控制管道中材料的流动的阀门的制作方法

本发明涉及一种借助作用于滑梭上的物理外力来控制材料流穿过管道的设备、方法和系统，所述滑梭在管道中的流体通道内移入和移出。本发明尤其涉及一种设置于管道中的阀门，其中阀门借助施加于滑梭上的压差或者机械外力的方式在管道中调节液流或者固液混合流体，该滑梭基于其在管道中的位置来限制或允许流体通过。

背景技术：

具有液体和/或气体有时候混有固体的流体的管道系统通常需要控制材料的流动。目前用于本申请的阀门包括有：球阀，蝴蝶阀，滑动闸门阀，刀闸阀等等。

在污水、水、工业气体以及石油化工或者固体废物通过管道输送的过程中，这些阀门主要被用作在管道要求的区域隔离材料的流动。借助管道的隔离区域，材料的流动可以被控制和排序以确保整个系统的合适功能。

目前这些阀门的设计一般被设计用以处理穿过阀门的大的压差，因此对于要求较小的穿过阀门的压差的应用，目前的这些阀门设计一般是超过要求的。这些阀门通常要求昂贵的气缸和发动机以驱动控制管道中流体的流动的机械结构。由于其维护和更换阀门部件的空间要求，它们还对安装设置空间限制。

为了在地平面以下安装时减少与上述缺点相关的成本，它们还需要大的昂贵的腔室，通常由围绕它们构造的钢筋混凝土制成，以允许这些阀门的安装、操作和维修。这些腔室的成本通常超过阀门的成本，并且成本随着阀门的安装深度而呈指数增加。

海底管道通常被用来传递流体，例如天然气，液化石油甚至水，典型地，这些管道需要借助复合阀调节其中的流体。所述阀门要求巨大的成本和较高的技术人才来设置和维持。进一步地，当以高速在管道中流动的流体遇到一个在方向和速度上的突然的改变，例如，在阀门的一个急转弯或者突然闭合处，将发生称为流体锤的现象，在此处，流体的动量由于这种突然的变化而转化为高压和冲击波。所产生的压力波动和冲击波可能会严重损坏管道和相关设备。

井喷是管道流体控制中面临的另外一个问题，其在油气工业中是非常普遍的。井喷通常发生在当高压被由于设备故障而无控制的从油气层向表面释放。井喷防护设备用于处理这种事件。然而，当这种防护设备发生了故障，需要去采取措施以将井喷加盖以进一步停止油气到表面的释放。钻井工程师使用的停止井喷的措施是通过在井中填充“压井液”来“封”井，所述压井液要比油气层中的油气重，一旦井被封了，将会阻止任何油气流体进一步的释放到表面。这种措施也是耗费成本的，且要求技术人员暴露在加盖井喷的危险中。

EP 1 555 223 A1公开了一种主要用于调节在废物抽吸系统中的大流量的阀门。本发明包括有一个在阀室内的可替换的阀板，该阀室与位于顶部的执行机构连接，且位于侧面的开口与管道的相对的两端连接。进气口将辅助输送空气送入到系统中，并且将残留在阀板座上的碎屑清理掉。但是该系统具有一些缺点，即，阀板座上的凹陷引起了碎屑的落入并且被捕获，辅助输送空气有可能不能将落入凹陷的碎片清理掉。进一步地，可替换的阀板是不可弯曲的，并且如果任何碎屑残留在凹部中，则不能完全密封流动。并且需要大量的发掘工作去设置和维修阀门。

本发明致力于最小化阀门的成本，简化阀门的维护，也大量的减少了用于容纳常规阀门的习惯要求的地下阀室的尺寸。本发明的基本原理也可以用于深海应用，并且减轻流体锤的影响。本发明也旨在减少和消除出现在安装，维护，修理，以及替换常规阀门的危险。

