压力泵送阀及其制造方法与流程

本领域已知多种不同类型的阀并且通常被用于控制特定气体或流体流或传输系统内的气体和/或流体的流动。这些已知的阀的一个类型为提升阀，其包括具有一个或多个流体入口和流体出口的阀体，设置在所述阀体内的阀座，以及设置在所述阀体内的可移动提升件。流过所述阀的流体受到所述阀体内的提升件相对于所述阀座的放置位置的作用。

例如，所述提升阀可以配置成通过将所述提升件从闭合位置移动到打开位置时而使流体流过所述阀体，其中，在所述闭合位置，提升件的一部分被放置或坐落在所述阀座上，在所述打开位置，所述提升件相对于所述阀座移动以变成离开底座并由此允许流体流过所述阀。提升阀可以具有不同的配置以满足不同的系统流动需求，例如，在一个示例性实施例中，相反的是，当所述提升件坐落在所述阀座上时，流体流过阀。

本领域已知的提升件构造为具有头部和腿部。一些提升件通过锻造，铸造或者机加工形成为一个整体。有时，所述头部采用锻造加工而所述腿部是铸造的。当形成为两件式件时，所述提升件的两个部分使用传统的焊接工艺，例如粘附，MIG，或者惯性焊接被接合到一起。然而，这些传统的焊接工艺增加了成本并且在提升件的两个部分之间具有同心性问题，由此在运行过程中在阀内造成偏移。

技术实现要素：

本概述用于引入在下面的详细描述中进一步描述的选取的构思。本概述不是用于限定要求保护的主题的关键或本质特征，也不是用于帮助限制要求保护的主题的范围。

一方面，这里公开的实施例涉及一种用于接合在阀内使用的阀件的方法，包括：将具有头部和基座的主体部分硬焊到具有轴的腿部，其中，所述基座包括在其中延伸一定深度的孔。所述轴包括：远端；与所述远端相反的近端；以及从所述轴远离所述近端径向且轴向延伸的多个腿。所述硬焊步骤包括：在所述孔和所述近端之间放置硬焊材料；将所述近端插入到所述孔中，使得所述近端的外表面的一部分与所述孔的内表面相邻；以及至少将相邻表面加热到硬焊温度。

另一方面，这里公开的实施例涉及一种用在阀内的阀件，所述阀件包括：具有头部和基座的主体部分，其中，所述基座包括在基座中延伸一定深度的孔；以及具有轴和从所述轴径向且轴向延伸的多个腿的腿部，所述轴插入到所述孔中且被硬焊到所述主体部分。

再一方面，这里公开的实施例涉及一种用在阀内的阀件，所述阀件包括：主体部分；以及具有轴和从所述轴径向且轴向延伸的三个腿的腿部。

再进一方面，这里公开的实施例涉及一种用在阀内的阀件，所述阀件包括：主体部分；以及具有轴和从所述轴径向且轴向延伸的多个腿的腿部，每个腿均具有直接面向所述轴的近面侧和设置成与阀内的阀座的内孔接触的远面侧。所述多个腿的远面侧弧长的总和为所述腿部的周长的15％到35％，或者所述腿的远面侧高度至少为所述腿的远端与所述主体部分的邻接表面之间的距离的75％。

通过后面的说明和所附的权利要求，将更加明晰要求保护的主题的其它方面和优点。

附图说明

图1为包括两个传统阀件的压力泵送阀的剖视图。

图2为传统的阀件的透视图。

图3为传统的阀件的剖视图。

图4为传统阀件的剖视图。

图5为根据本公开的实施例的各个阀件部分的局部侧剖视图。

图6为根据本公开的实施例的阀件的主体部分的剖视图。

图7为根据本公开的实施例的阀件的侧视图。

图8为根据本公开的实施例的密封元件的剖视图。

图9为根据本公开的实施例的密封元件的剖视图。

图10为根据本公开的实施例的密封元件的剖视图。

图11为根据本公开的实施例的阀件的透视图。

图12为根据本公开的实施例的阀件腿的透视图。

图13为根据本公开的实施例的阀件腿的透视图。

图14为根据本公开的实施例的阀件腿的透视图。

具体实施方式

本公开的实施例涉及阀件，例如，提升阀件。一些方面涉及被硬焊到一起以形成提升阀件的两件式阀件。其它方面涉及具有修改的腿数量和/或修改的腿几何形状，例如，用于在阀座内提供阀的更强稳定性的提升阀件。

