Клапан-отсекатель Российский патент 2024 года по МПК F16K15/03 F16K17/10 

Предлагаемое изобретение относится к арматуростроению, в частности к отключающим устройствам с поворотным запорным органом, и предназначено для установки на скважинах нефтегазоконденсатных месторождений для автоматического перекрытия трубопровода высокого давления при аварийном понижении или повышении давления в нем.

Известен клапан-отсекатель (Патент РФ №2476746, МПК: F16K 17/04, F16K 15/03, опубл. 27.02.2013), содержащий корпус с проходным каналом и присоединительными фланцами, седло, поворотный запорный орган в виде заслонки, размещенной в корпусе в непосредственной близости от седла и взаимодействующей с механизмом устройства срабатывания по понижению и/или по повышению давления, расположенным на корпусе. Указанный механизм содержит корпус с гайкой. Гайка своей опорной внутренней поверхностью взаимодействует через упорный подшипник с одной опорной поверхностью пружины высокого давления, а другой опорной поверхностью - с опорной поверхностью гильзы. Гильза выполнена с возможностью осевого перемещения и установлена внутри упомянутого корпуса. Внутри указанной гильзы установлена с возможностью осевого перемещения втулка. Втулка взаимодействует с опорной поверхностью пружины низкого давления, установленной на штоке. Шток расположен внутри упомянутой гильзы и выполнен с возможностью осевого перемещения. Другой опорной поверхностью втулка взаимодействует с опорной поверхностью штока. Устройство фиксации заслонки в открытом положении выполнено в виде цилиндра. Цилиндр выполнен с возможностью осевого перемещения в наконечнике упомянутого штока. В стенках цилиндра расположены с возможностью радиального перемещения подпружиненные шарики. На внешней поверхности заслонки установлен цилиндр. Цилиндр имеет, как минимум, одну кольцевую профилированную проточку.

В варианте исполнения, на наружной поверхности корпуса механизма устройства срабатывания расположена шкала определения усилия поджатия пружины высокого давления, а на наружной поверхности втулки, установленной в гильзе, нанесена шкала определения усилия поджатия пружины низкого давления.

Основными недостатками указанного клапана является значительная сложность конструкции устройства фиксации заслонки, низкая надежность работы, обусловленная сложностью конструкции, а также низкая ремонтопригодность из-за того, что седло не является съёмным и выполнено за одно целое с выходным фланцем. Также отсутствует в конструкции механизма срабатывания клапана указатель положения штока, а шкалы определения поджатия пружин показывают усилие поджатия пружин, а не давление срабатывания чувствительного элемента, что требует при настройке клапана на определенные пределы давления производить перерасчёт усилия поджатия пружин в давление. Отсутствует возможность при точной настройке давлений срабатывания устанавливать шкалы на фактическое давление срабатывания из-за их неподвижности.

Известно устройство отсекающее (патент РФ №2313714, МПК: F16K 17/04, F16K 39/04, опубл. 27.12.2007), содержащее корпус, расположенный в нем поворотный запорный орган, удерживающий запорный орган в открытом положении фиксатор с упорами и чувствительный элемент, выполненный в виде нагруженного пружинами штока, причем шток чувствительного элемента связан с фиксатором, а фиксатор упорами удерживает в открытом положении запорный орган. В горизонтальное (открытое) положение запорный орган приводится с помощью рукоятки. Для выравнивания давления до и после поворотного запорного органа перед его открытием на корпусе установлен вентиль. Пределы срабатывания чувствительного элемента от понижения и повышения давления от допустимого устанавливаются колпаками.

Основными недостатками указанного клапана является низкая ремонтопригодность из-за того, что седло не является съёмным и выполнено за одно целое с выходным фланцем, а также отсутствие в конструкции механизма срабатывания клапана указателя положения штока и шкал давления срабатывания чувствительного элемента.