本发明的范围是允许更多的使用这种类型的阀门，并且消除由常规设计的阀门带来的成本和空间的限制。

技术实现要素：

本发明公开了一种用于在管道内借助阀门和阀门致动机构来控制材料的流动的系统，其特征在于，所述阀门包括有固定到所述管道的中空突出部，一包含在中空突起部中的滑梭，以及用于在中空突起部内部线性地移动滑梭的装置，其中所述滑梭的一部分可以被引入到管道中以限制材料的流动和可以撤回到空突起部以允许材料在管道中流动。

本发明也公开了一种用于在管道中借助阀门和阀门致动机构来控制材料的流动的系统，其特征在于，阀门包括有在中空突起部内借助位于中空突起部中的腔室和中空突起部附接的管道之间维持的压差而线性移动的滑梭。

本发明进一步的公开了一种在上文描述的设备中控制材料的流动的方法，其中该方法包括有保持中空突出部内的流体的压力或头部，形成压差以将滑梭撤回到中空突起部中或者将滑梭延伸到管道本体内部，且基于滑梭所在的位置而允许或限制材料在管道中的流动。

附图说明

借助下面给出的详细描述和附图，本发明将会被更充分地理解，附图仅通过说明的方式给出，因此不是对本发明的限制，其中：

图1a示出了安装在管道中的阀，其中材料在管道内流动。

图1b示出了供应到腔室中的流体以部分地限制流动。

图1c示出了在流体供应使阀门完全关闭后的完全受限的管流。

图1d示出了流体被从腔室移出以打开阀门并且允许流体流动。

图1e示出了相对于管道的纵向轴线以包括90°的直立角度安装的阀。

图2a示出了阀门的一种变形，其使用了“常闭”设置的弹簧。

图2b示出了从阀门中移出的流体，其产生了一克服弹簧力使滑梭保持向下并使阀门打开的真空。

图2c示出了使用弹簧的阀门借助滑梭常闭管道的流通，且借助绞盘以允许管道的流通。

图3a示出了用于深水方案中的阀门，其中，水头具有与管道流压力类似的水压。

图3b示出了滑梭的成角度形状以最小化水锤效应。

图3c示出了阻挡液体的流动的阀门。

图3d示出了打开的阀门以允许流动。

图4a-4d示出了阀门是如何工作的。

图5a示出了具有外部安装气囊的滑梭。

图5b示出了当液体被供应于阀门时，外部安装气囊的膨胀。

图5c示出了一完全膨胀的气囊，其密封了滑梭与管道之间的任何间隙。

图5d示出了在液体从阀门移除后，放气后的气囊。

图6a-6d示出了在下游侧具有部分气囊附接件的滑梭设计。

图7a示出了具有外部安装气囊的滑梭的顶部。

图7b示出了包含在中空突出部的具有导向槽和舌部配合的滑梭的俯视图。

图7c示出了具有孔的滑梭，用于液体去膨胀外部安装气囊。

图8a&8b分别示出了装配有处于放气和充气状态的可充气侧密封件的滑梭的俯视图和侧视图。

图9a&9b示出了形成于滑梭和具有气囊的滑梭的顶部的螺纹。

具体实施方式

本发明涉及一种用于控制液体流动穿过管道的设备、方法以及系统，其借助施加于滑梭上的压差或者机械外力使得其在管道中液流的通道内移入或者移出。

在描述中，术语“管道”在一般意义上用于包括导管，管，管道，电缆管道和通道，其中材料沿着“管道”的长度流动。因此，管道可以是混凝土，钢或塑料材料。

本发明的各种实施方式将在下文通过图1a–9b进行描述。

