CN111734840B - 具有备胎阀座的固定球阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有备胎阀座的固定球阀，属于球阀的制造技术领域。本发明为球体每一侧主阀座配备了一个备胎阀座，以使每一侧阀座具备冗余能力，从而使得阀门的阀座密封性能具有更长效的使用寿命。启动备胎阀座后，在每次开关操作阀门之前，先把驱动装置的气缸压力通过泄压口针阀泄放至大气中，这时备胎阀座在阀腔内介质的压力作用下被推离球体。因此，在开关操作阀门的过程中，球体不会对备胎阀座的密封材料产生磨损效应；同时，备胎阀座也不会对球体产生摩擦阻力，从而大幅减少了阀门的操作扭矩。同时，内置式气‑液联动驱动装置结构紧凑，在不使用外部气源的情况下，就能实现备胎阀座的密封作用。

Description

具有备胎阀座的固定球阀
技术领域
本发明涉及一种具有备胎阀座的固定球阀，属于球阀的制造技术领域。
背景技术
在天然气管道项目中，会要求阀门具有与管道相同的设计寿命(一般在30年以上)，特别是与管道焊接连接并随管道一起埋于地下的全焊接固定球阀更是要求如此。然而，在此工况下所要求的阀座密封材料往往是塑料或橡胶。按阀座数量分，现有的固定球阀有以下两种形式：
阀门一，在球体上游侧和下游侧各有一个阀座(见图1)；
阀门二，在球体上游侧和下游侧各有两个阀座(见图2)。
对于这两种阀门而言，其阀座的密封原理是：依靠阀门内部介质压力推动阀座紧贴球体表面实现密封。具体来讲就是：不论阀门是处于开位，还是处于关位，只要阀门内部有介质压力存在，球体两侧的阀座就会始终紧贴球体表面。
对阀门一和阀门二而言，在每次开关阀门的过程中都会存在介质压力对阀座产生的推力(注：只要阀座密封材料的密封性能完好，该推力就会一直存在；当阀座密封材料因过度磨损而发生泄漏时，该推力就会消失，这也是阀门密封发生泄漏的主要原因)，此推力作用在球体上就会产生摩擦阻力阻碍对阀门的操作，所以每次操作阀门都会对阀座密封材料产生磨损效应。因此，相同规格的阀门一和阀门二，它们的阀座密封寿命是相差不大的。与阀门一相比，由于阀门二的每侧都有两个阀座同时起密封作用，所以阀门二的密封性能比阀门一的要好；但是这也导致了阀门二的阀座对球体的摩擦阻力是远远大于阀门一的，使得阀门二的操作扭矩远远大于阀门一的操作扭矩，也就是说：操作阀门二所需要的执行器成本远远大于操作阀门一所需要的执行器成本。所以，怎样使阀门的阀座密封性能具有长效的寿命，又不会增加阀门执行器的成本就显得尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有备胎阀座的固定球阀，以使得该固定球阀具有更长效的使用寿命，而且在启用备胎阀座后，阀门的操作扭矩是大幅减小的。
为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：具有备胎阀座的固定球阀，包括球体与阀体，阀体具有与球体相适配的安装腔体，该安装腔体在球体的上游侧和下游侧各布置有一个主阀座,阀体在球体的上游侧或者下游侧布置有备胎阀座，或者在球体的上游侧和下游侧分别布置有备胎阀座；优选为在球体的上游侧和下游侧分别布置有备胎阀座。
上游侧的备胎阀座和下游侧的备胎阀座具有相同的安装结构，该安装结构为：以阀体的流道中心线作为参照物，阀体在主阀座的外侧设置有备胎阀座环形安装槽，备胎阀座滑动安装在备胎阀座环形安装槽内；备胎阀座的内圆面与备胎阀座环形安装槽的侧壁之间、备胎阀座的外圆面与备胎阀座环形安装槽的侧壁之间均形成密封结构，备胎阀座远离球体的一端的端面与备胎阀座环形安装槽组合构成压力腔，该压力腔配设有压力调节结构，该压力调节结构使得备胎阀座具有与球体不接触的第一状态，以及与球体接触形成密封结构的第二状态。
