CN101910697A

CN101910697A - 控制阀内件和密封

Info

Publication number: CN101910697A
Application number: CN2008801244025A
Authority: CN
Inventors: L·E·弗莱明
Original assignee: Fisher Controls International LLC
Current assignee: Fisher Controls International LLC
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: CA2711820C; NO342392B1; AR072443A1; AU2008346922B2; EP2240715A1; US20090179163A1; RU2010130892A; NO20100932L; CN101910697B; EP2240715B1; MX2010007613A; CA2711820A1; WO2009088633A1; RU2485383C2; AU2008346922A1; BRPI0821995A2; MY152788A; US7926784B2

Abstract

一种流体控制设备，包括阀体(12)、阀塞(16)、阀笼(18、20)和密封环(21)。所述密封环(21)的至少一部分设置在所述阀塞(16)和所述阀笼(18、20)之间的间隙(74)内以在所述阀塞(16)处于所述关闭位置时在所述阀塞和所述阀笼之间提供密封。所述密封环(21)包括L形横截面，所述L形横截面不论所述流体控制设备的开口直径如何都能够提供有效的密封，因此减少了需要为各种应用在库存中保存的密封件类型数目。

Description

控制阀内件和密封

技术领域

本发明涉及用于控制流体流动的控制阀，更具体地说，涉及包括可移动地设置在阀笼中的阀塞的控制阀。

背景技术

常用的流体过程控制***包括用来控制各种过程参数的各种部件。例如，流体过程控制***可以包括多个用于控制流过所述***的介质的流量、温度和/或压力的控制阀。最终产品取决于这些参数的控制精度，而这些参数的控制精度又取决于控制阀的几何结构和特性。例如，专门设计和选择控制阀用于特定的流量和压力变化。如果这些特性受损并且当这些特性受损时，最终产品的质量将受到影响。所述特性可能受损的一个原因是过程中的无意泄漏。

发明内容

本发明的一种实施方式包括流体控制设备，所述设备包括阀体、阀座、阀塞、阀笼和密封环。所述阀体包括入口孔和出口孔。所述阀座设置在所述阀体内并限定在所述入口孔和所述出口孔之间流体连通的开口。所述阀塞包括外部表面并能够在关闭位置和和打开位置之间移动。在所述关闭位置时，所述阀塞接合所述阀座并形成主密封。在所述打开位置时，所述阀塞离开所述阀座。所述阀笼设置在所述阀体内并包括内部表面，该内部表面尺寸适于接收所述阀塞，使得所述阀笼和所述阀塞之间的间隙限定泄漏路径。所公开实施方式的所述密封环具有大致L形横截面。所述密封环的至少一部分设置在所述间隙内，以在所述阀塞处于所述关闭位置时提供密封所述泄漏路径的辅助密封。

在至少一种实施方式中，所述密封环包括凸缘部分和弹性的密封带部分。所述凸缘部分紧固到阀笼和阀塞其中之一。所述弹性的密封带部分密封地接合所述阀笼的所述内部表面和所述阀塞的所述外部表面以在所述阀塞处于所述关闭位置时提供所述辅助密封。

附图说明

图1是根据本发明一种实施方式构造的流体控制设备的横截面侧视图；

图2是从图1中的圆圈II取得的图1所示流体控制设备的局部横截面侧视图；

图3是从图2中的圆圈III取得的图2所示流体控制设备的详细局部横截面侧视图，并示出了操作过程中设备的密封环的挠性本质。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的原理构造的控制阀10的一种实施方式。控制阀10一般包括阀体12、阀帽30、阀笼保持件18、阀笼20、密封环21(在图2中示出)、阀塞16和阀座14。阀体12限定入口孔22、出口孔24、和在入口孔22和出口孔24之间延伸的流体流动路径26。阀塞16耦接到阀杆28的端部，阀杆穿过阀帽30延伸并适配成耦接到致动器(未示出)。所述致动器控制阀塞16在关闭位置(在图1中示出)和打开位置(未示出)之间的位移，在所述关闭位置，阀塞与阀座14接合以限定主密封，而在所述打开位置，阀塞离开阀座14。密封环21在阀笼保持件18和阀笼20之间提供辅助密封。在所示实施方式中，密封环21包括横截面大致为L形的主体，如图2和3所示，并且以下将会详细描述。

