ЗАСЛОНКА ШИБЕРНАЯ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 2011 года по МПК F16K3/06 F16K31/44 

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, используется для быстрого открытия и перекрытия потока газовой среды, может быть использовано в нефтедобывающей промышленности для поддержания уровня жидкой среды в заданных пределах и накопления газовой фазы, при низком газовом факторе скважины, в газосепараторах, а также в качестве запорной арматуры на технологических линиях для перекрытия потока или создания заданного перепада давления.

Известна задвижка с вращающимся шибером (патент DE 3538404 А1, F16K 3/06, 30.04.1987), содержащая корпус с перекрываемым проходным отверстием, состоящий из двух частей, между которыми по уплотняемой поверхности с антифрикционными свойствами по дуге движется шибер задвижки с проходным отверстием, рычаг, валик.

Недостатком известной задвижки является небольшой срок службы из-за быстрого износа уплотняемой поверхности с антифрикционными свойствами и вследствие этого частичной потери герметичности сопряжения шибера с уплотняемой поверхностью, вызванной абразивным воздействием твердых частиц загрязнений природного газа на уплотняемые поверхности. Твердые частицы захватываются притуплением кромок шибера, сопрягаемого с уплотняемыми поверхностями, при движении его относительно указанных поверхностей, удерживаются там и при движении наносят глубокие царапины и борозды на уплотняемые поверхности.

Недостатком также является форма проходного отверстия шибера, совпадающая с формой проходного отверстия корпуса - кругом. Это объясняется следующим: при постепенном перемещении шибера, обусловленном прямой связью его с поплавком, замеряющим уровень жидкой фазы в газосепараторе, моменты начала и окончания процессов закрытия и открытия задвижки смазаны, отчетливо не выделены, неидентифицируются во времени, что негативно сказывается на точности замера времени и между началом и окончанием процессов вытеснения и заполнения жидкой фазы в газосепараторе. Это снижает точность замера дебита.

Известно устройство для регулирования перепада давления (RU, патент №2191308 С2, F16K 3/06, 20.10.2002), содержащее корпус и крышку с перекрываемым отверстием, шибер с проходным отверстием профилированной формы, расположенный между корпусом и крышкой, уплотнительные элементы, рычаг, воздействующий на шибер через валик.

Недостатками известного устройства являются:

- нерациональность конструкции устройства, выражающаяся в том, что точность величины зазора между корпусом и крышкой, предназначенного для размещения шибера между ними, не обеспечивается автоматически сборкой сопрягаемых элементов, а требует настройки;

- недостаточно технологична конструкция корпуса для изготовления в мелкосерийном производстве, затруднителен процесс шлифования в глухом отверстии торца корпуса, сопрягаемого с шибером;

- износ шибера и вследствие этого частичная потеря герметичности сопряжения шибера и уплотнительных элементов, вызываемая тем, что твердые частицы загрязнений природного газа при движении шибера захватываются притуплением кромок уплотнительных элементов, сопрягаемых с поверхностью шибера, и заносятся под уплотняющую поверхность уплотнительного элемента, сопрягаемую с шибером, частично внедряются в тело уплотнительного элемента и удерживаются в нем, тем самым образуется как бы абразивный инструмент, наносящий глубокие риски на уплотняемой поверхности шибера. Это возможно по причине внедрения извне твердых частиц из-за значительной податливости материала уплотнительных элементов, например эластомера, определяемой функциональным назначением элементов.

Постепенное, недискретное перемещение шибера, обусловленное прямой связью его с поплавком, препятствует накоплению газовой фазы при незначительном газовом факторе нефтяной скважины.

Известно устройство для регулирования перепада давления (RU, патент №2330202, F16K 3/06, 27.07.2008), содержащее корпус и крышку с перекрываемыми в них отверстиями, шибер с проходным отверстием профилированной формы, расположенный между корпусом и крышкой, уплотнительные элементы, рычаг, воздействующий на шибер через валик, дистанционное кольцо, установленное между крышкой и корпусом, выполненным со съемным дном, причем уплотнительные элементы, герметизирующие сопряжения шибера и крышки, шибера и дна корпуса, выполнены из жесткого антифрикционного материала в виде плавающих в соответствующих гнездах дна корпуса и крышки втулок, поджатых относительно дна гнезд уплотнительными кольцами круглого сечения из эластомера и прижатых тем самым уплотняющими поверхностями к плоскости шибера, при этом в торцах втулок, образующих уплотняющие поверхности, выполнены канавки лабиринтного уплотнения, причем кромки торцов втулок, сопрягаемые с шибером, имеют угол заострения α≤60°.

