阅读说明：本技术 阀门、阀门总成以及其应用 (Valve, valve assembly and application thereof ) 是由 K.布罗克 G.德威克基 R.西纳帕 J.辛格利 于 2020-04-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了阀门、阀门总成以及其应用。本文中描述阀门和阀门总成,所述阀门和阀门总成采用可以减少降级磨损机构,由此延长所述总成的使用寿命的架构。在一个方面中,阀门包括头部,所述头部包含圆周表面以及阀座配合表面,所述阀座配合表面包括烧结硬质合金。支腿构件从所述头部延伸,其中所述支腿构件中的一个或多个的厚度在远离所述头部的方向上渐缩,以引起围绕所述头部的层状流体流。在一些实施例中,所述烧结硬质合金是连接到阀头的嵌体。(The invention discloses a valve, a valve assembly and application thereof. Valves and valve assemblies are described herein that employ an architecture that can reduce the degrading wear mechanisms, thereby extending the useful life of the assembly. In one aspect, a valve includes a head including a circumferential surface and a valve seat mating surface comprising a cemented carbide. Leg members extend from the head, wherein a thickness of one or more of the leg members tapers in a direction away from the head to induce laminar fluid flow around the head. In some embodiments, the cemented carbide is an inlay attached to the valve head.)

阀门、阀门总成以及其应用

相关申请数据

本申请是2018年8月31日提交的序列号16/119,513的美国专利申请的部分继续申请。

技术领域

本发明涉及阀门和阀门总成，且具体来说，涉及用于流体端应用的阀门和阀门总成。

背景技术

阀门和相关联的阀门总成在多个气缸中的并入有容积式活塞的高压泵的流体端中起着关键作用。由于阀体与阀座之间的高压和循环冲击，因此阀门的操作环境通常很恶劣。这些恶劣的操作条件可能会引起阀门总成的过早故障和/或漏电。此外，流过流体端并接触阀门总成的流体可以包含来自水力压裂操作的高浓度颗粒物质。另外，一种或多种酸和/或其它腐蚀性物质可以存在于流体/颗粒混合物中。在水力压裂中，颗粒浆料用于在从井中释放液压之后保持地质层中的裂纹开口。在一些实施例中，由于氧化铝相对于二氧化硅颗粒或砂石的更高抗压强度，因此氧化铝颗粒用于浆料中。颗粒浆料可能对阀门和阀座的接触表面造成显著磨损。另外，浆料颗粒可能会变成截留在阀门密封循环中，从而导致阀门总成的进一步性能下降。

发明内容

鉴于这些缺点，本文中描述阀门和阀门总成，所述阀门和阀门总成采用可以减少降级磨损机构，由此延长总成的使用寿命的架构。在一个方面中，阀门包括头部，所述头部包含圆周表面和阀座配合表面。支腿构件从所述头部延伸，其中所述支腿构件中的一个或多个的厚度在远离所述头部的方向上渐缩，以引起围绕所述头部的层状流体流。所述阀门还可以包括连接到所述头部的所述圆周表面的密封件。在一些实施例中，所述密封件的外表面展现保持围绕所述阀门的层状流体流的曲率半径。另外，在一些实施例中，所述密封件可以与所述阀座配合表面的一部分重叠。

在另一方面中，阀门包括头部，所述头部包含圆周表面和阀座配合表面。密封件连接到所述圆周表面，其中所述密封件与所述阀座配合表面形成角度，以在所述密封件上建立主底座接触区域。所述主底座接触区域可以具有靠近所述密封件的外圆周表面的位置。如本文中进一步描述，当所述阀门与所述阀座配合时，压缩应力可以集中在所述主底座接触区域处。在一些实施例中，所述密封件与所述阀座配合表面的一部分重叠。

在另一方面中，本文中描述阀门总成。在一些实施例中，阀门总成包括阀座以及与所述阀座往复接触的阀门，所述阀门包括头部，所述头部包含圆周表面和阀门配合表面。支腿构件从所述头部延伸，其中所述支腿构件中的一个或多个的厚度在远离所述头部的方向上渐缩，以引起围绕所述头部的层状流体流。所述阀门还可以包括连接到所述头部的所述圆周表面的密封件。在一些实施例中，所述密封件的外表面展现保持围绕所述阀门的层状流体流的曲率半径。在一些实施例中，所述密封件还可以与阀座配合面的一部分重叠。另外，所述密封件可以与所述阀座配合表面形成角度，以在所述密封件上建立主底座接触区域。在一些实施例中，所述主底座接触区域靠近所述密封件的外圆周表面定位。当与所述阀座配合时，所述密封件上的所述主接触区域可以展现压缩应力集中。