提升阀件被用在各种不同类型的阀和阀设备中。例如，提升阀件可以被用在MacClatchie阀中，该阀是与往复式活塞泵结合使用以作用于运输流体(包括泥浆)的泵阀。图1示出这样的一个示例性泵阀的一个部分10的剖视图，所述泵阀包括主体12以及往复式活塞16，主体12配置成具有设置在其中的流体运输通道14，往复式活塞16与通道14流体流动连通。

一对提升阀件18和20被设置在流体运输腔14内以响应于活塞16的移动而提供通过所述阀的流体运输。第一阀件18位于通道14的上端22处，并且由弹簧24推压到与固定连接到所述通道的第一阀座26坐落接合。第二阀件20位于通道14的下端28处，并且由弹簧30推压到与固定连接到所述通道的第二阀座32坐落接合。

按照这种方式布置，活塞16向外远离通道14的移动使所述第二阀件向上移动抵抗所述弹簧推压以变成离开第二阀座32并且允许流体流动进入通道14。而活塞16向内进入通道14的反向移动使得第二阀件20坐落在第二阀座32上，并且使第一阀件18向上移动抵抗所述弹簧推压以变成离开第一阀座26并且允许流体从通道14向外流出。图1所示的阀件18和20为本领域已知的并且包括沿着所述阀件的外表面设置的坐落于相应的第一和第二阀座26和32上的弹性密封元件34。

这里公开的某些实施例涉及用于接合在阀中使用的多件阀件的方法，并且这些阀可以被用在如图1所示的压力泵送阀中。特别地，这里公开的实施例与传统阀件相比，不仅性价比高，并且它们可以消除或者减少在传统阀件的制造过程中产生的同心性问题，由此使得阀件具有更好的同心性。

图2和3示出图1所示的包括金属主体42的传统阀件18，金属主体42在其一端具有圆形头部44，并且具有从所述头部轴向突出一定距离的多个腿46。如图所示，阀件18还包括密封元件48，当阀件18被放置在阀体内时，密封元件48在被设计成在与阀座接合的位置上围绕所述头部的一部分周向布置。图2和3所示的阀件是整体式件，然而，其它传统的阀件可以是多件式件并且使用传统的焊接工艺，例如，粘附，MIG，或者惯性焊接，将阀件的各个部分接合到一起而接合。这种传统的两件式阀件在图4中示出。如图所示，所述阀件包括主体部分52和腿部54，其通过焊接腿部54的轴56与从主体部分52轴向延伸的突起58而被接合到一起。

现在参照图5，示出要根据本公开的方法接合的阀件部分的局部侧剖视图。如图5所示，提升阀件100包括主体部分110和腿部120。当沿着主体部分110的纵轴线观看时，主体部分110基本上为圆形并且具有头部112和底座114。主体部分110可以具有至少两个不同的直径，其中，头部112的直径大于底座114的直径。底座114包括穿过底座114的纵轴线延伸一定深度的孔116。底座114的邻接表面径向包围孔116的开口，图示的所述邻接表面基本上为平面状，但是本公开并不限定于此。相反，底座114的这种邻接表面可以是非平面状的，例如截去顶端的大体上呈圆锥形的表面或者截去顶端的大体上成抛物面形的表面(即，沿着横截面观看具有一个曲率半径)。主体部分110包括轴向地居于头部112和底座114之间的侧区段113(在本领域也被称作工作面)，其围绕主体部分110周向延伸。