Недостатками известного устройства являются:

- постепенное, недискретное перемещение шибера, обусловленное приводом его непосредственно от поплавка, определяющего уровень жидкости в газосепараторе, препятствует накоплению газовой фазы в газосепараторах при низком газовом факторе нефтяных скважин;

- нерациональность конструкции механизма прижатия уплотняющих поверхностей уплотнительных элементов к плоскости шибера;

- сопрягаемость краев гнезд корпуса и крышки под уплотняющие втулки с плоскостями шибера препятствует канализации загрязнений, счищаемых с плоскости шибера кромками втулок.

Известное устройство наиболее близко по технической сути и достигаемым результатам заявляемому изобретению.

Технической задачей изобретения является повышение рациональности конструкции заслонки шиберной дискретного действия, увеличение надежности герметичного сопряжения шибера и уплотнительных элементов, снижение износа трущихся деталей уплотнения и, как следствие, увеличение ресурса заслонки в целом, простой по конструкции и надежный механизм между шибером и рычагом, имеющим прямую связь с приводящим заслонку в действие поплавком, осуществляющим дискретное перемещение шибера из положения «Открыто» в положение «Закрыто» и обратно, без промежуточных положений.

Техническая задача по заслонке шиберной дискретного действия, содержащей корпус и крышку с перекрываемыми в них отверстиями, шибер с проходным профилированной формы отверстием, расположенный между корпусом и крышкой, рычаг, воздействующий на шибер через валик, уплотняющие его эластомерные кольца, уплотнительные элементы, герметизирующие сопряжения шибера и крышки, шибера и корпуса, выполненные из жесткого антифрикционного материала в виде плавающих в соответствующих ступенчатых гнездах корпуса и крышки грибообразных втулок, поджатых относительно ступенек гнезд уплотнительными кольцами круглого сечения из эластомера, и прижатых тем самым уплотняющими поверхностями к плоскости шибера, при этом в торцах втулок, образующих уплотняющие поверхности, выполнены канавки лабиринтного уплотнения, причем кромки торцов втулок, сопрягаемые с шибером, имеют угол заострения α≤60°, решается согласно изобретению тем, что заслонка включает регулируемый пружинный телескопический амортизатор внеосевого приложения силы, сопрягаемый с рычагом, и приводом в виде рычага, посаженным шарнирно на валик, ножки грибообразных втулок герметизированы эластомерными кольцами с подпорными фторопластовыми шайбами, а под уплотнительные кольца круглого сечения из эластомера на шляпку втулок установлены дегерметизаторы в виде шайб с воротником, на поверхностях которых, сопрягаемых с втулкой, выполнены сквозные пазы.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

фиг.1 - сечение А-А по оси заслонки;

фиг.2 - сечение Б-Б по плоскости шибера;

фиг.3 - выноска В с сечения А-А.

Заслонка шиберная дискретного действия (в дальнейшем - «заслонка») содержит корпус 1 с перекрываемым отверстием 2, шибер 3, крышку 4 с перекрываемым отверстием 2. Крышка 4 установлена на резьбе в корпусе 1, сопряжение уплотнено эластомерным кольцом 5. В зазоре между крышкой 4 и корпусом 1 установлен шибер 3 с проходным отверстием 6, посаженный с возможностью передачи вращающего момента через четырехгранник на валик 7, на конце которого посажен также с возможностью передачи вращающего момента рычаг 8, размещенный в плоской щели корпуса 1. Зазор между валиком 7 и корпусом 1 уплотнен кольцами из эластомера 9. Под торцом ребра 10 валика 7 установлена опорная шайба 11 из антифрикционного материала, воспринимающая осевую нагрузку от валика 7. В ступенчатых гнездах 12 корпуса 1 и крышки 4 установлены с возможностью «плавания», обеспечиваемой диаметральными зазорами в сопряжении, уплотнительные элементы в виде грибообразных втулок 13 из жесткого антифрикционного материала, например из антифрикционной бронзы или композитов на основе фторполимеров. Втулки 13 поджаты относительно заплечиков гнезд 12 уплотнительными кольцами 14 круглого сечения из эластомера и прижаты уплотняющей поверхностью 15 к шиберу 3. В торце втулки 13, образующем уплотняющую шибер 3 поверхность, выполнены канавки 16 лабиринтного уплотнения. Кромки 17 втулок 13 имеют угол заострения α≤60°, по аналогии с углом заострения самозатачивающихся токарных резцов.

