КРАН С ПОВОРОТНОЙ ПРОБКОЙ Российский патент 2001 года по МПК F16K5/02 F16K39/06 

Настоящее изобретение относится к области гидравлических исполнительных механизмов и, в частности, представляет собой кран с поворотной пробкой, имеющий седловую поверхность, форма которой представляет собой поверхность вращения. Известны краны конусные натяжные муфтовые с седловой поверхностью в форме поверхности вращения (см., например, книгу П.И. Акурьева "Справочник конструктора-машиностроителя", Машиностроение. Москва 1980 т.3, стр. 319 (краны конусные натяжные муфтовые латунные Ру=16 кгс/см².

Условия эксплуатации запорных устройств, которые входят в состав нефтепромысловых машин (длительное нахождение и необходимость переключений при высоких давлениях 100 МПа и выше, высокая абразивность и агрессивность рабочей среды, температурный диапазон от -40 до +100^oC, нетребовательность к обслуживанию и смазке, высокая безотказность, особенно в периоды проведения ответственных технологических операций, таких как освоение скважин, гидроразрыв пластов, цементирование и т.д.), наиболее полно удовлетворяет простые по конструкции краны с поворотной пробкой. За прототип заявляемого технического решения можно принять кран муфтовый высокого давления, выпускаемый ЗАО "НПАК"РАНКО" и ЗАО "СМАиК" (см. Установка насосная рамная УН 125х631. Руководство по эксплуатации. УНР125М1.00.00.000РЭ", стр. 45, рис. 14, Москва, 01.2000 г. ) - Приложение I. Этот кран, имеющий седловую поверхность в виде поверхности тела вращения, включает корпус с конической центральной полостью и с соосно расположенными в нем входным и выходным отверстиями. Кроме того, он включает запорный орган, содержащий цилиндрическую пробку с центральным цилиндрическим проходным отверстием, соосным входному и выходному отверстиям, и прижимные седла с цилиндрическими проходными отверстиями, уплотняющей поверхностью тела вращения и выполненными в них пространственно-изогнутыми канавками под уплотнительные 0-образные кольца, уплотняющие проходные отверстия разъема корпуса и запорного органа.

Запорный орган размещен в центральной конической полости корпуса перпендикулярно оси указанных отверстий. Кран также включает приводную рукоятку запорного органа и нажимную резьбовую коронку. Для создания необходимого прижима седел к пробке конусное соединение запорного устройства и полости корпуса является самотормозящимся (уклон образующей конуса равен 1:5).

В процессе работы путем поворота приводной рукоятки и соответственно пробки обеспечивается частичное или полное переключение с потока флюнда через кран в соответствии с требованиями конкретной технологической операции.

Описанная конструкция, отличаясь сравнительной простотой, имеет ряд существенных недостатков, вследствие чего не прекращаются попытки модернизировать основную конструктивную схему существенного крана, решающие отдельные задачи с разной степенью успеха. Основными недостатками известной конструкции являются:
1) большие усилия, а часто и невозможность переключения крана под давлением, а также из-за заклинивания пробки без давления;
2) потери времени на регулирование затяжки запорного органа нажимной резьбовой коронкой перед и после каждого открытия и закрытия крана;
3) практическое отсутствие приемлемой зоны регулирования потока рабочей среды (другими словами, резкое изменение проходного сечения при открытии-закрытии крана);
4) нетехнологичность конструкции канавок под запорные элементы из-за высокой трудоемкости изготовления этих канавок, расположенных на конусных поверхностях, вследствие этого и требующих применения специального расточного приспособления для обеспечения сложной траектории расточного резца.

