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CN104956132A - 用于降低控制阀中的促动器推力要求的设备及方法 - Google Patents

用于降低控制阀中的促动器推力要求的设备及方法 Download PDF

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CN104956132A CN201380060624.6A CN201380060624A CN104956132A CN 104956132 A CN104956132 A CN 104956132A CN 201380060624 A CN201380060624 A CN 201380060624A CN 104956132 A CN104956132 A CN 104956132A
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Abstract

内件组件设有带内表面和笼端口的笼。具有外表面的塞设置在笼中，并且能够在闭合位置、压力平衡位置与开启位置之间操作。内件组件还包括设置在笼与塞之间的低摩擦节流器，以及设置在笼与塞之间的压力激励密封件。提供了由笼的内表面、塞的外表面、低摩擦节流器和压力激励密封件限定的密封平衡容积。密封平衡容积通过低摩擦节流器与笼端口流体连通，并且保持在密封平衡容积压力处。内件组件还包括构造成使密封平衡容积开孔的压力控制组件。

Description

用于降低控制阀中的促动器推力要求的设备及方法
相关申请的交叉引用
本发明涉及转让给与本发明相同的受让人的与本发明同时提交的Christopher Edward Wolfe, Nuo Sheng, Xuele Qi, Azam Mihir Thatte, James Albert Stares, Thomas Henry Cunningham 和 Henry Boger的美国专利申请序列第_______号，该申请由此通过引用并入。
技术领域
本文公开的主题大体上涉及控制阀，并且更具体地涉及具有降低的促动器要求的控制阀。
背景技术
控制阀用于控制在油气处理、发电、精炼、石化和水控制行业中使用的系统中的流体流。常规控制阀典型地包括具有入口和出口的阀体。笼和座圈设置在入口与出口之间。笼具有至少一个端口，允许控制阀的入口与出口之间的流体连通。用语"流体连通"意思是允许流体如流体通过导管从一个容积经过至另一个容积那样在其间经过或穿过其。塞同心地设置在笼中，并且被允许沿轴向平移露出(多个)笼端口和调制流体流。塞借助于柄连接于促动器。促动器为供应力和运动来开启或闭合阀的装置，并且可由机械、气动、液压或电学手段来供能。
一些控制阀设计成平衡横跨阀塞的压力，以减小利用促动器来开启和闭合阀所需的力的量。平衡的控制阀典型地包括笼、塞、柄、座圈和平衡密封件。塞具有至少一个导管或孔口，允许将使横跨其的压力平衡的在顶部与底部之间的流体连通。密封环可设在塞与笼之间以使流体泄漏最小化。平衡的控制阀在闭合时典型地具有两个主要的可能流体泄漏路径。第一泄漏路径在塞与座圈之间，其中足够的促动力将提供硬金属与金属的接触来阻止流动。该泄漏甚至可在塞与阀座接触时发生。第二可能的泄漏路径为设置在塞与笼之间的密封环。
美国国家标准学会("ANSI")建立了控制阀的泄漏分级(ANSI/FCI70-2)。标准将座泄漏分成六级(I级到VI级)。泄漏标准随级别数增大而变得更严格。V级表示通常称为"有效零泄漏"的控制阀。V级阀的标准需要允许穿过阀的最大泄漏为从阀的入口端口到阀的出口端口测得的每分钟、每英寸端口直径、每PSI压差的0.0005ml的水。
平衡阀可与一定数量的不同密封件一起使用，该一定数量的不同密封件设置在塞与笼之间，如，例如，活塞环式密封件。活塞环式密封件可由多种材料制成，如，特氟龙、金属和石墨，这取决于阀应用(即，流体的类型、温度、压力)。特氟龙活塞环密封件例如可允许相当紧的切断，但使用由流体温度限制。石墨和金属活塞环式密封件可允许阀用于较高温度的应用，但此类材料可不允许紧切断。
典型的活塞环密封件可在与其密封表面接触的同时生成相当大的摩擦。该摩擦可对于允许高于FCI70-2 V级泄漏要求的泄漏的应用是可接受的。例如，II级、III级或甚至IV级需要较低接触压力来满足它们相应的泄漏要求，但V级相比之下更紧几个数量级。为了实现V级，在弹性体或热塑性塑料的使用范围以上的温度下利用活塞环类型的密封部件的切断典型地将导致引起高促动要求的高摩擦(即，开启和闭合阀需要高的力)，使得难以操作阀。
