專利名稱：可膨脹塞及控制方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種可膨脹塞，其適用于調(diào)整管件內(nèi)的壓力和流體的流動。本發(fā)明還涉及控制方法。
這種普通類型的可膨脹塞常用于因為某些原因不便使用普通閥門截止流體的場合。例如，相對于管件所希望的密封或調(diào)整位置不確定，所希望的密封是暫時的，或者不容易接近管件的外部。
通常近似的可膨脹塞的設(shè)計方案或結(jié)構(gòu)涉及采用彈性筒狀物，或囊體，其直徑可以增大。通過多種機械方法，或者施加內(nèi)部壓力可以達到上述目的。
在使用中，這種塞子需要承受徑向膨脹和軸向延伸，后者將承受摩檫(在塞子與管件之間產(chǎn)生相對運動的情況下)，以及沿該塞子存在的管件流體壓力的壓力差。
用機械方法使塞子膨脹僅適用于膨脹比相當小和/或軸向延伸小的情況。在有些情況下，需要有大膨脹比例，例如當塞子不膨脹時，管件不能承受過量的流體阻塞，或者放入塞子后，管件可能改變直徑或引起膨脹。對于這種應用場合，最好使用內(nèi)部壓力進行膨脹。
發(fā)明概要本發(fā)明的第一方面涉及可膨脹類型的可膨脹塞。本發(fā)明的目的是提供一種塞子的結(jié)構(gòu)，其在膨脹過程中不需要過大的壓力，而且可以承受相當大的軸向延伸。
本發(fā)明的第一方面是提供一種可膨脹塞，其包括可膨脹囊體，該囊體適于在內(nèi)部流體壓力作用下徑向膨脹，流體入口裝置，該裝置連通囊體的內(nèi)部，以便連接膨脹流體源，還有加固裝置，該加固裝置包括柔性加固繩，該柔性加固繩沿膨脹塞軸向進行加固，并且沿徑向支撐囊體，所述柔性加固繩在囊體膨脹時沿橫向擴展。這些繩子最好由多條未纏繞在一起的線束形成，于是當囊體膨脹時，各繩子的線束沿橫向向外伸展。
繩子最好在囊體的相對的軸向端部之間延伸，從而形成圍繞囊體外表面的外套，在囊體徑向膨脹過程中，繩子僅產(chǎn)生很小的阻力，或者不產(chǎn)生阻力。
本發(fā)明的第二方面涉及控制在管件中使可膨脹塞膨脹的方法，以便在管件中控制壓力差，或者容許流體從塞子處漏過。按照下列等式控制塞子內(nèi)部的壓力Pp＝ΔP+Pd其中Pp＝施加到塞子的壓力；ΔP＝沿塞子的壓力差；Pd＝無限制條件下使塞子膨脹到直徑d時的壓力(自由膨脹壓力)；d＝管件限制的直徑。
附圖簡述下面參照附圖描述本發(fā)明的最佳實施例。


圖1是具有局部剖視的示意圖，其表示一個優(yōu)選的塞子的構(gòu)造。
圖2是囊體部分的透視圖，從中拆去部分元件，可以清楚地看到螺旋線形狀的加固線的構(gòu)造。
圖3和4是示意圖，其表示當塞子膨脹時線延伸的狀態(tài)。
圖5～7是示意圖，其表示按照本發(fā)明第二方面的控制方法。
優(yōu)選實施例的描述通常塞子由一對端部元件10和在端部元件之間延伸的圓筒形囊體12構(gòu)成。上游端蓋10a中設(shè)有流體入口14，從而為膨脹囊體的液體或氣體提供通道。在實際上，端蓋可以是相同的，下游端蓋可以被堵塞，或者被限制，以便提供回壓。至少端蓋之一很自然地與外支撐件相連，從而為塞子的軸向延伸的反作用提供支撐。這個支撐件通常由供給膨脹流體的管件提供(未圖示)。
囊體12由彈性材料管構(gòu)成，為了能夠承受徑向膨脹而不破裂，該彈性材料管具有高應變能力和低硬度。這在高膨脹率的情況下是特別重要的。