图1a中展示的本发明的阀门(10)包含有管道(12)，其可以是用于输送材料流(14)的管道，例如管状管道，通道，管道或电缆管道，管道中的材料可以是流体，例如，油，液体，和气体，或者固液混合流体，其中流体包含有在流体中的固体。传送的材料为，例如流体，例如，油，液体，和气体，或者固液混合物体，例如，污水，固体废弃物和其它在其中包含有固体物的液体。具体的来说，本发明旨在用于废弃物收集系统，其中，气体用于运送固体，水，污水，工业气体和石化供应系统。连接到所述管道(12)的是一中空突起部台(16)，其中的例子是一个导向地面或任何其它所希望的表面的固体支管或柔性管道由一个不渗透盖封闭，例如密封装置(18)。中空突起部(16)容纳有滑梭(20)，其由夹紧装置(24)锁定于止挡件(22)的适当位置。夹紧装置可以是磁体或者夹具。如图所示的滑梭的位置定义为“开”位置，由于管道中的流动在最大状态。为了适应管道(12)的深度而设置有具有可调节高度的间隔件(26)，并且间隔件连接于密封装置(18)的止挡件(22)，腔室(28)受到压力的变化，该腔室(28)被限定在密封装置(18)和滑梭(20)之间的中空突出部(16)内的容积空间中。止挡件(22)为可渗透的，其不限制腔室(28)内的压力，但是限制滑梭(20)在腔室(28)内的向上运动。

图1b示出了产生的用于向下移动滑梭(20)的压差。压差是管道(12)和腔室(28)中的压力之间的压力差，并且可以通过液压或气动装置产生。可以是油、气体或液体的流体通过压力被引入到腔室(28)中。流体源可以来自外部定位的加压导管，或者直接来自位于腔室(28)内部的泵，其中入口管连接到泵。随着流体进入并填充腔室(28)，腔室(28)中的压力随着腔室(28)充满流体而增加，并且进一步将流体引入腔室(28)中导致腔室(28)中的压力变得大于管道(12)中的材料流(14)的压力。由腔室(28)中的增加的压力而产生的力作用于滑梭(20)上，并通过克服磁体(24)的阻力而将滑梭(20)从如图1a所示的“打开”位置解锁。随着压力进一步增加，施加在滑梭(20)上的力变得更大，滑梭(20)沿着中空突出部(16)的中心轴线线性地下降到管道(12)中。当滑梭(20)突出到管道(12)中并且缩小管道(12)的横截面面积时，管道(12)中的材料流(14)减少。

腔室中的加压流体将滑梭(20)一直推入管道(12)中，完全阻塞管道(12)中的材料(14)的流动，如图1c所示。滑梭(20)在材料(14)的流动完全被限制在管道(12)中的这个被定义为“关闭”位置。

图1d示出了流体从腔室(28)移出，其导致了腔室(28)中的压力变得低于管道(12)中的压力。当管道(12)中的压力大于腔室(28)中的压力时，压力差产生一个将滑梭(20)推出管道(12)并驱动滑梭(20)离开管道(12)的力，并且滑梭沿着中空突起部(16)的中心轴线朝着如图1a所示的原始“打开”位置线性地回到腔室(28)中。通过泵抽空腔室(28)内的流体来实现从腔室(28)中去除流体。或者，腔室(28)中的流体可以通过附接到泵的导管泵出。

图1e示出了阀门(10)的设计，其允许阀门(10)以与管道(12)的纵向轴线成任何角度的方向在直立方向上安装。传统的阀通常设计成具有垂直于其控制的流动方向的控制机构。当存在空间限制时，这可能是一个问题。滑梭(20)的终端被设计成使得终端的尺寸与管道(12)的横截面相对应以允许滑梭(20)以包括90°在内的角度关闭管道(12)的横截面，其中所述角度(θ)优选地与所述管道(12)的纵向轴线成40°至90°。这在空间受限的情况下是有帮助的，且将阀门(10)放置在特定角度或位置是关键的。

图2a示出了如图1a所示的构造的变型，其中偏置装置(30)(例如螺旋弹簧，平板弹簧或机加工弹簧)位于滑梭(20)和止动件(22)之间。这允许一种“常闭”构造，而不需要对腔室(28)加压以将滑梭(20)移动到如上所述的“关闭”位置，因为具有弹性势力的偏置装置(30)将滑梭(20)推动进入“关闭”位置。

