用于控制阀的阀塞组件的制作方法

本实用新型总体上涉及控制阀，更具体地，涉及具有使用钎焊工艺安装在塞上的顶端(tip)的阀塞。

背景技术：

在许多控制阀应用中，特别是在涉及恶劣使用状况的控制阀应用中，控制阀的内部部件可能经受三相流动，例如可能出现闪蒸、空蚀和颗粒，所有这些可能会导致严重的侵蚀和/或振动。因此，这种阀通常设有具有抗腐蚀塞顶端的阀塞，该塞顶端可以是陶瓷材料，例如碳化物(carbide)、碳化钨(Tungsten carbide)，或其它合适的材料。

在对这种阀部件进行结构设计时，塞顶端可以使用收缩配合过程附接到塞基部，其中相关部件被加热、配合、然后冷却。图2中示出了这种构造的一个示例。这种收缩配合过程可能将拉伸应力引入到塞顶端，这会对塞顶端产生负面影响，特别是当塞顶端由脆性材料形成时。对于较小的塞顶端，收缩配合过程也可能导致顶端中发生角部断裂。替代地，可以使用钎焊工艺(brazing process)将塞顶端附接到塞基部。在任一工艺中，可能的是，在塞顶端和下面的基部之间的接合处可形成应力集中(stress riser)。这种应力集中可以并有时通过促使塞顶端裂纹的形成和/或传播来促使塞顶端过早失效。尽管如此，钎焊工艺通常可以在碳化钨顶端和金属塞基部之间提供最坚固的结合方法。

为了避免在钎焊工艺期间将应力引入到塞顶端，已经提出将塞顶端机械地耦接到塞基部。然而，对于较小的阀和阀塞，可能难以形成和操纵机械接头部件。

技术实现要素：

鉴于收缩配合过程可能将拉伸应力引入到塞顶端和在钎焊工艺期间将应力引入到塞顶端的问题，提供了用于控制阀的阀塞组件。根据第一示例性方面，公开了一种用于控制阀的阀塞组件，所述控制阀具有阀杆、流动通道以及设置在所述流动通道中的阀座。所述阀塞组件包括塞基部，所述塞基部限定纵向轴线并且具有第一端部和第二端部。所述塞基部的第一端部被布置成用于附接到所述控制阀的阀杆。所述塞基部的第二端部具有面向前方的基部座表面和沿着所述纵向轴线从所述基部座表面向外突出的轴部分。所述阀塞组件还包括塞顶端，所述塞顶端具有面向后方的顶端座表面和腔，所述腔具有限定在所述顶端座表面中的开口，其中，所述腔被布置成在其中接收所述塞基部的所述轴部分，使得所述基部座表面和所述顶端座表面彼此相邻地延伸。填充金属在钎焊工艺中设置在所述基部座表面与所述顶端座表面之间，以将所述塞顶端固定到所述塞基部。

根据第二示例性方面，公开了一种形成用于控制阀的阀塞组件的方法，所述控制阀具有阀杆、流动通道以及设置在所述流动通道中的阀座。所述方法包括：提供塞基部，所述塞基部限定纵向轴线并具有第一端部和第二端部；以及布置所述塞基部的第一端部以用于附接到所述控制阀的阀杆；以及提供所述塞基部的第二端部，所述塞基部的第二端部具有面向前方的基部座表面和沿着所述纵向轴线从所述基部座表面向外突出的轴部分。所述方法包括：提供塞顶端，所述塞顶端具有面向后方的顶端座表面和腔，所述腔具有限定在所述顶端座表面中的开口；以及布置所述塞顶端以使得所述腔在其中接收所述塞基部的所述轴部分，使得所述基部座表面和所述顶端座表面彼此相邻的延伸。所述方法还包括：在钎焊工艺中将填充金属设置在所述基部座表面与所述顶端座表面之间，以将所述塞顶端固定到所述塞基部。

进一步根据前述第一和/或第二方面，阀塞组件和/或方法还可以包括以下优选方式中的任何一个或多个。

根据一个优选的方式，所述塞顶端可以包括环形后方部分、截头圆锥形中间部分和前方凸块状部分。根据进一步优选的方式，所述腔可以在所述环形后方部分和所述截头圆锥形中间部分内延伸。