彈性囊體由壓力密封件16或其他合適的裝置固定到端蓋上。當壓力法蘭的軸24上的螺母22被擰緊時，各密封件被壓緊在壓力法蘭18和隔離塊20之間。
如圖2所示，加固外套26由柔性繩28形成，該柔性繩28圍繞囊體的外表面。如圖1所示，將繩分別纏繞在一系列成角度安裝固定到各端蓋上的固定銷30上。非彈性材料的繩包圍囊體僅對徑向膨脹產(chǎn)生較小的阻力，或者不產(chǎn)生阻力?？梢郧宄乜吹?，當塞子沿徑向膨脹時，柔性繩之間的間隙增加。在柔性繩的這些間隙之內(nèi)，彈性囊體不受支撐。因此，必須使用大量的、緊密設(shè)置的繩子28。如果需要可以在塞子的外側(cè)設(shè)置第二彈性外套34，來保護繩子28。
在圖2所示的實施例中，以較小的螺旋角安置繩子，例如，相對于塞子的軸線螺旋角小于15度，而且具有兩層或多層螺旋角相反的繩子32a，32b。由于有螺旋角的繩子構(gòu)成周邊元件，雖然在囊體膨脹時將產(chǎn)生較小的徑向阻力增加，但是這有助于在膨脹過程中，使繩子定位。
市售的加固繩子多數(shù)是由大量單獨的線束纏繞在一起構(gòu)成的。纏繞阻止繩子伸展，而且提供較大的彈性。但是，申請人發(fā)現(xiàn)，在此特殊應用過程中，不希望使用這種普通的經(jīng)過纏繞的繩子，因為這些繩子將在彈性體上引起強烈的局部應變，而且可能切割囊體。申請人發(fā)現(xiàn)，使用未經(jīng)纏繞的繩子，線束在囊體膨脹表面橫向移動時可以傳播負載，并且防止切割囊體。
圖3和4表示在塞子膨脹期間線束橫向移動的狀況。圖3表示未膨脹塞子的平行繩子的輪廓。圖4表示同一塞子膨脹時的狀況?？梢郧宄乜吹剑斈殷w膨脹時，未經(jīng)纏繞的繩子的寬度增加。為了描述清楚，圖3和4表示的繩子分開較寬。在實際中，最好設(shè)置的繩子非常緊密，只有很小的間隙，或者沒有間隙。
原則上，繩子可以是具有合適特性的任何材料，即，一般具有高抗拉強度，高彈性模量，高柔韌性，和合適的與流體有關(guān)的化學適應性。可以使用棉、金屬、或合成纖維制出的繩子。非常成功的膨脹塞采用ARAMID繩子制成，這種繩子由非常大量的特別纖細的線束制成，而且呈非纏繞狀態(tài)。
在膨脹塞的結(jié)構(gòu)中，繩子具有相同的張力和長度是非常重要的。當一條繩子比另一條稍微松些的時候，在膨脹過程中，這條松的繩子所在區(qū)域?qū)椥阅殷w留下非支撐間隙。獲得同等張力的方法是將繩子固定到合適的剛性支架上的固定環(huán)上。使用配重纏繞繩子，保證繩子張力均勻。
在另一個實施例中，加固外套與囊體或套的彈性材料成型為一體。使用未經(jīng)纏繞的繩子，在膨脹過程中，使線束橫向移動，減小繩子撕開彈性基體的可能性。
按照本發(fā)明提供的膨脹塞的構(gòu)造具有很高的各向異性性能，即1.具有相當大的徑向膨脹承受能力，而其不破裂、不需要過大的壓力，即沿周向具有很高的應變能力和低硬度；2.具有承受軸向負載的能力，軸向負載由沿膨脹塞存在的壓力差產(chǎn)生，即，沿軸向具有非常高的強度和高硬度。
該膨脹塞具有的徑向膨脹能力導致相當?shù)偷淖杂膳蛎泬毫Γ?，使膨脹塞膨脹到管徑尺寸所需要的壓力不受限制。這樣可以很好地控制膨脹塞的膨脹壓力，便于控制上游壓力，或管件內(nèi)流體的流動，如下面所述。