腿部120包括具有远端121和与远端121相反的近端123的轴122。轴122可包括从近端123向远端121延伸一定距离的直径减小部分125。所述直径减小部分125在肩126处过渡到轴122的外直径。肩126在肩126的两个轴向侧上可具有与所述轴表面垂直或者以其他方式倾斜的面。如图5所示，轴122具有从其径向且轴向延伸并且远离近端123的多个腿124。每个腿124具有直接面对轴122的近面侧130和设置成与阀内的阀座的内孔接触的远面侧132。

现在参照图6，示出主体部分110的另一个实施例。如图所示，当从所述主体部分的纵轴线观察时，所述主体部分基本上为圆形并且包括头部112和底座114。主体部分110可以具有至少两个不同的直径，其中，头部112的直径大于底座114的直径。底座114包括穿过底座114的纵轴线延伸一定深度的孔116。底座114的邻接表面径向包围孔116的开口，所述邻接表面在图中所示为截去顶端的抛物线形表面。也就是说，底座114的所述邻接表面沿着横截面具有一曲率半径，其在不同的实施例中，大于所述邻接表面的外直径。在孔116和底座114的邻接表面的交叉处可以具有介于二者之间的圆角状或者斜面状过渡表面。此外，所述阀件可选择地包括至少一个位于孔116的内部圆周壁(和/或腿部120的轴的径向表面)中的轴向槽115，以便于在组装过程中排气。轴向槽115在不同实施例中可以在0.001到0.050英寸(0.025到1.270毫米)的宽度范围和/或深入到所述主体0.001到0.050英寸(0.025到1.270毫米)的深度范围内变化。在其它实施例中，下限(宽度或深度)可以是0.001,0.002,0.005,0.010,或者0.020英寸中的任意一个，上限(宽度或深度)可以是0.010,0.020,0.025,0.030,0.040,或0.050中的任意一个，其中，任意的下限可以与任意的上限组合使用。

可以相对于主体和腿部一旦被组装到一起时彼此之间的过盈配合量来表示轴向槽的特征。例如，轴向槽深度与过盈配合量的比率(d)可以使用下面的公式计算得出，d＝g/(s-b)，其中，g为槽深度，s为轴直径，b为孔直径，其中，所述过盈配合量被表征为(s-b)。轴向槽深度与过盈配合量的比率(d)的范围可为大约0到大约50，或者下限为0,0.01,0.03,0.05,或0.08中的任意一个，上限为16,25,35,或50中的任意一个，其中，任意的下限可以与任意的上限结合使用。

此外，在某些实施例中，轴向槽115从孔116的开口(即，在底座114的邻接表面处)远离所述邻接表面轴向延伸进入到所述主体中(或者所述轴的径向表面的对应部分，即，从近端123向轴122的肩126延伸)。在不同实施例中，轴向槽115可以延伸所述孔的深度和/或所述轴的径向表面的长度的至少50％，在其它实施例中，延伸至少60％，75％或者85％。

除了所述可选的一个或多个轴向槽115，所述孔还可以在孔的底表面或远表面中包括一个或多个其它可选的表面变化特征以改善焊料流动和分布。也就是说，尽管图5示出平面状底表面117，但图6所示的实施例包括非平面状底表面119，其包括形成在其中的至少一个凹陷。在这样的实施例中，所述孔的底表面可以包括至少一个溢流空间，轻微圆锥形形状，至少一个间隔锁销，或它们的组合，以改善焊料流动和分布和/或便于组装过程中的排气。间隔锁销的直径范围在一个或多个实施例中可以为约0到约0.050英寸，或者为0.015到0.035英寸。

多件式阀件的主体部分可以由钢材料或其它金属合金形成。例如，根据某些实施例，主体部分可以通过锻造，铸造加工而成，或者是钢合金的棒料，例如，8620钢，4140钢，4820钢，9310钢，43B20钢，或者不锈钢，或者其它金属合金、例如铝合金的棒料加工而成。然而，可以使用任何适用的材料形成所述主体部分。在这样的实施例中，所述孔可以随所述主体部分自身形成或者通过向所述主体部分的底座加工一定深度形成。多件式阀件的腿部还可以由钢材料，其它金属合金，或者其它合适的材料形成。例如，根据某些实施例，腿部可以通过碳重量百分比为0.05到1.00的钢的熔模铸造形成，或者在其它实施例中，由碳重量百分比为0.10到0.5的钢的熔模铸造形成。.

