[发明专利]在基板上具有低摩擦涂层的闸阀及其制造方法

说明书

技术领域

本发明大体而言涉及阀，且特定而言涉及在阀主体中的闸和/或基座密封件，其具有包括允许增加承载应力能力的陶瓷和/或表面硬化合金基质复合物(hardfacing alloy matrix composite)的基板。

背景技术

闸阀通常在需要直线流体流动和最小流动限制时使用。通常，闸具有带有腔的主体和流动通路，流动通路穿过主体延伸且与腔相交(intersecting)以允许通过阀流动。当阀完全打开时，闸被拉入到远离流动通路的阀腔端部内。流动通路通常具有与安装该阀的管路相同的大小。

用于油和气开采的典型闸阀具有与阀中的中央腔相交的流动通路。基座在流动通路与腔相交处放置于流动通路中形成的埋头孔内。在打开位置与关闭位置之间，阻碍物或闸移动经过基座以密封该腔防止通过。

基座通常具有密封件，其将基座密封到流动通路的埋头孔上。这些密封件防止流体从主体的中央腔或腔室进入到下游流动通路。当闸打开时，密封件并不起作用。对于被设计成在闸关闭时具有单向密封的闸阀而言，流体将流过上游基座到主体的腔室或腔内。在腔室中的流体压力由在闸与基座之间形成的下游基座的密封件密封。此外，砂筛也可定位于基座中以保护阀防止砂侵入。对于被设计成在闸关闭时具有双向密封的闸阀，流体维持在闸的一侧且不允许流入到主体的腔室或腔内。

当闸阀经受高压环境时，在基座与闸之间的承载应力增加且因此闸阀必须能容许增加的承载应力。在迫使闸到基座上时在闸的下游侧上尤为如此。这常常导致闸在其与基座接触的部位局部变形，使得更难或不能在打开位置与关闭位置之间促动该闸。为了应对这个难题，可增加阀、促动器和架(tree)的大小，导致额外的重量和费用。

用于解决这个问题的一个方案是利用由具有CoCr金属粘结剂的碳化钨粒子构成的薄涂层(WCCoCr涂层)来涂布(金属)闸和基座，这归因于这种涂层的硬度和低摩擦。类金刚石碳(DLC)涂层也用于WCCoCr涂层顶部以进一步降低摩擦。但是，存在承载应力极限，当超过承载应力极限时，这些涂层倾向于局部地变形或磨损，在涂层中造成应力且因此限制了承载应力。最终可导致泄漏和难以操作闸阀。控制此承载应力的另一方案在于通过增加其直径来增加基座表面积。但是，这也由于增加的有效压力面积而带来增加所施加力的不想要的效果。利用这种方法控制承载应力的收益随着更高压力阀而减小，导致甚至更大的阀以及打开和关闭它们所需的促动器。另一方案尝试实心陶瓷或烧结碳化物闸(cemented carbide gates)和基座来实现更高承载应力能力。迄今，难题在于烧结实心部件所需的高温通常导致降级的碳化物性质，而这导致差的表面纹理和高摩擦。

存在对于增加闸阀中的承载应力能力且最小化摩擦而不增加促动器大小或采集架(production tree)的技术的需要。

发明内容

闸阀具有相对于在闸和基座中所用的当前金属增加的刚度和硬度的陶瓷和金属基质复合材料基板，在其上方施加低摩擦涂层。陶瓷和/或表面硬化合金基质复合物基板的实例为在钴基质中的碳化钨。陶瓷和金属基质复合材料基板的更大刚度和硬度支承涂层且增加了净承载应力能力和因此的阀效率。在先前的努力中，在较硬薄涂层下方的较软金属的局部变形造成涂层过早损坏。利用在比下层金属更大硬度和刚度的涂层下方的基板，能避免这种情况。使用更大刚度和硬度的基板，因此增加了在先前直接施加到金属上的相同涂层的承载应力能力。这种基板与涂层的组合将允许基座具有更小密封直径且闸具有更小宽度，这归因于对承载支承面积减小的要求。因此，减轻了在基座与闸之间的净力和摩擦；减小了对阀的液压促动器上的力和能量要求。这能以三种主要方式实现，从这三种方式得到多种组合。

在本发明的第一实施例中，闸阀具有主体，主体具有腔和与腔相交的流动通路。基座在流动通路与腔相交处安装于主体中。在腔中的闸具有接合面，在打开位置与关闭位置之间移动时该接合面滑动地接合基座上的接合面。基座和闸由陶瓷和/或表面硬化合金基质复合物基板构成，其具有比诸如Inconel(因科镍合金)这样的闸金属更大的硬度和刚度。低摩擦涂层可施加到这些基板、闸基板和基座基板中的一个或两个上。