根据另一个优选的方式，所述腔的尺寸可以设计为在所述轴部分被完全接收在所述腔中的情况下在所述轴部分的前方具有间隙。

根据另一个优选的方式，所述基部座表面和所述顶端座表面可以垂直于所述纵向轴线。根据进一步优选的方式，所述基部座表面和所述顶端座表面可以在所述塞基部与所述塞顶端之间提供用于钎焊工艺的所有钎焊表面。

根据另一个优选的方式，所述轴部分可以为柱状，并且所述腔可以具有互补的柱状侧壁。

根据另一个优选的方式，所述轴部分可以被中央地设置在所述塞基部上，并且所述腔可以被中央地设置在所述塞顶端内，如此布置所述塞顶端以使得所述腔在其中接收所述塞基部的所述轴部分，使所述塞顶端相对于所述纵向轴线居中。

根据另一个优选的方式，所述塞顶端可以包括碳化物或碳化钨。

根据另一个优选的方式，所述塞顶端可以选自于陶瓷材料。

根据另一个优选的方式，所述塞顶端的直径为约60mm或更小。

根据另一个优选的方式，所述轴部分的直径和所述塞基部的其余部分的直径具有约1:4的比率。

根据本实用新型的阀塞组件，塞顶端提供与塞基部的更牢固的连接，同时还使得连接表面周围的断裂失效减少，与相似尺寸的传统塞顶端相比可以进一步减少所需材料的数量和相关成本，在更宽的温度范围内提供更好的性能和寿命，提供了优于现有技术的钎焊组件结构，可以用于遭受侵蚀的其它部件或区域，有助于延长例如阀座、阀笼等等的使用寿命。

附图说明

通过提供以下详细描述中所描述的实施例，特别是当结合附图进行研究时，至少部分地满足了以上需求，在附图中：

图1是具有根据本实用新型的第一公开示例的教导来组装的塞组件的控制阀的剖视图。

图2是传统阀塞的局部剖视放大图，示出了传统收缩配合设计的细节。

图3是传统阀塞的局部剖视放大图，示出了传统钎焊工艺设计的细节。

图4是根据本公开内容的一个示例性方面的教导来组装的阀塞的放大剖视图。

图5是压缩载荷测试配置的剖视图，示出了以钎焊工艺来组装的传统的顶端为碳化钨的阀塞和如图4中所示来组装的顶端为碳化钨的阀塞。

图6是表示来自图5中所示的压缩载荷试验的结果的应力图的剖视图。

图7是第一弯曲载荷测试配置的剖视图，示出了以钎焊工艺来组装的传统的顶端为碳化钨的阀塞和如图4中所示来组装的顶端为碳化钨的阀塞。

图8是示出来自图7中所示的第一弯曲载荷测试的结果的应力图的剖视图。

图9是第二弯曲载荷测试配置的透视图，示出了以钎焊工艺来组装的传统的顶端为碳化钨的阀塞和如图4中所示来组装的顶端为碳化钨的阀塞。

图10是示出来自图9中所示的第二弯曲载荷测试的结果的应力图的剖视图。

本领域技术人员将理解，图中的元件为了简洁和清楚而例示并且不一定按比例绘制。例如，附图中的一些元件的尺寸和/或相对定位可能相对于其它元件被夸大，以帮助改善对本实用新型的各种实施例的理解。此外，在商业上可行的实施例中有用或必要的常见但公知的元件通常未被描绘以便有助于对这些各种实施例进行不太妨碍的观察。将进一步理解，某些动作和/或步骤可以以特定的发生顺序来描述或描绘，而本领域技术人员将理解，关于顺序的这种特定性实际上并不需要。还将理解，除非在此另外阐述了不同的特定含义，否则本文所使用的术语和表达具有如上所阐述的技术领域的技术人员赋予这些术语和表达的普通技术含义。