Ножки 18 грибообразных втулок 13 уплотнены относительно корпуса 1 и крышки 4 эластомерными кольцами 19 с подпорными фторопластовыми шайбами 20, предотвращающими заклинивание колец 19 в зазоре между ножкой 18 и корпусом 1, и крышкой 4. Под кольца 14 на шляпку 21 грибообразных втулок 13 установлены дегерметизаторы 22 в виде шайб с воротником, на сопрягаемых с втулкой 13 поверхностях его выполнены сквозные пазы 23, 24, сообщающие пространства до и за кольцами 14 между собой. На валик 7 между рычагом 8 и корпусом 1, в щели его, шарнирно посажен с возможностью свободного вращения привод 25 в виде рычага, выполненный сварным из частей: корень 26, полочка 27, косынка 28, внешнее плечо 29. Такая особенность конструкции привода 25 вызвана тем, что заслонка предназначена для установки между фланцами 30, стягиваемыми шпильками 31. Для обеспечения наибольшего угла поворота привода 25 в промежутке между двух соседних шпилек 31 как раз и размещается косынка 28 из листа. На внешнем плече 29 закреплен кронштейн 32, на котором шарнирно установлен с эксцентриситетом Z полый плунжер 33 амортизатора 34 с пружиной сжатия 35, регулировочным винтом 36 и контргайкой 37. Гильза 38 амортизатора 34 шарнирно установлена на рычаге 8 и сопряжена с плунжером 3 с заданным диаметральным зазором d. Момент M=F·Z, где F - сила сжатия пружины 35 создает постоянно действующую силу трения F=M·f/l, где l - глубина погружения плунжера 33 в гильзу 38, f - коэффициент силы трения сталь по стали между плунжером 33 и гильзой 38. Зазор d создает сопротивление потоку воздуха входящему или выходящему из полости амортизатора 34 при его сжатии и удлинении при работе. Сила трения F и зазора d являются факторами, обеспечивающими демпфирование амортизатора 34.

Работу заслонки осуществляют следующим образом: на фиг.2 изображен момент крайнего углового положения привода 25 с упором его косынки 28 в шпильку 31 и мгновенный момент крайнего углового положения рычага 8 также с упором его в шпильку 31. Линия I-II, соединяющая центры шарниров амортизатора 34, являющаяся линией приложения силы, проходит на расстоянии h₁ от центра поворота рычага 8. Момент, создаваемый усилием амортизатора 34 на плечо h₁ поворачивает рычаг 8 и шибер 3 из крайнего положения «Закрыто» дискретно, без промежуточных положений и остановок в крайнее положение «Открыто». Линия приложения сил в этом случае занимает положение I-III. Величина момента поворота практически не уменьшается, поскольку величина плеча возрастает с h₁ до h₂. Скорость перемещения шибера 3 во избежание ударов ограничивается трением шибера 3 о втулки 13 и демпфированием амортизатора, в случае большой величины скорости перемещения величину зазора d между плунжером 33 и гильзой 38 уменьшают подбором деталей соответствующих размеров при сборке амортизатора 34. В реальных условиях крайнее угловое положение привода 25 не доходит до упора косынки 28 в шпильку 31. Для обеспечения этого служит регулировка силы сжатия пружины 35 винтом 36. При перемещении привода 25 в крайнее левое положение линия приложения силы амортизатора 34 к рычагу 8 переходит из положения I-III положение III-IV с плечом h₃, минуя «мертвую точку III», и под воздействием момента от усилия амортизатора 34 на плечо h₃ рычаг 8 и шибер 3 поворачивается из крайнего положения «Открыто» в крайнее положение «Закрыто» дискретно, без промежуточных положений и остановок.

