专利名称：气动控制紧急关断阀的制作方法
技术领域：
本公开涉及气动控制阀。
背景技术：
压力调节站用来控制气体分配系统中的压力。大多数现代化的干气分配系统需要多层保护以防止调节站下游的管线过压和可能地失效。国家、国际和地方法规、法令、法律和操作实践决定了对特定装置的要求。紧急关断(slam shut)阀用来在天然气系统中通过关断(shut)气体流而提供额外的一层保护。在世界上许多地区，关断阀是法令或法律所要求的。每层保护都增加分配系统的安装和运行成本。虽然购买和安装增加的设备的成本是直观的，但越大的运行成本越复杂。每层压力保护必须被分配其操作的压力范围。该范围在管线的额定最大压力和其正常操作压力之间。压力范围的宽度是设备精度的函数。较低的管线操作压力的影响是在分配系统中的气体流量较低。紧急关断阀可设计成与减压调节器一起使用以提供二次下游压力保护。这样的阀可设计成当系统中的感测或出口压力超出或降至低于设定点压力时关断气体流。历史上，紧急关断阀通常包括:压力感测元件，其直接操作使紧急关断阀保持打开的掣子(latch)；和弹簧促动闭合元件，其可以是抵靠阀座关闭的堵塞件或挡板(flapper)。典型的现有技术紧急关断阀包括在图1中。精度和可重复性能受到掣子机构的不同设计和类型的显著影响。现有技术的缺点包括归因于振动的阀在太低或太高的压力下关闭、阀泄漏、归因于磨损的启闭(trip)压力变化以及需要派遣维修人员的污染。拥有成本由于多个弹簧的库存而增加，并且需要多个隔膜来改变设定压力。
发明内容
如本公开中描述的阀可用来在系统中的感测或出口压力超出或降至低于设定点压力时关断流体(如气体)流。这些阀能提供过压和欠压关断能力两者。设定点是跨流动速率、入口压力和温度的宽范围内可调节和可重复的。在一个方面，气动控制紧急关断阀系统包括:紧急关断阀，其具有入口和出口以及设置在入口与出口之间的内部闭合元件；机械连杆系统，其使掣手杆(pawl lever)的远端接触附连到阀闭合元件的挡板杆；促动器组件，其包括促动器隔膜和促动器销，所述促动器销接触机械连杆系统的近端，所述促动器组件还包括隔膜，该隔膜可操作以接收在第一侧上的气动压力信号并使连接到隔膜的促动器销移动；至少一个切断(trip)控制阀，其可操作以接收紧急关断阀下游的感测压力；至少一个切断控制阀，其可操作以输出来自排放端口的气动压力信号；导管系统，其连接到至少一个切断控制阀的排放端口且可操作以将气动压力信号发送到促动器组件的入口以便施加到促动器组件中的隔膜；排出阀，其连接到导管，所述排出阀具有可移动销，其中当内部闭合元件处于打开位置时，可移动销的远端接触挡板杆，其中在挡板杆与可移动销之间的接触将排出阀保持在打开位置，从而释放在切断控制阀与促动器组件之间的导管系统中的气动压力。实施例可包括下列特征中的一个或多个。在一些实施例中，系统还包括设置在连接到挡板杆的挡板轴的远端上的复位突起。在一些实施例中，机械连杆系统还包括:掣子闭合弹簧，当机械连杆被接触机械连杆系统的近端的促动器销的移动所促动时，掣子闭合弹簧将掣手杆从打开位置偏压到关闭位置。在一些实施例中，系统构造成使得当内部闭合元件处于关闭位置时，排出阀处于关闭位置，从而保持在切断控制阀与促动器组件之间的导管系统中的气动压力。在一些情况下，排出阀包括弹性构件，其将排出阀朝关闭位置偏压。在一些实施例中，可移动销和排出阀外壳限定提供环形孔的小的环形区域，微量流体泄漏能通过该环形孔流出排出阀。在一些情况下，排出阀的小的环形区域定尺寸成使得在控制器外壳与可移动销之间的流体流小于当切断控制阀打开时通过其中的流体的流量。在一些方面，用于紧急关断阀的气动控制的方法包括:感测紧急关断阀下游的压力；将感测到的压力发送到切断控制阀；将来自切断控制阀的气动压力信号输出到促动器组件的促动器隔膜，从而移动连接到阀控制器的隔膜的促动器销并利用促动器销移动机械连杆的近端；以及将连杆系统的近端的移动经由机械连杆发送到机械连杆的远端，由此:引发紧急关断阀的闭合元件从阀打开位置到阀关闭位置的移动；并且释放排出阀以移动至其关闭位置。