具体实施方式

虽然以下文本阐述了本实用新型的一个或多个示例性实施例的详细描述，但应该理解为，本实用新型的法律范围由本专利结束处所阐述的权利要求的文字来限定。因此，下面的详细描述仅被解释为示例性，并且不描述本实用新型的每个可行的实施例，因为如果不是不可行，描述每个可行的实施例都是不切实际的。可以使用当前技术或在本专利申请日之后开发的技术来实施大量替代实施例。可以设想的是，这样的替代实施例仍将落入限定本实用新型的权利要求的范围内。

现在参考附图，图1示出根据本实用新型的示例性实施例的教导来组装的用于控制阀12的阀塞组件10，该控制阀12具有阀杆14、流动通道16 和阀座18。本领域技术人员将容易理解，控制阀12包括通过流动通道16 连接的入口15和出口17。阀塞组件10耦接到阀杆14并通过任何合适的致动器(未示出)在打开位置与关闭位置之间移动，在该打开位置中，阀塞组件10与阀座18间隔开，从而允许通过控制阀12的流动，在该关闭位置中，阀塞组件10座靠阀座18，从而阻止通过控制阀12的流动。

现在参考图4，塞组件10包括塞基部20，该塞基部20限定纵向轴线L 并具有第一端部22和第二端部24。塞基部20的第一端部22被布置成用于附接到控制阀12的阀杆14(图1)。塞基部20的第二端部24包括具有与塞基部20的其余部分相比更小直径的柱状构造的轴或塞部分26。环形基部座表面28围绕轴部分26径向延伸。轴部分26优选地被中央地设置，使得座表面28具有在其周围延伸的均匀的径向厚度。轴部分26的直径可以在塞基部20的直径的约百分之10与约百分之75之间、优选地在塞基部20 的直径的约百分之15与百分之50之间、更优选地在塞基部20的直径的约百分之20与百分之30之间、并且更优选地为塞基部20的直径的约百分之 25。

用于阀塞组件10的塞顶端50包括主体52，该主体52具有面向后方的顶端座表面54，该顶端座表面54围绕开口56延伸到中空内部或腔58，该中空内部或腔58沿着纵向轴线L延伸。腔58优选地具有至少与塞基部20 的轴部分26的长度一样长的深度。此外，在一些方法中，腔58的深度的尺寸可以设计成使得在轴部分26完全被接收在该腔中的情况下存在间隙，其中，座表面28、54彼此邻接。在优选的方法中，座表面28、54通常垂直于纵向轴线L。此外，围绕腔58延伸的侧壁60优选地具有与轴部分26 的横截面大致互补的横截面，例如围绕柱状轴部分26延伸的大致柱状的侧壁60。借助这种构造，由于中空内部58，塞顶端50有利地使用较少的材料，同时在需要的区域中保护塞组件10。此外，与塞顶端50相比，塞基部20及其轴部分26可以由相对较软的材料制成，并且借助该构造，轴部分 34可以吸收来自塞顶端50的冲击能量。

塞顶端50的主体52包括环形后方部分62、截头圆锥形中间部分64 和凸块状前方部分66。因此，腔58在后方部分62和中间部分64内延伸，其中，前方部分66具有实心的横截面。前方部分66可以具有圆形的柱状结构，如图所示。在优选的形式中，环形后方部分62所具有的直径大致等于塞基部20的直径，使得塞顶端50的柱状侧表面68大致与塞基部20的柱状侧表面70对齐。替代地，环形后方部分62的直径可以在塞基部20的直径的0至约20mm之内。如图1中所示，塞顶端50的截头圆锥形中间部分64的倾斜表面72构造成当处于关闭构造中时接合阀座18，其中，前方部分66朝向阀出口17突出。通过优选的方法，塞顶端50可以是碳化钨或碳化物顶端，该顶端可以通过烧结工艺来形成。通过另一个优选的方法，塞顶端50可以选自于陶瓷材料。

如图4中所示进行组装，座表面28、54在钎焊工艺期间提供钎焊表面并限定结合区域(joint area)74以将塞顶端50结合到塞基部20。在钎焊工艺中，该钎焊工艺中可以例如在感应炉中进行，塞顶端50通过使填充金属 76熔化并流动到结合区域74中而结合到塞基部20。填充金属76具有与塞基部20和塞顶端50的金属相比更低的熔点，使得塞基部20和塞顶端50 的金属在工艺期间不熔化。在一些示例中，取决于期望的用途，填充金属 76可以是银或铜。有利地，座表面28、54为成功的钎焊工艺提供足够尺寸的平坦的水平表面，同时还避免或最小化竖直表面钎焊，竖直表面钎焊可能将不利的应力引入到塞顶端50。相比之下，如图3中所示，传统塞顶端的钎焊工艺包括沿着阀顶端的塞部分的相对较小的水平钎焊表面和竖直钎焊表面。

