一种气动隔膜执行器及安全阀的制作方法

本发明涉及一种用于阀门开启和关闭的驱动装置及采用该驱动装置的阀门，尤其是一种平板闸阀用隔膜式气动执行装置和安全阀。

背景技术：

平板闸阀在石油和天然气的开采井口装置、石油和天然气的输送管线、成品油的输送管线和贮存设备等石油工业各阶段的硬件设备上都有着广泛应用。为满足不同功能和适应不同工况、支援、补给条件，平板闸阀有多种驱动方式，如：手动、单作用液动、双作用液动、隔膜气动和活塞气动等。

气动隔膜执行器与平板闸阀对接后组成的安全阀特别适于井口安全阀应用、输送管线、总管阀和收集管线，此外也可用作套管安全阀和存储阀。气动隔膜执行器的优点是重量轻、易维护，可在陆地、近海平台或人员难以长时间驻守提供支持的恶劣环境下多年无故障使用。

随着隔膜执行器的应用逐步加深，目前市场上的隔膜执行器在设计和装配上仍然有很大的改进空间，例如：做通径试验时的微调、隔膜缸与隔膜片的密封形式、倒密封试验结构。中国发明专利CN201310102937.5公开了一种平板闸阀用气动隔膜驱动装置，就存在这样的缺陷：在做通径微调时，只能通过增加和减少填料压盖上的垫片来实现调节；倒密封检测孔与注脂孔共用，在左阀杆和阀盖倒密封试验时，必须先将填料取出，十分麻烦。

由此可见，采用现有技术的气动隔膜执行器与平板闸阀组成安全阀，存在以下缺陷：

1）做通径试验进行微调时，目前的解决方法是在执行器下限位处设置垫片（Drift Shim），通过增加和减少垫片来实现调节；这样做的缺点是每次增加或减少垫片都要对连接杆、阀杆机构进行拆卸，费时费力；

2）隔膜缸与隔膜的密封性能的增强，目前大多是在隔膜的结构上进行改造，譬如通过在隔膜的密封面上设置凸台等结构来解决密封问题，这样做的缺点是实现同样的密封效果时螺栓的载荷会更大，且密封的预紧力完全靠隔膜片橡胶自身实现，当环境温度降低时，橡胶的弹性及延展性会显著下降，降低或完全没有预紧力，密封不可靠；

3）安全阀在做阀杆和阀盖倒密封试验时必须先将填料取出，这样增加很多装配及试验成本。

技术实现要素：

有鉴于此，为了解决现有技术的缺陷，本发明提供一种更便于通径试验时进行调节，隔膜密封更可靠，倒密封检测更方便且成本更低的气动隔膜执行器，以及采用该气动隔膜执行器的安全阀。

为了达到上述目的，本发明提供一种气动隔膜执行器，包括缸体、设置在所述缸体内的隔膜和隔膜支撑座，所述缸体的下部设有与平板闸阀的阀盖固定连接的下支座，所述下支座上设有弹簧，所述弹簧的上端设有弹簧座，所述弹簧座上设有与所述平板闸阀的阀杆连接的连接杆，所述阀盖上还设有填料以及填料压盖，其特征在于：所述连接杆的下部的外圆周面上螺纹连接有可上下调节固定位置的调节螺母，所述调节螺母的下端具有与所述填料压盖相抵的抵顶面；所述阀盖内设有支撑所述填料的倒密封台阶，所述阀杆从所述倒密封台阶中活动穿过，所述阀杆和所述倒密封台阶之间设有倒密封结构，所述阀盖上开设有内外贯通所述倒密封台阶的倒密封检测孔，所述平板闸阀上还另外设有阀门注脂孔。

较佳地，所述倒密封结构包括设置在所述阀杆的外圆周面上的倒密封凸起和设置在所述倒密封台阶的下端开口边缘上的倒密封斜面。较佳地，所述阀门注脂孔开设在所述阀盖上且位于所述倒密封台阶的下方，或者开设在所述平板闸阀的阀体上。