继续参照图1，阀座14承载在阀体12的喉管部分32内，并限定与流体流动路径26流体连通的开口34。阀笼保持件18利用阀帽30夹紧到阀体12，阀帽利用多个紧固件36固定到阀体12。这样配置时，阀笼保持件18将阀笼20和阀座14夹紧到阀体12的喉管部分32中。

阀笼20包括大致为柱状的构件，所述构件限定多个与流体流动路径26流体连通的窗口42。此外，如图2所示，阀笼20包括抵靠阀座14支座的下肩部44以及接收阀笼保持件18和密封环21的一部分的上凹部46。具体来说，阀笼20的上凹部46接收阀笼保持件18的下肩部48，该下肩部将密封环21紧固到阀笼18。这样设置时，阀笼保持件18的内部表面37限定环状通道50。在所公开的实施方式中，环状通道50设置在阀笼保持件18和阀笼20之间并容纳密封环21的一部分。但是，在替代实施方式中，环状通道50可以由阀笼保持件18或阀笼20限定或者由它们两者限定。

如图3所示，阀笼20的上凹部46包括底部表面52和大致垂直于底部表面52设置的侧部表面54。阀笼保持件18的下肩部48限定底部表面56、外侧部表面58和内侧部表面60。外侧部表面58和内侧部表面60大致垂直于底部表面56设置。内侧部表面60限定环状通道50的外边界。另外，阀笼保持件18的下肩部48包括位于底部表面56和内侧部表面60之间的圆角62以及位于底部表面56和外侧部表面58之间的倒角64。

如图1所示，例如，所公开实施方式的阀塞16包括具有外部表面66和一对通孔68的平衡阀塞。通孔68与流体流动路径26和由阀笼保持件18的内部限定的腔70流体连通。因此，即使当阀塞处于关闭位置时(如图1所示)，阀体12内的压力也会在阀塞16两侧得到平衡。如图3所示，阀塞16的外部表面66包括多轮廓表面，所述多轮廓表面包括第一周界表面66a、第二周界表面66b、和设置在第一和第二周界表面66a、66b之间并连接两者的过渡表面66c。

如图2所示，第一周界表面66a包括第一直径D1，而第二周界表面66b包括第二直径D2。第二直径D2小于第一直径D1。过渡表面66c包括大致截头锥形表面，该截头锥形表面从第一周界表面66a向第二周界表面66b汇聚。过渡表面66c设置成与第二周界表面66b成σ角。σ角可以处于大约10度(10°)到大约80度(80°)的范围内，并且在一种实施方式中，大约为30度(30°)。

但是，在一种替代实施方式中，过渡表面66c可以包括圆整的圆头型表面。在另一种替代实施方式中，过渡表面66c可以包括垂直于第一和第二周界表面66a、66b的表面。这种配置不会与阀塞16的运动发生干涉，因为密封带部分78的腿部80a、80b如文中所述成角度地设置。因此，在阀塞16从打开位置移动到关闭位置时，例如阀塞16的处于第一周界表面66a和过渡表面66c之间的锐角部将接合密封带部分78的第二腿部80b。因此，阀塞16沿向下方向的进一步运动将压缩密封带部分78，直到第一周界表面66a接合峰部84为止。

回头参照图1，正如上述，阀塞16设置在阀笼保持件18内并适配成在关闭位置和一个或多个打开位置之间位移。因此，阀笼保持件18的内部表面37的尺寸和配置设计成不会与阀塞16的运动发生干涉。例如，如图2和3所示，阀笼保持件18的内部表面37包括直径D3，直径D3大于阀塞16外部表面66的第一和第二周界表面66a、66b的直径D1、D2。这样配置时，间隙74存在于阀笼保持件18和阀塞16之间，流体流动路径26和阀笼保持件18的腔70内的流体可以通过该间隙泄漏，特别是在阀塞16处于关闭位置时，从腔70到阀笼20的窗口42的泄漏。