实施例可包括下列特征中的一个或多个。在一些实施例中，紧急关断阀的闭合元件从阀打开位置到阀关闭位置的移动包括闭合元件围绕轴的轴线的旋转。在一些情况下，该方法还包括沿从轴径向延伸的销轴向移动闭合元件。在一些实施例中，该方法还包括:当闭合构件打开时，通过排出阀从在切断控制阀到促动器隔膜之间延伸的导管释放压力流体。在一些方面，用于使气动控制紧急关断阀复位的方法包括:旋转挡板轴，以使紧急关断阀的内部闭合元件从关断位置移动至打开位置，并且使附连到挡板轴的挡板移动至与排出阀的可移动销接触，该可移动销连接到在切断控制阀与阀控制器之间的导管系统；通过附连到挡板轴的挡板与可移动销的接触而打开排出阀；以及从在切断控制阀与促动器组件之间的导管系统释放压力。实施例可包括下列特征中的一个或多个。在一些实施例中，释放导管系统中的气动压力包括使阀控制器的隔膜的相对侧上的气动压力平衡。在一些情况下，使阀控制器的隔膜的相对侧上的气动压力平衡允许弹性构件将机械连杆构件移动至与挡板杆接触。可以使用其它机构来提供控制系统的各个部件的功能。例如，由机械连杆系统和杠杆系统提供的促动移动可通过其它类型的装置来实现，包括例如线性滑动件、活塞和波纹管(bellow) ο实施例可提供下列优点中的一个或多个。如本公开所描述的阀可以是可靠的。移动机械部件被很好地包含并且耐受来自振动的负面影响。这可以提供相对于由感测元件操作的紧急关断阀而言降低的振动引发的讨厌的切断的水平。如本公开所描述的阀可构造成提供充分的关断而没有压差要求(例如，不需要入口和感测压力之间的差值以操作)。如本公开所描述的阀能容易地维护和调整。该阀能耐受归因于管线中的水结冻或碎屑的粘着，因为闭合元件不位于水和碎屑聚集的管线的底部。通过改变单个部件(弹簧)，这些阀可跨较大压力范围提供极佳的性能和精度。此外，该阀能在压力平衡之后在单个操作中复位，而无需移除任何帽盖或盖。在一个包装中的部件的组合增加了系统的简单性。气动系统的独特构型以及本发明的一些优点包括:系统切断压力对于入口压力不敏感，因为在正常操作构型期间打开的排出阀允许切断阀的底部处于环境压力。由挡板杆促动的排出阀关闭并防止下游气体在切断事件之后流至大气中。排出阀还在复位操作期间自动放掉促动器压力。本发明的一个或多个实施例的细节在附图中和下文的描述中阐述。本发明的其它特征、目的和优点将从描述和附图以及权利要求显而易见。
图1是现有技术紧急关断阀的剖视图。图2是本公开的单功能紧急关断阀和调节器的透视图。图3是本公开的双功能紧急关断阀和调节器的透视图。图4是图3的气动控制系统的示意图。图5是欠压切断控制阀的的局部剖开侧视图。图6是过压切断控制阀的局部剖开侧视图。图7是气动促动器和掣子的局部剖开侧视图以及图5的欠压切断控制阀和图6的过压切断控制阀的局部侧视图。图7A是图7的气动促动器和掣子机构的放大的局部剖开侧视图。图7B是图7的排出阀的局部剖视图。图8A是紧急关断挡板阀的局部剖视图。图8B是紧急关断挡板阀的局部剖视图。图9A-9C是示出图3的紧急关断阀和调节器的操作的示意图。图10A-10D是图3的紧急关断阀和调节器的分解透视图。在各个附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施例方式参见图1，示出了现有技术紧急关断阀10的剖视图。阀10包括弹簧4、隔膜6、掣子机构8和挡板闭合构件2。参见图2，示出了单功能调节器-紧急关断阀组合系统100的透视图，该系统100包括调节器110、盖112、阀模块114和控制器模块116。控制器模块116安装在阀模块114的侧面上。