图2b示出了处于“打开”位置的阀门(10)。为了将梭子(20)移动到“打开”位置，通过从腔室(28)中抽出流体而形成一施加于滑梭(20)上的低压，从腔室(28)中抽出流体产生了压力差，从而管子(12)内的压力比腔室(28)内的压力更大，并且该压力差使得一个从管道(12)进入腔室(28)的力被施加到滑梭(20)上，其克服弹簧阻力并向上推动滑梭，从而压缩偏置装置(30)并允许管道(12)中的材料(14)流动。

偏置装置(30)和滑梭(20)可以被配置成使得滑梭(20)处于“常闭”或“常开”设置。在“常闭”设置中，偏压装置(30)施加一定量的力以保持滑梭(20)被向下推动，直到需要将其提升以允许材料(14)的流动为止。相反，在“常开”设置中，滑梭(20)在处于“打开”位置的偏置装置(30)下方悬挂并允许材料(14)的流动，直到需要通过在腔室(28)内施加更高的压力来降低滑梭(20)以使所述滑梭(20)移动到所述管道(12)中以停止材料(14)的流动。

图2c中示出阀门(10)的另一变型，其中滑梭(20)通过机械装置移动。偏置装置(30)用于将滑梭(20)推入“关闭”位置。缆索(32)用于将滑梭从“关闭”位置拉到“打开”位置。阀门(10)使用机械装置，一种实施方式是绞盘(34)以卷绕缆索(32)并将滑梭(20)从管道(12)拉出并进入腔室(28)。

图3a进一步示出了该阀门(10)在非常深的情况下的应用，在这种情况下，维护和修理阀门(10)时，其可接近性是必要的，但是液体或地面的深度或水的条件可能不会使得这种操作安全或可行。在这种情况下，腔室(28)中的流体头部用于移动成角度的滑梭(36)，其中流体可以与在管道(12)中流动的流体相同或相容，为了将成角度的滑梭(36)移动到“关闭”位置，仅需要施加小的压力在腔室(28)中的流体头部的顶部处。成角度的滑梭(36)设计成楔形，其允许在管道(12)中流动的流体的动量沿着中空突出部的中心轴线的方向被传递到腔室(28)内的流体的头部。相反，为了将成角度的滑梭(36)移动到“打开”位置，需要在腔室(28)的顶部抽出小体积的流体，以减小压力并允许成角度的滑梭(36)向上行进。

在图3b中，成角度的滑梭(36)下降到在管道(12)中流动的流体中。在流体高体积和高速度流动的期间，阀门(10)的突然关闭可以导致流体锤效应。为了减轻这种情况，通过逐渐将加压流体供应到腔室(28)中而产生将成角度的滑梭(36)推入管道(12)的向下的力，从而成角度的滑梭(36)逐渐降低到流体中。由于由在管道(12)中移动流体的动量产生的作用于成角度的滑梭(36)上的向上力，从而阻止了成角度的滑梭(36)的向下运动。通过允许移动流体的动量消散到腔室(28)中的流体的头部中，同时逐渐降低成角度的滑梭(36)进入“关闭”位置，可以最小化

图3c示出了处于“关闭”位置的成角度的滑梭(36)，并且管道(12)中的流体流动停止了。利用该设置，不需要附加的减震器或垫片，以允许管道(12)中的流体流动被转向以减轻流体锤效应。为了再次允许流体在管道(12)内的流动，如图3d所示，流体需要被从腔室(28)中移除。这导致腔室(28)内的压力变得比管道(12)中的压力小，从而产生了将成角度的滑梭(36)提升并进入到腔室中的“打开”位置的力。

图4a-4d示出了使用滑梭(20)的应用，滑梭(20)作为一种装置通过在滑梭(20)上产生压力差来停止材料流(14)，其中滑梭(20)总是远离较大的压力的一侧，该较大的压力产生了作用在滑梭(20)上的力。在图4a中，滑梭(20)处于“打开”位置。图4b示出了当流体被供应到腔室(28)中时，由于通过腔室中的压力高于管道中压力而产生的作用在滑梭上的力，滑梭(20)被向下推动。在图4c中，由于腔室(28)中的较高压力而产生的向下的力使得滑梭(20)保持在“关闭”位置。当流体从腔室(28)移除时，如图4d所示，管道(12)中的压力变得大于腔室(28)中的压力，并且压力差产生了使滑梭(20)向上移动的力。