所述倒密封检测孔包括内外连通的通孔段和螺纹孔段，所述倒密封检测孔内设有密封所述通孔段的密封件和压紧固定所述密封件的螺钉。

在一具体实施例中，所述密封件为钢球，所述螺钉的尾部对应所述钢球开设有限位凹槽。

较佳地，所述调节螺母上还设有将所述调节螺母与所述连接杆锁紧连接的连接件。

更佳地，所述阀盖的上端设有环形的台阶，所述台阶的内侧具有与所述连接杆的下端面对应的内侧台阶面，所述台阶的外侧具有与所述调节螺母的抵顶面对应的外侧台阶面。在具体实施例中，所述内侧台阶面的高度高于所述外侧台阶面的高度。

其中，所述缸体包括上隔膜缸和下隔膜缸，所述上隔膜缸具有上密封边，所述下隔膜缸具有下密封边，所述隔膜的边缘夹在所述上密封边和所述下密封边之间并通过螺栓贯穿连接所述上密封边、所述隔膜和所述下密封边，所述上密封边具有从内至外向上倾斜的上密封面，所述下密封边具有从内之外向下倾斜的下密封面。

较佳地，所述上密封面向上倾斜的角度为1度至2度；所述下密封面向下倾斜的角度为1度至2度。

为了增加密封面的有效接触面积，提升密封性能，所述上密封面的内侧与所述隔膜密封接触的位置设有上螺纹水线，所述下密封面的内侧与所述隔膜接触的位置设有下螺纹水线。

本发明的还提供了一种安全阀，包括平板闸阀，所述平板闸阀包括阀体、阀杆、阀盖和闸板，其特征在于：所述安全阀还包括以上所述的气动隔膜执行器，所述下支座固定在所述阀盖上，所述阀杆的下端与所述闸板连接，其上端穿过所述阀盖和所述填料压盖后与所述连接杆螺纹连接。

本发明的气动隔膜执行器用于有发生故障自趋安全要求的平板闸阀，可用于失效关闭和失效开启两种安全阀，即当出现紧急情况时驱使闸板自行归位（安全位置）。相较于现有技术，本发明的有益效果是：

（1）在连接杆上增加调节螺母，能够快速方便地在阀门关闭时微调闸板高度位置，使阀门达到通径检验合格状态；

（2）倒密封试验时，倒密封检测孔仅用于倒密封试验，并不用于向阀门内注脂，测试时不需要取出填料，更加方便。

（3）进一步的改进中对隔膜缸的密封边采用斜面设计，使隔膜缸的密封边具有一定的变形量，螺栓连接后增强了隔膜缸和隔膜之间的预紧力，有利于密封和螺栓防松。

附图说明

图1为本发明气动隔膜执行器与平板闸阀组成的安全阀的剖面结构示意图（省略阀体和闸板）。

图2为图1的I部放大示意图。

图3为本发明气动隔膜执行器的缸体与隔膜的密封结构示意图。

图4为本发明气动隔膜执行器与平板闸阀组成的安全阀的进行通径调节前的示意图。

图5为本发明气动隔膜执行器与平板闸阀组成的安全阀的进行通径调节后的示意图。

附图中：1-隔膜支撑座，2-弹簧座，3-连接杆，4-凹口锁紧螺钉，5-调节螺母，6-弹簧，7-填料压盖，8-填料，9-阀盖，10-阀杆，11-上隔膜缸，12-螺栓，13-螺母，14-隔膜，15-下隔膜缸，16-凹口锁紧螺钉，17-钢球，18-闸板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选的实施方式进行详细说明。