图2所示系统100构造有单功能控制器以提供过压关断保护或欠压关断保护。如图2所示，流体导管102、103、105连接先导(pilot)模块120与调节器110以及调节器阀组合系统100上游和下游的流体。过滤器122设置在这些导管中的一个上。先导模块和过滤器模块是组合系统的调节器部分的附件，并且不是系统的紧急关断阀部分的操作所需的。图3示出了双功能调节器-紧急关断阀组合系统100的透视图，该系统100构造有提供过压关断保护和欠压关断保护两者的双功能控制器，其中两种功能都由公共的感测端口 108(参见图4)来控制。在一些实施例中，调节器阀组合系统100可构造有提供过压关断保护和/或欠压关断保护两者的双功能控制器，其中每种功能都由独立的感测端口来控制。该方法允许监测两个独立位置的过压或欠压条件，这两种条件均具有其各自的设定点。这需要均安装在弹簧盒118中的两个主弹簧144。在一些实施例中，如在图2和图3以及分解视图1OA至IOD中所示，独立式阀可包括具有阀模块114的主体和安装在阀模块114的顶部上的盖112，而没有相关联的调节器110。控制器模块116安装在阀模块114的侧面上。图4示出了调节器-紧急关断阀组合系统100的气动控制系统，其具有提供过压关断保护和欠压关断保护两者的双功能控制器模块，其中这两个功能都由监测调节器-紧急关断阀组合系统100下游的压力的公共感测端口 108或备选地独立的感测端口来控制。在该示例中，高压天然气104通过入口管道124输送到调节器-紧急关断阀组合系统100。调节器-紧急关断阀组合系统100通过出口管道126提供处于较低压力下的天然气106。这样的阀可以在工业、商业和家庭气体分配系统中使用的压力控制站中使用。出口管道126中的气体压力在感测端口 108处被监测。紧急关断阀感测导管128提供在出口管道126与欠压切断控制阀130和过压切断控制阀132之间的流体连通。欠压切断控制阀130和过压切断控制阀132在下文中更详细地讨论。如本文所用，“流体”包括气体、液体或相态的组合。在大多数实施例中，操作本发明的气动元件的流体将是与流过入口管道124和出口管道126的相同的气态流体(如天然气)。促动器控制导管134提供在欠压切断控制阀130和过压切断控制阀132的出口与促动器136和排出阀138之间的流体连通。当挡板杆168(参见图8A)旋转至闭锁(latched)位置时，施加到促动器136的流体通过排出阀138和排放端口 140从系统排出。虽然在图4中示出为错开，但挡板杆168和挡板阀组件142对齐且由轴170物理地连接(参见图1OA和 10C)。参见图4、图5和图10B、欠压切断控制阀130包括容纳在弹簧盒118中的主弹簧144，主弹簧144与隔膜组件146接合。导管148提供在紧急关断阀导管128与隔膜组件146之间的流体连接。销153由导向器(guide) 154引导并将隔膜组件146与提升件(poppet)组件机械连接，提升件组件包括提升件150和提升件回动弹簧152。当经由导管128从感测端口 108输送到欠压切断控制阀130的隔膜组件146的流体压力下降至低于由主弹簧144确定的设定点时，欠压切断控制阀130被促动并将流体压力提供至促动器控制导管134。
应当理解，通过移除弹簧盒118的上盖117并旋转以螺纹连接方式接收在弹簧盒118中的旋转调节杆119，从而升高或降低机械连接到弹簧从动件141的调节杆119以压缩或解压缩弹簧144，可以调节在控制阀130和132中的设定压力。参见图4和图6，过压切断控制阀132包括与欠压切断控制阀130基本上相同的部件。提升返回阀的位置和来自阀感测导管128的流体压力的施加与欠压切断控制阀130相反。当由阀感测导管128经由导管148输送到过压切断控制阀130的隔膜组件146的流体压力升高至由主弹簧144确定的设定点以上时，过压切断控制阀130被促动并将流体压力提供至促动器控制导管134。