图5a-5d示出了具有外部安装气囊(38)的滑梭。在图5a中，腔室(28)中的压力低于管道(12)中的压力，并且具有气囊(38)的滑梭处于“打开”位置，其中由于压力差，气囊包覆于滑梭且处于没有膨胀的状态。

在图5b中，处于压力下的流体进入滑梭上方的腔室(28)，导致在腔室(28)中产生了更高的压力。来自于位于具有气囊(38)的滑梭上方的腔室(28)的压力被允许穿过滑梭进入气囊(38)。流体渗透穿过滑梭，并且来自增加的压力的力作用在气囊壁上。较高的压力差产生将具有气囊(38)的滑梭推入管道(12)中的力，并且该力使得具有气囊(38)的滑梭轻微膨胀。

在图5c中，通过腔室(28)中相对于管道(12)的较高压力产生的力将具有气囊(38)的滑梭子推入“关闭”位置，其中气囊完全膨胀以密封可能存在于滑梭梭体和管道(12)壁之间的间隙，从而确保由滑梭-气囊的设置而分开的管道(12)的两侧之间的有效流体密封。

如图5d所示，通过从腔室(28)中泵出流体而移除流体，在腔室(28)中产生较低的压力。这种较低的压力差使得气囊随着来自管道(12)中的较高压力的力而收缩，该力向上朝向腔室而作用于气囊上，同时将具有气囊(38)的滑梭向上推入腔室(28)以恢复材料流体(14)在管道(12)中的流动。

图6a-6d示出了具有半固体和半气囊设计(40)的滑梭的变型。在该设计中，只有梭体的一半是可渗透的，以允许流体渗透到气囊，而滑梭的另一半是固体。半气囊状滑梭(40)定向为使得固体一侧面向管道(12)的上游侧，且气囊一侧面向管道(12)的下游侧。可以设想这种构造用于，当在流体中输送固体材料时，由于上游侧的滑梭的固体部分将保护气囊不被流体-固体混合流中的固体材料刺穿。打开和关闭阀门(10)的方法类似于图5a-5d中所示的方法。

在图6a中，半气囊状滑梭(40)处于“打开”位置，其中气囊部分在腔室(28)内的压力小于管道(12)内的压力时包覆滑梭。在图6b中，处于压力下的流体进入腔室(28)并且穿过滑梭渗透到气囊一侧。压力的增加产生了将半气囊状滑梭(40)向下推入到管道(12)中的力，该力使得气囊稍微膨胀。在图6c中，腔室(28)中的压力是足够的高于管道(12)中的压力，以将半气囊状滑梭(40)移动到“关闭”位置，并且使得气囊一侧完全膨胀以密封任何间隙。如图6d所示，从腔室(28)移除流体，腔室(28)内的较低压力使得气囊收缩。半气囊状滑梭(40)由于管道(12)中的较高压力而施加在其上的力而升高到腔室(28)中，从而恢复在管(12)中流体(14)的流动。

图7a示出了具有中空部分(42)的滑梭的俯视图。这个设计是用于装配有气囊的滑梭。气囊周向地安装在滑梭(20)周围，并且由与本发明的精神一致的材料例如橡胶，氯丁橡胶，皮革和其他弹性材料制成。在使用半气囊状滑梭(40)的情况下，滑梭不被允许围绕其竖直轴线旋转，一种防止滑梭在腔室内有角度的旋转的装置，例如导向槽(44)，结合到滑梭上，该导向槽与形成在中空突出部(16)内的舌状物(45)配合，如图7b所示。根据情况，导向槽(44)可以形成在中空突出部，而舌状物(45)形成在滑梭上。图7c示出了具有围绕梭体壁的孔(46)的滑梭，其将允许流体通过滑梭以使得气囊根据滑梭的中空部分和其上方的腔室内的压力条件而膨胀或收缩。当腔室内的压力大于管内的压力时，气囊将膨胀，而当腔室内的压力小于管道内的压力时，气囊将收缩。