进一步的是：压力调节结构包括设置在阀体上的活塞缸，活塞缸与阀体为一体式结构，活塞缸的内端通过连接孔连通备胎阀座尾端的压力腔，活塞缸的外端通过压盖进行封闭；活塞缸靠近压盖的这一端设置为外端大、内端小的台阶孔，该台阶孔配设有台阶状活塞轴，活塞轴的大端外圆和台阶孔的大端活塞孔内壁之间、活塞轴的小端外圆和台阶孔的小端活塞孔内壁之间分别形成密封结构；
活塞轴小端端面一侧的活塞缸内腔、备胎阀座尾端的压力腔以及这两者之间的连接孔组合构成液压驱动腔，液压驱动腔内充满液压油；
活塞轴大端一侧的活塞缸内腔为外部驱动腔，压盖上设置有进压口和泄压口，进压口配设有用于控制进压口启闭的进压口针阀，泄压口配设有用于控制泄压口启闭的泄压口针阀，进压口通过引压管连通阀体内部的流道；
对于上游侧的备胎阀座，该侧对应的引压管连通阀体内部的上游流道；
对于下游侧的备胎阀座，该侧对应的引压管连通阀体内部的下游流道。
本发明中的固定球阀一般应用于天然气管道，上述的活塞轴大端一侧的活塞缸内腔即为气缸结构，备胎阀座的压力调节结构可概括为内置式气-液联动驱动装置，在不使用外部气源的情况下，就能实现备胎阀座的密封作用。
进一步的是：台阶孔的大端活塞孔内壁在靠近小端活塞孔口的位置处设置有直通大气的呼吸孔。
进一步的是：台阶孔的大端活塞孔内壁在活塞轴大端侧设置有用于限制活塞轴行程的限位块，限位块通过压在端盖下方的四开环与阀体连接，限位块的中心有一个带局部螺纹的通孔。
进一步的是：压盖通过螺栓与阀体连接，压盖伸入阀体的一端设置有O形圈进行密封。
进一步的是：活塞轴的大端外圆和台阶孔的大端活塞孔内壁之间、活塞轴的小端外圆和台阶孔的小端活塞孔内壁之间分别设置有O形圈。
进一步的是：活塞轴的大端外圆半径设定为rd，活塞轴的小端外圆半径设定为rx，根据公式
Figure BDA0002571161500000031
计算得到压力调节结构的增压系数K，增压系数K的取值设定为1.5～2.5。
进一步的是：备胎阀座远离球体的一端的截面为圆环形,其外环半径设定为R1，内环半径设定为R2，活塞轴的行程设定为L,活塞轴的小端外圆半径设定为rx，备胎阀座的移动行程设定为x，x根据如下公式计算得到：
Figure BDA0002571161500000032
进一步的是：备胎阀座环形安装槽的截面为圆环形,其外环半径设定为R1，内环半径设定为R2，活塞轴的行程设定为L,台阶孔的小端活塞孔半径设定为rx，备胎阀座的移动行程设定为x，x根据如下公式计算得到：
Figure BDA0002571161500000033
进一步的是：备胎阀座包括金属圆环和阀座密封圈；阀座密封圈为塑料或橡胶材质；
金属圆环的外圆柱面上设置有外侧O形圈，金属圆环的内圆柱面上设置有内侧O形圈；
金属圆环在朝向球体的一侧设置有与球体相适配的锥面，阀座密封圈装配在该锥面上。
进一步的是：金属圆环的外圆柱面上设置有两道外侧O形圈，并且金属圆环的外圆柱面在两道外侧O形圈之间的位置设置有环形凹槽；在环形凹槽的底表面间隔布置有连通至金属圆环内圆柱面的若干通孔；阀体设置有用于注射密封脂至上述环形凹槽和若干通孔的通道。
