[发明专利]带密封件的阀和阀座

说明书

一种阀和阀座组具有连接到阀体的密封件，密封表面包括不规则部，以便当来自阀内部的压力等于或大于来自阀外部的压力时，允许压力在配合表面之间传播。这允许密封件响应于在预期流向上(从阀内部)的最小压差而提升，同时在相反方向上(从阀外部)有效实现密封压力。

相关申请

本申请要求于2018年5月3日提交的美国临时申请序列号62/666,144的权益，其通过引用合并于此。

背景技术

具有集成密封件的阀和阀座组应用于许多往复式柱塞泵中。在石油和天然气工业中，大型往复泵用于钻井和完井中，以泵送钻井泥浆、水泥和油井增产井液。对于水力压裂作业，泵的泵压超过3,000HP至20,000psi(137.9MPa)，以在岩石中产生裂缝。

阀和阀座组上的集成密封件通常是橡胶或聚氨酯的弹性体，并且由于在钻井和完井过程中泵送的这些高压、腐蚀性流体和磨蚀性介质而可能导致损坏和过早失效。这些密封件的功能异常会导致泵和压力管道内的压力快速变化，从而导致泵部件、管道和阀的疲劳损坏。与阀和阀座集成的密封件的故障会导致载有磨蚀性介质的液体的意外流动，这会迅速腐蚀泵的金属零件，从而需要进行昂贵的更换。

现有技术的一个例子是美国专利9,435,454。典型的泵通过往复运动的柱塞来移动流体，该柱塞通过吸入阀和阀座组将流体吸入，并在压力作用下通过排出阀和阀座组将其强制排出。阀和阀座组均具有可更换的阀座和阀。在应用中，已知在某些情况下，阀密封件在使用少于50小时后会出现损坏，从而需要在井场进行频繁更换。

阀的密封件通常突出超过阀的金属配合表面。在阀上的足够压力会使密封材料变形，直到金属表面与阀座接触为止。这种突出的密封材料和压缩变形的干扰有助于对阀座产生足够的密封力，并在关闭过程中使阀减速，从而减少对配合金属表面的损坏。

当在施加到阀外部的压力关闭阀时，密封件变形。随着泵运行，施加到阀内部的压力超过阀外部的压力会导致阀打开。参见图9A，该图示出了现有技术的阀900，由于阀体配合部分902和密封件904在大的表面面积上与阀座906接触，因此阀900的外部950上的有效受压面积可能大于阀900的内侧952上的有效受压面积，从而需要内部比外部更高的压力(压差)来重新打开阀。换句话说，阀900的外直径908在直径和表面面积上大于内直径910。因此，必须向较小的内直径910表面面积施加增大的压力，以便克服具有较大直径908的较大外表面面积上的压力。

如现有技术图9A-9B所示，如果金属间配合部分912(即阀体和阀座)形成紧密的密封，则内部压力影响的面积将是阀体内部直径(图9A)。然而，加工标记或角度偏差可能会使压力非常快地传播到金属间配合部分912中，但是密封件的干涉和相对屈服的材料将不允许压力在密封件904和阀座906的配合表面914之间传播。因此，参考图9B，压力影响的面积将是在密封件和阀体连接处计算的内直径916，该直径稍大于将压力影响的面积被限制为阀体内直径的直径的情况(如关于图9A所讨论的)。无论哪种情况，都需要很大的压力差才能打开阀。

随着阀抵抗打开，由于压力峰值，该压差导致在泵部件上的冲击载荷，而冲击载荷会因打开阀所需的压差而增加。这些压力峰值可能会损坏阀和密封件，从而在阀以差压打开时产生高速流。阀在差压下打开所引起的压力波可将冲击载荷传递到泵下游的管道、接头和阀上。这些部件的疲劳导致成本高昂的维修、更换，并且在井场需要过量的泵送能力以补偿潜在的设备故障。减缓由于密封件失效导致的这些故障和频繁的阀更换会导致高昂的维护成本，并增加了在井场的工作量。

尽管该现象同时影响吸入阀和排入阀，但当阀被推进泵柱塞产生的压力打开时，由于排放阀外部压力过高，排放阀的净压差更高。然而，打开吸入阀所需的压差会在泵柱塞缩回的同时在泵壳中引起气蚀/空化。

因此，需要一种能够以最小的压差操作的阀和阀座组，以及能够响应于在预期的流动方向上(从阀内部)的最小的压差而提升同时在相反方向(从阀外部)上有效地压力密封的密封件。本发明试图解决这些和其他问题。

发明内容