34或在阀座的后部处的面密封件36的弹性启动，但是这主要是由在上游膛孔20和腔体32之间的跨过座密封件36的直径而起作用的压差完成的。弹簧34被设定在形成于各个阀座16的后部面19上的圆形凹槽中。通常在各个后部面19的外周缘上的环形凹槽中提供座本体密封件36，以在后部面19和本体凹穴17之间进行密封。因为需要适应温度瞬变引起的热膨胀/收缩以及制造公差，所以在两个座16、18和闸门26装配在本体凹穴17之间时，对于这两个座16、18和闸门存在某个轴向宽松(slop)。在从上游膛孔对阀加压时，上游座18首先被压靠在闸门26上，闸门26又被压靠在下游座16上，下游座16又达到最底点而靠在下游本体凹穴17上。座16、18相对于本体凹穴17的这个轴向运动意味着座密封件36必须被设计成在动态接口上起作用。当跨过密封件存在大范围的压差时，在动态接口之间保持密封是成问题的。此外，在座本体密封件36典型地由聚合物(由于井下的热变化，其可随着时间的过去而退化)形成时，后部面19和本体凹穴17接口会经受泄漏。
发明内容
本文公开了一种闸门阀组件，在一个实例实施例中，闸门阀组件包括本体；在本体中的闸门，其可在打开位置和关闭位置之间运动；以及在本体中的弹性环形阀座。阀座可膨胀和收缩，同时与闸门保持动态密封接口，以及与阀本体中的凹穴保持静态密封接口。而且，阀座具有形成压力阻隔的壁。可在阀座的中间部分中包括槽口，其形成在阀座的内周边和外周边上，并且围绕阀座的轴线。在一个实例实施例中，可在槽口中设置垫片。阀座可包括沿着其内周边的一部分的凹部，该凹部从本体延伸到阀座的内周边上的凸肩。可在凹部中设定套筒，其在套筒和基部之间形成间隙，使得在阀座受挤压时，阀座的压缩在套筒变得楔入凸肩和本体之间时受到限制。凹部和套筒可在阀座的内周边上或在外周边上。本体可进一步包括供闸门行进的腔体，该腔体与通过本体的流道相交。可选地，可在流道和腔体之间在本体中包括旁路，并且在旁路中包括止回阀。在一个实例实施例中，流道是在腔体的一侧是上游流道，以及在腔体的相对侧是下游流道，以及其中，旁路是上游旁路，并且在上游流道和腔体之间延伸，闸门阀组件还可包括在本体中、在腔体和下游流道之间延伸的下游旁路，以及在下游旁路中的止回阀。在一个实例实施例中，在上游旁路中的止回阀允许有从上游流道到腔体的流，并且阻止有从腔体到上游流道的流。在一个实例实施例中，在下游旁路中的止回阀允许有从下游流道到腔体的流，并且阻止有从腔体到下游流道的流。本文还公开了一种用于在闸门阀组件中使用的阀座。在一个实例实施例中，阀座由环形本体形成，该环形本体具有用于安装到阀组件的本体上的后端和在后端的远处的前端。在环形本体的前端上包括用于与阀部件形成静态密封接口的面。还在环形本体的后端上包括用于在阀组件的本体中与凹穴形成静态密封接口的面。阀座在前端和后端之间包括弹性中间部分。弹性中间部分在前端和后端上施加初始轴向力。一旦阀被关闭，则在上游流道和腔体之间建立压差，从而导致上游阀座70的中间部分中的槽口 72膨胀，从而在上游 座70和闸门54之间产生额外的力。这可认为是类似于使手风琴“充气”。是这个膨胀代替传统阀座的移动动作，并且在两个端部上保持在环形本体的内周边和外周边之间限定压力阻隔的接口。在一个实例实施例中，在中间部分中提供槽口，槽口在环形本体中提供轴向弹性。槽口可从环形本体的外终端半径延伸向环形本体的轴线，可从环形本体的内终端半径延伸向环形本体的内终端半径，或者从内终端半径和外终端半径两者延伸。在一个可选的实施例中，在环形本体的内终端半径上包括由凹部限定的凸肩，该凹部在环形本体的内终端半径上从凸肩延伸到后端。可在凹部中包括套筒。在一个可选的实施例中，在环形本体的外终端半径上包括由凹部限定的凸肩，该凹部在环形本体的外终端半径上从凸肩延伸到后端。可在外部半径上的凹部中包括套筒。在一个实例实施例中，凸肩是前部凸肩，而凹部的端部是前端，阀座进一步包括在环形本体的外终端半径上在前部凸肩的远处且限定凹部的后端的后部凸肩，以及在凹部中的具有小于凹部的长度的长度的套筒。可选地，可在槽口中设置垫片，垫片具有小于槽口的厚度的厚度。套筒或垫片在压靠在闸门上的上游座的膨胀所产生的高挤压载荷下协助使下游座有结构完整性。