本发明的有益效果是：为球体每一侧主阀座配备了一个备胎阀座，以使每一侧阀座具备冗余能力，从而使得阀门的阀座密封性能具有更长效的使用寿命。这种冗余能力表现为：(1)在阀门没有发生泄漏时，各备胎阀座和球体之间是不接触的，此时的备胎阀座不会介入密封工作，也不会发生球体对备胎阀座密封材料的磨损效应；(2)当阀门上游主阀座和下游主阀座发生不可修复的泄漏时，启动阀门上游侧的内置式气-液联动驱动装置驱动上游侧备胎阀座，使之贴紧球体实现密封。(3)在上游备胎阀座发生泄漏时，可利用上游备胎阀座上布置的环形凹槽和若干通孔，通过外置注脂阀对其注射密封脂进行密封性能修复。(4)当上游备胎阀座发生不可修复的泄漏时，再启动阀门下游侧的内置式气-液联动驱动装置驱动下游侧备胎阀座，使之贴紧球体以实现再次密封。(5)在下游备胎阀座发生泄漏时，可利用下游备胎阀座上布置的环形凹槽和若干通孔，通过外置注脂阀对其注射密封脂进行密封性能修复。以上措施可以大大提升阀座密封性能的冗余能力。
启动备胎阀座后，在每次开关操作阀门之前，先把驱动装置的气缸压力通过泄压口针阀泄放至大气中，这时备胎阀座在阀腔内介质的压力作用下被推离球体。因此，在开关操作阀门的过程中，球体不会对备胎阀座的密封材料产生磨损效应；同时，备胎阀座也不会对球体产生摩擦阻力，从而大幅减少了阀门的操作扭矩。在开关操作阀门完成之后，再关闭泄压口针阀，打开进压口针阀，以使得阀门流道内的介质进入气缸，驱动备胎阀座紧贴球体以实现密封。当密封到位后，最后可关闭进压口针阀，以使得驱动装置处于保压状态。
由上述工作方式可知，本发明极大地延长了阀门的使用寿命，并在启动备胎阀座后，极大地减小了阀门的操作扭矩；同时，内置式气-液联动驱动装置结构紧凑，在不使用外部气源的情况下，就能实现备胎阀座的密封作用。
附图说明
图1是现有阀门一的阀座结构示意图(球体上游侧和下游侧各有一个阀座)；
图2是现有阀门二的阀座结构示意图(球体上游侧和下游侧各有两个阀座)；
图3是本发明中的阀门整体结构示意图；
图4是图3中的A处局部放大图；
图5是本发明中的备胎阀座结构示意图；
图6是本发明中的内置式气-液联动驱动装置(未启用状态)示意图；
图7是本发明中的内置式气-液联动驱动装置(启用状态)示意图。
图中标记为：主阀座1、备胎阀座2、金属圆环21、阀座密封圈22、外侧O形圈23、内侧O形圈24、锥面25、环形凹槽26、通孔27、内置式气-液联动驱动装置3、活塞轴31、限位块32、四开环33、端盖34、压盖35、泄压口针阀36、进压口针阀37、备胎阀座环形安装槽38、呼吸孔39、球体4、阀体5、引压管6。
具体实施方式
为便于理解和实施本发明，选本发明的优选实施例结合附图作进一步说明。
如图3至图7所示，本发明包括球体4与阀体5，阀体5具有与球体4相适配的安装腔体，该安装腔体在球体4的上游侧和下游侧各布置有一个主阀座1,主阀座1按照现有常规技术实施即可，主阀座1的外圆一般采用台阶面结构，并在外圆面配设有O形圈，主阀座1朝向球体4的一端设置阀座密封圈，主阀座1背向球体4的一端与阀体5之间设置调节弹簧，实施时，依靠阀门内部介质压力推动主阀座1紧贴球体4表面实现密封。本发明中的阀体5在球体4的上游侧或者下游侧布置有备胎阀座2，或者在球体4的上游侧和下游侧分别布置有备胎阀座2；优选为在球体4的上游侧和下游侧分别布置有备胎阀座2。
上游侧的备胎阀座2和下游侧的备胎阀座2具有相同的安装结构，该安装结构为：以阀体5的流道中心线作为参照物，阀体5在主阀座1的外侧设置有备胎阀座环形安装槽38，备胎阀座2滑动安装在备胎阀座环形安装槽38内；备胎阀座2的内圆面与备胎阀座环形安装槽38的侧壁之间、备胎阀座2的外圆面与备胎阀座环形安装槽38的侧壁之间均形成密封结构，备胎阀座2远离球体4的一端的端面与备胎阀座环形安装槽38组合构成压力腔，该压力腔配设有压力调节结构，该压力调节结构使得备胎阀座2具有与球体4不接触的第一状态，以及与球体4接触形成密封结构的第二状态。上述压力调节结构可通过液压驱动、气压驱动、气-液联动驱动等方式实现。