图8a示出了具有可充气侧密封件(48)的中空梭的俯视图和侧视图。可充气侧密封件(50)由与图5a-5d中所述的气囊类似的材料制成。可充气侧密封件(50)缩回到形成于滑梭的与管道壁接触的表面上的凹部中。导向槽(44)防止具有可膨胀侧密封件(48)的滑梭在腔室内旋转，以确保适当的密封流体。当没有供应到腔室中的正压差时，侧密封件(50)处于收缩状态并且保持缩回在凹部中。图8b示出了同一滑梭的俯视图和侧视图，该滑梭具有带有侧密封件(50)的可充气侧密封件(48)，所述侧密封件在将正差压供应到腔室中时被充气。侧密封件(50)膨胀以密封可能存在于滑梭和管道壁之间的任何小间隙。该滑梭的运动方式类似于图5a-5d中所示的那样。

图9a和9b示出了形成在滑梭(20)和具有气囊(38,40)的滑梭的顶部上的螺纹(52)，以便于从中空突出部中移除滑梭(20)或者具有气囊(38，40)的滑梭。在滑梭(20)和带有气囊(38,40)的滑梭的安装或维修期间，当其被插入到中空突出部中或从中空突出部移除时，可延伸的T型扳手或起到类似作用的具有螺纹端的装置被拧到螺纹(52)上以握持滑梭(20)或者具有气囊(38,40)的滑梭。当滑梭(20)和具有气囊(38,40)的滑梭被完全插入或移除后，将滑梭(20)或具有气囊(38,40)的滑梭从可延伸的T型扳手拧下。

该阀门的设计是对目前使用的常规阀设备的改进。滑梭的圆形横截面使其在阻止流动时具有增加的机械强度，并且与传统的门阀或球阀相比，本发明所述阀门更加抵抗由于材料流和差压而作用在其上的力引起的变形，所述传统的门或球阀使用具有相对薄的扁平横截面。

此外，阀门的安装仅需要在主管道的顶部处形成开口以附接中空突出部。没有突然的凹陷或角度来中断管道中的材料流动或导致材料被捕获。管道是从上游侧到下游侧的光滑孔。中空突起也是光滑孔，在该处它与主管接合到表面上的开口，并且这种设计允许各种装置移动待使用的滑梭在中空突起的腔室内。没有突然的凹陷或角度来中断管道中的材料流动或导致材料被捕获。管道是从上游侧到下游侧的光滑孔。中空突起部从其与主管的接合处到其表面上的开口的部分也是光滑孔，并且该设计允许各种装置来移动在中空突出部的室内使用的滑梭。

由于阀的设计，消除了任何对腔室的维护需要，因为所有的安装和维修可以从地面上进行。这消除了对外部机械或安全通风设备的需要，这有助于降低安装和维护阀门所需的成本。此外，由于不需要大范围的去除污垢，可以减少这些工作过程中涉及的风险和安全装置的使用。

传统阀门设计是一种超过标准的设计，可承受高达1,000,000Pa的工作压力。这需要复杂的工程和更高强度的材料，这通常意味着阀门的更高成本。如本发明所述的阀门可以应用于具有较低工作压力的系统，即高达500,000Pa的系统，因此其简单的设计和对高强度材料的需要较少需要而需要较低的成本。

本发明可以应用于出现油井井喷的情况，其中可以在油涌出的管的一侧进行开口，且可以将滑梭插入开口中以停止来自油气层的任何更多的油的流动。这种方式要比将“压井液”插入油井中更好，在加入压井液的井中，如果井将被再次使用，则需要去除压井液。