已经陈述了本发明的特征和益处中的一些，随着结合附图得到的描述的继续，其它特征和益处将变得显而易见，其中图I是闸门在打开位置上的、根据现有技术的典型闸门阀的截面图。图2是闸门在关闭位置上的、图I的闸门阀的截面图。图3是根据本发明的闸门阀的一个实例实施例的侧视截面图。图4是根据本发明的闸门阀的一个实例实施例的侧视截面图。图5是根据本发明的、具有带有槽口和在槽口中的垫片的阀座的闸门阀实施例的一部分的截面图。虽然将结合优选实施例来描述本发明，但是将理解，不意图使本发明限于那个实施例。相反，意图的是覆盖可包括在所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有备选方案、改良和等效方案。
具体实施例方式将在下文中参照显示了本发明的实施例的附图，来更加全面地描述本发明。但是，本发明可体现为许多不同的形式 ，而不应将本发明理解为限于本文阐述的示出的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，而且将对本领域技术人员全面地传达本发明的范围。相同标号在全文中指示相同元件。要理解，本发明不限于显示和描述的构造、操作、确切材料或实施例的确切细节，因为改良和等效方案对本领域技术人员而言将是显而易见的。在图和说明书中，已经公开了本发明的说明性实施例，并且虽然采用了具体用语，但是它们仅在一般的和描述性的意义上使用，而不是用于限制的目的。从而，本发明因此仅由所附权利要求的范围限制。在图3中的侧视截面图中显示了闸门阀组件40(可为双向的)的实例实施例。闸门阀组件40包括具有流道(膛孔)44的本体42，通过本体42沿长度方向而形成流道44。还在本体42中提供以大体横向于流道44的方向而定向的腔体45。在本体42中显示了上游本体凹穴46，其从流道44沿径向向外延伸到本体42中达一定距离。本体凹穴46沿大体平行于轴线Ax的方向沿横向延伸，并且在腔体45处终止。显示了环形上游阀座48设定在上游本体凹穴46内，并且定向成大体与轴线Ax同轴。还在本体42内形成下游本体凹穴50，其是上游本体凹穴46的镜像，并且在腔体45的相反侧。环形下游阀座52被设定在下游本体凹穴50内且与轴线Ax同轴。显示了闸门54被设置在腔体45中且具有横向于轴线Ax的伸长方向。闸门具有被显示为与上游阀座48的与设定在上游本体凹穴46中的端部相对的端部处于密封接触的上游侧56。类似地，在与上游侧56相反的闸门54的侧是与下游阀座52的端部处于密封接触的下游侧58。在图3的构造中，闸门阀组件40在关闭位置上，其中，闸门54的实心部分设定在流道44中，并且阻挡任何通过其中的流。在上游表面56和下游表面58与上游阀座48和下游阀座52之间的密封接口阻止有从流道44内进入到包围的腔体45中的流。闸门54能够在腔体45内运动，使得阀通道44可与通过闸门54沿横向形成的开口 59对准。可通过对显示为附连到闸门54的上端上的阀杆60施加的力来实现使闸门54在腔体45内运动。回头参照上游阀座48，显示了环形凹部61沿着阀座48的内部半径从其设定在上游本体凹穴46中的端部延伸。在凹部61的终端端处限定凸肩62。