В связи с изложенным основной технической задачей, на решение которой направленно настоящее предлагаемое изобретение, является создание конструкции крана с поворотной пробкой, которая обеспечивала бы легкость переключения крана под давлением, снижение потерь времени на регулирование затяжки запорного крана перед и после каждого открытия и закрытия крана, значительное расширение зоны регулирования потока рабочей среды, улучшение технологичности изготовления крана. При этом должны максимально сохраняться апробированные элементы крана. Для решения поставленной технологической задачи кран с поворотной пробкой, имеющий седловую поверхность в виде поверхности тела вращения, включает корпус с центральной полостью и с соосно расположенными отверстиями. Кран также включает запорный орган, содержащий пробку с центральным проходным отверстием, соосным входному и выходным отверстиям корпуса, и прижимные седла с проходными отверстиями с уплотняющей поверхностью тела вращения. Запорный орган размещен в центральной полосе перпендикулярно оси указанных отверстий. Кроме того, кран включает приводную рукоятку запорного органа, резьбовую коронку и осевые пружины предварительного поджима прижимных седел к пробке для замыкания конструктивной цепи рабочих элементов крана. Характерной особенностью крана является то, что пробка запорного органа выполнена с конической рабочей поверхностью и с внутренней полостью, в которой размещен разгрузочный золотник, причем в пробке и прижимных седлах выполнены каналы управления для сообщения полости разгрузочного золотника с входным и выходным отверстиями корпуса крана. При этом центральная полость в корпусе под запорное устройство имеет технологическую цилиндрическую форму, а угол образующей конической рабочей поверхности соприкосновения пробки и седел является несамотормозящим и составляет, предпочтительно, 10-12 градусов.

При этом необходимое уплотняющее усилие прижима седел к пробке создается за счет подвода давления рабочей среды по каналам в пробке и седлах к торцевым поверхностям седел посредством разгрузочного золотника.

Вследствие разницы в площадях торцевых поверхностей седел давление поверхности пробки с нужным усилием. При необходимости повернуть пробку торцевые поверхности прижимных седел разгрузочным золотником соединяют с выходным отверстием крана, подводя давление слива, при котором момент поворота пробки будет минимальным. Характерной особенностью заявленного крана является также и то, что контур проходного отверстия в пробке на конической поверхности соприкосновения седла и пробки по меньшей мере с одной из его сторон или контур одного из проходных отверстий в седлах выполнен в виде фигуры каплевидной формы с углом, равным 60^o и биссектрисой, расположенной в плоскости поворота пробки, причем вершина угла расположена за пределами проходного отверстия.

Между поверхностями центральной полости корпуса и прижимными седлами установлены осевые пружины. Разгрузочный золотник крана выполнен в виде резьбового стержня с притертым к внутренней полости в коробке цилиндрическим хвостовиком с выполненными в последнем сегментным вырезом на четверти окружности и перпендикулярным ему каналом для соединения каналов управления в пробке и снабжен головкой поворота с ограничительным устройством в виде, например, секторного выреза и ответного штифта.

Для уплотнения проходных отверстий по поверхностям разъема между пружинными седлами и корпусом размещены уплотнительные элементы, например 0-образные кольца, помещенные в канавки, образованные эквидистантными цилиндрическими поверхностями в равнотолщинных гильзе и шайбе, с положенными между уплотнениями поверхностями корпуса и седел. При этом толщины гильзы и шайбы равны требуемой глубине канавки под уплотнительный элемент (в гильзе выполнено цилиндрическое отверстие по наружному диаметру уплотнительного элемента, а в шайбе - соответствующая цилиндрическая наружная поверхность).

Возможность осуществления настоящего предлагаемого изобретения доказывается отечественной и зарубежной практикой использования в нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности запорных кранов с поворотной пробкой (см., например, Приложение I).

Технические признаки, являющиеся отличительными для заявленной конструкции (выполнение определенным выше образом конической пробки, наличие разгрузочного золотника и управление каналов в пробке и прижимных седлах, наличие осевых пружин, наличие уплотнений, размещенных в канавках, оборудованных равнотолщинной гильзой и шайбой и т.д.) могут быть реализованы с помощью средств, используемых в различных областях техники.

Отличительные признаки, отраженные в формуле изобретения, необходимы и достаточны для его осуществления, т.к. обеспечивают решение поставленной задачи - создания такой конструкции крана с поворотной пробкой, которая обеспечивала бы легкость переключения крана под давлением, снижение потерь времени на регулирование затяжки запорного органа перед и после каждого открытия и закрытия крана, значительное расширение зоны регулирования потока рабочей среды и вместе с тем улучшение технологичности изготовления крана, т.е. повышение эффективности работы крана в целом.