在一些实施例中，所述阀座可以包括主体，所述主体包含用于***到流体端的流体通道中的第一区段；以及从所述第一区段纵向地延伸的第二区段，所述第二区段包括耐磨嵌体所定位的凹口。所述耐磨嵌体用作阀门配合表面。在一些实施例中，所述耐磨嵌体展现压缩应力条件。此外，所述阀座的所述第一区段和所述第二区段可以具有相同外径或不同外径。例如，所述第二区段的所述外径可以大于所述第一区段的所述外径。在其它实施例中，所述阀座可以由单个合金组成形成，由此避免所述耐磨嵌体。

在另一方面中，本文中还描述控制流体流的方法。在一些实施例中，控制流体流的方法包括提供阀门总成，所述阀门总成包括阀座以及与所述阀座往复接触的阀门。所述阀门包括头部，所述头部包含圆周表面和阀座配合表面。支腿构件从所述头部延伸，其中所述支腿构件中的一个或多个的厚度在远离所述头部的方向上渐缩。所述阀门与所述阀座脱离接触以使流体流过所述总成，其中所述一个或多个锥形支腿构件引起围绕所述头部的层状流体流。所述阀门随后与所述阀座配合以阻止流体流过所述阀门。在一些实施例中，密封件连接到所述头部的所述圆周表面。所述密封件可以具有保持围绕所述阀门的层状流体流的曲率半径。

在以下详细描述中进一步描述这些和其它实施例。

附图说明

图1说明根据一些实施例的与阀座接合的密封件的主底座接触区域。

图2说明根据一些实施例的与阀座接触的阀门密封件的应力分布。

图3说明根据一些实施例的阀门的正视图。

图4是图3的截面图B。

图5是沿着A-A线截取的图3的阀门的截面图。

图6是图5的截面图C。

图7A至7F示出根据一些实施例的各种截面密封件几何形状。

图8是根据一些实施例的说明围绕阀头的层流的图3至6中的阀门的流体流建模。

图9是根据一些实施例的阀座的截面示意图。

图10是根据一些实施例的阀座的截面示意图。

图11是根据一些实施例的阀座的仰视平面图。

图12是根据一些实施例的阀座的俯视平面图。

图13是根据一些实施例的阀座的透视图。

图14是根据一些实施例的阀座的侧面正视图。

图15是根据一些实施例的烧结硬质合金嵌体的截面图。

图16是根据一些实施例的阀座的截面图，所述阀座包括连接到合金主体或套管的烧结硬质合金嵌体。

图17是根据一些实施例的阀座的截面图，所述阀座包括连接到合金主体或套管的烧结硬质合金嵌体。

具体实施方式

可以通过参考以下详细描述和实例更容易地理解本文中描述的实施例。然而，本文中所描述的元件、设备和方法不限于详细说明和实例中呈现的具体实施例。应当认识到，这些实施例仅为说明本发明的原理。在不脱离本发明的精神和范围的情况下许多修改和调整对于所属领域的技术人员而言容易地显而易见。

I.阀门

本文中描述的阀门采用可以减少降级磨损路径，由此延长阀门的使用寿命的架构。在一个方面中，阀门包括头部，所述头部包含圆周表面和阀座配合表面。支腿构件从头部延伸，其中所述支腿构件中的一个或多个的厚度在远离所述头部的方向上渐缩，以引起围绕所述头部的层状流体流。支腿构件可以具有与引起围绕头部的层状流体流一致的任何锥角。例如，支腿中的一个或多个可以具有1度至10度的锥角。在其它实施例中，支腿锥角可以是2度至5度。阀门的支腿构件可以展现相同锥角或不同锥角。可以根据阀门的流体流环境单独地调整每个支腿构件的锥角。或者，可以彼此结合地调整支腿构件的锥角，以引起围绕头部的层状流体流。支腿构件还可以包括圆形和/或平坦表面。例如，支腿构件的一个或多个边缘可以是圆形的。

阀门可以包括任何所需数目的支腿构件。可以根据若干考虑因素选择支腿构件的数目，包含但不限于，阀门的流体流环境以及并入有阀门的总成的结构参数。阀门可以包括3至6个支腿构件。在一些实施例中，阀门的支腿构件可以展现等距径向间隔或偏移。在其它实施例中，支腿构件之间的径向间隔可以是可变的。

支腿构件从阀头的底表面延伸。中间主体构件或主干可以驻留在头部的底表面与支腿构件之间。支腿构件可以从中间主体构件径向地延伸。在一些实施例中，支腿构件相对于阀门的纵轴以45度至80度的角度径向地延伸。在一些实施例中，支腿构件相对于阀门的纵轴以60度至70度的角度径向地延伸。支腿构件中的每一个可以以相同角度径向地延伸。或者，支腿构件可以相对于纵轴以不同角度径向地延伸。另外，在阀头的底表面与中间主体构件之间的过渡区可以展现曲率半径。曲率半径可以在0.25mm至5mm的范围内。在一些实施例中，过渡区曲率半径在0.5mm至2mm的范围内。曲率半径可以有助于保持围绕头部的层状流体流。