显示了环形套筒63设置在凹部61内且具有被凹部61超过的长度。在凹部61和套筒63的相应的长度之间差异限定显示在套筒63的端部和本体凹穴46的底部之间的间隙64。显示了在下游阀座52上提供的是类似的凹部65，该凹部65在下游阀座52的内周边上形成凸肩66。显示了套筒67设定在凹部65内且在套筒67和本体凹穴50的端部之间具有间隙68。但是应当指出，间隙64,68可在套筒63,67和凸肩62,66之间。显示了在上游阀座48内形成的是一系列外部槽口 70，它们从阀座48的外表面延伸以及沿径向向内延伸，并且在上游阀座48的本体内终止。显示了槽口 70以基本一致的距离间隔开，但是在它们之间可以可选地具有可线性地或以指数的方式增大或减小的不同距离。另外，槽口 70的径向距离可在不同的槽口之间有所改变。在图3的实施例中，槽口在阀座48的整个周边的周围延伸360度，但是存在其中在槽口 70的阀座48的周围的角距离略微小于360度的实施例。还在阀座48中形成内部槽口 72，该内部槽口 72始于阀座48的内周边或半径处，并且从轴线Ax沿径向向外凸出，并且在阀座48的本体内终止。显示了图3的槽口 70、72基本垂直于轴线Ax，但是存在这样的实施例其中，槽口 70、72可倾斜于轴线Ax，并且可具有弯曲的或波动的路径，而不是所显示的基本直的路径。此外，虽然槽口70,72的相对的壁被示为基本平行的，但是存在这样的实施例其中，相对的壁相对于彼此成角度，并且在槽口 70、72中的各个的基部处会聚成“V”形构造。在一个实施例中,槽口 70、72沿着阀座48的轴向长度而限定一系列悬臂,使得阀座48可具有带有类似弹簧的品质的弹性功能。更具体而言，阀座48可沿着轴线Ax膨胀或收缩，但是由于槽口 70、72所提供的弹性功能的原因，可在上游本体凹穴46和阀座48的后 端之间保持静态密封接口，同时仍然在闸门54的上游侧56和阀座48的前端之间保持持续的接触。接触上游本体凹穴46的阀座48的后端形成后部面73，而接触闸门54的阀座48的端部则形成前部面74，阀座48在延伸状态或压缩状态两者中都在后部面73和前部面74上保持静态密封力。在座48和本体42之间的这个静态的金属-金属密封接口提供了本文公开的优点之一。这个接口相对于传统的聚合物径向或面密封有关的优点包括(I)静态的金属-金属密封比动态聚合物密封显著地更能容忍低温和高温两者；(2)静态的金属-金属密封可比动态聚合物密封显著地更能容忍暴露于化学品而引起的退化；(3)在静态接口上不会发生可在动态接口上发生的摩擦和/或滑动接触，这种接触会引入磨损和/或卡滞的可能；以及(4)可对阀座48的后端进行设计，使得其以干涉配合来安装，通过或者用力挤压座或者在加热阀本体的同时使座热收缩来组装，从而产生在“密封件”的范畴以外的接口，更像是焊缝。在这种情况下，根据对于性能和安全性而言典型的临界分析研究，去除了泄漏路径。在恰当地安装了这个构造的情况下，污染物或流体不可能侵入座和本体之间的边界。显示了下游阀座52具有类似于上游阀座48中的槽口 70的结构和实例实施例的外部槽口 75，以及类似于上游阀座48中的内部槽口 72的内部槽口 76。另外，显示了下游阀座52具有在阀座54的向上的端部上的与闸门54的下游侧接触的密封面77。沿着密封面77，在流道44和腔体45之间保持静态密封接口。接触上游本体凹穴65的阀座52的后端形成后部面78，弹性阀座52沿着该后部面78而保持静态密封接口。阀座48、52的弹性性质的额外优点在于，它们的固有的弹性使得能够实现用于在阀组件40中使用的全部是金属的或基本全部是金属的阀座。