请参阅图1至图5，本实施例的一种气动隔膜执行器，包括缸体、设置在缸体内的隔膜14和隔膜支撑座1， 缸体的下部设有与平板闸阀的阀盖9固定连接的下支座，所述下支座上设有弹簧6，弹簧6的上端设有弹簧座2，弹簧座2上设有与平板闸阀的阀杆10连接的连接杆3，阀盖9上还设有填料8以及填料压盖7，连接杆3的下部的外圆周面上螺纹连接有可上下调节固定位置的调节螺母5，阀盖9内设有支撑填料8的倒密封台阶，阀杆从所述倒密封台阶中活动穿过，阀杆10和所述倒密封台阶之间设有倒密封结构，阀盖9上开设有内外贯通所述倒密封台阶的倒密封检测孔，所述平板闸阀上还另外设有专门用于向阀门内注脂的阀门注脂孔。倒密封结构包括设置在阀杆10的外圆周面上的倒密封凸起和设置在所述倒密封台阶的下端开口边缘上的倒密封斜面。其中，阀门注脂孔（图中未示）开设在阀盖9上且位于所述倒密封台阶的下方，或者开设在平板闸阀的阀体上。

调节螺母5上还设有将调节螺母5与连接杆3锁紧连接的连接件，本实施例中所述连接件为凹口锁紧螺钉4。调节螺母5的上端具有与连接杆3的外周上部的台阶相抵的上端面，调节螺母5的下端具有与填料压盖7相抵的抵顶面。与调节螺母5对应地，阀盖9的上端设有环形的台阶，所述台阶的内侧具有与连接杆3的下端面对应的内侧台阶面，所述台阶的外侧具有与调节螺母5的抵顶面对应的外侧台阶面，而且所述内侧台阶面的高度高于所述外侧台阶面的高度。

本实施例的气动隔膜执行器用于有发生故障自趋安全要求的平板闸阀，可用于失效关闭和失效开启两种安全阀，即当出现紧急情况时驱使闸板自行归位。将上述气动隔膜执行器安装到平板闸阀上后，组成了一种安全阀，该平板闸阀包括阀体、阀杆10、阀盖9和闸板18，气动隔膜执行器的下支座固定在阀盖9上，阀杆10的下端与闸板18连接，其上端穿过阀盖9和填料压盖7后与连接杆3螺纹连接。该安全阀进行通径试验调节十分快速方便，而且能够在不拆开填料和填料压盖的情况下快速检测阀门倒密封，向阀门内注脂也很方便。

如图2所示，倒密封检测孔包括内外连通的通孔段和螺纹孔段，所述倒密封检测孔内设有密封所述通孔段的密封件和压紧固定所述密封件的螺钉。本实施例中，所述密封件为钢球17，压紧钢球17的螺钉为凹口锁紧螺钉16，所述螺钉的尾部对应钢球17开设有限位凹槽。凹口锁紧螺钉16拧紧后将钢球17压紧在螺纹孔段与通孔段的连接处，封住通孔段的外侧开口，从而达到使倒密封检测孔密封的目的。凹口锁紧螺钉16的尾部的限位凹槽为锥型槽，能够将钢球17紧紧地压住。

以下配合以失效关闭的平板闸阀来说明气动隔膜执行器的工作原理。

通过位于上隔膜缸11的进气孔打入驱动气体，驱动气体作用于隔膜14并形成向下的推力，即执行器驱动力；此执行器驱动力通过隔膜支撑座1传递给连接杆3，而连接杆3一方面将部分执行器驱动力通过阀杆10传递给闸板18，以实现开启闸阀的目的，而另一方面将剩余部分执行器驱动力通过弹簧座2传递给弹簧6以压缩弹簧6储备回弹力；此运动过程中执行器驱动力要分别克服弹簧6的弹力、阀杆10与填料8的摩擦力、阀杆10在阀门介质压力作用下的挤出力以及闸板18与阀座的摩擦力。

当泄掉上隔膜缸11中驱动气体时，原本的作用力平衡局面被打破，由弹簧6的弹力和阀杆10的挤出力组成的回复力占据上风，分别克服闸板18与阀座摩擦力、阀杆10与填料8的摩擦力以及运动部件的自身重力，促使阀杆10带动闸板18向上做回复运动，实现闸阀的关闭。

