在球体腔中具有诱导流动的多端口球阀的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年2月18日在美国专利商标局提交的美国临时申请62/117,508的优先权。通过引证将美国临时申请62/117,508整体内容并入本文中。

背景技术：

在石油原油的精炼领域，称为延迟炼焦器的处理单元通过对来自称为分馏器的其他处理单元之一的重质底油重新处理来提高汽油和其他高级产品的产出，从而每天增加成千上万美元的产值。在延迟炼焦器处理单元中，重油首先通过加热器，然后通过称为“开关阀”的特殊多端口金属支座球型分流阀，这是本发明的一个应用。

开关阀将加热的重油流转入两个大滚筒或者转入第三滚筒旁路连接。加热的油在加热后仅保持液体一段时间，称为“停留”时间，通常为加热后1/2至2小时，随后其固化成所谓的“石油焦炭”，其为大多数碳的硬形式。这种凝固发生在两个滚筒中，使用专用设备从中除去焦炭。

重要的是，在停留时间过去之前，加热的油到达滚筒，使得固化发生在滚筒处而非在加热器、管道或开关阀中。重油的这种特性，即向固态的转化，在开关阀的设计中存在问题，因为阀门的设计必须规定没有停滞区域或者其中重油可能保持得比停留时间长的缓慢流动的区域。否则，停滞或接近停滞的重油将在这些区域中转化为固体焦炭，使得阀门难以或不可能运行或导致其泄漏。这些问题可能导致需要处理单元的成本高昂的关闭来清洁阀门。

已尝试了球阀的一些改进来解决这个问题，例如在美国专利no.5,181,539中所描述的，该专利公开了具有允许流过球/体腔的多个凹口。所提供的一个孔要求直径小，并放置在驱动插座的底部。'539专利还需要穿过球的锥形，以便引起将导致流过球/体腔的压力差。

美国专利申请公开no.2012/0012770的尝试描述了具有穿过直通阀的球表面的小钻孔，以使主通道与阀体中的塞座流体连通。

类似地，美国专利no.1,177,968描述了添加穿过直通阀的球的一个颊板(cheek)的一个小孔，以便当阀关闭时排出穿过球的流动通道的内容物。

美国专利no.3,036,600在靠近穿过球的通道的上游端附近添加了多个小孔，以便在球旋转开始时允许少量的流体进入。

美国专利no.3,270,772在球阀中包括多个小孔，用于通过球的外表面将润滑剂添加到球中的单独室中，而非添加到水路中。

美国专利no.3,333,813公开了一种直通球阀，其在水路与阀体之间的球中具有小的通风孔，以使球/体腔通风。

此外，美国专利no.3,464,449公开了一种球，其具有从球的外表面的一部分到球的外表面的另一部分的孔，并且孔不与球的水路连通。

此外，美国专利no.5,287,889公开了一种节流阀而非开/关或开关阀，其具有多个小孔，这些小孔在球旋转时提供不同数量的替代流动通道，并将流体排放到出口通道中，但不会导致流体再循环。

已经在美国专利no.3,985,150和no.4,099,543以及公开的美国专利申请no.2008/0105845中描述了对这些问题的其他解决方案。

尽管已经有添加穿过球的孔的其他球阀(例如上述的改进尝试)，然而本文示例性实施例的添加的孔是不同的，目前改进的球具有不同的形状，例如具有90度通过通道而非直通通道，因此需要处于尚未构想或描述的位置呈现尚未构想或描述的形状的孔。例如，下面描述的一些实施例使用穿过球进入球腔空间和/或从球腔空间穿出的渐缩(例如锥形)的流动通道。示例性实施例通常使球穿孔，以便更好地利用主流体流的直接动量将流体从主流体流动路径推入球/体腔中(例如，以便提供从主流体流入球/体腔的相对较大的体积流量)。