如知道的那样，金属优于弹性材料或其它非金属材料的优点在于，构件在经受闸门54的重复运动循环时有延长的寿命，以及有在极端温度和/或压力中工作的能力。用于在阀座48、50中使用的实例材料包括镍合金，例如铬镍铁合金 或因科镍合金718、因科镍合金625、因科镍合金625+。其它合金可为由钴、钛以及不锈钢制成的那些。在一个可选的实施例中，阀组件40可包括旁路回路79，用于提供通过本体42且在流道44和腔体45之间的流体连通。在图3的实施例中，流回路79包括流线路80，其中存在止回阀81，以允许有从流道44进入到腔体45中的流，但是防止有从腔体45进入到流道44中的逆流。可在流回路中包括可选的网式过滤器82，以过滤颗粒。在阀本体42的下游部分中提供类似的流回路86。旁路回路86包括在流道和腔体45之间且通过本体42的旁路线87。止回阀88允许有从流线路44进入到腔体45中的流，同时防止有从腔体45进入到流道44中的流。显示了用于限制流体中的颗粒和其它物质流过线路44的可选的过滤器90。现在参照图4，在侧视截面图中显示了阀组件40A的一个备选实施例。在图4的实施例中，显示了通过本体42A在流道44和腔体45之间形成的备选旁路回路79A、86A。在图4的实施例中，旁路回路79A、86A包括具有内嵌模块92、94的旁路线80A、87A，其中，模块92、94包括止回阀(未显示)并且可选地包括滤网(未显示)。止回阀允许有从流道44到腔体45的流，同时防止有从腔体45到流道44的流。在图4 中还显示了外部套筒96、98，它们围绕上游阀座48A和下游阀座52A，并且与套筒63、67基本同轴。在形成于阀座48A、52的外周边中的凹部中设定外部套筒96、98，外部套筒96、98限定类似于图3的阀座48、52的实施例中的凸肩62、66的凸肩。在图5中的横截面图中显示了阀座48A的备选实施例，其中显示了垫片100、102插入槽口 72、75的开口端内。将垫片100、102有策略地设置在槽口 72、75中的各个或一些内会为阀座48A的弹性提供一定范围的柔性。应当指出，虽然在图5中显示了上游阀座48A，但是存在其中下游阀座在其槽口中配备有对应的垫片100、102的实施例。因此，本文描述的本方法非常适于执行和获得所提到的目的和优点，以及其中固有的其它目的和优点。虽然已经为了公开的目的而给出了目前优选的实施例，但是在程序的细节中存在许多改变，以实现期望的结果。本领域技术人员将容易地想到这些和其它类似的改良，并且它们意图被包括在本文公开的本发明的精神和所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种闸门阀组件(40)，包括 本体(42)； 能够在所述本体(42)中在打开位置和关闭位置之间运动的闸门(54);以及 弹性环形阀座(48，52)，其安装在所述本体(42)中，并且能够从伸长构造变成压缩构造，在所述伸长构造中，一端部与所述本体(42)处于静态密封接触，相对的端部与所述闸门(54)处于动态密封接触，在所述压缩构造中，所述端部与所述本体(42)处于静态密封接触，所述相对的端部与所述闸门(54)处于动态密封接触，并且环形阀座(48，52)在所述端部和所述本体(42)之间具有限定压力阻隔的中间部分。
2.根据权利要求I所述的闸门阀组件(40)，其特征在于，所述闸门阀组件(40)进一步在所述阀座(48，52)的所述中间部分中包括从所述阀座(48，52)的内周边沿径向向外延伸的槽口(72，76)，所述槽口(72，76)围绕所述阀座(48，52)的轴线。
3.根据权利要求2所述的闸门阀组件(40)，其特征在于，所述闸门阀组件(40)进一步在所述阀座(48，52)中包括从所述阀座(48，52)的外周边沿径向向内延伸的槽口(70，75)，所述槽口(70，75)围绕所述阀座(48，52)的轴线。