发明内容
本公开提供了在不需要高促动器推力的情况下保持V级密封的问题的解决方案。此外，本公开提供了在高于弹性体或热塑性材料的可用上限的温度下以较低的促动推力要求保持紧密密封的问题的解决方案。
根据一个示例性非限制性实施例，本发明涉及一种具有带内表面和笼端口的笼的内件组件。具有外表面的塞设置在笼中，并且能够在闭合位置、压力平衡位置与开启位置之间操作。内件组件还包括设置在笼与塞之间的低摩擦节流器，以及设置在笼与塞之间的压力激励密封件。提供了由笼的内表面、塞的外表面、低摩擦节流器和压力激励密封件限定的密封平衡容积。密封平衡容积通过低摩擦节流器与笼端口流体连通，并且保持在密封平衡容积压力处。内件组件还包括构造成使密封平衡容积加压的压力控制组件。
在另一个实施例中，提供一种内件组件，其具有带内表面和笼端口的笼。具有外表面、顶部和底部的塞设置在笼内。塞能够在闭合位置、压力平衡位置与开启位置之间移动。内件组件还包括设置在笼的内表面与塞的外表面之间的低摩擦节流器，以及设置在笼的内表面与塞的外表面之间的压力激励密封件，压力激励密封件保持在密封压力处。还包括构造成控制作用于压力激励密封件上的压差的压力控制组件。
在另一个实施例中，一种操作内件组件的方法包括保持形成在笼上的笼端口处的下游压力。该方法还包括保持设置在笼中的塞的上方和下方的上游压力。塞能够在闭合位置、压力平衡位置与开启位置之间移动。该方法包括在塞处于压力平衡位置和开启位置时使作用于设置在密封平衡容积中的压力激励密封件上的压差平衡。
附图说明
本发明的其它特征和优点将从参照附图进行的优选实施例的以下更详细描述中为显而易见的，该附图经由实例示出了本发明的某些方面的原理。
图1为处于闭合位置的阀内件的实施例的截面。
图2为处于压力平衡位置的阀内件的实施例的截面。
图3为处于开启位置的阀内件的实施例的截面。
图4为操作内件组件的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
在优选实施例中，本公开的内件组件设有笼、设置在笼中的塞、低摩擦节流器，以及高摩擦压力激励密封件。笼的内部、塞的外部、低摩擦节流器和高摩擦压力激励密封件限定密封平衡容积。当内件组件处于闭合位置时，密封平衡容积中的压力保持在下游压力处。当内件组件处于压力平衡位置时，密封平衡容积加压并且保持在上游压力处。高摩擦压力激励密封件的压力平衡通过允许上游压力处的流体流过平衡端口进入高摩擦压力激励密封件与低摩擦节流器之间的密封平衡容积中来完成。穿过低摩擦节流器的流体的泄漏小于密封平衡容积的入流，以使在一定时间段之后，密封平衡容积中的压力增大至上游压力，从而减小或消除了作用于压力激励密封件上的压差。结果在于通过压力激励密封相对于笼施加的压力显著减小，或者压力激励密封件与笼之间的接触在主塞行进发生之前消除。使密封平衡容积中的压力与上游压力平衡减小了作用于高摩擦压力激励密封件上的压差，从而减小或消除了密封件与笼之间的接触，导致了减小的摩擦。减小摩擦减小了使内件组件移动至开启位置和在节流期间所需的促动器推力。
图1中示出了具有减小的促动器推力要求的内件组件11的实施例。内件组件11包括具有笼端口15的笼13，以及设置在笼13内的塞17。塞17构造成在笼13内滑动。
塞17设有座表面19，其接合设置在笼13下方的座圈21。塞17包括具有开口24的平衡导管23和纵向导管25。塞17还可设有在塞17的底部处的塞平台27。
内件组件11设有设置在形成在塞17或笼13中的密封压盖31中的高摩擦压力激励密封件29。在增大的压力施加于高摩擦压力激励密封件29时，其变形并且继续以较高的内部应力和接触压力来密封抵靠密封表面，从而增大摩擦。内件组件11还设有低摩擦节流器33，其设置在形成在塞17或笼13中的节流器压盖35中。在实施例中，低摩擦节流器33可为活塞密封件。笼13的内部、结合高摩擦的塞17的外部、压力激励密封件29和低摩擦节流器33限定密封平衡容积37(对应于图1中的虚线37)。保持在上游压力处的上游容积39(对应于图1中的虚线39)设置在塞17下方。加压容积41(对应于图1中的虚线41)设置在塞17上方，加压容积41也由于经由导管25与上游容积39的流体连通而保持在上游压力处。用语"上方"和"下方"用于表示识别的元件相对于附图的相对位置，并且不旨在表示实际使用中的内件组件11的构件的定向。
