CN110056709A - 用于流体端应用的阀座和阀组件 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“用于流体端应用的阀座和阀组件”。在一个方面，本文描述了阀座，所述阀座的结构和设计解决了阀座在流体端中进行安装和操作期间遇到的退化应力。在一些实施方案中，用于流体端的阀座包括用于***所述流体端的流体通道中的第一节段以及从所述第一节段纵向延伸的第二节段，所述第二节段的外径大于所述第一节段的外径。所述第二节段还包括截头圆锥形阀配合表面，其中所述第二节段被包围在环中，从而将压缩应力条件赋予所述第二节段。

Description

用于流体端应用的阀座和阀组件
技术领域
本发明涉及用于流体端应用的阀座和阀组件，并且具体涉及包括烧结硬质碳化物部件的阀座。
背景技术
阀和相关的阀组件在高压泵的流体端中起着关键作用，所述高压泵在多个气缸中包含正排量活塞。由于阀体和阀座之间的高压和周期性冲击，阀的操作环境通常很严峻。这些严峻的操作条件会导致阀组件的过早出现故障和/或泄漏。此外，通过流体端并且接触阀组件的流体可包括来自水力压裂操作的高水平颗粒物质。在水力压裂中，在来自井的水压被释放之后，使用颗粒浆料来维持地质构造中的裂缝开口。在一些实施方案中，由于氧化铝相对于二氧化硅颗粒或砂具有较高的压缩强度，因此在浆料中使用氧化铝颗粒。颗粒浆料可对阀和阀座的接触表面产生显著的磨损。另外，浆料颗粒可陷入阀密封循环中，从而导致阀组件的性能进一步下降。
鉴于这些问题，已经用各种坚硬和耐磨的材料(包括硬质碳化物)来制成阀座。虽然碳化物阀座表现出高硬度和耐磨性，但是由于因安装和拆卸力、应用负载以及与流体端的压力配合在碳化物中引起的应力，碳化物阀座可能会偶尔发生灾难性故障。
发明内容
在一个方面，本文描述了阀座，所述阀座的结构和设计解决了阀座在流体端中进行安装和操作期间遇到的退化应力。在一些实施方案中，用于流体端的阀座包括用于***流体端的流体通道中的第一节段以及从第一节段纵向延伸的第二节段，第二节段的外径大于第一节段的外径。第二节段还包括截头圆锥形阀配合表面，其中第二节段被包围在环中，从而将压缩应力条件赋予第二节段。在一些实施方案中，第二节段至少部分地由烧结硬质碳化物形成。
在另一个方面，阀座包括用于***流体端的流体通道中的第一节段以及从第一节段纵向延伸的第二节段，第二节段的外径大于第一节段的外径。第二节段还包括截头圆锥形阀配合表面，其包括表面粗糙度(Ra)为1-15μm的烧结硬质碳化物。在一些实施方案中，阀配合表面的烧结硬质碳化物被设置为联接到金属或合金体的镶嵌环。在其他实施方案中，第二节段由烧结硬质碳化物形成。
在另一个方面，提供了用于流体端的阀组件。阀组件包括与阀座往复接触的阀，阀座包括用于***流体端的流体通道中的第一节段以及从第一节段纵向延伸的第二节段。第二节段的外径大于第一节段的外径，并且包括截头圆锥形阀配合表面。第二节段还被包围在环中，该环将压缩应力条件赋予第二节段。在一些实施方案中，第二节段任选地被包围在环中，并且阀配合表面包括表面粗糙度(Ra)为1-15μm的烧结硬质碳化物。在其他实施方案中，第二节段的截头圆锥形阀配合表面被设置为联接到金属或合金体的烧结硬质碳化物镶嵌件，其中烧结硬质碳化物的表面粗糙度(Ra)为1-15μm。
