[发明专利]具有压差阀座的阀

说明书

用于石油和天然气生产或类似应用的阀包括设置在空心阀体的腔中的旋塞或其他流体屏障，其金属对金属密封面不依赖任何橡胶化材料或弹性体材料来实现密封。本文所述的附图和技术表明，该新颖特征可以提高阀在高压环境中密封的能力，并且还提高在循环使用中阀的可靠性。

技术领域

本发明涉及阀的改进设计，该阀使用施加到衬套和密封机构上的不对称压力，以提高密封性能并减少维护需求。尽管主要参考旋塞阀描述了该阀，但是它可以同样适用于其他类型的阀，包括但不限于球阀或闸阀。

背景技术

阀通常包括阀体，该阀体具有用于流体通过的内孔，以及密封该内孔以阻止流体流动的装置。某些类型的阀，例如旋塞阀或球阀，包括能够在打开位置和关闭位置之间旋转的旋塞或球，在打开位置，允许流体流过内孔；在关闭位置，旋塞或球阀阻止流体流过内孔。其他类型的阀，例如闸阀，包括垂直降低的闸门，以阻止流体流过内孔。所有这些类型的阀通常与碳氢化合物例如原油或天然气的生产一起使用。

本发明的阀将主要在使用旋塞阀的实施例的上下文中进行描述，但是它也可以用在球阀、闸阀或其他类型的阀中。在某些应用中，可能优选的是使用球阀而不是旋塞阀，这样可以使阀座周围的接触压力分布更均匀。在任何情况下，阀的特定类型对于本发明的操作都不是关键的，并且本申请的权利要求书不应被解释为限于阀中使用的任何特定类型的流动屏障。对于本领域普通技术人员而言，如何以除旋塞阀以外的其他类型的阀来实施本发明将是显而易见的。

旋塞阀需要密封界面，以便在关闭位置时，旋塞将在阀的内孔内容纳流体的压力。在许多应用中，例如碳氢化合物的生产，内部压力可能非常高，大约为每平方英寸15,000磅或更高。另外，内孔内的流体可能是腐蚀性的，或者以其他方式潜在地损坏密封件。因此，在旋塞阀的设计中，密封界面的完整性和可靠性至关重要。

大多数阀门的主要故障模式之一是密封面损坏。造成这种情况的原因之一是在危险环境例如在生产碳氢化合物(例如原油或天然气)中遇到的那些环境)中普遍使用弹性体或橡胶化密封件。由于损坏的密封件或阀门组件的位置，使用弹性体或橡胶化组件可能增加阀门内裂化和故障的风险以及增加维护成本，并导致停工时间。

现有的旋塞阀设计的另一个问题是，当考虑到流过阀的流体的典型方向时，传统上它们仅在阀的一侧(通常是下游侧)密封。由于密封面仅在阀关闭时才接合，因此该设计易于因密封面的污染而失效。当阀门打开时，密封面之间存在间隙。缺乏恒定的接合使得流体流中的化学物质和/或颗粒使密封面退化到它们不再实现密封的程度。例如，沙子或其他颗粒物可能引起密封面的磨损，特别是如果密封件是由弹性体材料形成的话。除了磨损的危险外，当操作员试图打开或关闭阀门时，诸如沙子之类的颗粒物可能残留在密封面之间的间隙中，并且可能物理干扰固体密封的形成和/或可能增加将阀门旋转到打开或关闭位置或从打开或关闭位置旋转的难度。

在典型的旋塞阀中密封面之间的间隙也是有问题的，因为阀通常需要润滑脂才能起作用；如果阀体内没有润滑脂或其他润滑剂，则旋塞或球无法旋转至关闭位置。密封面之间的间隙通常允许润滑脂从阀体内部移动到流体流。润滑脂的这种迁移造成润滑损失，这可能导致旋塞无法旋转到打开(或关闭)位置。

尽管还有其他带有双密封的阀门设计，例如美国专利号5,624,101中所述，但这些设计通常依赖于对密封的双重激励，以便创建双密封机制，并且依靠阻塞和放出功能来使密封件上压力标准化。如上所述，这种阻塞和放出功能可能导致类似的密封问题。

某些现有技术的旋塞阀的另一个问题是，当处于关闭位置时，旋塞和阀体可能在高压下卡住。当旋塞阀下游或上游的流体中存在高工作压力时，由于施加在阀上的高压力，旋塞无法从其密封位置移动，并在位置上被卡住。当阀体失去润滑脂时，发生这种情况的可能性更高，这是上面已经讨论的问题。这些高压环境可能是危险的，并且在抵抗这种高压力下操作时，给旋塞阀的维护以及旋塞阀本身的潜在故障机制带来问题。同时，标准设计还容易在低压下泄漏，因为该设计意在处于高压下以当阀关闭时接合密封面。润滑脂损失的上述问题也可能加剧低压泄漏的问题，因为润滑脂在现有阀门设计中经常用作低压密封件。