令人驚奇的是，申請人發(fā)現(xiàn)在施加到膨脹塞內(nèi)部使其膨脹的壓力與在膨脹塞后管件中存在的壓力之間存在著精確和可以預料的關(guān)系，如下面的等式所述Pp＝ΔP+Pd其中Pp＝施加到膨脹塞的壓力；ΔP＝沿膨脹塞的壓力差；Pd＝無限制條件下使膨脹塞膨脹到直徑d的壓力(自由膨脹壓力)；d＝管件限定的直徑。
圖5～7表示控制方法的參數(shù)。圖5表示未膨脹的膨脹塞，其中膨脹塞的內(nèi)側(cè)和外側(cè)均為大氣壓力。在圖6中，膨脹塞膨脹到直徑d，膨脹塞不受管件限制，自由膨脹壓力Pd施加到膨脹塞的內(nèi)側(cè)。在圖7中，膨脹塞在內(nèi)徑為d的管件36內(nèi)側(cè)膨脹，而在膨脹塞上游端管件內(nèi)側(cè)的體積增壓ΔP。可以計算出需要保持壓力差ΔP的最小膨脹塞的壓力Pp′是自由膨脹壓力和壓力差之和。
申請人發(fā)現(xiàn)，基本上按照上述等式控制膨脹塞的內(nèi)部壓力，當壓力差超過ΔP時流體開始漏過膨脹塞?？梢跃_地控制膨脹塞上游端的管件內(nèi)部壓力。基本上按照上述等式控制膨脹塞的壓力也可以專門用于膨脹塞和管件之間產(chǎn)生相對移動的情況。在這種情況下，導致存在的流體流過膨脹塞的表面，形成很薄的薄膜層，于是為膨脹塞和管件內(nèi)壁的相對移動提供潤滑，從而減小膨脹外表面的摩檫力。
控制的靈敏性取決于膨脹塞的自由膨脹壓力。如果這個壓力值非常高，那么對于有效的密封需要非常大的膨脹塞的壓力，這阻礙了對該系統(tǒng)的良好控制。因此，希望保持自由膨脹壓力盡可能得小。按照本發(fā)明的第一方面，通過膨脹塞的構(gòu)造可以達到上述目的。
對于壓力控制的應用情況來說，這種膨脹塞的另一個重要特征涉及它的長度與直徑的比例(L/D)?？梢钥吹?，當繩子形成球體時產(chǎn)生的膨脹塞的膨脹直徑最大。達到這一點后，再增加壓力不能使膨脹塞的直徑進一步增加。在實際中，沿膨脹塞具有壓力差，這一點不可能達到。因此，對膨脹塞的長度設(shè)定很小的限制。當壓力值接近這個很小的限定值時，膨脹塞的靈敏性降低，即，膨脹塞的自由膨脹壓力增加，并且在限定值達到無窮大。因此，希望有非常長的膨脹塞。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果膨脹塞過長，其穩(wěn)定性將產(chǎn)生問題，由此從膨脹塞的上游端至下游端產(chǎn)生塌陷的可能性增加，從而導致被存放的流體釋放噴出。L/D臨界比例的上限取決于多個因素，包括壓力系統(tǒng)的流體慣性，其受到泵和管道系統(tǒng)的容積和彈性能力，以及被存儲流體和膨脹流體的性質(zhì)的支配。對于水，發(fā)現(xiàn)成功的膨脹塞的L/D比例小于8∶1。
上面描述了本發(fā)明的特殊實施例，本專業(yè)的技術(shù)人員可以清楚地知道，在不脫離本發(fā)明基本特征的條件下，本發(fā)明還可以有其他特殊的形式。因此，上述實施例僅僅是對本發(fā)明進行描述，而不是進行限制。本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書指出，而不是由上述說明來限定。所有與權(quán)利要求書所述范圍相等同和包括在該范圍內(nèi)的各種變化都屬于本發(fā)明的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種可膨脹塞，其包括可膨脹囊體，該囊體適于在內(nèi)部流體壓力作用下徑向膨脹，流體入口裝置，該裝置連通囊體的內(nèi)部，以便連接膨脹流體源，還有加固裝置，該加固裝置包括柔性加固繩，該柔性加固繩沿膨脹塞軸向進行加固，并且沿徑向支撐囊體，所述柔性加固繩在囊體膨脹時沿橫向伸展。