因此，寻求进一步的改进以减少油在开关阀的球体和体腔周围的停滞，并增加开关阀的流动性。

技术实现要素：

在开关阀中存在油停滞的危险的主要区域是(a)在球的外径与本体的内径之间的空腔中，称为“球/体腔”，以及(b)在金属波纹管式后座(back-of-seat)密封件的外径(od)与它们所在的管道之间的空腔中，称为“波纹管外径区域”。

历史上，在开关阀中的这些潜在停滞区域中已经使用蒸汽清洗，以确保那里的油的交换。蒸汽吹扫(steampurge)的有效性取决于所用蒸汽的体积。不幸的是，按过程而言，并不期望增大所需的蒸汽量，因为它具有不需要的冷却效果，并且它随后必须作为污水排放。然而，必须添加蒸汽，因为这是直到本发明的至少一些实施例为止唯一用以确保阀的可操作性的方法。蒸汽供应可能有自身的问题。蒸汽可能并不总是以其他地方意外的大量需求、供应系统设备故障、操作员错误或其他问题而导致的所需的数量和压力而可用。

由于这些原因，非常需要开发不需要球/体腔和波纹管od区域的蒸汽吹扫以防止油停滞的开关阀设计。本发明的示例性实施例的一个目的在于通过包括新颖的球和波纹管容纳区域来提供改进的阀，并且重塑阀体的两个区域。进一步的目的在于，球和内部零件的修改既简单又经济。目的还在于提供可改造成当前使用的数百个现有阀门的修改。

本发明的示例性实施例的目的在于通过去除阀体的空腔中的基本上所有潜在的停滞区域和缓慢流动的区域来提高开关阀的可靠性。这在一个示例性实施例中通过提供以下中的一个或多个来实现：改进的球、用于波纹管式支座密封件的改进的支撑管、重新成形的顶盖内表面以及通向阀体入口通道的增加的文丘里型锥形形状。

新球提供了迫使流过球阀的大部分流体进入球/体腔中的一种简单而可靠的方式，在球/体腔中，流体围绕球并围绕波纹管的od循环，形成阀球/体腔内的完全再循环油流。这在示例性实施例中通过在球体上添加科学成形和策略性放置的孔、阀的顶盖的特别成形的下侧、管中围绕波纹管的大的策略性放置的切口以及通向阀体的文丘里入口来实现。通过添加这些特征，可基本上或完全消除球/体腔和波纹管od区域中的潜在的区域以及这些区域的不期望的蒸汽吹扫，从而达到期望的目标。

本发明的一个目的在于促使流体在球体/体腔内和在波纹管的外径(od)周围的交换和冲洗。

多口球阀的一个示例实施例包括穿过其中的球的九十度流动通道，具有一个本体入口和两个或三个本体出口，包括球中的从球内部向上穿过球的顶面的策略性放置的锥形孔。使用波纹式支座密封件和具有大切口的支座密封件支撑管，并且弯曲本体内表面引导阀体内的流动。锥形阀体入口辅助流过球的流体的一部分，该部分流过球中的锥形孔并进入阀的球/体腔，由此向外、向下并且围绕球的外径(od)和围绕波纹管式支座密封件的od流动，以在球的入口处与穿过的球的主流体流重新聚合。

在该实施例中，在本体空腔中和金属波纹管型支座密封件周围的流体的快速更换可防止流体停滞。

第一种方法在球的顶部提供孔，在球的底部与本体之间留下间隙，并且在球与本体之间的靠近球和本体入口的环形空间处形成渐缩本体镗孔减少以产生文丘里抽吸效应。使用这种方法，流的一部分将向上偏转以流过球的顶部的孔并进入球/体腔，在空腔内围绕球向下流动，并且从腔的底部流出球。开关阀体入口可包括朝向球进入端口的渐缩本体镗孔。在这种方法中，穿过球/体腔的流动将与流过球孔的主流反向，以实现体腔冲洗。