因此，根据本发明原理构造的控制阀10包括密封环21以密封间隙74并防止泄露。如图3所示，密封环21包括一件式构件，所述一件式构件包括设置成大致彼此垂直的凸缘部分76和弹性密封带部分78，使得密封环30具有大致L形的横截面。在所公开的密封环21的实施方式中，凸缘部分76从密封带部分78大致径向向外延伸。如图3所示，凸缘部分76夹紧在阀笼20内的上凹部46的底部表面52和阀笼保持件18的下肩部48的底部表面56之间。此外，如图所示，密封带部分78容纳在阀笼保持件18的环状通道50内。

凸缘部分76包括大致平坦的环形盘。密封带部分78包括相对的第一和第二腿部80a、80b以及足部82。腿部80a、80b在峰部84处相会并包括相对于峰部84设置的各基部86a、86b。因此，腿部80a、80b限定密封环21的密封带部分78的大致V形横截面的部分。第一腿部80a的基部86a在挠性肩部部分88处连接到密封环21的凸缘部分76。第二腿部80b的基部86b在挠性肩部部分90处连接到足部82。这样配置时，密封环21的密封带部分78是弹性的并且在控制阀10操作的过程中能够在放松状态和压缩状态之间变形。

例如，在阀塞16处于打开位置(未示出)时，阀塞16从关闭位置向上位移，使得第二周界表面66b设置成靠近密封环21的密封带部分78。第二周界表面66b直径小于第一周界表面66a，因此与限定环状通道50的阀笼保持件18的下肩部48的内侧部表面60隔开得更远。因此，在阀塞16处于打开位置时，环状通道50具有更大的径向尺度，这允许密封带部分78处于放松状态，这种情形在图3中由虚线示出。

在放松状态下，密封带部分78可以完全放松或者可以因与第二周界表面66b接合而轻微压缩。但是，密封带部分78配置成不向第二周界表面66b施加力，或者仅施加非常少量的力。因此，密封环21的密封带部分78的峰部84与第二周界表面66b之间不存在摩擦，或者仅存在非常少量的摩擦。摩擦缺失使得阀塞16能够容易地在各个打开位置之间移动，每个打开位置包括与密封带部分78紧密靠近的第二周界表面66b。此外，摩擦缺失延长了密封环21的使用寿命，原因在于例如当阀塞16仅在阀笼保持件18内的不需要对间隙74进行密封的打开位置之间移动时，消除了密封环的峰部84上的不必要的磨损。

仍然参照图3，当密封带部分78处于放松状态时，第一腿部80a与密封环21的凸缘部分76分开的角度为α，腿部80a、80b分开的角度为β，而第二腿部80b与足部82分开的角度为γ。α角可以处于大约105度(105°)到大约125度(125°)的范围内，并且至少在一种实施方式中，大约为115度(115°)。β角可以处于大约110度(110°)到大约150度(150°)的范围内，并且至少在一种实施方式中，大约为130度(130°)。γ角可以处于大约145度(145°)到大约165度(165°)的范围内，并且至少在一种实施方式中，大约为155度(155°)。

在操作过程中，阀塞16向关闭位置(在图1-3中示出)移动，其中阀塞16抵靠阀座14密封，并且第一周界表面66a设置成靠近密封环21的密封带部分78。随着阀塞16相对于图3的取向向下移动，阀塞16的外部表面66的过渡部分66c滑过密封带部分78的峰部84并开始向压缩状态压缩密封带部分78。压缩状态由图3中的实线表示，并且在峰部84与第一周界表面66a接合时实现。过渡表面66c的成角度的截头锥形结构有助于密封带部分78的峰部84在第二周界表面66b和第一周界表面66a之间平稳过渡。如上所述，第一周界表面66a的直径D1大于第二周界表面66b的直径D2。因此，如上所述，当阀塞16处于关闭位置时，环状通道的径向尺度小于阀塞16处于打开位置时的情形。因此，密封环21的密封带部分78处于压缩状态。

在压缩状态下，各腿部80a、80b的基部86a、86b以及足部82密封地接合限定环状通道50的阀笼保持件18的下肩部48的内侧部表面60。此外，密封带部分78的峰部84密封地接合阀塞16的外部表面66的第一周界表面66a。这样配置时，密封带部分78密封阀塞16和阀笼保持件18之间的间隙74并防止流体通过该间隙泄漏。优选地，在压缩状态下，密封带部分78向阀塞16的第一周界表面66a和阀笼保持件18的内侧部表面60施加力，所述力足以防止阀体12和阀笼保持件18的腔70内的加压流体通过间隙74泄漏，即使在高温情况下，例如大于等于大约450°F(232.22℃)时也是如此。