为了将如图4中所示和本文所描述而构造的塞组件10的性能与如图3 所示而构造的传统塞组件的性能进行比较，对每个的样品进行有限元分析 (FEA)模拟。下面参考图5-图10依次描述每个载荷测试。

如图5中所示，第一载荷模式在每个阀塞构造的顶表面上施加竖直向下的压缩力，模拟阀关闭状态，并在每个阀塞构造的底表面上提供固定支撑，模拟阀座环。

如图6中的应力图所示，在传统的塞组件中，存在高应力区域，该应力区域延伸穿过整个塞区域，并且在钎焊表面之间的塞的角部中具有高风险的角部剪切或拉伸应力。该区域中的角部剪切/拉伸应力可能会引起穿过相对脆性的碳化钨顶端的裂纹。相比之下，本公开内容的塞组件10的高应力区域沿着水平钎焊表面设置，其是压缩应力。此外，由于中空内部56，应力区域不延伸穿过塞顶端50的整个横截面。因此，本文所描述的塞组件 10的构造避免了如同传统组件那样在顶端与塞基部的支撑结构之间的结合区域上的剪切/拉伸应力。

如图7中所示，第二载荷模式固定每个阀塞构造的顶表面并将第一水平弯曲力施加到塞顶端。如图9中所示，第三载荷模式固定每个阀塞基部的上部分并将第二水平弯曲力施加到呈与图7中所示相同的构造的塞顶端。

如来自图8和图10的弯曲测试的应力图中所示，本文所描述的塞组件 10中的塞顶端与塞基部之间的接合处周围没有剪切/拉伸应力。此外，塞组件10还消除了传统塞组件的角部应力。

这些测试证明了本文所提供的塞组件10在其整个结构上不具有应力分布。因此，如果发生失效，塞顶端50将倾向于避免破碎成片。这是有利的，因为塞顶端可能会影响整个过程系统的操作。

当完成结构设计时，根据本文概述的示例性教导所组装的阀塞组件可以提供现有技术教导无法实现的一个或多个技术优点。阀塞组件特别适用于磨蚀性和腐蚀性环境，如煤化工脱气工艺。

当与现有技术的结构和组件相比较时，使用钎焊工艺，本文所描述的塞顶端提供与塞基部的更牢固的连接，同时还使得连接表面周围的断裂失效减少，甚至考虑到在钎焊工艺期间引入的热应力。

当与现有技术的结构和组件相比较时，与相似尺寸的传统塞顶端相比，塞顶端可以进一步减少所需材料的数量和相关成本。更具体地说，塞顶端具有内腔的倒转构造。由于倒转构造，塞顶端也具有大致均匀的厚度，以避免可能由烧结工艺导致的不均匀收缩。

当与现有技术的结构和组件相比较时，本实用新型的一个或多个方面阻碍了由于先前的构造而导致的有害和难以控制的内应力的发展，例如可以在收缩配合过程中发现的。

当与现有技术的结构和组件相比较时，本实用新型的一个或多个方面带来在更宽的温度范围内提供更好的性能和寿命的组件，这提供了优于现有技术的钎焊组件结构和方法的优点。对于较小的阀塞尺寸尤其如此，例如那些具有约为60mm或更小的直径的阀塞尺寸，这是由于难以在相对小的部件之间提供机械结合。

可以理解，本文所描述的钎焊结构和方法可以用于遭受侵蚀的其它部件或区域，其中，防止磨损性和/或腐蚀性状况的保护可以有助于延长例如阀座、阀笼等等的使用寿命。

尽管为了例示本实用新型已经示出了某些代表性实施例和细节，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在不偏离本实用新型的范围的情况下对本文所公开的方法和装置进行各种改变。