2.按照權(quán)利要求1所述的可膨脹塞，其特征是各柔性加固繩包括多條線束，所述線束未纏繞在一起。
3.按照權(quán)利要求2所述的可膨脹塞，其特征是所述柔性加固繩形成圍繞囊體外表面的外套。
4.按照權(quán)利要求3所述的可膨脹塞，其特征是所述柔性加固繩定位緊密，以致基本上完全支撐囊體的外表面。
5.按照權(quán)利要求4所述的可膨脹塞，其特征是所述柔性加固繩在囊體相對的軸向端部之間延伸。
6.按照權(quán)利要求5所述的可膨脹塞，其特征是所述柔性加固繩圍繞所述囊體的外表面呈螺旋線形狀延伸。
7.按照權(quán)利要求6所述的可膨脹塞，其特征是所述柔性加固繩相對于膨脹塞的軸線以小于15度的螺旋角延伸。
8.按照權(quán)利要求6所述的可膨脹塞，其特征是所述可膨脹塞有兩層或多層柔性加固繩，各層柔性加固繩呈相反的螺旋角延伸。
9.按照權(quán)利要求3所述的可膨脹塞，其特征是所述柔性加固繩具有基本相等的張力和長度。
10.按照權(quán)利要求1或2所述的可膨脹塞，其特征是膨脹塞還包括在上游和下游的端部元件，所述端部元件位于囊體相對的端部，至少端部元件之一設(shè)有流體入口，和連接外部支撐件的裝置。
11.按照權(quán)利要求2所述的可膨脹塞，其特征是所述可膨脹塞的長度與直徑的比例小于8∶1。
12.按照權(quán)利要求3所述的可膨脹塞，其特征是可膨脹塞還包括位于柔性加固繩外側(cè)的套。
13.一種控制位于內(nèi)徑為d的管件中的可膨脹塞的方法，在沿膨脹塞有壓力差ΔP條件下，使管件內(nèi)的流體從膨脹塞處漏過，其包括基本上按照下列等式向膨脹塞施加使其膨脹的內(nèi)部壓力PpPp＝ΔP+Pd其中Pd是無限制條件下使膨脹塞膨脹到管件直徑d所需的內(nèi)部壓力。
14.一種控制位于內(nèi)徑為d的管件中的可膨脹塞的方法，為沿膨脹塞保持壓力差ΔP，其包括基本上按照下列等式向膨脹塞施加使其膨脹的內(nèi)部壓力PpPp＝ΔP+Pd其中Pd是無限制條件下使膨脹塞膨脹到管件直徑d所需的內(nèi)部壓力。
全文摘要
本發(fā)明的第一方面涉及可膨脹塞，用它調(diào)整管件內(nèi)的壓力和流體的流動。所述塞子有可膨脹的囊體(12)，該囊體(12)在由入口(14)引入的內(nèi)部流體壓力作用下徑向膨脹。所述塞子由繩子制成的外套(26)加固。所述繩子在囊體的膨脹過程中橫向伸展，為囊體提供徑向支撐。在本發(fā)明的第二方面，按照等式P
文檔編號F28F13/18GK1138375SQ94194593
公開日1996年12月18日 申請日期1994年12月21日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月27日
發(fā)明者P·G·查普曼, A·K·沃萊斯, L·H·考林 申請人:溫尼德斯制管商有限公司, 尤波諾爾股份有限公司