В дальнейшем настоящее изобретение схематически изображено на прилагаемых чертежах, на которых:
Фиг. 1 - кран с поворотной пробкой, выполненный в соответствии с настоящим предлагаемым изобретением (в продольном разрезе);
Фиг. 2 - пробка крана с центральным проходным отверстием и каналами управления (в увеличенном масштабе);
Фиг. 3 - общий вид пробки, показанный на фиг. 2, иллюстрирующий каплевидную форму контура пересечения проходного отверстия в пробке и ее конической поверхностью (в увеличенном масштабе);
Фиг. 4 - графики для сравнения наиболее употребляемых форм проходных сечений в дросселирующих устройствах по критерию соотношения площади (S) проходного сечения и перемещения ( Δl ) запорного органа, т.е. степени перекрытия проходного сечения;
Фиг. 5 - сечение I-I фиг.1 по каналам управления в пробке (в увеличенном масштабе);
Фиг. 6 - сечение II-II фиг. 1 (в увеличенном масштабе) с видом на фигурный вырез 22 и ответный штифт 23 головки 16 разгрузочного золотника;
Фиг. 7 - общий вид крана, иллюстрирующий размещение уплотнительных элементов между корпусом и прижимными седлами, где в увеличенном масштабе показаны равнотолщинные гильзы 25 и шайбы 27 с эквидистантными цилиндрическими поверхностями, образующими каналы под уплотнительные элементы;
Фиг. 8 - схема, поясняющая работу заявленного крана при различных режимах:
5) а), б), в) - при выполнении краном функции перекрытия потока флюида;
в т.ч. а) - кран открыт, седла под давлением; б) кран закрыт, седла разгружены; в) - кран открыт, седла разгружены;
6) г), д), с) - при заполнении краном запорно-дросселирующей функции и продувки каналов.

Кран с поворотной пробкой (фиг.1) включает корпус 1 с центральной полостью 2 и с соосно расположенными в нем круглыми входным 3 и выходным 4 отверстиями. Запорный орган крана содержит пробку 5 с центральным проходным отверстием 6 соосно входному 3 и выходному 4 отверстиям и прижимные седла 7 с проходными отверстиями 8 и с уплотняющей поверхностью 9 тела вращения. Запорный орган размещен в центральной полости 2 перпендикулярно оси указанных отверстий 3 и 4, кроме того, кран включает приводную рукоятку 10 запорного органа, резьбовую коробку 11 и осевые пружины 12 предварительного поджима прижимных седел 7 к коробке 5 и смыкания конструктивных зазоров цепи рабочих элементов крана.

Пробка 5 запорного органа выполнена с конической рабочей поверхностью 13 и внутренней полостью 14, в которой размещен разгрузочный золотник 15, снабженный головкой поворота 16. При этом в коробке 5 и прижимных седлах 7 выполнены каналы управления соответственно 17 и 18 для сообщения торцевых поверхностей прижимных седел посредством разгрузочного золотника с входным 3 и выходным 4 отверстиями корпуса крана 1.

Каналы 17 состоят из радиальных отверстий и тангенциальных канавок, центральная полость 2 корпуса 1, в которой расположено запорное устройство, имеет технологичную цилиндрическую форму, а угол ϕ-образующей рабочих поверхностей пробки 5 и седел 7 является несамотормозящим и составляет ϕ = 10-12?.

Контур проходного отверстия 6 в пробке 5 на конической поверхности 13 соприкосновения седла и пробки по меньшей мере с одной из его сторон (фиг. 2,3) или контур одного из походных отверстий в седлах выполнен в виде фигуры каплевидной формы с углом, равным 60^o, и биссектрисой, расположенной в плоскости поворота пробки, причем вершина угла расположена за пределами проходного отверстия.

Из опыта эксплуатации гидравлических дросселирующих устройств известны следующие формы их щелей:
1) кольцевая (вентиль с коническим или игольным запорным органом, дроссель, применяемый в трубной обвязке нефтеперерабатывающей скважины;
2) круг - совокупность минимальных отверстий, открываемых в нарастающем количестве (дроссель тонкого регулирования в масляной гидравлике);
3) треугольник, квадрат, прямоугольник (поворотные краны с прямоугольным сечением проходного отверстия в пробке, "усы" на кромке золотников и др.).