在某些实施例中，所述主体部分和所述腿部形成为一旦被组装好，所述两个部分的偏心率基本上为零(并且所述两个部分可具有过盈配合)。在某些实施例中，所述主体和腿部可形成为最大同心度偏差为0.03英寸(0.762毫米)，小于0.015英寸(0.381毫米)，或者小于0.010英寸(0.254毫米)。同心度可以定义为具有相同中心的质量，其中，同心度偏差为零的两个件被看作是同心的，或者具有相同的中心，而同心度偏差是所述两个件的中心之间的距离或者偏错量。

根据本公开的实施例的接合多件式阀件的方法包括提供多件式阀件的各个部分并且将所述各个部分硬焊成成套的装配件，或者阀件。例如，在某些实施例中，接合方法包括提供阀件的主体部分和腿部，提供所述轴近端和所述孔之间的硬焊材料，并且按压所述轴的近端进入到所述孔中以使得所述近端的一部分外表面与所述孔的内表面邻接，或者使得所述轴的肩与所述主体部分的底座相邻。所述硬焊材料例如可以是基本上为圆形的焊丝，薄盘，膏状物，或者粉末的形式。这些硬焊材料可由铝，铜，镍，或它们的组合物，或它们的合金组成，但是所述硬焊材料并不局限于此。接着，可以通过在任何合适的气氛下，例如还原气氛中，加热至少所述相邻表面和硬焊材料使其达到2,000到2,300华氏度(1,093到1,260摄氏度)的硬焊温度而使所述多个部分接合。然而，根据所选取的硬焊材料，也可以使用其它硬焊温度。此外，在某些实施例中，可以使用助焊剂。

为了最大化阀件的生产，可以使用炉同时或者顺序硬焊多个阀件。在所述炉中，可具有连续相邻的几个区域，在所述区域中按照顺序可能发生预加热，加热(硬焊)，以及热处理阶段。在氧化气氛中，预加热所述各个部分使其达到高于容易发生氧化的温度但是低于硬焊温度的预定或设定温度可以降低硬焊阶段中所需要的热量输入。在硬焊阶段之后，可对阀件进行热处理以改善所述阀件的硬度和强度。阀件可以在1,500到1,800华氏度(816到982摄氏度)的温度范围内进行持续时长为8到14小时的热处理，以使得所述阀件获得在0.030英寸(0.762毫米)的最小深度上具有至少45或者50HC的强化硬化深度。接着，通过将阀件冷却到1,300到1,700华氏度(704到927摄氏度)进行应力消除。一旦消除应力，所述阀件接着在搅拌的油或者聚合物中进行淬火并且容许其被冷却到室温。

为了获得期望的硬度和微观结构，所述阀件可以在300到500华氏度(149到260摄氏度)的温度范围内进行约2个小时的回火并且接着被容许冷却到室温。所述阀件在阀件的深度上可以获得一个硬度差，在硬化层(最小深度为0.030英寸(0.762毫米))上的最终硬度为至少45HRC或者介于50和70HRC之间，并且在某些实施例中，在至少0.050英寸(1.27毫米)或者0.060英寸(1.524毫米)上具有上述硬度，在阀件内更深的深度处硬度降低，到达核心深度处，硬度小于40HRC，35HRC，或者25HRC。为了进一步便于生产，可以使用传送系统运送所述阀件使其通过炉的相继区域。