在另一个方面，描述了流体端。流体端包括吸入流体通道和排出流体通道。阀组件定位在吸入流体通道和排出流体通道中的至少一者中，阀组件包括与阀座往复接触的阀。阀座包括用于***吸入流体通道或排出流体通道中的第一节段以及从第一节段纵向延伸的第二节段。第二节段的外径大于第一节段的外径，并且包括截头圆锥形阀配合表面。第二节段被包围在环中，该环将压缩应力条件赋予第二节段。在一些实施方案中，第二节段任选地被包围在环中，并且阀配合表面包括表面粗糙度(Ra)为1-15μm的烧结硬质碳化物。在其他实施方案中，第二节段的截头圆锥形阀配合表面被设置为联接到金属或合金体的烧结硬质碳化物镶嵌件，其中烧结硬质碳化物的表面粗糙度(Ra)为1-15μm。
这些和其他实施方案在以下具体实施方式中进一步描述。
附图说明
图1为根据一些实施方案的阀座的横截面示意图。
图2为根据一些实施方案的阀座的横截面示意图。
图3为根据一些实施方案的阀座的底部平面图。
图4为根据一些实施方案的阀座的顶部平面图。
图5为根据一些实施方案的阀座的透视图。
图6为根据一些实施方案的阀座的侧正视图。
图7为根据一些实施方案的烧结硬质碳化物镶嵌件的横截面图。
图8为根据一些实施方案的阀座的横截面图，该阀座包括联接到合金体或壳体的烧结硬质碳化物镶嵌件。
具体实施方式
参考以下具体实施方式和示例以及前述和下述内容可更容易地理解本文所述的实施方案。然而，本文所述的元素、设备和方法并不限于具体实施方式和示例中所述的具体实施方案。应当认识到，这些实施方案仅示例性地说明本发明的原理。在不脱离本发明的实质和范围的情况下，多种修改和变更对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
在一个方面，本文描述了用于流体端应用的阀座。在一些实施方案中，阀座可减轻水力压裂应用的严峻操作条件，从而延长寿命并且减少突发的阀座故障。现在参考图1，阀座10包括用于***流体端的流体通道中的第一节段11。在图1的实施方案中，第一节段11包括锥形外表面12以及大致平行于座10的纵向轴线14的内表面13。在一些实施方案中，内表面13可也是锥形的。锥形外表面12可呈现第一节段11的可变外径D1。或者，第一节段11的外表面12不是锥形的并且保持平行于纵向轴线14。在此类实施方案中，第一节段11具有静态外径D1。第一节段的外表面12可还包括用于接收O形环的一个或多个凹陷部15。一个或多个O形环可有助于与流体通道壁密封。
第二节段16从第一节段11纵向延伸。第二节段的外径D2大于第一节段11的外径D1。肩部17由第二节段16的较大外径D2形成。在图1的实施方案中，肩部表面17a大致垂直于阀座10的纵向轴线14。在其他实施方案中，肩部表面17a可成锥形和/或与纵向轴线形成值为5-70度的角度。肩部17的设计可根据若干考虑因素进行选择，包括但不限于流体通道的入口几何形状和阀座在操作时所经受的压力。在一些实施方案中，例如，肩部的锥度可根据与肩部接合的流体通道入口的曲率进行设定。第一节段11在弯曲交叉处18处过渡到第二节段16。该弯曲交叉处可具有任何所需的半径。在一些实施方案中，弯曲交叉处的半径可为肩部的宽度的0.05至0.5倍。在其他实施方案中，第一节段和第二节段之间不存在弯曲过渡。