阀门还可以包括连接到头部的圆周表面的密封件。在一些实施例中，圆周表面限定与密封件接合的环形凹槽，所述环形凹槽包括顶表面和底表面。环形凹槽的顶表面可以径向地延伸出底表面。另外，环形凹槽的底表面可以过渡到阀座配合表面。在一些实施例中，凹槽底表面与阀座配合表面之间的过渡区具有小于环形凹槽曲率半径的曲率半径。

密封件的外表面可以具有保持围绕阀头的层状流体流的曲率半径。因此，锥形支腿构件可以结合密封件和中间主体构件工作，以提供围绕阀头的层状流体流。在一些实施例中，密封件与阀座配合表面的一部分重叠。在其它实施例中，密封件在阀座配合表面的端壁处终止并且不会与阀座配合表面的一部分重叠。密封件可以包括与高压流体环境中的阀门总成的密封一致的任何材料，例如，在用于水力压裂操作的流体端中遇到的那些材料。在一些实施例中，密封件包括聚合物材料，例如，聚氨酯或聚氨酯衍生物。在其它实施例中，密封件可以包括单独或与其它聚合材料组合的一个或多个弹性材料。

值得注意地，密封件可以与阀座配合表面形成角度(α)。与阀座配合表面形成的角度(α)可以在密封件上建立主区域以用于接触阀座。此主底座接触区域的位置可以靠近密封件的外圆周表面。可以通过改变由密封件和阀座配合表面形成的角度(α)来改变主底座接触区域的径向位置。例如，主底座接触区域可以通过增加角度在密封件上径向向外移动或通过减小角度径向向内移动。例如，密封件与阀座配合表面之间的角度(α)可以在5度至30度的范围内。在一些实施例中，从表I选择α的值。

表I--α(度)的值

5-25
	10-20
8-15
	12-17

主底座接触区域通常是密封件的第一区域，以在采用阀门的阀门总成的操作期间接触阀座。当阀门与阀座配合时，压缩应力可以最高或集中在主底座接触区域中。通过建立主底座接触区域，可以控制密封件的应力释放和/或耗散特性。在一些实施例中，例如，主底座接触区域靠近密封件的外圆周表面定位。通过占据此径向向外位置，由于与密封件的外表面的短能量传递距离，主底座接触区域可以快速地耗散应力集中或梯级。以此方式，避免在内部径向位置处的应力梯级并且增强密封件使用寿命。此技术解决方案基于一般应力管理原理是反直觉的，其中应避免应力梯级并且应力在密封件的整个区域上均匀地扩展。

如本文所描述，阀门包括阀座配合表面。当采用阀门的阀门总成处于闭合位置时，阀座配合表面接触阀座。在一些实施例中，阀座配合表面包括形成阀门的其余部分的相同合金。或者，阀座配合表面可以包括耐磨包层。例如，耐磨包层可以包括耐磨合金。合适的耐磨合金包含钴基合金和镍基合金。在一些实施例中，包层的钴基合金具有选自表II的组成参数。

表II--钴基合金

元素	量(重量％)
		铬	5-35
钨	0-35
		钼	0-35
镍	0-20
		铁	0-25
锰	0-2
		硅	0-5
钒	0-5
		碳	0-4
硼	0-5
		钴	其余部分

在一些实施例中，钴基合金包层具有选自表III的组成参数。

表III--钴基合金包层

在一些实施例中，镍基合金包层可以具有选自表IV的组成参数。

表IV--镍基合金

在一些实施例中，例如，镍基合金包层包括18重量％至23重量％铬、5重量％至11重量％钼、铌和钽总和的2重量％至5重量％、0重量％至5重量％铁、0.1重量％至5重量％硼，以及其余的镍。或者，镍基合金包层包括12重量％至20重量％铬、5重量％至11重量％铁、0.5重量％至2重量％锰、0重量％至2重量％硅、0重量％至1重量％铜、0重量％至2重量％碳、0.1重量％至5重量％硼，以及其余的镍。此外，镍基合金包层可以包括3重量％至27重量％铬、0重量％至10重量％硅、0重量％至10重量％磷、0重量％至10重量％铁、0重量％至2重量％碳、0重量％至5重量％硼，以及其余的镍。

在一些实施例中，可以通过烧结的粉末冶金技术产生钴基包层和/或镍基包层。在其它实施例中，可以根据激光熔覆或等离子体转移电弧技术来产生钴基包层和镍基包层。另外，用于阀门配合表面的耐磨包层可以具有任何所需厚度。例如，包层厚度可以选自表V。

表V--包层厚度

≥50μm
	≥100μm
100μm至200μm
	500μm至1mm

钴基或镍基包层还可以包括硬颗粒。在此类实施例中，硬颗粒变成截留在粉末合金的烧结或熔融期间形成的合金基体中。合适的硬颗粒可以包括金属碳化物、金属氮化物、金属碳氮化物、金属硼化物、金属硅化物、硬质合金、铸态硬质合金、金属间化合物或其它陶瓷，或其混合物的颗粒。在一些实施例中，硬颗粒的金属元素包括铝、硼、硅和/或选自周期表的IVB、VB和VIB族的一个或多个金属元素。根据CAS指定识别本文所描述的周期表的族。