附图说明

图1a、图1b、图2、图3a和图3b描绘了通常使用的多端口金属支座球形阀的现有技术的球和波纹管室。

图4a是用于开关阀的新型和改进的球的第一示例性实施例的等距视图。

图4b是通过改进的球的入口朝向锥形孔观察的图4a所示的改进的球的仰视图。

图5是金属波纹管的透视图，该金属波纹管具有改进的凸缘式管状支撑件，其具有添加到图2的凸缘式管状支撑件和支座支撑件的切口。

图6a是改进的开关阀的横截面图，其具有第一实施例的改进的球、改进的管状支撑件以及对阀体的内部形状的改进，包括示出新生成的开关阀中围绕球和波纹管外径的流动循环的流动箭头。

图6b是图6a所示的改进的开关阀在线6b-6b所示的方向上的横截面视图。

图7是用于开关阀的新型和改进的球的第二示例性实施例的等距视图。

图8a是不具有一体式驱动轴的第二实施例球构造的横截面视图。

图8b是图8a所示的球构造在8b-8b线所示的方向上的横截面视图。

图9a是在球的离开端口处具有部分水坝(dam)的新型和改进的球的第三示例性实施例的等距视图。

图9b是图9a所示的改进的球的横截面图。

具体实施方式

图1a、图1b、图2、图3a和图3b示出了通过本文所述的示例实施例改进的通常类型的开关阀。

图1a和图1b描绘了一种未经改进的球，其已经并且仍然在全世界的炼油厂的开关阀中不断使用，可追溯到20世纪70年代。图1a是透视图，图1b中的沿截面线1b-1b的剖视图示出了球(1)具有入口端口(2)、穿过球的90度转向流动通道(3)、以及离开端口(4)。重油在入口端口(2)处进入球(1)，并且通过球(1)中的流动通道(3)中的转弯使油偏转90度，然后通过离开端口(4)离开。

图2示出了用作位于后座密封件(也称为波纹管型支座密封件)的金属波纹管(5)，其位于支撑金属波纹管(5)和支座(该图中未示出)的凸缘式管状构件(6)中。未经改进的凸缘式管状支撑件(6)已被切开以显示波纹管的外径(od)，目的是显示“波纹管od区域”(7)，这是“波纹管(5)的od与管状支撑件(6)的内径(id)之间的死端管状空间。在波纹管od区域(7)处，如果没有使用穿过馈送到波纹管od区域(7)中的吹扫连接管(8)的蒸汽对波纹管od区域(7)吹扫，油将停滞。

图3a示出了安装在开关阀体(10)中的未经改进的球(1)。重油进入阀体(10)中的阀入口端口(也称为“进入端口”)(11)处的阀，并通过球(1)的90度转向流动通道(3)而偏转，然后离开第一阀排出端口(12)，如流动箭头(9)所示。在第一阀排出端口(12)处，存在与球(1)接触的环形密封金属支座(13)。环形密封金属支座也与处于压缩状态的波纹管支座密封件(25)接触。第二阀排出端口(15)从第一阀排出端口(12)围绕阀体(10)180度设置，在那个位置存在第二环形密封金属支座(16)和波纹管式支座密封件(17)。第二阀排出端口(15)通过球(1)的球形外表面(18)的一部分而被阻挡在图3a所示的球位置中。波纹管式后座密封件(25、17)位于支撑管(6a、6b)中，从而产生波纹管od区域(7a、7b)。重要的是要注意，这些波纹管od区域是死端腔，然而用于蒸汽吹扫连接部(26、27)。图3a的现有技术阀还包括管状衬里(301a、301b)，以允许波纹管的id表面的蒸汽吹扫。

只要球位于图3a和图3b所示的位置，油继续在阀入口端口(11)处流入并在第一阀排出端口(12)处流出。当希望将油从第二阀排出端口(15)偏转出去时，球(1)可转动180度以将油从第二阀排出端口(15)偏转出去。然后在球(1)转动之后，第一排出端口(12)将被球的球形表面(18)阻挡。大约每12至18小时，球可旋转180度以选择性地将油从第一或第二阀排出端口(12、15)中偏转出去，如工艺所要求的那样。