在一种实施方式中，密封环21可以由金属构造，诸如Inconel X750(工业标号N07750)、718金属(工业标号N07718)或者任何能承受相对较高温度例如大于等于大约450°F(232.22℃)的其他合适材料。

如图所示，当密封带部分78处于压缩状态时，整个V形截面部分发生变形，即压平，使得第一腿部80a与凸缘部分76分开角度α′，腿部80a、80b分开角度β′，而第二腿部80b与足部82分开角度γ′。α′角可以处于大约95度(95°)到大约115度(115°)的范围内，并且至少在一种实施方式中，大约为105度(105°)。β′可以处于大约130度(130°)到大约170度(170°)的范围内，并且至少在一种实施方式中，大约为150度(150°)。γ′可以处于大约155度(155°)到大约175度(175°)的范围内，并且至少在一种实施方式中，大约为165度(165°)。

在控制阀10的进一步操作过程中，随着阀塞16返回打开位置，阀塞16从阀座14离开并相对于图1-3中阀体12的取向向上移动。密封环21的密封带部分78的峰部84沿着第一周界表面66a滑动，然后滑过过渡表面66c。在一种当阀塞16处于打开位置时峰部84保持轻微压缩状态的实施方式中，峰部84最终沿着第二周界表面66b滑动。但是，在当阀塞16处于打开位置时密封带部分78处于完全放松状态的替代实施方式中，峰部84可以根本不接触第二周界表面66b。

根据前述内容，应该理解根据文中所述实施方式构造的控制阀10和密封环21，在运动阀部件即所公开的控制阀10的阀塞16与静止阀部件即所公开控制阀10的阀笼保持件18之间，至少在运动阀部件处于关闭位置时，提供了可靠的流体密封。此外，根据文中所述实施方式构造的阀塞16的多轮廓表面的所述实施方式可以带来的优势是延长了密封环21的使用寿命，原因在于通过减少和/或消除密封带部分78和阀塞16的第二周界表面之间的摩擦而减少和/或消除了控制阀10打开时的磨损。

虽然图中示出并且文中描述了密封环21紧固到阀笼保持件18并且文中描述了阀塞16具有多轮廓表面，但是替代实施方式可以包括：密封环21紧固到阀塞16，而阀笼保持件18的内部表面37可以限定多轮廓表面，类似于共同持有的2005年2月8日授权的题为“控制阀内件和孔密封(Control Valve Trim and Bore Seal)”的美国专利No.6,851,658中公开的内容，该专利的所有内容通过引用并入本文。这样配置时，密封环21可以布置成使得凸缘部分76从密封带部分78向内径向延伸，与上述那样的向外径向延伸相反。此外，阀塞16可以限定环状通道，类似于文中公开的环状通道50，用于容纳密封环21的密封带部分78。而且，阀塞16可配备有例如可以设置在环状通道中的保持环或者一些其他紧固装置，用于将凸缘部分紧固到阀塞16。

此外，虽然文中公开了阀笼保持件18包括两件式夹紧的阀笼，但是本发明并不限于这种两件式构造。相反，文中公开的密封环21例如能够可替代地整合在具有一件式夹紧阀笼的控制阀中。利用这种一件式阀笼，环状通道50可以简单地形成在内部表面37上。此外，这种一件式阀笼可以包括环保持件或者一些其他紧固装置，用于将所公开的密封环21的凸缘部分76紧固到阀笼保持件18。

最后，虽然文中公开了大致为L形的密封环21包括横截面大致为V形的密封带部分78，但是替代实施方式可以包括替代的配置。例如，在一种替代实施方式中，密封环21的密封带部分78可以包括大致线性的竖直壁，所述竖直壁带有形成于其表面上的环状凸起。所述凸起可以适配成密封地接合文中所述实施方式的阀塞16的外部表面66，或者作为可选方案，密封地接合上述密封环21紧固到阀塞16的替代实施方式中的阀笼保持件18的内部表面37。