При этом засоренность дросселирующего устройства пропорциональна длине щели, имеющей ширину, равную размеру минимального твердого включения. С этой точки зрения наиболее рациональными являются треугольная, круглая и квадратная формы проходных сечений. Помимо незасоряемости, дросселирующее устройство должно также удовлетворять требованию плавности регулирования, т.е. приемлемой пропорциональности измерения площади сечения величине перемещения (поворота) регулирующего органа в зоне регулирования.

На фиг. 4 представлено сравнение наиболее употребимых форм проходных сечений в дросселирующих устройствах по критерию соотношения площади (S) проходного сечения и перемещения ( Δl ) запорного органа.

Кривая 1 показывает приращение площади проходного сечения при изменении ширины кольцевой щели (отверстие-корпус при их относительном перемещении). В этом случае S = π • (R² - r²), где R и r - соответственно радиусы отверстия и сечения конуса. Кривая 2 показывает приращение площади проходного сечения при относительном смещении двух круглых отверстий (как это имеет место в пробковом кране-прототипе) с образованием линзообразного проходного сечения. В этом случае S = R² • (α - sin α), где R - радиус отверстий, α - центральный угол между точками пересечения окружностей. Регулирующая способность этих сечений невысока, т. к. приращение площади прохода по мере открытия происходит слишком резко, а следовательно, зона регулирования ограничена. Кривая 3 показывает приращение площади проходного сечения при выполнении одного из каналов каплевидной формы с углом в 60^o в соответствии с настоящим предлагаемым изобретением. В этом случае на протяжении всего процесса открытия проходное отверстие ограничено кромками проходного отверстия пробки, расположенными под углом в 60^o, и частью окружности проходного отверстия седла, т. е. оно все время будет оставаться в форме, примерно, равностороннего треугольника, для которого где а - сторона равностороннего треугольника (фиг. 4).

Регулирующая способность такого сечения наилучшая - кривая 3 в зоне регулирования проходит примерно под углом 45^o, что значительно ниже остальных кривых, при наименьшей относительной длине периметра, а это исключает "заращивание" прохода и срыва потока.

Осевые пружины 12 установлены между торцевой поверхностью центральной полости 2 корпуса 1 и прижимными седлами 7 (фиг. 1). Разгрузочный золотник 15 выполнен в виде резьбового стержня с притертым к внутренней полости в пробке 5 цилиндрическим хвостовиком, снабженным отверстием 19 и четвертным вырезом 20 (фиг. 5 ), служащим для соединения каналов управления 17 и 18 в пробке 5 и прижимных седлах 7. Поворот седел 7 совместно с пробкой 5 предотвращен штифтами 21, установленными в отверстиях на торцевой поверхности центральной полости 2 корпуса 1 в промежутках между седлами 7.

Устройство ограничения поворота разгрузочного золотника 15 состоит, например, из секторного выреза 22 на нижнем торце головки поворота 16 разгрузочного золотника 15 и ответного штифта 23 (фиг. 6).

Для уплотнения проходных отверстий между прижимными седлами 7 и корпусом крана 1 размещены уплотнительные элементы, например O-образные кольца 24 (фиг. 1, 7), установленные в канавки, образованные эквидистантными цилиндрическими поверхностями в равнотолщинных гильзе 25 (фиг. 1, 7) и шайбе 27, размещенных между уплотнительными поверхностями корпуса 1 и седел 7.

Для этого в гильзе 25 выполнены цилиндрические отверстия 26 с диаметрами, равными наружным диаметрам уплотнительных элементов 24, а наружные диаметры шайб 27 равны внутренним диаметрам уплотнительных элементов 24. При этом толщины гильзы 25 и шайбы 27 должны быть равны глубинам канавок, которые требовались бы под уплотнительные элементы 24.

Такое выполнение канавок под уплотнительные элементы улучшает технологичность конструкции крана в целом, т.к. в этом случае не требуется производить расточку корпусных деталей с применением специального приспособления для получения пространственно изогнутых канавок. В гильзе выполняются обычными расточными операциями (без специального приспособления) отверстия, равные наружным диаметрам уплотнительных колец, а в шайбах - простой токарной операцией - цилиндрические поверхности с диаметрами, равными внутренним диаметрам уплотнительных колец. После посадки гильзы и шайбы на седло образуются пространственные полосы - канавки для размещения уплотнительных колец, и при подаче давления на и под кольца они затекают в углы полученных пространственных канавок, создавая надежное уплотнение.