第二节段16还包括截头圆锥形阀配合表面20，其中第二节段16被环19包围。在图1的实施方案中，环19以同心布置联接到第二节段16的外表面。环19将压缩应力条件赋予第二节段16。通过将第二节段16置于压缩应力中，当将第一节段11压力配合到流体端的流体通道中时，环19可有助于平衡或均衡第一节段11和第二节段16之间的应力。压缩应力条件还可抑制第二节段16中的裂缝形成和/或传播，从而延长阀座的寿命并且减少突发或灾难性阀座故障的发生。压缩应力条件可还使得能够在第二节段16中使用更硬和更脆的材料，诸如形成阀配合表面的更硬和更耐磨等级的硬质碳化物。
在图1的实施方案中，环19与第二节段16的外表面或周边形成平面界面。在其他实施方案中，环19可包括驻留在环19的内部环形表面上的一个或多个突起或凸缘。内部环形表面上的突起或凸缘可沿第二节段16的周边装配到凹陷部或凹槽中。这种结构布置可有助于在环19和第二节段16之间适当接合。这种结构布置还可有助于在操作流体端期间将第二节段16保持在环19内。在另一个实施方案中，第二节段16可包括一个或多个凸缘的突起，用于接合环19的内部环形表面中的一个或多个凹陷部。
图2为示出本文所述的阀座的另一个实施方案的示意图。图2的阀座包括图1所示的相同的结构特征。但图2中的环19至少部分地覆盖肩部17。例如，环19可设置有径向凸缘19a，用于连接第二节段16的肩部17。在一些实施方案中，环19完全覆盖肩部17。图3为具有图2的架构的阀座的透视图。如图3所示，环19联接到第二节段的周边并且部分地覆盖肩部17。图4为具有图2的架构的阀座的另一透视图。截头圆锥形阀配合表面20过渡到阀座10的孔21中。环19包围第二节段16，从而将压缩应力条件赋予第二节段16。相应地，将压缩应力条件赋予阀配合表面20，这可有助于抵抗配合表面20中的裂缝形成和/或裂缝传播。图3和图4分别示出了图2的阀座的底部和顶部平面图。此外，图5示出了图2的阀座的透视图。图6示出了根据一些实施方案的阀座的侧正视图，其中在第一节段11和第二节段16之间不存在弯曲交叉处。
如本文所述，阀座可包括烧结硬质碳化物。在一些实施方案中，阀座的第一节段和第二节段各自由烧结硬质碳化物形成。或者，第一节段可由金属或合金(诸如钢或钴基合金)形成，而第二节段由烧结硬质碳化物形成。形成烧结硬质碳化物的第二节段可相对于其他材料(诸如钢)将硬度和耐磨性赋予阀配合表面。
在一些实施方案中，第二节段由包括烧结硬质碳化物和合金的复合材料形成。例如，可将烧结硬质碳化物镶嵌件联接到钢基材上，其中烧结硬质碳化物镶嵌件形成阀配合表面的一部分或全部，而钢基材形成第二节段的其余部分。在此类实施方案中，烧结碳化物镶嵌件可径向延伸以接触包围第二节段的环，从而允许环将压缩应力条件赋予烧结碳化物镶嵌件。在其他实施方案中，钢或合金基材包括凹陷部，烧结碳化物镶嵌件定位在该凹陷部中。在该实施方案中，凹陷部的外边缘定位在烧结碳化物镶嵌件和环之间，其中由环赋予的压缩应力通过外边缘传递到烧结碳化物镶嵌件。
阀座的烧结硬质碳化物可包含碳化钨(WC)。WC可以至少70重量％的量或以至少80重量％的量存在于烧结碳化物中。另外，烧结碳化物的金属粘结剂可包含钴或钴合金。例如，钴可以3重量％至20重量％范围内的量存在于烧结硬质碳化物中。在一些实施方案中，钴以5-12重量％或6-10重量％范围内的量存在于阀座的烧结硬质碳化物中。此外，烧结硬质碳化物阀座可具有粘结剂富集的区域，该区域始于基材表面并且从基材表面向内延伸。阀座的烧结硬质碳化物可还包含一种或多种添加剂，诸如，例如以下元素和/或其化合物中的一种或多种：钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪。在一些实施方案中，钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪与烧结硬质碳化物的WC形成固溶体碳化物。在此类实施方案中，烧结碳化物可以0.1-5重量％范围内的量包含一种或多种固溶体碳化物。
