节流阀磨损监测系统以及方法 |
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| 申请号 | CN201680015374.8 | 申请日 | 2016-01-28 | 公开(公告)号 | CN107407138A | 公开(公告)日 | 2017-11-28 |
| 申请人 | 爱默生伏尔甘控股有限责任公司; | 发明人 | J·W·尼兰德; | ||||
| 摘要 | 本 发明 的 实施例 提供一种节流 阀 ，其包含 阀体 、固定型阀盘、旋转型阀盘、 致动器 系统、以及磨损监测系统。所述阀体限定入口以及出口。所述固定型阀盘包含嘴并且限定布置于所述阀体的入口与出口之间的通道。所述旋转型阀盘邻近所述固定型阀盘布置并且能在打开 位置 与关闭位置之间运动。所述致动器系统联接至所述旋转型阀盘并且被布置成在所述打开位置与所述关闭位置之间致动所述旋转型阀盘。所述磨损监测系统包含与形成于所述阀体与所述嘴之间的减压腔连通的端口，以及监测所述减压腔中的压 力 的压力 传感器 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种节流阀，包括： |
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| 说明书全文 | 节流阀磨损监测系统以及方法[0001] 相关申请 背景技术[0003] 节流阀在石油和天然气工业以及采矿工业中通常被用作延伸于井口上方的阀以及配件装置的部分。通常，节流阀包含阀体，其具有轴向孔、阀体入口(通常被称作侧出口)以及阀体出口(通常被称作端出口)；在所述入口与出口之间安装于所述孔中的、用于使通过阀体的流量节流的“流量调整器(flow trim)”；以及用于启动所述流量调整器以关闭所述孔的、远离所述出口的端部的机构。 [0004] 存在在商业节流阀中通常使用的四种主要类型的流量调整器。每一种流量调整器包含端口限定构件、用于对所述端口节流的可动构件，以及用于实现总关闭的密封件。这四种类型的流量调整器可具有如下特征：(1)针-底座式流量调整器，其包括固定于阀体中的锥形环形底座以及用于配合底座表面进行节流以及密封的可动的锥形内部插塞；(2)具有内部插塞的笼式流量调整器，其包括管状、圆柱形笼以及插塞，所述笼固定于阀体中并且在它的侧壁中具有端口，所述插塞能轴向地运动通过所述笼的孔以打开或者关闭端口，其中通常用插塞的前导边缘上的锥体实现关闭，所述锥体安放于由笼或者所述端口的下游的主体所承载的锥体上；(3)多端口阀盘式流量调整器，其包括安装于阀体中的固定的具有端口的阀盘以及邻近的可旋转的具有端口的阀盘，其可转动以使两组端口配准或者脱离配准以进行节流以及关闭；以及(4)具有外部套筒的笼式流量调整器，其包括管状圆柱形笼以及中空的圆柱形套筒，所述笼在它的侧壁中具有端口，所述中空的圆柱形套筒在所述笼上轴向地滑动以打开和关闭所述端口。用接触由阀体或者笼所承载的环形底座的套筒的前导边缘实现关闭。 [0005] 在上述流量调整器中的每一个中，流量调整器在节流阀的入口以及出口的交叉点处设置于节流阀内。在大多数阀中，流量调整器包含被称为“笼(cage)”的固定的管状缸，其相对于入口横向地设置并且使它的孔与出口轴向地对准。笼具有延伸通过它的侧壁的限制性流量端口。流体从节流阀入口进入笼，穿过端口，以及改变方向以通过阀出口离开笼孔。这种类型的流量调整器还包含在笼上滑动的管状节流套筒。所述套筒起减小或增加端口的面积的作用。提供比如螺纹杆组件的致动器，以沿笼来回地偏置套筒。流体通过流量调整器的流量取决于套筒在笼上的相对位置以及套筒所展现的端口面积的量。 [0006] 无论流量调整器的构造如何，上述节流阀可用来减小流自井的流体的压力，例如从通常较高的压力值减小至更低的压力值。通过改变流体流的剖面面积以形成对流自井口的那些流体的限制而在节流阀中实现压降。 [0007] 流自石油或者天然气井的流体流通常含有这样的材料，该材料对于节流阀而言可能为化学腐蚀性的和/或机械侵蚀性的。例如，流体流可能含有沙、和/或颗粒材料、以及酸和腐蚀性的有害化学制品。化学腐蚀以及机械侵蚀为长期困扰节流阀构造的问题。比如石油和天然气井装置的很多应用是在远程位置中，在所述远程位置中对节流阀的日常检查是困难的或者不可能的。在这些情况下，未检测到的磨损可能引起阀故障情况，其可能不仅对节流阀造成损害，而且为危险的以及可能地为灾难性的。若节流阀由于腐蚀或侵蚀而被腐蚀掉，则可能发生天然气和/或石油的泄漏。 [0008] 过去，使用各种类型的内衬来保护节流阀免受侵蚀和腐蚀的影响。现有技术的尝试(其并未提供令人满意的结果)包含这样的构件，如由碳化钨、铬不锈钢、钨铬钴合金以及陶瓷所构成的活塞、套筒、笼、镀层或内衬。通常，内衬直接地放置于阀的壳体或阀体上。当磨损的套筒或内衬被流动介质完全地侵蚀或腐蚀时，对节流阀阀体的损害是即刻的。对节流阀阀体的这种类型的损害需要大量的修理，这需要将节流阀从装置移除以在机械修理店进行修理。 [0009] 另外地或替代地，已经将压力和温度传感器安装至节流阀的上游以及下游的流线中，以确定流量调整器是否被磨损得已经超出使用寿命。接着将传感器信息发送至用于监测的远程位置，以使得节流阀控制器可远程地偏置流量调整器以影响所期望的流量。控制器将电信号发送至与节流阀相关联的、用于调节流量调整器的机构。然而，对于该过程，由于这些电子传感器(其具有有限的使用寿命)的不可靠的特性，从而存在一定的问题。在传感器已经服务了它们的使用寿命之后替换传感器需要使整个井口组件上升至表面。这是耗时的且昂贵的操作，其使井产量在修理时间期间停产。发明内容 [0010] 需要一种能够通过监测磨损状态准时检测侵蚀的节流阀。一旦检测到侵蚀，将节流阀保持于管线中并且仅仅替换内部部件将是可取的。另外，需要在较高的压差以及受污染的流体流的状态下紧密地关闭节流阀。 [0011] 本发明的实施例通过提供一种磨损监测系统克服这些问题，所述磨损监测系统被包含至节流阀中以检测侵蚀。所述磨损监测系统提供压力传感器来检测减压腔中的压力的增加。所述磨损监测系统确保在发生侵蚀的情况下仅仅需要替换内部构件(例如，旋转型阀盘以及嘴)而节流阀保持服务。因此，阀体受如在节流阀中通常发生的侵蚀的影响较小，所述侵蚀是由于介质(例如，燃料)未被过滤而引起的，造成对出口管的磨损。另外，节流阀改进通过的层流以及非湍流以限制对出口管的侵蚀。 [0012] 在某些实施例中，所述磨损监测系统可包含压力传感器、外部减压腔、第一腔密封件、以及第二腔密封件。所述压力传感器可延伸通过设置于阀体的上方的压力端口，以测量所述减压腔内的压力。所述压力端口从节流阀的外部环境延伸至所述减压腔。所述减压腔可由所述阀出口的内表面与嘴的外表面之间的空间限定。所述第一腔密封件设置于所述出口的内表面与所述嘴的外表面之间，以密封所述减压腔的底部部分。相似地，所述第二腔密封件包围固定型阀盘的外表面以密封所述减压腔的顶部部分。若所述压力传感器检测到比预定阈值大的压力，则发送信号以关闭所述节流阀以及紧急关闭(ESD：emergency shutdown)阀。压力的这种增加表明，侵蚀已经引起对嘴的冲洗，使减压腔被加压。可接着将信号从压力传感器发送至远程用户界面，例如，以警告用户节流阀需要服务。磨损监测系统通过提供直径比穿过所述嘴的通道大的出口确保层流以及非湍流以限制对出口管的侵蚀。 [0013] 在其它实施例中，提供一种节流阀，其包含限定入口以及出口的阀体。