Работа заявленного крана с поворотной пробкой осуществляется следующим образом.

Перед использованием крана его внутренняя полость 2 заполняется консистентной смазкой, для чего в корпусе 1 может быть предусмотрен специальный канал с обратным клапаном (на фиг. на показаны). В исходном положении зазоры в конструктивной цепи рабочих элементов крана сомкнуты посредством пружин 12 предварительного нажима седел 7 к коробке 5 и резьбовой коронки 11.

При этом обеспечен контакт пробки 5 и прижимных седел 7 их коническими рабочими поверхностями 9 и 13 с одной стороны, а с другой - контакт уплотнительных элементов 24, гильзы 25, в которой выполнены цилиндрические отверстия 26, и шайб 27 с седлами 7 и корпусом 1.

Кран может выполнять функции как запорного, так и дроссельно-регулирующего органа.

В первом случае для перекрытия потока флюида пробку 5 крана устанавливают с помощью приводной рукоятки 10 проходным отверстием 6 поперек оси проходных отверстий 8 в седлах 7 и 3, 4 - в корпусе 1 (фиг. 8а). Регулирующий золотник 15, размещенный в полости 14 пробки 5, посредством головки 16 должен быть установлен в положение, в котором полость 2 корпуса 1 и торцевые поверхности седел 7 соединяются посредством четвертного выреза 20 разгрузочного золотника 15 с входным 3 отверстием крана. Давление рабочей среды за счет разности площадей торцевых поверхностей прижимает седла 7 к притертой конической поверхности 13 пробки 5 с требуемым усилием, в результате чего обеспечивается герметичность и протечки исключаются. При повороте пробки 5 штифты 21 предотвращают поворот седел 7. А секторный вырез 22 на торце головки 16 разгрузочного золотника 15 путем упора в ответный штифт 23 ограничивает выход золотника 15 за рабочую зону поворота. Для открытия крана разгрузочный золотник 15 поворачивают по часовой стрелке на 90^o (фиг. 8б), при котором торцы седел 7 соединяются каналами 17, 18 с отверстием отвода 4 и разгружаются от давления рабочей среды. Усилия прижима их к пробке уменьшаются пропорционально подведенному давлению далее с помощью рукоятки 10, разгруженную пробку поворачивают в положение, показанное на фиг. 8в, соединяя входные 3 и выходные отверстия 4 крана проходным отверстием 6 пробки 5.

При выполнении краном дроссельно-регулирующей функции к требованиям герметичности добавляются требования возможности поворота пробки под нагрузкой и плавности увеличения (уменьшения) проходного сечения крана при открытии (или закрытии).

Дросселирование (или работа при неполном открытии крана) происходит таким образом.

В начале разгрузочный золотник 15 устанавливается в положение разгрузки (когда торцы седел 7 соединены выходным отверстием 4). Пробку 5 крана поворачивают на нужную величину и затем разгрузочный золотник 15 возвращают в первоначальное положение, соединяя торцы седел с давлением (фиг. 8д).

Происходит дросселирование флюида при частичном перекрытии проходного отверстия. Причем связь седел с входным отверстием при дросселировании не прекращается, несмотря на поворот пробки 15 в промежуточное положение между закрытым и обратным состояниями, благодаря тому, что радиальные каналы управления 17 в пробке имеют продолжения на конической поверхности пробки в виде тангенциальных канавок. Для продувки каналов управления 17, 18, 19 при закрытом кране разгрузочный золотник устанавливается в положение 8е, при котором отверстия - входное 3 и выходное 4 соединяются через каналы управления 17, 18, 19 и попавшая в них грязь (или вода по окончании операции) удаляется.