为方便实施，本发明特别提出了一种气-液联动驱动的方式，具体结构如下：压力调节结构包括设置在阀体5上的活塞缸，活塞缸与阀体5为一体式结构，活塞缸的内端通过连接孔连通备胎阀座2尾端的压力腔，活塞缸的外端通过压盖35进行封闭；活塞缸靠近压盖35的这一端设置为外端大、内端小的台阶孔，该台阶孔配设有台阶状活塞轴31，活塞轴31的大端外圆和台阶孔的大端活塞孔内壁之间、活塞轴31的小端外圆和台阶孔的小端活塞孔内壁之间分别形成密封结构；活塞轴31小端端面一侧的活塞缸内腔、备胎阀座2尾端的压力腔以及这两者之间的连接孔组合构成液压驱动腔，液压驱动腔内充满液压油；活塞轴31大端一侧的活塞缸内腔为外部驱动腔，压盖35上设置有进压口和泄压口，进压口配设有用于控制进压口启闭的进压口针阀37，泄压口配设有用于控制泄压口启闭的泄压口针阀38，进压口通过引压管6连通阀体5内部的流道；对于上游侧的备胎阀座2，该侧对应的引压管6连通阀体5内部的上游流道；对于下游侧的备胎阀座2，该侧对应的引压管6连通阀体5内部的下游流道。本发明中的固定球阀一般应用于天然气管道，上述的活塞轴31大端一侧的活塞缸内腔即为气缸结构，备胎阀座2的压力调节结构可概括为内置式气-液联动驱动装置3，在不使用外部气源的情况下，就能实现备胎阀座2的密封作用。本发明中的阀门为其上游和下游主阀座1各设置了一个备胎阀座2；并为每个备胎阀座2设置了一个内置式气-液联动驱动装置3，用于在两个主阀座1均发生不可修复的泄漏时，驱动相应的备胎阀座2完成阀门的密封要求。
台阶孔的大端活塞孔内壁在靠近小端活塞孔口的位置处设置有直通大气的呼吸孔39。该呼吸孔39用于在活塞运动时排出大端活塞孔中的空气，使活塞轴31可以完成设计行程的运动。
为便于装配以及控制活塞轴31的行程，台阶孔的大端活塞孔内壁在活塞轴31大端侧设置了限制活塞轴31行程的限位块32，限位块32通过压在端盖34下方的四开环33与阀体5连接，限位块32的中心有一个带局部螺纹的通孔。为便于装配，同时有效保证密封效果，压盖35通过螺栓与阀体5连接，压盖35伸入阀体5的一端设置有O形圈进行密封。为便于装配，同时有效保证密封效果，活塞轴31的大端外圆和台阶孔的大端活塞孔内壁之间、活塞轴31的小端外圆和台阶孔的小端活塞孔内壁之间分别设置有O形圈。
为使得结构简单可靠，备胎阀座2包括金属圆环21和阀座密封圈22；阀座密封圈22为塑料或橡胶材质；金属圆环21的外圆柱面上设置有外侧O形圈23，金属圆环21的内圆柱面上设置有内侧O形圈24；金属圆环21在朝向球体4的一侧设置有与球体4相适配的锥面25，阀座密封圈22装配在该锥面25上。
本发明在实施时，当阀门的两个主阀座1之一的密封性能完好时，备胎阀座2在阀腔内压力作用下被推离球体4而不起密封作用。此时，内置式气-液联动驱动装置3的进压口针阀37处于关闭状态，同时泄压口针阀36处于打开状态，也就是说，此时内置式气-液联动驱动装置3的活塞轴31大端一侧的气缸压力为大气压。
当阀门的两个主阀座1都发生了不可修复的泄漏时，备胎阀座2可以在内置式气-液联动驱动装置3的推动下贴紧球体4实现密封。此时，内置式气-液联动驱动装置3的进压口针阀37处于打开状态，同时泄压口针阀36处于关闭状态，也就是说，此时内置式气-液联动驱动装置3的活塞轴31大端一侧的气缸压力等于阀门流道内的介质压力。