在一些实施方案中，可使用单一等级的烧结硬质碳化物来形成阀座的第一节段和第二节段。在其他实施方案中，在第一节段和第二节段的烧结硬质碳化物之间可存在一个或多个组成梯度。例如，第一节段的烧结硬质碳化物可具有较大的平均晶粒尺寸和/或较高的金属粘结剂含量以增加韧性。相反，第二节段的烧结硬质碳化物可具有较小的平均晶粒尺寸和较少的粘结剂以增强硬度和耐磨性。另外，在阀座的第一节段和/或第二节段内可存在组成梯度。在一些实施方案中，形成阀配合表面的烧结硬质碳化物包括较小的平均晶粒尺寸和较低的金属粘结剂含量以增强硬度和耐磨性。随着远离阀配合表面进展，第二节段的烧结硬质碳化物组合物可增加晶粒尺寸和/或粘结剂含量，以增强韧性和抗断裂性。在一些实施方案中，例如，高硬度和高耐磨性的烧结硬质碳化物可在第二节段中延伸至50μm-1mm或75-500μm的深度。一旦达到所需的深度，烧结硬质碳化物组合物就变成更坚韧的抗断裂组合物。
在一些实施方案中，当阀配合表面由烧结硬质碳化物形成时，烧结硬质碳化物的表面粗糙度(Ra)可为1-15μm。烧结硬质碳化物的表面粗糙度(Ra)可也为5-10μm。形成阀配合表面的烧结硬质碳化物的表面粗糙度可通过机械加工(包括但不限于研磨和/或喷砂技术)获得。此外，形成阀座的第二节段(包括阀配合表面)的烧结硬质碳化物可表现出至少500MPa的压缩应力条件。在一些实施方案中，形成第二节段的烧结硬质碳化物可具有选自表I的压缩应力条件。
表I-烧结硬质碳化物压缩应力(GPa)
≥1
≥1.5
≥2
0.5-3
1-2.5
烧结硬质碳化物的压缩应力条件可以是由包围第二节段的环赋予的压缩和/或对烧结硬质碳化物进行机械加工以提供具有所需表面粗糙度的阀配合表面而造成的。烧结硬质碳化物的压缩应力可根据Sin2ψ方法通过X射线衍射确定。阀座的烧结硬质碳化物可还表现出88-94HRA的硬度。
包围第二节段的环可由任何合适的材料形成，该材料可操作以将压缩应力条件赋予第二节段。在一些实施方案中，环由金属或合金(诸如钢)形成。环可也由陶瓷或金属陶瓷形成。
在另一个方面，阀座包括用于***流体端的流体通道中的第一节段以及从第一节段纵向延伸的第二节段，第二节段的外径大于第一节段的外径。第二节段还包括截头圆锥形阀配合表面，其包括表面粗糙度(Ra)为1-15μm的烧结硬质碳化物。阀座的第二节段可任选地被如本文所述的环包围。
或者，截头圆锥形阀配合表面可被设置为联接到金属或合金体的烧结硬质碳化物镶嵌件，其中烧结硬质碳化物的表面粗糙度(Ra)为1-15μm。图7示出了根据一些实施方案的烧结硬质碳化物镶嵌件。烧结硬质碳化物镶嵌件70包括截头圆锥形阀配合表面71。形成镶嵌件70的烧结硬质碳化物可具有上述任何组成和/或性质。烧结硬质碳化物镶嵌件可联接到金属或合金体或者壳体。金属或合金体可形成阀座的第一节段以及第二节段的一部分。图8为根据一些实施方案的阀座的横截面图，该阀座包括联接到合金体或壳体的烧结硬质碳化物镶嵌件。在图8的实施方案中，合金体82形成阀座80的第一节段81，用于***流体端的流体通道中。合金体82还形成第二节段86的一部分并且限定凹陷部83，烧结硬质碳化物镶嵌件70定位在该凹陷部中。