Изобретение относится к гидравлическим исполнительным механизмам и предназначено для облегчения переключения крана с поворотной пробкой, имеющей седловую поверхность в виде поверхности тела вращения. Кран включает корпус с центральной полостью и с соосно расположенными в нем круглыми входным и выходным отверстиями. Запорный орган содержит пробку с центральным проходным отверстием, соосным входному и выходному отверстиям, прижимные седла с проходными отверстиями и с уплотняющей поверхностью тела вращения и уплотнительные элементы, например, в виде 0-образных колец для герметизации проходных отверстий между седлами и корпусом. Запорный орган размещен в центральной полости перпендикулярно оси указанных отверстий. Кран включает приводную рукоятку запорного органа и нажимную резьбовую коронку для замыкания конструктивной цепи рабочих элементов крана. Пробка запорного органа выполнена с конической рабочей поверхностью и с внутренней полостью, в которой размещен разгрузочный золотник. В пробке, прижимных седлах и разгрузочном золотнике выполнены каналы управления для сообщения торцевых поверхностей прижимных седел с входным и выходным отверстиями корпуса крана. Изобретение позволяет обеспечить легкость переключения крана под давлением, снижение потерь времени на регулирование затяжки запорного органа перед и после каждого открытия и закрытия, значительно расширить зоны регулирования потока рабочей среды, вместе с тем повысить эффективность работы крана в целом. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Кран с поворотной пробкой, имеющей седловую поверхность в виде поверхности тела вращения, включающий корпус с центральной полостью и с соосно расположенными в нем круглыми входным и выходным отверстиями, запорный орган, содержащий пробку с центральным проходным отверстием, соосным входному и выходному отверстиям, и прижимные седла с проходными отверстиями и с уплотняющей поверхностью тела вращения, уплотнительные элементы, например, в виде О-образных колец, для герметизации проходных отверстий между седлами и корпусом, размещенный в центральной полости перпендикулярно оси указанных отверстий, приводную рукоятку запорного органа и нажимную резьбовую коронку для замыкания конструктивной цепи рабочих элементов крана, отличающийся тем, что пробка запорного органа выполнена с конической рабочей поверхностью и с внутренней полостью, в которой размещен разгрузочный золотник, причем в пробке, прижимных седлах и разгрузочном золотнике выполнены каналы управления для сообщения торцевых поверхностей прижимных седел с входным и выходным отверстиями корпуса крана. 2. Кран с поворотной пробкой по п.1, отличающийся тем, что центральная полость в корпусе под запорный орган имеет цилиндрическую форму, а угол образующей конической рабочей поверхности соприкосновения пробки и седел составляет 10-12 град. (конус является несамотормозящимся). 3. Кран с поворотной пробкой по пп.1 и 2, отличающийся тем, что контур проходного отверстия в пробке на конической поверхности соприкосновения седла и пробки, по меньшей мере с одной из его сторон, или контур одного из проходных отверстий в седлах выполнен в виде фигуры каплевидной формы с углом, равным 60^o, и биссектрисой, расположенной в плоскости поворота пробки, причем вершина угла расположена за пределами проходного отверстия. 4. Кран с поворотной пробкой по пп.1 и 2, отличающийся тем, что между торцевой поверхностью центральной полости корпуса и прижимными седлами установлены цилиндрические пружины предварительного поджима деталей запорного органа друг к другу и корпусу. 5. Кран с поворотной пробкой по пп.1, 2 и 3, отличающийся тем, что разгрузочный золотник выполнен в виде резьбового стержня с притертым к внутренней полости в пробке цилиндрическим хвостиком с выполненным в последнем сегментным вырезом на четверти окружности и перпендикулярным ему каналом для соединения каналов управления в пробке и снабжен головкой поворота с ограничительным устройством в виде, например, секторного выреза и ответного штифта. 6. Кран с поворотной пробкой по пп.1 и 2, отличающийся тем, что уплотнительные элементы, например, в виде О-образных колец для герметизации проходных отверстий между седлами и корпусом размещены в канавках, образованных эквидистантными цилиндрическими поверхностями в равнотолщинных гильзе и шайбе, контактирующих с наружной поверхностью седел и внутренней поверхностью корпуса, причем толщины гильзы и шайбы равны требуемой глубине канавки под уплотнительный элемент, а диаметры цилиндрических эквидистантных поверхностей - соответственно наружному и внутреннему диаметру уплотнительного элемента.