4.根据权利要求2所述的闸门阀组件(40)，其特征在于，所述闸门阀组件(40)进一步包括设置在所述槽口 (72，70)中的垫片(100，102)。
5.根据权利要求I所述的闸门阀组件(40)，其特征在于，所述闸门阀组件(40)进一步包括沿着所述阀座(48，52)的内周边的一部分而形成且从所述本体(42)延伸到所述阀座(48,52)的所述内周边上的凸肩(62,66)的凹部(61,65),以及设置在所述凹部(61,65)中的套筒(63，67)，其中，在所述套筒(63，67)和所述阀座(48，52)之间存在间隙(64，68)，使得在所述阀座(48，52)受挤压时，所述阀座(48，52)的压缩在所述套筒(63，67)变得楔入所述凸肩(62，66)和所述本体(42)之间时受到限制。
6.根据权利要求5所述的闸门阀组件(40A)，其特征在于，所述套筒是内部套筒(63，67)，而所述凹部是内部凹部￠1,65)，所述闸门阀组件(40)进一步包括沿着所述阀座(48A, 52A)的所述外周边的一部分而形成且从所述阀座(48A，52A)延伸到所述阀座(48A，52A)的所述外周边上的外部凸肩的外部凹部，以及设置在所述外部凹部中的外部套筒(96，98)，其中，在所述外部套筒(96，98)和所述阀座(48A，52A)之间存在间隙，使得在施加挤压所述阀座(48A，52A)的力时，所述阀座(48A，52A)的压缩在所述外部套筒(96，98)变得楔入所述外部凸肩和所述本体(42A)之间时受到限制。
7.根据权利要求I所述的闸门阀组件(40A)，其特征在于，所述闸门阀组件(40A)进一步包括沿着所述阀座(48A，52A)的所述外周边的一部分而形成且从基部延伸到所述阀座(48A, 52A)的所述外周边上的凸肩的凹部，以及设置在所述凹部中的套筒(96，98)，其中，在所述套筒(96，98)和所述阀座(48A，52A)之间存在间隙，使得在施加挤压所述阀座(48A，52A)的力时，所述阀座(48A，52A)的压缩在所述套筒(96，98)变得楔入所述凸肩和所述本体(42A)之间时受到限制。
8.根据权利要求7所述的闸门阀组件(40A)，其特征在于，所述套筒是外部套筒(96，98)，而所述凹部是外部凹部，所述闸门阀组件(40A)进一步包括沿着所述阀座(48A，52A)和所述外周边的一部分而形成且从所述阀座(48A，52A)延伸到所述阀座(48A，52A)的所述外周边上的内部凸肩的内部凹部(61，65)，以及设置在所述内部凹部(61，65)中的内部套筒(63，67)，其中，在所述内部套筒(63，67)和所述阀座(48A, 52A)之间存在间隙(64，68)，使得在施加挤压所述阀座(48A，52A)的力时，所述阀座(48A，52A)的压缩在所述内部套筒(63，67)变得楔入所述内部凸肩(62，66)和所述本体(42A)之间时受到限制。
9.根据权利要求I所述的闸门阀组件(40)，其特征在于，所述本体(42)进一步包括所述闸门(54)在其中行进的腔体(45)和通过所述本体(42)的流道(44)，所述流道(44)与所述腔体(45)相交，所述闸门阀组件(40)进一步包括在所述流道(44)和所述腔体(45)之间通过所述本体(42)的旁路(79，86)以及在所述旁路(79，86)中的止回阀(81，88)。
10.根据权利要求9所述的闸门阀组件(40)，其特征在于，所述流道(44)在所述腔体(45)的一侧是上游流道，而在所述腔体(45)的相反侧是下游流道，以及其中，所述旁路(79,86)是上游旁路(79)，并且在所述上游流道和所述腔体(45)之间延伸，所述闸门阀组件(40)进一步包括在所述本体(42)中在所述腔体(45)和所述下游流道之间延伸的下游旁路(86)，以及在所述下游旁路(86)中的止回阀(88)。