如图7所示，烧结硬质碳化物镶嵌件70包括截头圆锥形阀配合表面71，其表面粗糙度(Ra)为1-15μm。在一些实施方案中，阀配合表面71的Ra为5-10μm。烧结硬质碳化物镶嵌件70可通过任何所需的手段(包括钎焊、烧结、热等静压和/或压力配合)联接到合金体82。在一些实施方案中，第二节段86中的合金体的内部环形表面包括一个或多个突起，用于接合烧结硬质碳化物镶嵌件70的周边上的凹槽。在一些实施方案中，合金体82可将压缩应力条件赋予烧结硬质碳化物镶嵌件70。在一些实施方案中，烧结硬质碳化物镶嵌件70例如可表现出具有选自上表I的值的压缩应力。合金体82可由任何所需的合金形成，包括但不限于钢和钴基合金。合金体82还提供第二节段86的一部分，其外径D2大于第一节段81的外径D1。在一些实施方案中，外径D1可随第一节段81的外表面84的锥度而变化。在第一节段81和第二节段86的过渡处存在弯曲交叉处88。另外，第二节段86的较大外径D2产生肩部87。肩部87可具有如本文在图1至图2中所述的构造。
在另一个方面，提供了用于流体端的阀组件。阀组件包括与阀座往复接触的阀，阀座包括用于***流体端的流体通道中的第一节段以及从第一节段纵向延伸的第二节段。第二节段的外径大于第一节段的外径，并且包括截头圆锥形阀配合表面。第二节段还被包围在环中，该环将压缩应力条件赋予第二节段。在一些实施方案中，第二节段任选地被包围在环中，并且阀配合表面包括表面粗糙度(Ra)为1-15μm的烧结硬质碳化物。在其他实施方案中，第二节段的截头圆锥形阀配合表面被设置为联接到金属或合金体的烧结硬质碳化物镶嵌件，其中烧结硬质碳化物的表面粗糙度(Ra)为1-15μm。在一些实施方案中，金属或合金体形成阀座的第一部分并且为第二部分中的烧结硬质碳化物镶嵌件提供凹陷部。阀座可具有本文所述的任何特征、组成和/或性质。
在另一个方面，描述了流体端。流体端包括吸入流体通道和排出流体通道。阀组件定位在吸入流体通道和排出流体通道中的至少一者中，阀组件包括与阀座往复接触的阀。阀座包括用于***吸入流体通道或排出流体通道中的第一节段以及从第一节段纵向延伸的第二节段。第二节段的外径大于第一节段的外径，并且包括截头圆锥形阀配合表面。第二节段被包围在环中，该环将压缩应力条件赋予第二节段。在一些实施方案中，第二节段任选地被包围在环中，并且阀配合表面包括表面粗糙度(Ra)为1-15μm的烧结硬质碳化物。在其他实施方案中，第二节段的截头圆锥形阀配合表面被设置为联接到金属或合金体的烧结硬质碳化物镶嵌件，其中烧结硬质碳化物的表面粗糙度(Ra)为1-15μm。在一些实施方案中，金属或合金体形成阀座的第一部分并且为第二部分中的烧结硬质碳化物镶嵌件提供凹陷部。阀座可具有本文所述的任何特征、组成和/或性质。在一些实施方案中，第一节段的压缩应力条件基本上等于第二节段的压缩应力条件。在基本上相等的情况下，第一节段和第二节段的压缩应力条件在彼此的10％之内。
针对实现本发明多个目的，已描述了本发明的多个实施方案。应当认识到，这些实施方案仅示例性地说明本发明的原理。在不脱离本发明的实质和范围的情况下，其多种修改和变更对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

Claims (25)

1.一种用于流体端的阀座，包括：
第一节段，所述第一节段用于***所述流体端的流体通道中；和
