用于降低控制閥中的促動器推力要求的設備及方法
【專利說明】用于降低控制閥中的促動器推力要求的設備及方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)讓給與本發(fā)明相同的受讓人的與本發(fā)明同時提交的ChristopherEdward Wolfe, Nuo Shengj Xuele Qij Azam Mihir Thattej James Albert Stares,
Thomas Henry Cunningham和Henry Boger的美國專利申請序列第_號，該申請由此通過引用并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本文公開的主題大體上涉及控制閥，并且更具體地涉及具有降低的促動器要求的控制閥。
【背景技術(shù)】
[0003]控制閥用于控制在油氣處理、發(fā)電、精煉、石化和水控制行業(yè)中使用的系統(tǒng)中的流體流。常規(guī)控制閥典型地包括具有入口和出口的閥體?；\和座圈設置在入口與出口之間?；\具有至少一個端口，允許控制閥的入口與出口之間的流體連通。用語〃流體連通〃意思是允許流體如流體通過導管從一個容積經(jīng)過至另一個容積那樣在其間經(jīng)過或穿過其。塞同心地設置在籠中，并且被允許沿軸向平移露出(多個)籠端口和調(diào)制流體流。塞借助于柄連接于促動器。促動器為供應力和運動來開啟或閉合閥的裝置，并且可由機械、氣動、液壓或電學手段來供能。
[0004]一些控制閥設計成平衡橫跨閥塞的壓力，以減小利用促動器來開啟和閉合閥所需的力的量。平衡的控制閥典型地包括籠、塞、柄、座圈和平衡密封件。塞具有至少一個導管或孔口，允許將使橫跨其的壓力平衡的在頂部與底部之間的流體連通。密封環(huán)可設在塞與籠之間以使流體泄漏最小化。平衡的控制閥在閉合時典型地具有兩個主要的可能流體泄漏路徑。第一泄漏路徑在塞與座圈之間，其中足夠的促動力將提供硬金屬與金屬的接觸來阻止流動。該泄漏甚至可在塞與閥座接觸時發(fā)生。第二可能的泄漏路徑為設置在塞與籠之間的密封環(huán)。
[0005]美國國家標準學會(〃ANSI〃)建立了控制閥的泄漏分級(ANSI/FCI70-2)。標準將座泄漏分成六級(I級到VI級)。泄漏標準隨級別數(shù)增大而變得更嚴格。V級表示通常稱為〃有效零泄漏〃的控制閥。V級閥的標準需要允許穿過閥的最大泄漏為從閥的入口端口到閥的出口端口測得的每分鐘、每英寸端口直徑、每PSI壓差的0.0005ml的水。
[0006]平衡閥可與一定數(shù)量的不同密封件一起使用，該一定數(shù)量的不同密封件設置在塞與籠之間，如，例如，活塞環(huán)式密封件?；钊h(huán)式密封件可由多種材料制成，如，特氟龍、金屬和石墨，這取決于閥應用(即，流體的類型、溫度、壓力)。特氟龍活塞環(huán)密封件例如可允許相當緊的切斷，但使用由流體溫度限制。石墨和金屬活塞環(huán)式密封件可允許閥用于較高溫度的應用，但此類材料可不允許緊切斷。
[0007]典型的活塞環(huán)密封件可在與其密封表面接觸的同時生成相當大的摩擦。該摩擦可對于允許高于FCI70-2 V級泄漏要求的泄漏的應用是可接受的。例如，II級、III級或甚至IV級需要較低接觸壓力來滿足它們相應的泄漏要求，但V級相比之下更緊幾個數(shù)量級。為了實現(xiàn)V級，在彈性體或熱塑性塑料的使用范圍以上的溫度下利用活塞環(huán)類型的密封部件的切斷典型地將導致引起高促動要求的高摩擦(即，開啟和閉合閥需要高的力)，使得難以操作閥。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本公開提供了在不需要高促動器推力的情況下保持V級密封的問題的解決方案。此外，本公開提供了在高于彈性體或熱塑性材料的可用上限的溫度下以較低的促動推力要求保持緊密密封的問題的解決方案。
[0009]根據(jù)一個示例性非限制性實施例，本發(fā)明涉及一種具有帶內(nèi)表面和籠端口的籠的內(nèi)件組件。具有外表面的塞設置在籠中，并且能夠在閉合位置、壓力平衡位置與開啟位置之間操作。內(nèi)件組件還包括設置在籠與塞之間的低摩擦節(jié)流器，以及設置在籠與塞之間的壓力激勵密封件。提供了由籠的內(nèi)表面、塞的外表面、低摩擦節(jié)流器和壓力激勵密封件限定的密封平衡容積。密封平衡容積通過低摩擦節(jié)流器與籠端口流體連通，并且保持在密封平衡容積壓力處。內(nèi)件組件還包括構(gòu)造成使密封平衡容積加壓的壓力控制組件。
[0010]在另一個實施例中，提供一種內(nèi)件組件，其具有帶內(nèi)表面和籠端口的籠。具有外表面、頂部和底部的塞設置在籠內(nèi)。塞能夠在閉合位置、壓力平衡位置與開啟位置之間移動。內(nèi)件組件還包括設置在籠的內(nèi)表面與塞的外表面之間的低摩擦節(jié)流器，以及設置在籠的內(nèi)表面與塞的外表面之間的壓力激勵密封件，壓力激勵密封件保持在密封壓力處。還包括構(gòu)造成控制作用于壓力激勵密封件上的壓差的壓力控制組件。