所述节流阀进一步包含固定型阀盘，所述阀盘包含嘴并且限定布置于所述阀体的入口与出口之间的通道。旋转型阀盘邻近所述固定型阀盘布置，并且所述旋转型阀盘能在打开位置与关闭位置之间运动。致动器系统联接至所述旋转型阀盘并且被布置成在所述打开位置与所述关闭位置之间致动所述旋转型阀盘。所述节流阀进一步包括磨损监测系统，其包含与形成于阀壳体与所述嘴之间的减压腔连通的端口，以及监测所述减压腔中的压力的压力传感器。 [0014] 在其它实施例中，提供一种节流阀，其包含限定入口以及出口的阀体壳体。所述出口限定出口直径。旋转型阀盘布置于所述入口与所述出口之间并且可在打开位置与关闭位置之间运动，以及嘴邻近于所述旋转型阀盘设置且设置于所述旋转型阀盘的下游。所述嘴包含限定通道直径的通道。所述出口直径与所述通道直径的比介于大致1.3与大致35之间。 [0015] 在其它实施例中，提供一种节流阀，其包含限定入口以及出口的阀体壳体。旋转型阀盘布置于所述入口与所述出口之间并且可在打开位置与关闭位置之间运动，以及嘴邻近于所述旋转型阀盘设置且设置于所述旋转型阀盘的下游，所述嘴包含限定通道直径以及通道长度的通道。所述通道长度与所述通道直径的比介于大致5与大致15之间。 附图说明[0017] 图1为根据本发明的一个实施例的包含有磨损监测系统的节流阀的局部剖视图。 [0018] 图2为包含有图1的磨损监测系统的节流阀的剖视图。 [0019] 图3为图2的磨损监测系统的放大剖视图。 [0020] 图4A-4C为节流阀的旋转型阀盘以及固定型阀盘的示意图，其中所述旋转型阀盘以及固定型阀盘被显示为相对于彼此处于打开、截流、以及关闭位置中。 具体实施方式[0021] 在详细地解释说明本发明的任何实施例之前，应当理解的是，本发明在它的应用方面并不限于在以下描述中所阐述的或者在以下附图中所示出的构件的构造以及布置的细节。本发明能够具有其它实施例并且能够以各种方式实践或执行。此外，应当理解的是，在本文中所使用的措辞和术语是为了描述的目的并且不应当被认为是限制性的。“包含”、“包括”、或者“具有”以及其变形在本文中的使用意味着包含之后所列的物品以及其等同形式以及另外的物品。除非另外说明或限定，术语“安装”、“连接”、“支撑”、以及“联接”及其变形被广泛地使用并且既包含直接的又包含间接的安装、连接、支撑、以及联接。进一步地，“连接”以及“联接”并不限于物理的或者机械的连接或联接。 [0022] 进行以下讨论以使本发明所属领域的技术人员能够构成以及使用本发明的实施例。对所示例说明的实施例的各种修改对于本发明所属领域的技术人员而言将是显而易见的，并且本文中的一般原则可适用于其它实施例以及应用而不脱离本发明的实施例。因此，本发明的实施例并不限于所示出的实施例，而是被赋予与在本文中所公开的原则和特征一致的最广泛的范围。将参考附图阅读以下具体描述，其中不同的附图中的相同的元件具有相同的参考编号。附图(其不必按比例绘制)示出所选择的实施例并且并不用来限制本发明的实施例的范围。技术人员将理解的是，在本文中所提供的示例具有很多有用的替代方案并且落入本发明的实施例的范围内。 [0023] 图1和2示出根据本发明的一个实施例的节流阀10。节流阀10可包含阀体12以及阀盖14，该阀盖通过接收可旋转的接收螺母18的等圆周地相间隔的螺旋形螺纹栓16以凸缘方式可释放地固定。图1-3中所示的节流阀10为成角度的阀体节流阀；然而，节流阀可为例如内联的Y型阀体或者内联的阀体。 [0024] 阀体12可包含上游凸缘20以及下游凸缘22。每一个凸缘20、22分别提供凸缘面24、26，其通常与例如另一个阀的相似的凸缘、或者管路的其它部分、或者如在井口装置或其它阀组件处通常存在的这样的辅助设备对准。