图3b是沿图3a所示的线3b-3b的横截面视图。包括图3b以详细示出球/体腔(19)。重要的是注意到，球/体腔(19)在球体(1)与本体(10)内表面(20)之间，并且球/体腔(19)是死端腔。该球/体腔与流过阀的油流体连通，由球(22)的底部与入口端口(11)处本体的入口部分(23)之间的环形空间(21)连接。球/体腔(19)可以进入环形空间(21)的油填充。在油进入球/体腔(19)之后，由于球/体腔(19)是死端腔，油将不会流动。直到现在需要使用蒸汽吹扫连接件(26、27、28)通过蒸汽对球/体腔(19)和两个波纹管od区域(7a、7b)大量吹扫，以对在这些区域不流动的油提供运动，使不流动的油不会转化为硬焦炭。由于这些空腔的体积很大，因此需要不期望的大量吹扫蒸汽，以使被捕获的油互换并通过环形空间(21)冲出。

应当注意，如果这些端口以相对于本体相互间隔120度而非180度的间隔排列，开关阀可替代地具有三个离开端口，而非如图3a和图3b所示的两个离开端口。在这种情况下，每个离开端口将具有金属支座、压缩的金属波纹管式支座密封件以及与图3a所示相同的管状支撑件。为了使油偏转，球将旋转120度而非180度，以与三个等距间隔的离开端口之一对准。

图4a、图4b、图5、图6a和图6b示出了改进的球、本体顶盖的改进的下侧、用于波纹管的改进的管状支撑件以及本体中的新的文丘里管进入端口的第一示例性实施例。

对球的改进包括增加穿过球的新的孔，其可在数量和形状上不同，并且可在新孔的精确位置上不同。此处详细描述了优选的圆锥形状，然而圆锥形状不是提供球改进的唯一形状。孔的优选数量可为两个或三个孔，并且描述了优选的尺寸。顶盖的下侧是弯曲的，以在该区域中减少湍流并产生平稳的流动。用于波纹管的管状支撑件在策略性位置具有新的切口，以允许油循环到波纹管od区域的后端。阀入口端口具有增加到先前的柱形入口端口的新的文丘里锥度。这些特征在附图中示出，并在以下段落中进一步详细描述。

图4a和图4b示出了添加到图1a至图3b所示球(1)的先前设计的两个新的锥形(例如圆锥形)孔(30、31)，从而产生图4a和图4b的改进的球(32)。图4a和图4b分别示出了从透视“顶部”视图和从“底部”(进入端口)观察的改进的球体(32)。两个新的锥形孔(30、31)以圆形图案布置并跨越流动通道(29)的中心线。锥形孔(30、31)具有弯曲的横截面区域，并且从90度流动通道(29)朝向和穿过球(32)的上截头表面(33)延伸出来。

锥形孔(30、31)的下开口(30a、31a)是沿着90度流动通道(29)设置在球体(32)的内表面上的开口。流动通道(29)中的下开口(30a、31a)的组合面积约为流动通道(29)的面积的1/2至3/4之间，并且锥形孔(30a、31a)相对于主流动通道(29)的轴线可约为5度至30度之间。下开口(30a、31a)因此捕获流过球(32)的大部分流体并将其引向球的截头表面(33)。锥形孔(30、31)的横截面可为如图所示的弧形形状。

图5示出了对图3a所示的凸缘式管状支撑件(6a、6b)的改进。图5中的每个管状支撑件(34)包括新添加的切口或孔。新的切口包括：位于管状支撑件(34)的顶部的顶部切口(35a)、位于管状支撑件(34)的底部的底部切口(35b)、位于顶部切口(35a)的两侧上的两个顶部周边切口(36a)、以及位于底部切口(35b)两侧上的两个底部周边切口(36b)。在图5所示的构造中，在管状支撑件(34)上共有六个切口。可替换地，可能存在其他数量的切口，例如，在管状支撑件上可能共有仅仅四个切口，包括在管状支撑件的顶部上的两个切口以及在管状支撑件的底部部分上的仅有的两个切口。