在一些实施例中，例如，硬颗粒包括钨、钛、铬、钼、锆、铪、钽、铌、铼、钒、硼或硅，或其混合物的碳化物。硬颗粒还可以包括铝、硼、硅、钛、锆、铪、钽或铌的氮化物，包含立方氮化硼，或其混合物。另外，在一些实施例中，硬颗粒包括硼化物，例如，二硼化钛、B₄C或硼化钽，或硅化物，例如MoSi₂或Al₂O₃--SiN。硬颗粒可以包括压碎的硬质合金、压碎的碳化物、压碎的氮化物、压碎的硼化物、压碎的硅化物，或其它陶瓷颗粒增强的金属基复合材料，或其组合。例如，压碎的硬质合金颗粒可以具有2重量％至25重量％的金属粘结剂。另外，硬颗粒可以包括金属间化合物，例如，铝化镍。

硬颗粒可以具有与本发明的目标一致的任何尺寸。在一些实施例中，硬颗粒具有在约0.1μm至约1mm的范围内的尺寸分布。硬颗粒还可以展示双模态或多模态尺寸分布。硬颗粒可以具有任何所需形状或几何形状。在一些实施例中，硬颗粒具有球形、椭圆形或多边形几何形状。在一些实施例中，硬颗粒具有不规则形状，包含具有锐边缘的形状。

硬颗粒可以与本发明的目的不一致的任何量存在于本文所述的合金包层中。包层的硬颗粒负载可以根据若干考虑因素改变，包含但不限于，包层的所需硬度、耐磨性和/或韧性。在一些实施例中，硬颗粒以0.5重量％至40重量％的量存在于包层中。在一些实施例中，硬颗粒以1重量％至20重量％或5重量％至20重量％的量存在于包层中。

在一些实施例中，包层直接施加在阀门的阀座配合区域。如本文所描述，可以通过包含烧结的粉末冶金技术施加包层。在其它实施例中，可以通过激光熔覆或等离子体转移电弧施加包层。或者，可以将包层提供为嵌体。例如，可以将包层预制成嵌入所需的尺寸，其中嵌体安置于阀体上的凹口中以提供阀座配合表面。嵌体可以具有上文针对阀座配合表面描述的任何组成特性，包含钴基合金、镍基合金和/或硬颗粒。阀座配合嵌体可以经由钎焊合金压入配合和/或冶金粘结到阀体。

在一些实施例中，阀座配合表面包括烧结硬质合金。烧结硬质合金可以作为包覆层施加到阀座配合表面。或者，烧结硬质合金可以作为嵌体施加到阀头。例如，烧结硬质合金嵌体可以单独地制造并且钎焊或压入配合到阀头。在其它实施例中，烧结硬质合金嵌体附接到底座或衬底，并且底座或衬底连接到阀头。嵌体可以通过任何所需方法耦合到底座或衬底。例如，嵌体可以钎焊或机械地配合到衬底。另外，底座或衬底可以经由各种机构连接到阀头，包含但不限于，焊接、例如压入配合或收缩配合的机械锁定，和/或粘合剂的使用。阀头可以包括凹口或用于接收烧结硬质合金嵌体的其它结构。在一些实施例中，将烧结硬质合金嵌体提供为单个整体件。还可以将烧结硬质合金嵌体提供为多个径向区段。预期任何数目的径向区段。在一些实施例中，通过阻止裂纹扩展和/或可能引起具有单件结构的嵌体的过早故障的其它故障模式，将烧结硬质合金嵌体提供为多个径向区段可以延长嵌体使用寿命。例如，一个径向区段的降级和/故障可能对嵌体的其它径向区段的性能没有任何影响。

形成阀座配合表面的嵌体的烧结硬质合金可以包括碳化钨(WC)。在一些实施例中，WC可以至少70重量％的量或至少80重量％的量存在于烧结碳化物中。另外，硬质合金的金属粘结剂可以包括钴或钴合金。例如，钴可以在3重量％至30重量％的范围内的量存在于烧结硬质合金中。在一些实施例中，钴以在5重量％至12重量％或在6重量％至10重量％的量存在于烧结硬质合金中。此外，烧结硬质合金可以展现从衬底的表面开始并且从衬底的表面向内延伸的粘结剂富集区。包覆的阀门配合表面和/或嵌体的烧结硬质合金还可以包括一种或多种添加剂，例如，以下元素和/或其化合物中的一个或多个：钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪。在一些实施例中，钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪与烧结硬质合金的WC形成固溶体碳化物。在此类实施例中，烧结的碳化物可以包括呈0.1重量％至5重量％的范围内的量的一种或多种固溶体碳化物。