阀体12还包含流动环道，该流动环道包含上游入口28以及下游出口30，其中箭头32、34示出通过阀体12的流体流向，流体流向以上游流向箭头32开始并且继续至下游流向箭头34。由于下游出口30通常遭遇高速流并且为经受侵蚀和/或腐蚀的区域(如将在下文中进一步详细地描述的)，下游出口30配备有用于检测侵蚀的压力传感器36。 [0025] 阀盖14可经由螺栓16以及螺母18联接至阀体12。可在阀体12接触阀盖14的地方设置一个或多个密封件38，以阻止流体从节流阀10泄漏。轴40可通过阀盖14的开口42延伸至阀体12的构件室44中。在远侧端部46处，轴40可联接至致动器(未示出)以致动节流阀10。所述致动器可为例如气动、液压、电动、手动旋钮、手轮、或者手柄型致动器，其在联接至轴40时将旋转提供至旋转型阀盘48。在相对的端部50处，轴40可联接至接合旋转型阀盘48的转动叉52。另外，弹簧54可设置于轴40与转动叉52之间，以预加载旋转型阀盘48，使节流阀10能够安装于任何位置中。弹簧54还可吸收由于例如温度改变以及振动而引起的热膨胀。 [0026] 在第一端部56处，转动叉52可具有合适的尺寸以容置于轴40的相对的端部50内。转动叉52的第一端部56可为例如正方形或六边形，并且由轴40的相对的端部50中的相似的正方形或者六边形开口容置。当使轴40旋转时，转动叉52也旋转。如图2中所示，转动叉52的第一端部56抵接设置于轴40的相对的端部50内的底座58，其限制转动叉52的竖向运动，但是容许其进行旋转运动。转动叉52的第二端部60可为例如楔形或者键形，以接合旋转型阀盘48的表面上的相对应的狭槽62。当轴40旋转时，转动叉52将相对应的旋转力提供至旋转型阀盘48。 [0027] 如图1和2中还示出的，可在阀体12的构件室44中设置保护衬套64。保护衬套64可为大致圆柱形形状并且限定内部中空腔66。设置于中心的开孔68可从保护衬套64的顶部部分延伸至内部中空腔66中并且被构造成容置转动叉52。另一个开孔70设置于衬套64的侧壁72上并且与入口28对准以使介质能够流动至中空腔66中。旋转型阀盘48也容置于衬套64的中空腔66内。当转动叉52以及旋转型阀盘48在中空腔66内旋转时，衬套64减小旋转型部件之间的摩擦以及磨损，并限制部件的运动。销74可在衬套64与阀盖14之间延伸以确保衬套 64保持固定。 [0028] 一体地联接至嘴78的固定型阀盘76处于旋转型阀盘48的下游，所述嘴延伸至阀体12的出口30中。嘴78如在现有技术中已知的提供限制。在一个实施例中，嘴78可为耐磨的碳化钨嘴，其将大部分腐蚀以及侵蚀从密封表面以及阀体12移除。如图3中所示，孔80延伸通过旋转型阀盘48，以使介质能够从衬套64的中空腔66流动通过延伸通过固定型阀盘76以及嘴78的流体通道82，并且通过出口30离开。旋转型阀盘48的孔80可具有第一直径D1，并且固定型阀盘76以及嘴78的通道82可具有第二直径D2。第一直径D1与第二直径D2可为大致相同的并且为大致25毫米。在另一个实施例中，第一直径D1与第二直径D2可各自介于大致3毫米与大致150毫米之间。出口30由为大致97毫米的第三直径D3限定。在另一个实施例中，第三直径D3可介于大致6毫米与大致400毫米之间并且大致大于第一直径D1以及第二直径D2，以便提供出口层流34以抑制对出口30的侵蚀。在一个实施例中，D3/D2的比为大致4。在另一个实施例中，D3/D2的比介于大致1.3与大致35之间。 [0029] 通道82还限定可为大致180毫米的长度L1。在另一个实施例中，长度L1可介于大致21毫米与大致1080毫米之间。在所示实施例中，L1/D2的比为大致7.2。在另一个实施例中，L1/D2的比介于大致5与大致15之间。 [0030] 如图3中所示，旋转型阀盘48的孔80在第一位置84中并且与通道82对准以表明节流阀10为打开的。当转动叉52旋转时，旋转型阀盘48可进入如图4中所示的第二位置86。由于旋转型阀盘48的孔80与固定型阀盘76的通道82部分地重叠，第二位置86为节流位置。当转动叉52进一步旋转时，旋转型阀盘48可进入第三位置88。由于旋转型阀盘48的孔80未与固定型阀盘76的通道82重叠，第三位置88为关闭位置。 [0031] 对于上述旋转型阀盘的原则，存在多个优点。首先，由于旋转型阀盘48、固定型阀盘76、以及嘴78由例如具有足够的耐腐蚀能力、抗侵蚀能力以及耐用能力的碳化钨、钨铬钴合金或者陶瓷制造而成，简单的且耐用的设计容许优良的控制以及较长的使用寿命。此外，旋转型阀盘48提高容易的且低成本的维修。旋转型阀盘的原则的另一个优点是在节流阀10处于第一打开位置84中时保护阀盘的密封表面免受介质的侵蚀影响。为了提供所期望的重叠，节流阀10以第一打开位置84与关闭位置88之间的180度的旋转角度为特征。使用该原则，由于流动介质并不接触底座区域，可为延长的使用寿命确保强制关闭。 [0032] 如果发生侵蚀，可设置磨损监测系统90以检测侵蚀，如图3中所示。磨损监测系统90可包含压力传感器36、外部减压腔92、第一腔密封件94以及第二腔密封件96。压力传感器 36可延伸通过设置于阀体12的下游凸缘22上方的压力端口98，如图1中所示。压力端口98从节流阀10的外部环境延伸至减压腔92。在一个实施例中，压力传感器36可为ROSEMOUNT 2501或3051型压力传感器，以测量减压腔92中的压力。 [0033] 减压腔92可由出口30的内表面与嘴78的外表面之间的空间限定。第一腔密封件94可为例如O型环，其设置于出口30的内表面与嘴78的外表面之间，以密封减压腔92的底部部分100。相似地，第二腔密封件96可为例如O型环，其包围固定型阀盘76的外表面以密封减压腔92的顶部部分102。因此，减压腔92围绕嘴78形成套筒类腔。 [0034] 在节流阀10的正常的运行期间，减压腔92内部的压力可介于大致0PSI与大致15PSI之间。若压力传感器36检测到比预定阈值大的压力，例如60PSI，则发送信号以关闭节流阀10以及紧急关闭(ESD)多个阀(未示出)。压力的这种增加表明侵蚀已经引起对嘴78的冲洗，使减压腔92被加压。可接着将信号从压力传感器36发送至远程用户界面，例如，以警告用户节流阀10需要服务。 [0035] 上述节流阀10以及磨损监测系统90的一个优点是，在发生侵蚀的情况下仅仅需要替换旋转型阀盘48以及嘴78(亦即，内部构件)，并且节流阀10保持服务。阀体12不受如在节流阀中通常发生的侵蚀的影响，这是因为所述侵蚀是由于介质(例如，燃料)未被过滤而引起的，从而造成对出口30管路的磨损。 [0036] 另一个优点是，嘴78的通道82具有比出口30的直径D3小的直径D2，使出口流34为层流以及非湍流以限制对出口30管路的侵蚀。如先前所描述的，D3/D2的比有利地介于大致1.3与大致35之间，以提供出口层流。然而，若确实发生侵蚀，则它将在嘴78内部发生，其可被磨损监测系统90检测到。 [0037] 本发明所属领域的技术人员将理解的是，尽管以上已经结合特定的实施例和示例对本发明进行了描述，但是本发明并不一定限于此，并且所附权利要求包含来自实施例、示例以及用途的其它很多实施例、示例、用途、修改以及变更。本文中所引用的每一个专利以及公开的全部内容被作为参考并入本文中，犹如每一个这样的专利或公开被分别通过参考并入本文中。在以下权利要求中阐明本发明的各种特征和优点。 |
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