参见图4、图7、图7A、图7B、图10A、图10B、图1OC和10D，促动器控制导管134在欠压切断控制阀130和过压切断控制阀132的出口、排出阀138(图7B)、以及促动器组件136之间提供流体连通。在系统的正常操作期间，特别是在接近切断控制阀的设定点时，可发生通过切断控制阀130和132的微量流体泄漏。这样的微量流体泄漏流出排出阀138，从而防止抵靠促动器136的压力的积聚并降低紧急关断阀误切断的可能性。与切断控制阀130、132连通的流体压力经由流体路径134被施加到促动器组件136中的隔膜组件156。隔膜组件156包括促动器销158，其接合掣子机构169的L形掣手杆160。如图1OA的分解透视图所示，掣子机构169包括可枢转地安装在销162 (参见图10B)上的掣手杆160。掣子闭合弹簧163将掣手杆偏压成与挡板杆168接合。设置在掣手杆160与挡板杆168之间的辊164充当轴承，从而在紧急关断阀系统促动期间减小掣手杆160与挡板杆168之间的摩擦。辊由主链环(link) 161保持就位，主链环161具有延伸通过辊164的第一销165和延伸通过掣手杆160的第二销165。在一些实施例中，主链环类似于自行车链条中的主链环。主链环包括型锻(swage)到顶板中的两个销165。在链环的底部上的是在销上滑动的底板。弹簧保持器保持第二平板。如图1OA所示，当组装时，辊164装配在第一销165上。第二销165松动地保持在掣手杆160中的开口内。销165与开口之间的间隙是预定的，使得辊能在掣手杆上自由移动。辊在其上移动的表面为半径，其具有与枢轴孔160重合的圆心。这导致几乎无摩擦的装置。如图7、图7A、图1OA和图1OD所示，挡板杆168接合挡板阀的轴170，使得挡板杆168将挡板阀保持打开，直到掣手杆160向右移动(参见旋转箭头R1)，这种移动允许挡板杆168的向下旋转R2。挡板阀轴170包括六角配件171，其设置在外壳(参见图2和图3)之外并可用来在系统促动之后将挡板阀142和挡板杆168复位至它们的打开位置。如图2、图3和图7A所示，控制器模块116包括窗口 172和由螺钉173保持就位的窗框177。窗口172提供了到掣子机构169的视觉通路。在一些实施例中，窗口和窗框可由聚碳酸酯或其它合适材料的加工片材形成为一体部件。图8A、图8B和图1OD示出挡板阀142。挡板阀142的轴170接合挡板杆168，如关于图7和图7A所讨论的。挡板阀142的闭合构件176限定接收销174的孔口 172。销174固定到挡板阀142的轴170。弹性构件(例如，图8B中的扭转弹簧175)将闭合构件176朝关闭位置偏压，在该位置，闭合构件176接合阀座178。一旦闭合构件176处于关闭位置，弹簧175就提供足够的力以促使闭合构件176压紧密封件178，从而关断气体的流动。弹性构件175将闭合构件176旋入其关闭位置。图7B示出了排出阀138。排出阀138包括延伸通过由排出阀外壳限定的孔口 187的提升件180和阀杆186。当挡板杆168处于其打开位置时，在挡板杆168与提升件180和阀杆186之间的接合将提升件180和阀杆186提升从而离开与阀座182的接合。当挡板杆168处于其关闭位置时，回动弹簧184将提升件180和阀杆186偏压至与阀座182接合。在复位操作期间，该构型自动地从系统放掉促动器压力以使系统能够容易地复位。具体地讲，参见图7A和图7B，当挡板杆168向上(相反方向R2)旋转时，提升阀阀杆186向上移动打开排出阀138以排放导管134中的流体，从而允许紧急关断阀将来复位。在正常操作中，在阀杆186与排出阀外壳之间的小的环形区域提供了环形孔，微量的流体泄漏通过该环形孔流出排出阀138，从而防止抵靠促动器136的压力积聚并降低紧急关断阀误切断的可能性，如上文所讨论的那样。