在一些实施例中，包覆的阀门配合表面或嵌体的烧结硬质合金可以具有1μm至15μm的表面粗糙度(R_a)。烧结硬质合金的表面粗糙度(R_a)还可以是5μm至10μm。形成阀门配合表面的烧结硬质合金的表面粗糙度可以经由机械操作获得，包含但不限于，研磨和/或喷砂处理技术。此外，阀门配合表面的烧结硬质合金可以展现至少500MPa或至少1GPa的压缩应力条件。

图1说明根据一些实施例的与阀座接合的密封件的主底座接触区域。如图1中所说明，主底座接触区域11(带圆圈)靠近或邻近密封件10的外圆周表面12定位。图2说明在与底座15接触时密封件10的应力分布。压缩应力集中度在主底座接触区域11中最高，并且可以通过密封件10的相邻外表面12快速地耗散。

图3说明根据一些实施例的阀门的正视图。阀门30包括头部31以及从头部31延伸的支腿构件32。在图3的实施例中，存在具有等距径向间隔的三个支腿构件32。每个支腿构件32的厚度在远离头部31的方向上渐缩，以产生围绕头部31的层状流体流。图4是图3的截面图B。支腿构件32的锥形以及支腿构件32的圆形边缘33是显而易见的。图3的阀门还包括连接到头部31的外圆周表面的密封件34。图5是沿着图3的A-A线截取的阀门的截面图。在截面图中，密封件34与环形凹槽35接合，所述环形凹槽具有顶表面35a和底表面35b。具有曲率半径R₁的过渡区35c连接顶表面35a和底表面35b。此外，顶表面35a径向延伸出底表面35b。在图5的实施例中，底表面35b经由具有曲率半径R₂的过渡区38过渡到阀座配合表面37。在一些实施例中，R₁大于R₂。如上所述，阀座配合表面37包括耐磨包层37a。在图3的实施例中，阀座配合表面37展现截头圆锥形几何形状。密封件34与阀座配合表面37形成角度(α)。如上所述，角度(α)可以建立用于密封件34的主底座接触区域。图6是提供环形凹槽35和相关联密封件34的放大细节的图5的截面图C。密封件34a的外表面可以展现曲率半径R₃，用于保持围绕头部31的层状流体流。

再次参考图5，支腿构件32从中间主体构件39径向延伸。在头部31的底表面与中间主体构件39之间建立具有曲率半径R₃的弯曲过渡区40。此过渡区40可以具有辅助围绕头部31的层状流体流的曲率半径。在其它实施例中，过渡区40不弯曲。图7A至7F说明根据一些实施例的各种密封几何形状和设计的截面图。

图8说明在图3至6中所说明的阀门的流体流建模。如图8中所说明，支腿构件32引起围绕头部31的层状流体流。弯曲过渡区40和密封件34的弯曲外表面34a有助于保持层状流体流。

在另一方面中，阀门包括头部，所述头部包含圆周表面和阀座配合表面。密封件连接到圆周表面，并且与阀座配合表面形成角度以在所述密封件上建立主底座接触区域。主底座接触区域可以靠近密封件的外圆周表面定位。在一些实施例中，密封件与阀座配合表面的一部分重叠。阀门以及相关联的主底座接触区域可以具有上文在此章节I中描述的任何组成、特性和/或功能。例如，阀门和密封件可以展现本文在图1至8中描述的架构和功能。

II.阀门总成

在另一方面中，本文中描述阀门总成。在一些实施例中，阀门总成包括阀座以及与所述阀座往复接触的阀门，所述阀门包括头部，所述头部包含圆周表面和阀门配合表面。支腿构件从头部延伸，其中所述支腿构件中的一个或多个的厚度在远离所述头部的方向上渐缩，以引起围绕所述头部的层状流体流。阀门还可以包括连接到头部的圆周表面的密封件。在一些实施例中，密封件的外表面展现保持围绕阀门的层状流体流的曲率半径。在一些实施例中，密封件还可以与阀座配合面的一部分重叠。另外，密封件可以与阀座配合表面形成角度，以在所述密封件上建立主底座接触区域。在一些实施例中，主底座接触区域靠近密封件的外圆周表面定位。当与阀座配合时，密封件上的主接触区域可以展现压缩应力集中。用于阀门总成的阀门可以具有在以上章节I中描述的任何架构、特性和/或组成。例如，阀门可以展现如本文中图1至8中所描述的架构和功能。

在一些实施例中，阀座可以包括主体，所述主体包括用于***到流体端的流体通道中的第一区段以及从所述第一区段纵向延伸的第二区段，所述第二区段包括耐磨嵌***于其中的凹口，其中耐磨嵌体包括阀门配合表面。在一些实施例中，耐磨嵌体展现压缩应力条件。此外，阀座的第一区段和第二区段可以具有相同外径或不同外径。例如，第二区段的外径可以大于第一区段的外径。在其它实施例中，阀座可以由单个合金组成形成，由此免去了耐磨嵌体。