因此，根据前述内容，应该理解，本发明的控制阀10和密封环21并不限于文中公开的实施方式和示例，而是相反，本发明的控制阀和密封环期望由所附的权利要求书及其任何等同物的精神和范围限定。

Claims

1.一种流体控制设备，包括：

具有入口孔和出口孔的阀体；

设置在所述阀体内的阀座，所述阀座限定在所述入口孔和所述出口孔之间流体连通的开口；

具有外部表面并能够在关闭位置和打开位置之间移动的阀塞，在所述关闭位置，所述阀塞接合所述阀座并形成主密封，在所述打开位置，所述阀塞离开所述阀座；

设置在所述阀体内并具有内部表面的阀笼，所述内部表面的尺寸适于接收所述阀塞，其中所述阀笼和所述阀塞之间的间隙限定泄漏路径；以及

横截面大致为L形的密封环，当所述阀塞处于所述关闭位置时，所述密封环的至少一部分设置在所述间隙内以提供密封所述泄漏路径的辅助密封，所述密封环包括凸缘部分和弹性的密封带部分，

所述凸缘部分紧固到所述阀笼和所述阀塞其中之一，

当所述阀塞处于所述关闭位置时，所述弹性的密封带部分密封地接合所述阀笼的所述内部表面和所述阀塞的外部表面以提供所述辅助密封。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述凸缘部分设置成与所述弹性的密封带部分大致垂直。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述密封带部分包括大致V形横截面的部分，所述大致V形横截面的部分包括一对在峰部处相会的相对的腿部，每个腿部包括设置在所述峰部的相对两侧的基部。

4.如权利要求3所述的设备，其中，所述峰部密封地接合所述阀塞的所述外部表面，并且每个腿部的基部密封地接合所述阀笼的所述内部表面。

5.如权利要求1所述的设备，进一步包括由所述阀笼和所述阀塞其中之一限定的环状通道，所述环状通道容纳所述密封环的所述密封带部分的至少一部分。

6.如权利要求1所述的设备，其中，所述阀塞的所述外部表面包括第一周界表面、第二周界表面和设置在所述第一周界表面和所述第二周界表面之间的过渡表面，

所述第一周界表面包括第一直径，并且当所述阀塞处于所述关闭位置时设置得靠近所述阀笼以密封地接合所述密封环，从而密封所述泄漏路径，

所述第二周界表面包括小于所述第一直径的第二直径。

7.如权利要求1所述的设备，其中，所述阀笼包括两件式阀笼，所述两件式阀笼包括阀笼保持件和阀笼框架，使得所述密封环的所述凸缘部分固定在所述阀笼保持件和所述阀笼框架之间。

8.如权利要求1所述的设备，其中，所述密封环包括适于在至少大约450°F(232.22℃)的温度下操作的材料。

9.如权利要求8所述的设备，其中，所述密封环包括金属密封件。

10.一种流体控制设备，包括：

具有入口孔和出口孔的阀体；

设置在所述阀体内并具有内部表面的阀笼，所述内部表面的尺寸适于接收所述阀塞，其中所述阀笼和所述阀塞之间的间隙限定泄漏路径；

由所述阀塞的所述外部表面和所述阀笼的所述内部表面中的一个承载的多轮廓表面，所述多轮廓表面包括第一周界表面、第二周界表面和设置在所述第一周界表面和所述第二周界表面之间的过渡表面，所述第一周界表面设置成比所述第二周界表面更靠近所述阀塞的所述外部表面和所述阀笼的所述内部表面中的另一个，以及

密封环，所述密封环的至少一部分设置在所述间隙内以提供密封所述泄漏路径的辅助密封，所述密封环包括凸缘部分和弹性的密封带部分，

所述凸缘部分设置成垂直于阀杆的运动轴线并紧固到所述阀笼和所述阀塞其中之一，

所述弹性的密封带部分大致垂直于所述凸缘部分延伸，并且当所述阀塞处于所述关闭位置时密封地接合所述多轮廓表面的所述第一周界表面以提供所述辅助密封。

11.如权利要求10所述的设备，其中，所述密封环的所述密封带部分包括大致V形横截面的部分，所述大致V形横截面的部分包括一对在峰部处相会的相对的腿部，每个腿部包括设置在所述峰部的相对两侧的基部。