内件组件11还包括柄组件43，其具有柄45、密封凸缘47和螺母49。柄组件43可利用弹簧51偏压，弹簧51接合密封凸缘47。柄组件43可联接于促动器53，促动器53驱动柄组件43，并且引起柄组件43在笼13内滑动。
图1示出了内件组件11的实施例，其中塞17处于闭合位置。在闭合位置中，上游容积39保持在上游压力P1处，并且笼端口15保持在下游压力(P2)处。上游容积39(P1)中的压力将高于笼端口15(P2)处的压力。塞17的座表面19密封抵靠座圈21，形成紧密密封。塞17由促动器53抵靠座圈21压制。密封凸缘47密封平衡导管23。高摩擦压力激励密封件29和低摩擦节流器33封闭密封平衡容积37。应当注意的是，低摩擦节流器33容许流体的有限流动，以使密封平衡容积37的压力与笼端口15处的流体的下游压力(P2)大致相同。加压容积41通过纵向导管25与上游容积39流体连通，从而将加压容积41中的压力保持在上游压力P1处。密封平衡容积37中的压力(P2)与加压容积41中的压力(P1)之间的压力差保持高摩擦压力激励密封件29完全加压并且与笼13成紧密密封关系。
图2示出了具有处于压力平衡位置的塞17的内件组件11。在该位置，柄组件43已经移位，并且附接的密封凸缘47也移位，从而揭开平衡导管23。密封平衡容积37接着与处于上游压力P1的加压容积41流体地联接。低摩擦节流器33将从密封平衡容积37到笼端口15的流体流限制至足够低于流体从上游容积39流过导管23的速率的速率，从而使密封平衡容积37加压。净结果在于密封平衡容积37处的流体的压力与加压容积41处的流体的压力平衡，从而减小了作用于高摩擦加压密封件29上的压差。为了本公开的目的，"平衡"意思是密封压力与上游压力之间的差异减小。
图3中示出了具有处于开启节流位置的塞17的内件组件11。柄组件43向上移位，并且螺母49接合塞17的底部。作用于高摩擦压力激励密封件29的密封压力平衡，从而减小或消除了高摩擦压力激励密封件29与笼13的接触。高摩擦加压密封件29与笼13之间的摩擦因此减小。摩擦减小减小了由促动器53使塞17移位所需的推力。由促动器提供的推力可由机械、气动、液压或电学手段提供。
图4中示出了操作根据一个实施例的内件组件11的方法101。方法101由内件组件11实施。
在步骤103中，内件组件11保持形成在笼13上的笼端口15处的下游压力。
在步骤105中，内件组件11保持设置在笼13中的平衡塞17周围的上游压力，平衡塞17能够在闭合位置、压力平衡位置和开启位置之间移动。
在步骤107中，内件组件11使作用于设置在密封平衡容积37中的高摩擦压力激励密封件29上的密封压差平衡，以使在塞17闭合时，作用于平衡密封件29上的压差等于所有压差P1-P2，并且压差在塞17处于压力平衡或开启位置时最小化或除去。这可通过使密封平衡容积37加压至上游压力来完成。为了控制密封平衡容积37中的压力，塞17可设有在塞17的顶部处且与加压容积41流体连通的开口24。当塞17处于闭合位置时，开口24可由密封凸缘47密封。当塞17处于压力平衡位置时，开口24可被揭开。尽管在前述实施例的描述中，密封凸缘47描述为用于密封开口24的器件，但对本领域技术人员而言将显而易见的是提供其它密封部件(例如，塞)而并未脱离本发明的范围。
在用语的定义脱离用语的通常使用的含义的情况下，申请人旨在使用下文提供的定义，除非明确指出。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本发明。在用语的定义脱离用语的常用含义的情况下，申请人旨在使用本文提供的定义，除非明确指出。单数形式"一"、"一个"和"该"旨在还包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。将理解的是，尽管用语第一、第二等可用于描述各种元件，但这些元件将不由这些用语限制。这些用语仅用于将一个元件与另一个区分开。用语"和/或"包括相关联的列出物品中的一个或更多个的任何和所有组合。短语"联接于"和"与…联接"设想是直接或间接联接。
该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (20)

1. 一种内件组件，包括：
具有内表面和笼端口的笼；
设置在所述笼中的塞，所述塞具有外表面，并且能够在闭合位置、压力平衡位置与开启位置之间操作；
设置在所述笼与所述塞之间的低摩擦节流器；