杆腔体通过控制器外壳中的开口 140与大气连通(参见图2和图3)。环形孔足够小，使得当阀130和132打开时，在控制器外壳与排出阀阀杆186之间的流体流显著受限，并且使得压力在控制导管134中积聚。作为响应，促动器组件136和相关联的机械连杆将挡板杆168释放至其关闭位置，由此允许排出阀接合阀座182并防止气体从系统泄漏。图7、图7A、图9A、图9B和图9C示出了系统的正常操作。在正常操作期间，掣子机构169使闭合元件(挡板)176保持打开，如图9A所示。感测或下游压力由高压切断控制阀130和低压切断控制阀132的隔膜来监测。切断阀隔膜146将感测压力转化为与该压力成比例的力。由切断阀隔膜146产生的力被位于弹簧盒118中的设定点调整弹簧144所平衡。调节杆119用来改变弹簧力并控制如上所述的过压设定点或欠压设定点。当下游压力超出过压设定点或小于可选的欠压设定点时，切断阀隔膜和弹簧移动，从而打开控制阀130或132。打开的控制阀130、132允许入口压力流至促动器隔膜156，参见图9B。压力作用在隔膜156上，隔膜156推压在销158上。销使L形掣手杆160在Rl方向上移动并释放挡板杆168。当挡板杆168被释放时，成组弹簧(例如，扭转弹簧175)推压闭合的挡板176抵靠阀座178并且提供初始力以密封阀，参见图9C。为了使紧急关断阀复位，压力从入口通道124和出口通道126排出通过站中的阀。挡板阀和挡板杆168通过在R2的相反方向上逆时针旋转螺母171而旋入打开位置。与挡板杆168的接触打开排出阀138，从而允许作用在隔膜156上的压力经由排出阀138和排放端口 140而逸出。掣子闭合弹簧163 (参见图7A)使L形掣手杆160旋转，以使得辊164与挡板杆168接合并关闭掣子。已经描述了本发明的多个实施例。然而，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其它实施例在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种气动控制的紧急关断阀系统，包括: 紧急关断阀，其具有入口和出口以及设置在所述入口与出口之间的内部闭合元件； 机械连杆系统，其使掣手杆的远端接触附连到阀闭合元件的挡板杆； 促动器组件，其包括促动器隔膜和促动器销，所述促动器销接触所述机械连杆系统的近端，所述控制器还包括隔膜，所述隔膜可操作以接收在第一侧上的气动压力信号并使连接到所述隔膜的促动器销移动； 至少一个切断控制阀，其可操作以接收所述紧急关断阀下游的感测压力，所述至少一个切断控制阀可操作以输出来自排放端口的气动压力信号；以及 导管系统，其连接到所述至少一个切断控制阀的排放端口且可操作以将所述气动压力信号发送到所述控制器的入口以便施加到所述控制器中的所述隔膜。
2.根据权利要求1所述的阀系统，其特征在于，还包括: 排出阀，其连接到所述导管，所述排出阀具有可移动销，当所述内部闭合元件处于打开位置时，所述可移动销的远端接触所述挡板杆，其中，所述挡板杆和可移动销之间的接触将所述排出阀保持在打开位置，从而释放在所述切断控制阀和所述阀促动器组件之间的导管系统中的气动压力。
3.根据权利要求2所述的阀系统，其特征在于，还包括:复位突起，其设置在连接到所述挡板杆的挡板轴的远端上。
4.根据权利要求1所述的阀系统，其特征在于，所述机械连杆系统还包括:掣子闭合弹簧，当所述机械连杆被接触所述机械连杆系统的近端的促动器销的移动所促动时，所述掣子闭合弹簧将所述掣手杆从打开位置偏压到关闭位置。
5.根据权利要求4所述的阀系统，其特征在于，所述机械连杆还包括由主链环保持就位的辊，所述主链环具有延伸通过所述辊的第一销和延伸通过所述掣手杆的第二销，所述主链环包括型锻入顶板的第一和第二销并且还包括在所述销上滑动的底板。