通过新的切口，穿过球/体腔(19)向下移动的油将进入上切口(35a、36a)，并且向下围绕波纹管od区域流动，然后从下切口(35b、36b)离开。切口的作用是将波纹管od暴露于球/体腔，以确保波纹管od区域中的油的更换。切口(35a、36a、35b、36b)的总面积优选被最大化以最大化围绕波纹管od区域的油的流动，并且可大约为管状支撑件(34)的上表面与下表面面积的70％至90％之间。

图6a和图6b示出了改进的球(32)、阀体(104)的顶盖(37)的改进的下侧(38)以及安装在阀体(104)中的改进的管状支撑件(34a、34b)的进一步细节，其中具有阀体(104)的改进的锥形进入端口(39)。锥形进入端口(39)在其进入球的进入端口(102)之前限制来自本体进入端口(106)的流。然而，锥形孔(30、31)的下部开口(30a、31a)面向着即将到来的油的主流z，从而它们捕获油主流z的一部分，如流动箭头x和y所示，并且引导流x和流y穿过新的锥形孔(30、31)、穿过球(32)的上截头表面(33)并进入球/体腔(101)。

改进的下侧(38)是阀体(104)的顶盖(37)的弯曲下侧，其与球(32)的截头顶表面(33)相邻。弯曲的下侧(38)相对于阀体的顶部是凹的，并且当在平行于球的顶部截头表面的平面中观察时是环形的。弯曲的下侧优选地具有与球中的锥形孔的内边缘重合的内径，并且具有朝向金属波纹管的最大长度延伸的外径。弯曲的下侧可具有阀体入口的直径的1/3至2/3之间的半径。

产生油x和y的流动，因为当主流z进入本体进入端口(106)和球进入端口(102)并且到达球(32)中的90度转弯时，油的主流z具有在直线上的动量，使得当主流z的一部分被迫在球(32)中转动90度并流出离开端口(105)时，主流z的主要部分偏转穿过锥形孔(30、31)并进入球/体腔(101)。顶盖(37)的下侧(38)成形为具有新的弯曲形状，以减少球体(32)的截头顶部之上的空腔内的湍流，以形成平滑的流动模式，从而(a)引导油流最终围绕球(32)向下，并且(b)将流x和y引导进入波纹管od区域(24a、24b)中。

通过流动箭头x和y示出了油如何围绕球流动的实例。流x和y被引导向上穿过锥体孔(30、31)，由本体顶部(38)的弯曲下侧转向并且通过球/体腔(101)围绕球(32)向下并且通过弯曲的下侧(38)朝向管状波纹管支撑件(34a，34b)侧向流动，从而通过图5所示的新的切口(35a、36a)继续向下流入波纹管od区域(24a、24b)，向下并围绕波纹管od，穿过新的下切口(35b、36b)，并且穿过球(32)底部的环形空间(103)以与穿过球(32)的油的主流z重新聚合。在图6a中还应当注意，在该示例性实施例中，沿着波纹管id的管状衬里已被消除。

除了使得一部分油流向上穿过新的孔(30、31)然后围绕球体(32)和波纹管(24a、24b)向下流动的动量的力之外，存在由油流过球(32)底部的环形空间(103)引起的抽吸副压效应。这种抽吸效应通过新的渐缩进入通路(39)增强，从而在环形空间(103)处产生文丘里效应。依据阀的尺寸，渐缩进入通路(39)(相对于轴线)的角度可大约在3度至20度之间。锥形进入通路(39)的区域的渐缩从进入端口的流体入口延伸，并朝锥形进入通路(39)的朝向球底部的流体出口减小面积。渐缩可具有在进入端口的直径的大约75％至95％之间的减小的直径。

穿过球(32)的锥形孔(30、31)的添加、流体在其位置离开两个新的锥形孔(30、31)的弯曲本体表面(38)的添加、对管状波纹管支撑管(34a、34b)的顶部和底部添加的切口(35a、36a、35b、36b)、以及对阀体(104)添加的锥形进入通路(39)独立并一起起作用，以保持油在球/体腔(101)中始终向上、向外、向下和围绕球的od和波纹管的od移动，从而确保这些腔中的流体交换。