现在参考图9，阀座10包括用于***到流体端的流体通道中的第一区段11。在图9的实施例中，第一区段11包括锥形外表面12以及大体上平行于底座10的纵轴14的内表面13。在一些实施例中，内表面13也可以是锥形的。锥形外表面12可以呈现第一区段11的可变外径D1。或者，第一区段11的外表面12不是锥形的且保持平行于纵轴14。在此实施例中，第一区段11具有静态外径D1。第一区段的外表面12还可以包括用于接收O型环的一个或多个凹口15。一个或多个O型环可以有助于与流体通道壁密封。

第二区段16从第一区段11纵向延伸。第二区段具有外径D2，所述外径大于第一区段11的外径D1。在图9的实施例中，包围第二区段16的环19形成外径D2的一部分。在一些实施例中，环19可以考虑具有大于第一区段11的外径的第二区段16。在此类实施例中，阀座的主体可以是圆柱形，其中添加环19为第二区段16提供较大外径D2。或者，如图9和10中所说明，独立于环19的第二区段16可以具有比第一区段的外径D1大的外径D2。

肩部17由第二区段16的较大外径D2形成。在图9的实施例中，肩部表面17a大体上垂直于阀座10的纵轴14。在其它实施例中，肩部表面17a可以渐缩和/或与纵轴形成具有5度至70度的值的角度。可以根据若干考虑因素选择肩部17的设计，包含但不限于，流体通道的入口几何形状以及在操作时底座所经历的压力。例如，在一些实施例中，可以根据与肩部接合的流体通道入口的曲率设置肩部的锥形。第一区段11在弯曲的交点18处过渡到第二区段16。弯曲交点可以具有任何所需半径。在一些实施例中，弯曲交点的半径可以是肩部宽度的0.05至0.5倍。在其它实施例中，在第一区段与第二区段之间不存在弯曲过渡。此外，在一些实施例中，第二区段(16)的外径(D2)与第一区段(11)的外径(D1)相等或基本上相等(例如，D1＝D2)。

第二区段16还包括截头圆锥形阀门配合表面20，其中第二区段16由环19包围。在图9的实施例中，环19以同心布置连接到第二区段16的外表面。环19将压缩应力条件传递到第二区段16。通过将第二区段16放入压缩应力中，当第一区段11压入配合到流体端的流体通道中时，环19可以协助平衡或等化第一区段11与第二区段16之间的应力。压缩应力条件还可以阻止第二区段16中的裂纹形成和/或扩展，由此增强阀座的使用寿命并减少突然或严重底座故障的发生。压缩应力条件还可以实现在第二区段16中使用更硬且更脆的材料，例如，形成阀门配合表面的更硬且更耐磨等级的硬质合金。

在图9的实施例中，环19与第二区段16的外表面或周边形成平面界面。在其它实施例中，环19可以包括驻留在环19的内部环形表面上的一个或多个突起或凸缘。内环表面上的突起或凸缘可以沿着第二区段16的周边压入配合到凹口或凹槽中。此结构布置可以有助于环19与第二区段16之间的适当接合。此结构布置还可以有助于在流体端的操作期间将第二区段16保持在环19内。在另一实施例中，第二区段16可以包括凸缘的一个或多个突起，用于与环19的内部环形表面中的一个或多个凹口接合。

图10是说明本文中描述的阀座的另一实施例的示意图。图10的阀座包括图9中所说明的相同结构特征。然而，图10中的环19至少部分地覆盖肩部17。例如，环19可以提供有径向凸缘19a，用于接合第二区段16的肩部17。在一些实施例中，环19完全覆盖肩部17。图11是具有图10的架构的阀座的底部平面图。如图11中所说明，环19连接到第二区段的周边并且部分地覆盖肩部17。图12是具有图10的架构的阀座的俯视平面图。截头圆锥形阀门配合表面20过渡到阀座10的孔21中。环19包围第二区段16，从而将压缩应力条件传递到第二区段16。因此，将压缩应力条件传递到阀门配合表面20，这可以有助于抵抗配合表面20中的裂纹形成和/或裂纹扩展。此外，图13说明图10的阀座的透视图。图14说明根据一些实施例的阀座的侧面正视图，其中在第一区段11与第二区段16之间不存在弯曲交点。

如本文所描述，阀座可以包括烧结硬质合金。在一些实施例中，阀座的第一和第二区段各自由烧结硬质合金形成。或者，第一区段可以由例如钢或钴基合金的金属或合金形成，并且第二区段由烧结硬质合金形成。形成烧结硬质合金的第二区段可以相对于例如钢的其它材料将硬度和耐磨性传递到阀门配合表面。