最关键的技术要点是：在启用了一个备胎阀座2的情况下，在每次开或关阀门之前，我们先控制相应的内置式气-液联动驱动装置3以使该备胎阀座2与球体4脱离接触后，再对阀门进行开或关操作，以达到备胎阀座2的塑料或橡胶材质的阀座密封圈22无磨损效应和大幅减小阀门操作扭矩之目的。具体来讲就是：控制进压口针阀37使之处于关闭状态，以切断阀门流道内的介质压力的进入气缸内；同时，控制泄压口针阀36使之处于打开状态，以泄放气缸内的压力至大气压，这时备胎阀座2在阀腔内压力作用下被推离球体4。因此，在阀门开关操作过程中，备胎阀座2的塑料或橡胶材质的阀座密封圈22是没有磨损的，从而延长了其密封性能的使用寿命。
对进压口针阀37和泄压口针阀36的开关控制可以是通过手柄手动完成的，也可以是电动控制完成的。当阀门有远程控制要求时，只需要把泄压口针阀36和进压口针阀37设计成电动针阀即可；对阀门进行远程控制的方法和原理与以上论述一致。
活塞轴31的大端外圆半径设定为rd，活塞轴31的小端外圆半径设定为rx，根据公式
Figure BDA0002571161500000061
计算得到压力调节结构的增压系数K，增压系数K的取值设定为1.5～2.5。经研究表明：增压系数的设计值在1.5～2.5时，可以使备胎阀座2获得良好的密封性能和反向推离性能。
为使备胎阀座2获得良好的密封性能和反向推离性能，备胎阀座2的移动行程可按如下方式设计：备胎阀座2远离球体4的一端的截面为圆环形,其外环半径设定为R1，内环半径设定为R2，活塞轴31的行程设定为L,活塞轴31的小端外圆半径设定为rx，备胎阀座2的移动行程设定为x，x根据如下公式计算得到：
Figure BDA0002571161500000062
设计原理如下：由于液压油的不可压缩性，则有活塞轴31小端在液压油中的运动体积等于备胎阀座2的运动体积，也就是说：活塞轴31小端在液压油中的运动体积除以备胎阀座2金属环截面积就等于备胎阀座2的设计行程。
此外，本发明在金属圆环21的外圆柱面上设置有两道外侧O形圈23，并且金属圆环21的外圆柱面在两道外侧O形圈23之间的位置设置有环形凹槽26；在环形凹槽26的底表面间隔布置有连通至金属圆环21内圆柱面的若干通孔27；阀体5设置有用于注射密封脂至上述环形凹槽26和若干通孔27的通道。当备胎阀座2发生泄漏时，可利用备胎阀座2上布置的环形凹槽26和若干通孔27，通过外置注脂阀对其注射密封脂进行密封性能修复。

Claims (8)

1.具有备胎阀座的固定球阀，包括球体(4)与阀体(5)，阀体(5)具有与球体(4)相适配的安装腔体，该安装腔体在球体(4)的上游侧和下游侧各布置有一个主阀座(1),其特征在于：阀体(5)在球体(4)的上游侧或者下游侧布置有备胎阀座(2)，或者在球体(4)的上游侧和下游侧分别布置有备胎阀座(2)；
上游侧的备胎阀座(2)和下游侧的备胎阀座(2)具有相同的安装结构，该安装结构为：以阀体(5)的流道中心线作为参照物，阀体(5)在主阀座(1)的外侧设置有备胎阀座环形安装槽(38)，备胎阀座(2)滑动安装在备胎阀座环形安装槽(38)内；备胎阀座(2)的内圆面与备胎阀座环形安装槽(38)的侧壁之间、备胎阀座(2)的外圆面与备胎阀座环形安装槽(38)的侧壁之间均形成密封结构，备胎阀座(2)远离球体(4)的一端的端面与备胎阀座环形安装槽(38)组合构成压力腔，该压力腔配设有压力调节结构，该压力调节结构使得备胎阀座(2)具有与球体(4)不接触的第一状态，以及与球体(4)接触形成密封结构的第二状态；