第二节段，所述第二节段从所述第一节段纵向延伸，所述第二节段的外径大于所述第一节段的外径并且包括截头圆锥形阀配合表面，其中所述第二节段被包围在环中，从而将压缩应力条件赋予所述第二节段。
2.根据权利要求1所述的阀座，其中所述环具有与所述第二节段的外表面同心的布置。
3.根据权利要求1所述的阀座，其中所述环包括金属或合金。
4.根据权利要求1所述的阀座，其中所述环位于所述截头圆锥形阀配合表面的外部。
5.根据权利要求1所述的阀座，其中所述第二节段包括烧结硬质碳化物。
6.根据权利要求1所述的阀座，还包括所述第一节段和所述第二节段之间的肩部。
7.根据权利要求6所述的阀座，其中所述环至少部分地覆盖所述肩部。
8.根据权利要求5所述的阀座，其中所述烧结硬质碳化物的压缩残余应力为至少1GPa。
9.根据权利要求5所述的阀座，其中所述第一节段包括所述烧结硬质碳化物。
10.根据权利要求5所述的阀座，其中所述阀座配合表面至少部分地由所述烧结硬质碳化物形成。
11.根据权利要求10所述的阀座，其中所述阀配合表面的所述烧结硬质碳化物被机械加工。
12.根据权利要求11所述的阀座，其中所述阀配合表面的所述烧结硬质碳化物的平均表面粗糙度Ra为1-15μm。
13.根据权利要求10所述的阀座，其中所述阀配合表面的所述烧结硬质碳化物为镶嵌环的形式。
14.根据权利要求1所述的阀座，其中所述第一节段和所述第二节段由不同组成的烧结硬质碳化物形成。
15.根据权利要求1所述的阀座，其中所述第二节段由具有沿所述第二节段的厚度的组成梯度的烧结硬质碳化物形成。
16.根据权利要求1所述的阀座，其中所述第一节段由金属或合金形成，而所述第二节段由烧结硬质碳化物形成。
17.根据权利要求14所述的阀座，其中所述第二节段的所述烧结硬质碳化物具有比所述第一节段的所述烧结硬质碳化物更高的硬度和/或耐磨性。
18.一种用于流体端的阀组件，包括：
阀，所述阀与阀座往复接触，所述阀座包括用于***所述流体端的流体通道中的第一节段以及从所述第一节段纵向延伸的第二节段，所述第二节段的外径大于所述第一节段的外径并且包括截头圆锥形阀配合表面，其中所述第二节段被包围在环中，从而将压缩应力条件赋予所述第二节段。
19.根据权利要求18所述的阀组件，其中所述第一节段和所述第二节段包括烧结硬质碳化物。
20.根据权利要求18所述的阀组件，其中所述第一节段由金属或合金形成，而所述第二节段由烧结硬质碳化物形成。
21.根据权利要求18所述的阀组件，其中所述环具有与所述第二节段的外表面同心的布置。
22.一种流体端，包括：
吸入流体通道和排出流体通道；以及
阀组件，所述阀组件在所述吸入流体通道和所述排出流体通道中的至少一者中，所述阀组件包括与阀座往复接触的阀，所述阀座包括用于***所述吸入流体通道或所述排出流体通道中的第一节段以及从所述第一节段纵向延伸的第二节段，所述第二节段的外径大于所述第一节段的外径并且包括截头圆锥形阀配合表面，其中所述第二节段被包围在环中，从而将压缩应力条件赋予所述第二节段。
23.根据权利要求22所述的流体端，其中所述第二节段的所述压缩应力条件基本上等于所述第一节段的压缩应力条件。
24.根据权利要求22所述的流体端，其中所述第一节段和所述第二节段包括烧结硬质碳化物。
25.根据权利要求22所述的流体端，其中所述第二节段由烧结硬质碳化物形成，并且所述阀配合表面的表面粗糙度(Ra)为1-15μm。
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