设置在所述笼与所述塞之间的压力激励密封件；
密封平衡容积；以及
构造成使所述密封平衡容积加压的压力控制组件。
2. 根据权利要求1所述的内件组件，其特征在于，所述密封平衡容积由所述笼的外表面、所述塞的外表面、所述低摩擦节流器和所述压力激励密封件限定，所述密封平衡容积通过所述低摩擦节流器与所述笼端口流体连通，并且保持在密封平衡容积压力处。
3. 根据权利要求1所述的内件组件，其特征在于，所述压力控制组件构造成在所述塞的任何移动之前使作用于所述压力激励密封件上的压差平衡。
4. 根据权利要求2所述的内件组件，其特征在于，所述压力控制组件构造成在所述塞的任何移动期间使作用于所述压力激励密封件上的所述密封平衡容积压力平衡。
5. 根据权利要求1所述的内件组件，其特征在于，所述内件组件还包括在所述塞位于所述压力平衡位置时与处于上游压力的容积流体连通的导管，并且其中所述压力控制组件构造成允许处于上游压力的流体以一速率流入所述密封平衡容积中，在所述速率下，穿过所述低摩擦节流器的流体的泄漏少于进入所述密封平衡容积中的所述流体的流。
6. 根据权利要求5所述的内件组件，其特征在于，所述密封平衡容积和上游压力处的容积通过延伸穿过塞的导管流体地联接，所述导管具有平衡端口。
7. 根据权利要求6所述的内件组件，其特征在于，所述压力控制组件包括：
与所述塞联接的柄；
密封构件，其联接于所述柄并且设置成在所述塞处于所述闭合位置时封闭所述平衡端口。
8. 根据权利要求7所述的内件组件，其特征在于，所述密封构件设置成在所述塞处于所述压力平衡位置时在所述塞的任何移动之前开启所述平衡端口。
9. 一种内件组件，包括：
具有内表面和笼端口的笼；
设置在所述笼内的塞，所述塞能够在闭合位置、压力平衡位置与开启位置之间移动；
设置在所述笼与所述塞之间的低摩擦节流器，
设置在所述笼与所述塞之间的压力激励密封件；以及
构造成控制作用于所述压力激励密封件上的压差的压力控制组件。
10. 根据权利要求9所述的内件组件，其特征在于，所述笼的内表面、所述塞的外表面、所述低摩擦限流器和所述压力激励密封件限定与下游容积流体连通的密封平衡容积。
11. 根据权利要求10所述的内件组件，其特征在于，所述压力控制组件在所述塞处于所述闭合位置时使所述密封平衡容积保持在下游压力处。
12. 根据权利要求10所述的内件组件，其特征在于，所述压力控制组件包括从所述密封平衡容积延伸至上游压力处的容积的导管。
13. 根据权利要求12所述的内件组件，其特征在于，所述压力控制组件包括具有闭合部件的柄组件，所述闭合部件在所述塞处于所述闭合位置时闭合所述导管，并且在所述塞处于所述压力平衡位置和所述开启位置时开启所述导管。
14. 根据权利要求13所述的内件组件，其特征在于，所述柄组件包括柄，并且所述闭合部件包括联接于所述柄的密封部件，所述密封部件设置成在所述塞处于所述闭合位置时与所述导管接触。
15. 根据权利要求14所述的内件组件，其特征在于，所述内件组件还包括使所述凸缘偏压远离所述开口的弹簧。
16. 一种操作内件组件的方法，包括：
保持形成在笼上的笼端口处的下游压力；
保持设置在所述笼中的平衡塞周围的上游压力，所述平衡塞能够在闭合位置、压力平衡位置与开启位置之间移动；以及
在所述塞处于所述压力平衡位置和所述开启位置时使作用于设置在密封平衡容积中的压力激励密封件上的压差平衡。
17. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，平衡包括控制所述压差，以使当所述平衡塞处于所述闭合位置时，所述压力激励密封件上的压差等于所述上游压力减去所述下游压力，并且当所述平衡塞处于所述压力平衡位置和所述开启位置时，作用于所述压力激励密封件上的压差平衡。
18. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，平衡包括控制穿过与所述密封平衡容积流体连通的导管的流体流。
19. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，控制流体流包括控制所述导管上的密封部件。
20. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，控制流体流包括在所述平衡塞处于所述压力平衡位置时开启所述导管。
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