11.根据权利要求10所述的闸门阀组件(40)，其特征在于，在所述上游旁路(79)中的所述止回阀(81)允许有从所述上游流道到所述腔体(45)的流，并且阻止有从所述腔体(45)到所述上游流道的流，以及其中，所述下游旁路(86)中的所述止回阀(88)允许有从所述下游流道到所述腔体(45)的流，并且阻止有从所述腔体(45)到所述下游流道的流。
12.—种用于在闸门阀组件(40)中使用的阀座(48，52)，包括 环形本体(48)，其具有用于安装到阀组件(40)的本体(42)上的后端和在所述后端的远处的前端； 在所述环形本体的所述后端上的面(73)，其用于与阀本体凹穴(46)形成静态密封接Π ； 在所述环形本体的所述前端上的面(74)，其用于与阀部件(54)形成滑动密封接口 ；以及 设置在所述前端和所述后端之间的弹性中间部分，其在所述前端上施加轴向力以保持所述静态密封接口和所述滑动密封接口，并且在所述环形本体的内周边和外周边之间限定压力阻隔。
13.根据权利要求12所述的阀座(48，52)，其特征在于，所述阀座(48，52)进一步包括在所述中间部分中的、用于在所述环形本体中提供轴向弹性的槽口(70，75)，其中，所述槽口(70，75)从所述环形本体的外终端半径延伸向所述环形本体的轴线。
14.根据权利要求13所述的阀座(48，52)，其特征在于，所述阀座(48，52)进一步包括从所述环形本体的内终端半径延伸向所述环形本体的所述外终端半径的槽口(72，76)。
15.根据权利要求12所述的阀座(48，52)，其特征在于，所述阀座(48，52)进一步包括在所述环形本体的所述内终端半径上的凸肩出2，66)、在所述环形本体的所述内终端半径上从所述凸肩(62，66)延伸到所述后端的凹部(61，65)，以及在所述凹部(61，65)中的套筒(63，67)。
16.根据权利要求12所述的阀座(48，52)，其特征在于，所述阀座(48，52)进一步包括在所述环形本体的所述外终端半径上的凸肩、在所述环形本体的所述外终端半径上的具有由所述凸肩限定的端部的凹部，以及在所述凹部中的套筒(96，98)。
17.根据权利要求12所述的阀座(48，52)，其特征在于，所述凸肩是前部凸肩(62，66)，而所述凹部￠1,65)的所述端部是前端，所述阀座(48，52)进一步包括在所述环形本体的所述外终端半径上、在所述前部凸肩的远处且限定所述凹部的后端的后部凸肩，以及在所述凹部中的具有小于所述凹部的长度的长度的套筒(96，98)。
18.根据权利要求12所述的阀座(48，52)，其特征在于，所述阀座(48，52)进一步包括设置在所述槽口(70，72)中的垫片(100，102)，所述垫片(100，102)具有小于所述槽口(70，72)的厚度的厚度。
全文摘要
本发明涉及具有轴向柔性座的闸门阀组件。一种闸门阀组件具有金属阀座，金属阀座在轴向上有弹性，并且在阀座和本体凹穴之间保持静态密封接口，以及在阀座和阀组件中的闸门之间保持滑动动态密封接口。阀座是环形部件，其具有从内周边和外周边沿径向通过阀座而形成的槽口。可提供与阀座同轴的套筒；套筒可在阀座的内表面上、在阀座的外表面上，或在两者上。可在槽口中可选地设定垫片。
文档编号F16K3/20GK102705523SQ20121007358
公开日2012年10月3日 申请日期2012年3月9日 优先权日2011年3月10日
发明者J·B·卡恩 申请人:韦特柯格雷公司