[0011]在另一個實施例中，一種操作內(nèi)件組件的方法包括保持形成在籠上的籠端口處的下游壓力。該方法還包括保持設置在籠中的塞的上方和下方的上游壓力。塞能夠在閉合位置、壓力平衡位置與開啟位置之間移動。該方法包括在塞處于壓力平衡位置和開啟位置時使作用于設置在密封平衡容積中的壓力激勵密封件上的壓差平衡。
【附圖說明】
[0012]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將從參照附圖進行的優(yōu)選實施例的以下更詳細描述中為顯而易見的，該附圖經(jīng)由實例示出了本發(fā)明的某些方面的原理。
[0013]圖1為處于閉合位置的閥內(nèi)件的實施例的截面。
[0014]圖2為處于壓力平衡位置的閥內(nèi)件的實施例的截面。
[0015]圖3為處于開啟位置的閥內(nèi)件的實施例的截面。
[0016]圖4為操作內(nèi)件組件的方法的實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0017]在優(yōu)選實施例中，本公開的內(nèi)件組件設有籠、設置在籠中的塞、低摩擦節(jié)流器，以及高摩擦壓力激勵密封件。籠的內(nèi)部、塞的外部、低摩擦節(jié)流器和高摩擦壓力激勵密封件限定密封平衡容積。當內(nèi)件組件處于閉合位置時，密封平衡容積中的壓力保持在下游壓力處。當內(nèi)件組件處于壓力平衡位置時，密封平衡容積加壓并且保持在上游壓力處。高摩擦壓力激勵密封件的壓力平衡通過允許上游壓力處的流體流過平衡端口進入高摩擦壓力激勵密封件與低摩擦節(jié)流器之間的密封平衡容積中來完成。穿過低摩擦節(jié)流器的流體的泄漏小于密封平衡容積的入流，以使在一定時間段之后，密封平衡容積中的壓力增大至上游壓力，從而減小或消除了作用于壓力激勵密封件上的壓差。結(jié)果在于通過壓力激勵密封相對于籠施加的壓力顯著減小，或者壓力激勵密封件與籠之間的接觸在主塞行進發(fā)生之前消除。使密封平衡容積中的壓力與上游壓力平衡減小了作用于高摩擦壓力激勵密封件上的壓差，從而減小或消除了密封件與籠之間的接觸，導致了減小的摩擦。減小摩擦減小了使內(nèi)件組件移動至開啟位置和在節(jié)流期間所需的促動器推力。
[0018]圖1中示出了具有減小的促動器推力要求的內(nèi)件組件11的實施例。內(nèi)件組件11包括具有籠端口 15的籠13，以及設置在籠13內(nèi)的塞17。塞17構(gòu)造成在籠13內(nèi)滑動。
[0019]塞17設有座表面19，其接合設置在籠13下方的座圈21。塞17包括具有開口 24的平衡導管23和縱向?qū)Ч?5。塞17還可設有在塞17的底部處的塞平臺27。
[0020]內(nèi)件組件11設有設置在形成在塞17或籠13中的密封壓蓋31中的高摩擦壓力激勵密封件29。在增大的壓力施加于高摩擦壓力激勵密封件29時，其變形并且繼續(xù)以較高的內(nèi)部應力和接觸壓力來密封抵靠密封表面，從而增大摩擦。內(nèi)件組件11還設有低摩擦節(jié)流器33，其設置在形成在塞17或籠13中的節(jié)流器壓蓋35中。在實施例中，低摩擦節(jié)流器33可為活塞密封件?；\13的內(nèi)部、結(jié)合高摩擦的塞17的外部、壓力激勵密封件29和低摩擦節(jié)流器33限定密封平衡容積37 (對應于圖1中的虛線37)。保持在上游壓力處的上游容積39 (對應于圖1中的虛線39)設置在塞17下方。加壓容積41 (對應于圖1中的虛線41)設置在塞17上方，加壓容積41也由于經(jīng)由導管25與上游容積39的流體連通而保持在上游壓力處。用語"上方"和"下方"用于表示識別的元件相對于附圖的相對位置，并且不旨在表示實際使用中的內(nèi)件組件11的構(gòu)件的定向。
[0021]內(nèi)件組件11還包括柄組件43，其具有柄45、密封凸緣47和螺母49。柄組件43可利用彈簧51偏壓，彈簧51接合密封凸緣47。柄組件43可聯(lián)接于促動器53，促動器53驅(qū)動柄組件43，并且引起柄組件43在籠13內(nèi)滑動。
[0022]圖1示出了內(nèi)件組件11的實施例，其中塞17處于閉合位置。在閉合位置中，上游容積39保持在上游壓力Pl處，并且籠端口 15保持在下游壓力(P2)處。上游容積39 (Pl)中的壓力將高于籠端口 15 (P2)處的壓力。塞17的座表面19密封抵靠座圈21，形成緊密密封。塞17由促動器53抵靠座圈21壓制。密封凸緣47密封平衡導管23。高摩擦壓力激勵密封件29和低摩擦節(jié)流器33封閉密封平衡容積37。應當注意的是，低摩擦節(jié)流器33容許流體的有限流動，以使密封平衡容積37的壓力與籠端口 15處的流體的下游壓力(P2)大致相同。加壓容積41通過縱向?qū)Ч?5與上游容積39流體連通，從而將