压力调节结构包括设置在阀体(5)上的活塞缸，活塞缸与阀体(5)为一体式结构，活塞缸的内端通过连接孔连通备胎阀座(2)尾端的压力腔，活塞缸的外端通过压盖(35)进行封闭；活塞缸靠近压盖(35)的这一端设置为外端大、内端小的台阶孔，该台阶孔配设有台阶状活塞轴(31)，活塞轴(31)的大端外圆和台阶孔的大端活塞孔内壁之间、活塞轴(31)的小端外圆和台阶孔的小端活塞孔内壁之间分别形成密封结构；台阶孔的大端活塞孔内壁在靠近小端活塞孔口的位置处设置有直通大气的呼吸孔(39)；
活塞轴(31)小端端面一侧的活塞缸内腔、备胎阀座(2)尾端的压力腔以及这两者之间的连接孔组合构成液压驱动腔，液压驱动腔内充满液压油；
活塞轴(31)大端一侧的活塞缸内腔为外部驱动腔，压盖(35)上设置有进压口和泄压口，进压口配设有用于控制进压口启闭的进压口针阀(37)，泄压口配设有用于控制泄压口启闭的泄压口针阀，进压口通过引压管(6)连通阀体(5)内部的流道；
对于上游侧的备胎阀座(2)，该侧对应的引压管(6)连通阀体(5)内部的上游流道；
对于下游侧的备胎阀座(2)，该侧对应的引压管(6)连通阀体(5)内部的下游流道。
2.如权利要求1所述的具有备胎阀座的固定球阀，其特征在于:台阶孔的大端活塞孔内壁在活塞轴(31)大端侧设置了限制活塞轴(31)行程的限位块(32)，限位块(32)通过压在端盖(34)下方的四开环(33)与阀体(5)连接，限位块(32)的中心有一个带局部螺纹的通孔。
3.如权利要求1所述的具有备胎阀座的固定球阀，其特征在于:压盖(35)通过螺栓与阀体(5)连接，压盖(35)伸入阀体(5)的一端设置有O形圈进行密封。
4.如权利要求1所述的具有备胎阀座的固定球阀，其特征在于:活塞轴(31)的大端外圆和台阶孔的大端活塞孔内壁之间、活塞轴(31)的小端外圆和台阶孔的小端活塞孔内壁之间分别设置有O形圈。
5.如权利要求1所述的具有备胎阀座的固定球阀，其特征在于:活塞轴(31)的大端外圆半径设定为rd，活塞轴(31)的小端外圆半径设定为rx，根据公式
Figure FDA0003624104920000021
计算得到压力调节结构的增压系数K，增压系数K的取值设定为1.5～2.5。
6.如权利要求1所述的具有备胎阀座的固定球阀，其特征在于：备胎阀座(2)远离球体(4)的一端的截面为圆环形,其外环半径设定为R1，内环半径设定为R2，活塞轴(31)的行程设定为L,活塞轴(31)的小端外圆半径设定为rx，备胎阀座(2)的移动行程设定为x，x根据如下公式计算得到：
Figure FDA0003624104920000022
7.如权利要求1至6中任意一项所述的具有备胎阀座的固定球阀，其特征在于：备胎阀座(2)包括金属圆环(21)和阀座密封圈(22)；阀座密封圈(22)为塑料或橡胶材质；
金属圆环(21)的外圆柱面上设置有外侧O形圈(23)，金属圆环(21)的内圆柱面上设置有内侧O形圈(24)；
金属圆环(21)在朝向球体(4)的一侧设置有与球体(4)相适配的锥面(25)，阀座密封圈(22)装配在该锥面(25)上。
8.如权利要求7所述的具有备胎阀座的固定球阀，其特征在于：金属圆环(21)的外圆柱面上设置有两道外侧O形圈(23)，并且金属圆环(21)的外圆柱面在两道外侧O形圈(23)之间的位置设置有环形凹槽(26)；在环形凹槽(26)的底表面间隔布置有连通至金属圆环(21)内圆柱面的若干通孔(27)；阀体(5)设置有用于注射密封脂至上述环形凹槽(26)和若干通孔(27)的通道。
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