12.如权利要求11所述的设备，其中，所述峰部密封地接合所述阀塞的所述外部表面和所述阀笼的所述内部表面，并且每个基部密封地接合所述阀塞的所述外部表面和所述阀笼的所述内部表面中的另一个。

13.如权利要求10所述的设备，其中，所述多轮廓表面由所述阀塞的所述外部表面承载。

14.如权利要求13所述的设备，进一步包括由所述阀笼限定的环状通道，所述环状通道至少容纳所述密封环的所述密封带部分。

15.如权利要求13所述的设备，其中，所述阀笼包括两件式阀笼，所述两件式阀笼包括阀笼保持件和阀笼框架，使得所述密封环的所述凸缘部分固定在所述阀笼保持件和所述阀笼框架之间。

16.如权利要求10所述的设备，其中，所述密封环包括适于在至少大约450°F(232.22℃)的温度下操作的材料。

17.如权利要求16所述的设备，其中，所述密封环包括金属密封件。

18.一种流体控制设备，包括：

具有入口孔和出口孔的阀体；

设置在所述间隙内以提供密封所述泄漏路径的辅助密封的密封环，所述密封环包括凸缘部分和弹性的密封带部分，

所述凸缘部分紧固到所述阀笼，

所述弹性的密封带部分包括大致V形横截面的部分，所述大致V形横截面的部分包括一对在峰部处相会的相对的腿部，每个腿部包括与所述峰部相对设置的基部，当所述阀塞处于所述关闭位置时，所述峰部密封地接合所述阀塞的所述外部表面，并且所述基部密封地接合所述阀笼的所述内部表面。

19.如权利要求18所述的设备，进一步包括由所述阀塞的所述外部表面承载的多轮廓表面，所述多轮廓表面包括第一周界表面、第二周界表面和设置在所述第一周界表面和所述第二周界表面之间的过渡表面，所述第一周界表面具有第一直径，所述第二周界表面具有小于所述第一直径的第二直径，当所述阀塞处于所述关闭位置时，所述第一周界表面密封地接合所述密封环的所述弹性的密封带部分的所述峰部。

20.如权利要求19所述的设备，进一步包括由所述阀笼限定的环状通道，所述环状通道至少容纳所述密封环的所述密封带部分。

21.如权利要求19所述的设备，其中，所述阀笼包括两件式阀笼，所述两件式阀笼包括阀笼保持件和阀笼框架，使得所述密封环的所述凸缘部分固定在所述阀笼保持件和所述阀笼框架之间。

22.如权利要求19所述的设备，其中，所述密封环包括适于在至少大约450°F(232.22℃)的温度下操作的材料。

23.如权利要求19所述的设备，其中，所述密封环包括金属密封件。

24.一种适配成用于流体控制设备的密封环，所述流体控制设备包括：具有入口孔和出口孔的阀体；设置在所述阀体内的阀座，所述阀座限定在所述入口孔和所述出口孔之间流体连通的开口；具有外部表面并能够在关闭位置和打开位置之间沿着轴线移动的阀塞，在所述关闭位置，所述阀塞接合所述阀座并形成主密封，在所述打开位置，所述阀塞离开所述阀座；设置在所述阀体内并具有内部表面的阀笼，所述内部表面的尺寸适于接收所述阀塞，其中所述阀笼和所述阀塞之间的间隙限定泄漏路径；其中所述密封环设置在所述间隙内以提供辅助密封并包括：

横截面大致为L形的主体，所述主体包括凸缘部分和弹性的密封带部分，

所述凸缘部分横向于阀杆的运动轴线设置并紧固到所述阀笼和所述阀塞其中之一，

所述弹性的密封带部分大致垂直于所述凸缘部分延伸并包括大致V形横截面的部分，所述大致V形横截面的部分包括一对在峰部处相会的相对的腿部，每个腿部包括与所述峰部相对设置的基部，当所述阀塞处于所述关闭位置时，所述峰部适配成密封地接合所述阀笼和所述阀塞中的一个，而所述基部适配成密封地接合所述阀笼和所述阀塞中的另一个。