图7示出了改进的球的第二实施例，其中对球(42)添加第三新的锥形孔(40)。在本实施例中，三个锥形孔(41a、41b、40)布置成提供最大开口面积，从而捕获流过球体(42)的更大量的油。来自三个锥形孔(41a、41b、40)的流体排出部相对于波纹管的位置最佳地定位。在图7中，两个锥形孔(41)跨过该球的离开端口(43)的轴线或中心线，并且中央定位的第三孔(40)添加在第一两个锥形孔(41a、41b)之间，从而在三个而非两个位置将油排入球/体腔(101)，如图6所示。

在以下情况中，第三个锥形孔(40)的添加是重要的：其中开关阀具有三个而非两个出口，具有彼此成120度布置的三个支座和三个波纹管。第三锥形孔允许三个锥形孔的定位，使得每个锥形孔的排出部直接指向阀中的三个波纹管中的一个。三个锥形孔无需具有类似的长度和宽度尺寸，并且可具有不同的尺寸和形状以适应可用的且根据球(42)和球/体腔内的流动模式的详细分析的空间。第三锥形孔(40)可在中空球(42)内的流体入口处具有大约在第一和第二锥形孔(41a、41b)的流体入口面积的50％至90％之间的面积。

可替换地，锥形孔也可为四至六个，在每种情况下的尺寸设计成适于可用的空间并且使开关阀中的油的再循环最大化。无论孔的数量如何，当油流过阀中的环形空间(103)时，仍然存在所希望的抽吸效应。

图8a和图8b示出了用于球阀的常见替代球形式，为了简化起见，仅示出了一个大的锥形孔(41)而非两个或三个。可添加额外的孔，以使球类似于图4和图7的球。这种球的类型称为浮球，因为驱动轴不与球成一体。相反，球在顶表面具有插座、键槽、槽等(45)，用于与单独的阀轴(未示出)接合，该阀轴包括装配到插座/槽(45)中的脚，以使球能够转动。球具有将流馈送到球中的球进入端口(46)以及允许流离开球的球离开端口(43)。可替换地，开关阀可替换地安装有该浮球而非图7所示具有一体式轴的球，因为转动球的方法与本文所讨论的示例性实施例的重要特征无关。

图9a和图9b示出了在球(49)的离开端口(47)处的流动路径中添加部分阻挡件(44)，其增加了阻挡件(44)上游的球(49)内压力，从而增加了从进入端口(48)穿过球(49)的一部分流被迫穿过锥形孔(60)流出的趋势。阻挡件(44)示出为部分水坝的形式，其可具有在离开端口(47)直径的大约1/10至1/6之间的高度，并且可在大约在离开端口(47)之上60度至120度之间延伸。阻挡件(44)可替代地为圆形段的形状，其中下边缘是直线而非如图所示的弯曲表面，其中部分水坝的高度为离开端口(47)的直径的大约1/10至1/4。

因此，普通技术人员可看出，上述目的通过这些改进的球和波纹管支撑管和本体设计来实现，这些目的是消除对于蒸汽吹扫阀体的需要，同时制造起来简单且廉价，并且便于对现有开关阀进行改进。

应当理解，可以无需同时使用这些示例球阀设计的所有上述改进的特征来实现比常规设计的显着改进。相反，可使用上述改进的设计特征中的一些而非全部的不同组合在以后的应用中获得良好的效果。

虽然已经结合目前被认为是待添加到球的新的循环诱导孔、新的弯曲本体顶盖形状、管状支撑件的新的切口以及新文丘里锥形体入口的最有效和优选的设计来描述示例实施例，然而应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而是涵盖落在权利要求范围内的新的循环引导孔、本体形状以及部件切口的其他等效布置(相对于它们的精确数量、尺寸、形状、定位以及取向而言)。