当阀门空载时，运动过程相对简单，驱动器的回复力完全由弹簧6提供以克服部件摩擦力及运动部件重力，实现关闭阀门操作。

如图1和2所示，本实施例在填料8和阀盖9的倒密封台阶之间单独设置倒密封检测孔，并使用凹口锁紧螺钉16压紧钢球17来实现密封。安全阀不同于手动阀，如果将倒密封检测孔和阀门注脂孔合并使用一个注脂孔设置在填料8和阀盖9的倒密封台阶之间，检测倒密封时没有问题，但当阀门空载并处于自由状态时，注入油脂会很费力，因为在弹簧6的弹力的作用下，阀杆10和阀盖9的倒密封处会形成一定密封比压，在一定压力范围内阻碍了油脂进入阀腔的过程。而本实施例采用上述气动隔膜执行器的安全阀把倒密封检测孔和阀门注脂孔分开后可很好的解决此问题。

如图3所示，本实施例的气动隔膜执行器的隔膜密封形式具体描述如下：

缸体包括上隔膜缸11和下隔膜缸15，上隔膜缸11具有上密封边，下隔膜缸15具有下密封边，隔膜14的边缘夹在所述上密封边和所述下密封边之间并通过螺栓12贯穿连接所述上密封边、隔膜14和所述下密封边，螺栓12与螺母13将上隔膜缸11、隔膜14和下隔膜缸15锁紧在一起。所述上密封边具有从内至外向上倾斜的上密封面，上密封面向上倾斜的角度a为1度至2度。下密封边具有从内之外向下倾斜的下密封面，下密封面向下倾斜的角度与上密封面向上倾斜的角度相同，角度也是a，也是1度至2度的角度范围。为了增加密封面的有效接触面积，提升密封性能，所述上密封面的内侧与所述隔膜密封接触的位置设有上螺纹水线，所述下密封面的内侧与所述隔膜接触的位置设有下螺纹水线。上密封面和下密封面都设成角度为a的斜面，首先保证了密封接触点在螺纹水线上，其次角度的存在会在螺栓12与螺母13配合压紧上隔膜缸11、下隔膜缸15和隔膜14时使上隔膜缸11、下隔膜缸15边缘形成一定的变形量，继而形成了预紧力，有利于密封和螺栓12的防松效果。

相较于常规设计，在低温状态下橡胶弹性和延展性变低时上隔膜缸11、下隔膜缸15与隔膜14间的密封失效的可能性显著降低。

如图4和5所示，采用了本实施例的气动隔膜执行器的安全阀进行通径试验调节的过程及优点描述如下：

调节螺母5、凹口锁紧螺钉4配合连接杆3进行使用，装配采用自下而上的装配方式，先将阀杆10与阀门其他部分组装完毕，将阀杆10连同闸板18下压至最下端，即闸板18底部与阀体内底部相接处；与此同时先将连接杆3与调节螺母5通过螺纹顺时针旋到靠紧位置（不要上紧，两零件面相接触即可），即调节螺母5的上端面与连接杆3的外周上部的台阶相接触，而后将连接杆3与阀杆10顺时针旋紧，连接杆3和阀杆10通过螺纹旋到不能再旋为止，此时状态如图4所示，闸板流道孔中心线M与阀体流道孔中心线N不重合（M位于N下方），此时通径规不能穿过。现在开始调节，保持连接杆3不动，将调节螺母5按逆时针方向旋转，调节螺母5的下端的抵顶面抵顶阀盖9的外侧台阶面，此时连接杆3在螺纹作用下开始向上运动，继而带动阀杆10和闸板18向上运动，待闸板流道孔中心线M与阀体流道孔中心线N相重合时，插入通径规验证合格后，将凹口锁紧螺钉4旋入调节螺母5以锁紧连接杆3和调节螺母5；此时状态如图5所示，整个调节过程即确定了连接杆3和调节螺母5在阀门通径合格状态（闸板流道孔中心线M与阀体流道孔中心线N相重合）下的相对位置。之后进行下支座和弹簧6等气动隔膜执行器其他部件的后续安装，通径调节一步到位。

相较于使用垫片进行通径调节，本实施例的气动隔膜执行器调节速度快、方便、一步到位、无重复性工作。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。