6.根据权利要求2所述的阀系统，其特征在于，所述阀系统构造成使得当所述内部闭合元件处于关闭位置时，所述排出阀处于关闭位置，从而保持在所述切断控制阀和所述促动器组件之间的导管系统中的气动压力。
7.根据权利要求6所述的阀系统，其特征在于，所述排出阀包括将所述排出阀朝关闭位置偏压的弹性构件。
8.根据权利要求2所述的阀系统，其特征在于，所述可移动销和所述排出阀外壳限定提供环形孔的小的环形区域，微量流体泄漏能通过所述环形孔流出所述排出阀。
9.根据权利要求8所述的阀系统，其特征在于，所述排出阀的小的环形区域尺寸设计成使得在所述控制器外壳与可移动销之间的流体的流量小于当所述切断控制阀打开时通过所述切断控制阀中的流体的流量。
10.一种用于气动控制阀系统的排出阀，所述排出阀适于释放在切断控制阀与促动器组件之间的导管系统中的气动压力，所述排出阀包括: 可移动销，当所述挡板杆处于打开位置时，所述可移动销的远端接触紧急关断阀中的挡板杆，其中，所述挡板杆和可移动销之间的接触将所述排出阀保持在打开位置。
11.一种用于紧急关断阀的气动控制的方法，包括: 感测紧急关断阀下游的压力；将感测到的压力发送到切断控制阀； 将来自所述切断控制阀的气动压力信号输出到促动器组件的所述促动器隔膜； 移动连接到所述促动器组件的隔膜的促动器销并用所述促动器销移动机械连杆的近端；以及 将所述连杆系统的近端的移动经由所述机械连杆传递到所述机械连杆的远端，由此: 引发所述紧急关断阀的闭合元件从阀打开位置至阀关闭位置的移动。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，将所述连杆系统的近端的移动经由所述机械连杆传递到所述机械连杆的远端还包括释放排出阀中的提升件以移动至所述排出阀的关闭位置。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述紧急关断阀的闭合元件从阀打开位置至阀关闭位置的移动包括所述闭合元件围绕轴的轴线的旋转。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括:当所述闭合构件打开时，通过所述排出阀从在所述切断控制阀至所述促动器隔膜之间延伸的导管释放压力流体。
15.一种用于将气动控制紧急关断阀复位的方法，包括:旋转挡板轴: 以便将紧急关断阀的内部 闭合元件从关断位置移动至打开位置；并且 以便将附连到所述挡板轴的挡板移动至与排出阀的所述可移动销接触，所述可移动销连接到在切断控制阀与促动器组件之间的导管系统； 通过使附连到所述挡板轴的挡板与所述可移动销接触而打开所述排出阀；以及 从在所述切断控制阀与所述促动器组件之间的导管系统释放压力。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，从在所述切断控制阀与阀控制器之间的导管系统释放压力使所述促动器组件的隔膜和促动器销移动。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，释放所述导管系统中的气动压力包括使所述促动器组件的隔膜的相对侧上的气动压力平衡。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，使所述阀控制器的隔膜的相对侧上的气动压力平衡允许弹性构件将机械连杆构件移动至与所述挡板杆接触。
全文摘要
系统和方法提供了对紧急关断阀系统的气动控制。
文档编号F16K31/56GK103168191SQ201180021517
公开日2013年6月19日 申请日期2011年4月20日 优先权日2010年4月27日
发明者D.C.巴特勒 申请人:德莱赛公司