现在参照图7，示出了根据本公开的实施例的阀件的侧视图。根据本公开的实施例，孔深度H_bore与主体部分的深度H_body的比值范围可为约0.05到约1.00，或者下限值为0.05,0.10,0.20,0.25,或0.35中的任意一个，上限值为0.50,0.60,0.75,0.85,或1.0中的任意一个，其中，任意的下限值可以与任意的上限值组合使用。此外，孔直径D_bore与主体直径D_body的比值范围在某些实施例中可为约0.10到0.60，但是在其它实施例中，下限值可为0.10,0.15,0.20，或0.25中的任意一个，上限值为0.40,0.50,或0.60中的任意一个，其中，任意的下限值可以与任意的上限值组合使用。由于所述孔为插入到其中的轴所提供的支承面，所述孔的尺寸可以为所述接合的阀件提供额外的剪切强度。

根据本公开的实施例，所述轴的近端和/或所述孔可包括基本上光滑的表面，以便于硬焊中的毛细作用。在这样的实施例中，要被硬焊的表面的表面抛光度可为约2到约1,000Ra微英寸(0.05到25Ra微米)，或者在其它实施例中介于2和250Ra微英寸(0.05到6.3Ra微米)之间。然而，其它实施例也可以包括一个或多个具有更大表面粗糙度的纹理表面。此外，所述轴的近端可以包括介于所述近端和所述孔底部之间的至少一个锁销形成空间，至少一个凹陷，至少一个轴向槽，或它们的组合，以改善组装过程中的焊料流动和分布和/或便于排气。

所述轴的插入部分，例如由于所述轴的近端上的锁销，孔底部上的锁销，或它们的组合，可以延伸所述孔深的全部或者小于所述孔深的一定距离，以使得在所述轴和所述孔底部之间具有间隙。硬焊材料可占据所述间隙空间的任意部分。在这样的实施例中，所述轴的近端和所述孔底部之间的间隙的范围可为0.00到0.05英寸(0.00到1.27毫米)，或间隙范围为0.0005到0.0160英寸(0.013到0.406毫米)或者0.001到0.004英寸(0.025到0.102毫米)。可以使用如下方程计算要被硬焊的表面积(A_b)：A_b＝π*(b/2)²+k*π*b*h，其中，b为孔直径(范围例如从0.3英寸(7.62毫米)到3.6英寸(91.44毫米))，k为被硬焊的孔深的百分比(范围从大于0到1，或者从约0.05到1)，h为孔深(范围从0.050英寸(1.27毫米)到3英寸(76.2毫米))。也就是说，假设孔直径范围为0.3英寸(7.62毫米)到3.6英寸(91.44毫米)，并且孔深范围达到3英寸(76.2毫米)，硬焊面积(A_b)的大小可为约0.07平方英寸(45.15平方毫米)到约44.10平方英寸(28451平方毫米)。在不同的实施例中，所述硬焊面积可以大于所述孔直径平方的0.5π倍，在不同的实施例中，可以至少是所述孔直径的平方的0.75π，1π，2π倍并且最高可达到所述孔直径的平方的π倍与孔高度和孔直径的π倍的总和。

根据本公开的实施例，密封元件118放置在侧区段113中并且围绕其周向延伸，以用于与阀内的阀座接触。现在参照图8-10，示出根据本公开的实施例的密封元件的剖视图。密封元件118可包括弹性体140和沿着弹性体140的至少一部分的外表面设置的非弹性体142。在某些实施例中，可用于形成弹性体的弹性材料可包括能经受期望程度的弹性形变以便提供与阀座防漏密封的聚合物。合适的可用的弹性材料可包括腈，高饱和腈，羧酸腈，天然橡胶，含氟聚合物，尿烷，及它们的组合物，但是也可以使用任何其它合适的弹性材料。在某些实施例中，可用于形成非弹性层的材料包括能够为其下方的弹性体提供改进的抗磨损度，和/或还能够为所述弹性体提供支撑和刚度的材料。合适的可用的非弹性材料可包括以织物形式提供的那些非弹性材料，可选自以下组：由芳香族聚酰胺纤维，例如Kevlar，还有棉，尼龙，聚酯，及它们的组合物形成的那些非弹性材料，但是所述非弹性材料并不局限于此。在某些实施例中，所述非弹性材料为采用用于形成所述弹性体的弹性材料浸渍的织物材料，并且在被用于形成密封元件118的模制过程中被附着到所述弹性体外表面的至少一部分上。因此，最终形成的复合密封元件118包括底下一体地结合有弹性体的织物材料。