在一些实施例中，第二区段由包括烧结硬质合金和合金的复合材料形成。例如，烧结硬质合金嵌体可以连接到钢衬底，其中烧结硬质合金嵌体形成阀门配合表面的一部分或全部，并且钢衬底形成第二区段的其余部分。在此类实施例中，烧结碳化物嵌体可以径向延伸以接触包围第二区段的环，由此准许环将压缩应力条件传递到烧结碳化物嵌体。在其它实施例中，钢或合金衬底包括烧结碳化物嵌***于其中的凹口。在此实施例中，凹口的外边缘位于烧结碳化物嵌体与环之间，其中由环传递的压缩应力通过外边缘传输到烧结碳化物嵌体。

在一些实施例中，将烧结硬质合金嵌体提供为单个整体件。还可以将烧结硬质合金嵌体提供为多个径向区段。预期任何数目的径向区段。在一些实施例中，通过阻止裂纹扩展和/或可能引起具有单件结构的嵌体的过早故障的其它故障模式，将烧结硬质合金嵌体提供为多个径向区段可以延长嵌体使用寿命。例如，一个径向区段的降级和/故障可能对嵌体的其它径向区段没有任何影响。

阀座的烧结硬质合金可以包括碳化钨(WC)。WC可以至少70重量％的量或至少80重量％的量存在于烧结的碳化物中。另外，硬质合金的金属粘结剂可以包括钴或钴合金。例如，钴可以在3重量％至20重量％的范围内的量存在于烧结硬质合金中。在一些实施例中，钴以在5重量％至12重量％或在6重量％至10重量％的量存在于阀座的烧结硬质合金中。此外，烧结硬质合金阀座可以展现从衬底的表面开始并且从衬底的表面向内延伸的粘结剂富集区。阀座的烧结硬质合金还可以包括一种或多种添加剂，例如，以下元素和/或其化合物中的一个或多个：钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪。在一些实施例中，钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪与烧结硬质合金的WC形成固溶体碳化物。在此类实施例中，烧结的碳化物可以包括呈0.1重量％至5重量％的范围内的量的一种或多种固溶体碳化物。

在一些实施例中，可以采用单级烧结硬质合金来形成阀座的第一区段和第二区段。在其它实施例中，一个或多个组成梯度可以存在于第一区段和第二区段的烧结硬质合金之间。例如，第一区段的烧结硬质合金可以具有较大平均晶粒度和/或更高金属粘结剂含量以增加韧性。相反，第二区段的烧结硬质合金可以具有较小平均晶粒度和较少粘结剂，以增强硬度和耐磨性。另外，组成梯度可以存在于阀座的第一和/或第二区段内。在一些实施例中，形成阀门配合表面的烧结硬质合金包括较小平均晶粒度和较低金属粘结剂含量，以增强硬度和耐磨性。远离阀门配合表面前进，第二区段的烧结硬质合金组成可以增加晶粒度和/或粘结剂含量，以增强韧性和抗折性。在一些实施例中，例如，高硬度和高耐磨性的烧结硬质合金可以在第二区段中延伸到50μm至1mm或75μm至500μm的深度。一旦达到所需深度，烧结硬质合金组成变为更具韧性的抗折组成。

在一些实施例中，当阀门配合表面由烧结硬质合金形成时，烧结硬质合金可以具有1μm至15μm的表面粗糙度(R_a)。烧结硬质合金的表面粗糙度(R_a)还可以是5μm至10μm。形成阀门配合表面的烧结硬质合金的表面粗糙度可以经由机械操作获得，包含但不限于，研磨和/或喷砂处理技术。此外，形成包含阀门配合表面的阀门的第二区段的烧结硬质合金可以展现至少500MPa的压缩应力条件。在一些实施例中，形成第二区段的烧结硬质合金可以具有选自表I的压缩应力条件。

表VI--烧结硬质合金压缩应力(GPa)

≥1
	≥1.5
≥2
	0.5-3
1-2.5

烧结硬质合金的压缩应力条件可以由通过环包围第二区段和/或机械地操作烧结硬质合金传递的压缩产生，以提供具有所需表面粗糙度的阀门配合表面。可以根据Sin²ψ方法经由X射线衍射确定烧结硬质合金的压缩应力。阀座的烧结硬质合金还可以展现88至94HRA的硬度。

包围第二区段的环可以由可用于向第二区段传递压缩应力条件的任何合适材料形成。在一些实施例中，环由例如钢的金属或合金形成。环还可以由陶瓷、金属陶瓷和/或例如聚氨酯的聚合物材料形成。

在另一方面中，阀座包括用于***到流体端的流体通道中的第一区段，以及从第一区段纵向延伸的第二区段，所述第二区段包含截头圆锥形阀门配合表面，所述截头圆锥形阀门配合表面包括具有1μm至15μm的表面粗糙度(R_a)的烧结硬质合金。在一些实施例中，将阀门配合表面的烧结硬质合金提供为连接到金属或合金主体的嵌体环。在其它实施例中，第二区段由烧结硬质合金形成。第二区段的外径可以大于第一区段的外径。或者，第一和第二区段的外径相同或基本上相同。此外，阀座的第二区段可以任选地由本文所描述的环包围。