Втулки 13 поджаты к шиберу 3 предварительным усилием, создаваемым силой упругости колец 14. При закрытом положении шибера 3 создается перепад давления Р_раб-Р₀ на шибер 3, дополнительно к предварительному усилию поджатия кольцами 14 втулок 13 к шиберу 3, создающий дополнительное усилие герметизации сопряжения шибера 3 и втулок 13, вычисляемый по формуле, известной из уплотнительной техники

T=S_1* Р_раб-S₂·0,5(Р_раб+P₀)= Р_раб(S₁-0,5S₂)-0,5S₂·Р₀,

где Р_раб - давление газовой среды, в том числе в зазоре между корпусом 1 и крышкой 4, создаваемое при пересечении проходным отверстием шибера 3 потока газовой фазы и проникающее за шляпку 21 втулок 13 по зазорам;

P₀ - давление за закрытым шибером 3;

S₁ - площадь шляпки 21 втулок 13;

S₂ - площадь торца втулок 13, сопрягаемых с шибером 3.

Конструкция заслонки позволяет ставить ее любой стороной к направлению потока. Самозатачивающиеся кромки 17 втулок 13 снимают любые загрязнения с поверхностей шибера 3 и канализируют их в поток среды. Плавающие втулки 13 поддерживают шибер 3 посередине зазора между корпусом 1 и крышкой 4, и наличие зазоров в сопряжения валика 7 и шибера 3 позволяет самоустанавливаться шиберу 3.

Перемещение привода 25 осуществляют от поплавка технологической установки сепарации, и дискретность действия заслонки позволяет накапливать одновременно с вытеснением жидкой фазы и газовую фазу, это особенно важно для скважин с низким газовым фактором.

Применение изобретения в практике позволит создать по сравнению с прототипом надежную, с большим ресурсом и малой себестоимостью заслонку, используемую для поддержания уровня жидкой фазы в заданных пределах и накопления газовой фазы при низком газовом факторе скважин в газосепараторах и в качестве запорной арматуры на технологических линиях при транспортировке природного газа.

Использование: изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для поддержания уровня жидкости в газосепараторах и накопления газовой фазы. Заслонка содержит корпус и крышку с перекрываемыми в них отверстиями, шибер с проходным отверстием, уплотнительные элементы, рычаг, валик. Между корпусом и крышкой установлено эластомерное кольцо. Сопряжения шибера и крышки, шибера и корпуса герметизируются плавающими уплотнительными элементами. Они выполнены в виде втулок из жесткого антифрикционного материала. Втулки поджаты кольцами круглого сечения из эластомера. В торцах втулок выполнены канавки лабиринтного уплотнения. Сопрягаемые с шибером кромки втулок имеют угол заострения α≤60°. Дополнительно к рычагу имеется привод в виде сварного рычага, пружинный амортизатор, соединяющий их. Втулки имеют грибообразную форму, причем ножка втулки уплотнена относительно корпуса и крышки эластомерным кольцом, а на шляпку втулок установлены под кольца круглого сечения из эластомера дегерметизаторы. Привод связывают с поплавком газосеператора, что позволяет при достижении минимального или максимального заданных уровней жидкой фазы переводить заслонку из положения «Открыто» в положение «Закрыто» и обратно дискретно, без промежуточных положений и остановок. Это дает возможность накапливать газовую фазу при низком газовом факторе скважин. 2 ил.

Заслонка шиберная дискретного действия, содержащая корпус и крышку с перекрываемыми в них отверстиями, шибер с проходным профилированной формы отверстием, расположенный между корпусом и крышкой, рычаг, воздействующий на шибер через валик, уплотненный эластомерными кольцами, уплотнительные элементы, герметизирующие сопряжения шибера и крышки, шибера и корпуса, выполненные из жесткого антифрикционного материала в виде плавающих в соответствующих ступенчатых гнездах корпуса и крышки грибообразных втулок, поджатых относительно ступенек гнезд уплотнительными кольцами круглого сечения из эластомера и прижатых тем самым уплотняющими поверхностями к плоскости шибера, причем в торцах втулок, образующих уплотняющие поверхности, выполнены канавки лабиринтного уплотнения, при этом кромки торцов втулок, сопрягаемые с шибером, имеют угол заострения α≤60°, отличающаяся тем, что включает регулируемый пружинный телескопический амортизатор внеосевого приложения силы, сопрягаемый с рычагом и приводом в виде рычага, посаженным шарнирно на валик, ножки грибообразных втулок герметизированы эластомерными кольцами с подпорными фторопластовыми шайбами, а под уплотнительные кольца круглого сечения из эластомера на шляпку втулок установлены дегерметизаторы в виде шайб с воротником, на поверхностях которых, сопрягаемых с втулкой, выполнены сквозные пазы.