现在参照图11，示出根据本公开的实施例的阀件的透视图。在某些实施例中，腿部220可包括少于四个腿，例如，从轴222径向和轴向延伸的三个腿224。然而，在某些实施例中，所述腿部可以包括两个腿。使用比工业标准的四个腿更少的腿，使用的材料就更少，从而降低了制造时间和成本，并且减少了流体流过阀的阻力。

在一个或多个实施例中，至少一个腿可具有不均匀的宽度，具体地讲，所述腿的远端比所述腿与腿部的轴相邻的近端具有更大的宽度。这样的实施例可以与如上所描述的两件式阀件结构结合使用，或者也可以用于单件式阀件或由两部分焊接到一起的阀件上。现在参照图12，示出根据本公开的实施例的阀件的透视图。在该实施例中，至少一个腿224可具有至少从所述远面侧232周向延伸一定距离并且设置成与阀内的阀座的内孔接触的凸起240。凸起240的前轮廓形状可基本上为矩形或者为具有圆锥形端部的圆形；然而，所述凸起也可以具有任何形状以使其能够与阀内的阀座的内孔接触。例如，凸起240可具有如图13所示的圆形形状。当在阀内的阀座的内孔中平移时，这样的凸起可以提供额外的支承表面区域，以稳定两腿，三腿，或者四腿式阀件。在某些实施例中，所述腿的厚度可逐渐变小以使得其在远面侧232处最厚。此外，某些实施例可包括至少一个不包括凸起而是具有向外逐渐变细的腿，以使得所述远面侧的至少一部分是所述腿最宽的部分。例如，图14显示的腿224沿着整个远面侧232向外逐渐变细。

在某些实施例中，所述凸起的宽度可为高度的1.5到4.0倍，所述宽度定义为所述凸起的径向长度，所述高度定义为所述凸起位于所述凸起与上述远面侧的交叉点之间的轴向长度，或者所述宽度为所述高度的倍数下限为1.5，2.0，2.5，或者3倍中的任意一个，上限为2.5,3.0,3.5,或者4.0倍中的任意一个，其中，任意的下限可与任意的上限结合使用。此外，所述凸起宽度最大可以为其腿的远面侧232的宽度4倍，或者在其它实施例中，为远面侧232的宽度的1,1.5,2.0,或者2.5倍以上。与传统的远面侧弧长总和为腿部周长的百分之7到10的阀件相比，在这样的实施例中，远面侧弧长的总和可以是所述腿部周长的百分之15到35(或者，在不同的实施例中至少为百分之15,20,25或35)。在某些实施例中，腿的远面侧可具有变化的宽度，并且其凸起宽度可以最大为其变化宽度的最薄点的宽度的4倍。

此外，在不同实施例中，理想的是还可以在外直径处“延长”所述腿凸起以提高阀的稳定性，这样做可以是额外的或者代替腿宽度的增加。这种增加后的腿长可以基于所述长度与从工作面开始的高度的相对关系进行表示。根据某些实施例，所述腿的远面侧高度可约为所述腿的远端与上述底座的邻接表面之间的距离的百分之30到百分之65。然而，根据其它实施例，所述腿的远面侧高度可以至少是所述腿的远端与上述底座的邻接表面之间的距离的75％。

尽管上面仅仅详细描述了几个示例性实施例，但本领域技术人员可以意识到，可以对上述示例性实施例进行多处修改，并且实质上不会脱离本公开的范围。因此，所有的这些修改均被看作是包括在本公开的范围内。