在另一方面中，用于流体端的阀座包括主体，所述主体包括用于***到流体端的流体通道中的第一区段以及从第一区段纵向延伸的第二区段。第二区段包括烧结硬质合金嵌***于其中的凹口，其中烧结硬质合金嵌体包括阀门配合表面并且展现压缩应力条件。在一些实施例中，烧结硬质合金嵌体具有1μm至15μm的表面粗糙度(R_a)。图15说明根据一些实施例的烧结硬质合金嵌体。烧结硬质合金嵌体70包括截头圆锥形阀门配合表面71。形成嵌体70的烧结硬质合金可以具有上述任何组成和/特性。烧结硬质合金嵌体可以连接到金属或合金主体或套管。金属或合金主体可以形成阀座的第一区段以及第二区段的一部分。图16是根据一些实施例的阀座的截面图，所述阀座包括连接到合金主体或套管的烧结硬质合金嵌体。在图16的实施例中，合金主体82形成阀座80的第一区段81，用于***到流体端的流体通道中。合金主体82还形成第二区段86的一部分，并且限定烧结硬质合金嵌体70位于其中的凹口83。如在图15中，烧结硬质合金嵌体70包括具有1μm至15μm的表面粗糙度(R_a)的截头圆锥形阀门配合表面71。在一些实施例中，阀门配合表面71的R_a是5μm至10μm。烧结硬质合金嵌体70可以通过任何所需方式连接到合金主体82，所述方式包含钎焊、烧结、热均压和/或压入配合。在一些实施例中，第二区段86中的合金主体的内部环形表面包括一个或多个突起，用于与烧结硬质合金嵌体70的周边上的凹槽接合。在一些实施例中，合金主体82可以将压缩应力条件传递到烧结硬质合金嵌体70。例如，合金主体82的第二区段86可以将压缩应力条件传递到烧结硬质合金嵌体70。在一些实施例中，烧结硬质合金嵌体70可以展现具有选自上表I的值的压缩应力。合金主体82可以由任何所需合金，包含但不限于钢和钴基合金形成。在图16的实施例中，合金主体82提供第二区段86的一部分，所述第二区段的外径D2大于第一区段81的外径D1。在一些实施例中，外径D1可以随着第一区段81的外表面84的锥形而变化。弯曲交点88存在于第一区段81和第二区段86的过渡处。另外，第二区段86的较大外径D2形成肩部87。肩部87可以具有如本文中图9至10中描述的结构。在其它实施例中，第一区段81的外径D1和第二区段86的外径D2相同或基本上相同。在D1等于D2的此类实施例中，主体82的外表面84可以是圆柱形。

如本文所描述，阀座的第一和第二区段可以具有相同外径或基本上相同外径。在此类实施例中，与图16中所说明的阀座的双外径(D1、D2)相比，阀座展现单外径。图17说明根据一些实施例的包括烧结硬质合金嵌体的单外径阀座。图17中的附图标记对应于如图16中的相同组件。如图17中所说明，阀座80包括单外径D1。在一些实施例中，阀座80不采用烧结硬质合金或其它耐磨材料的嵌体70。例如，阀门配合表面可以由与底座主体的其余部分相同的合金形成。在一些实施例中，耐磨包层可以施加到阀门配合表面的合金。耐磨包层可以包括本文中描述的钴基或镍基合金，或金属矩阵复合材料。在另外的实施例中，阀座的外径可以在远离阀门配合表面的方向上渐缩。例如，底座的第一区段可以具有比第二区段大的外径。然而，在第一和第二区段之间不存在肩部，并且外径线性地向内渐缩。耐磨嵌体或包层还可以用于阀座的外径渐缩而不建立肩部的实施例中。

III.流体流控制

在另一方面中，本文中还描述控制流体流的方法。在一些实施例中，控制流体流的方法包括提供阀门总成，所述阀门总成包括阀座以及与所述阀座往复接触的阀门。所述阀门包括头部，所述头部包含圆周表面和阀座配合表面。支腿构件从所述头部延伸，其中所述支腿构件中的一个或多个的厚度在远离所述头部的方向上渐缩。阀门与阀座脱离接触以使流体流过总成，其中一个或多个锥形支腿构件引起围绕头部的层状流体流。阀门随后与阀座配合以阻止流体流过所述阀门。在一些实施例中，密封件连接到头部的圆周表面。密封件可以具有保持围绕阀门的层状流体流的曲率半径。总成的阀门和阀座可以具有在以上章节I和II中描述的任何架构、组成和/或特性。例如，阀门和阀座可以展现如本文中图1至17中所描述的架构和功能。

已经描述了本发明的各种实施例以实现本发明的各种目的。应当认识到，这些实施例仅为说明本发明的原理。在不脱离本发明的精神和范围的情况下其许多修改和调整对于所属领域的技术人员而言容易地显而易见。