Также известен клапан-отсекатель (патент РФ №2794685, МПК: F16K 15/03, F16K 17/10, опубл. 24.04.2023, прототип), содержащий корпус, входной и выходной фланцы, седло, расположенный в корпусе поворотный запорный орган, взаимодействующий с приводом устройства срабатывания по понижению и/или по повышению давления, расположенным на корпусе, удерживающий запорный орган в открытом положении фиксатор с упорами и чувствительный элемент, выполненный в виде нагруженного пружинами штока, связанного с фиксатором, удерживающим упорами в открытом положении запорный орган, запорный орган выполнен в виде тарелки, седло выполнено съемным и установлено в расточке выходного фланца, уплотнено резиновым кольцом и зафиксировано в осевом направлении кронштейном крепления тарелки и планкой, привод устройства срабатывания выполнен пружинным и снабжен указателем положения штока чувствительного элемента, с возможностью визуального контроля за положением штока, и подвижными шкалами давления срабатывания чувствительного элемента, с возможностью установки на шкалах фактических давлений срабатывания чувствительного элемента при настройке.

Основными недостатками указанного клапана является сложная конструкция пружинного привода, связанная с наличием у привода рукоятки переключения режимов, и, как следствие, сложность запуска клапана в работу и его наладки, заключающаяся в большом количестве манипуляций.

Для установки тарелки в рабочее положение (ОТКРЫТО), её фиксации в этом положении и запуска клапана в работу необходимо:

- перекрыть подачу рабочей среды арматурой, расположенной до клапана;

- открыть вентиль перепускной и выровнять давление до и после тарелки;

- установить рукоятку привода в положение РУЧН., при этом фиксатор привода поворачивается и освобождает место для прохода упора тарелки при её подъёме в рабочее положение;

- оттянуть и повернуть рукоятку механизма подъёма тарелки в положение СТОП;

- рукоятку привода перевести в положение СТОП, при этом фиксатор возвращается в исходное положение и входит в зацепление с упором тарелки, удерживая тарелку в рабочем положении;

- рукоятку механизма подъёма тарелки перевести в положение АВТ.;

- закрыть вентиль перепускной;

- возобновить подачу рабочей среды;

- рукоятку привода перевести в положение АВТ.

Задачей данного изобретения является создание клапана-отсекателя с относительно простым по конструкции приводом, с минимальным количеством манипуляций при запуске клапана в работу и наладке.

Поставленная задача достигается тем, что в клапане-отсекателе, содержащем корпус, входной и выходной фланцы, съёмное седло, установленное в расточке выходного фланца, уплотненное резиновым кольцом и зафиксированное в осевом направлении, поворотный запорный орган, выполненный в виде тарелки с упором, расположенный на корпусе привод устройства срабатывания с чувствительным элементом, выполненным в виде нагруженного пружинами штока, связанного с фиксатором, удерживающим упором в открытом положении запорный орган, снабжённый указателем положения штока чувствительного элемента, с возможностью визуального контроля за положением штока, и подвижными шкалами давления срабатывания чувствительного элемента, с возможностью установки на шкалах фактических давлений срабатывания чувствительного элемента при настройке, согласно изобретению шток имеет на конце цилиндрический выступ, фиксатор выполнен в виде поворотной защелки, прижатой к цилиндрическому выступу штока пружиной кручения, имеет со стороны цилиндрического выступа штока, впадину в форме усеченной пирамиды, и, скошенный под углом упор фиксатора, выполненный с возможностью входа в зацепление со скошенным под углом упором тарелки при установке тарелки в рабочее положение и её фиксации в этом положении при давлении в корпусе клапана в пределах настроенного рабочего диапазона и выхода из зацепления с упором тарелки и возврата тарелки в закрытое положение при выходе давления в корпусе клапана за пределы настроенного рабочего диапазона.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан главный вид предлагаемого клапана в рабочем положении с расположением тарелки запорного органа, фиксатора привода, перепускного вентиля, крепления седла в расточке выходного фланца, указателя положения штока и шкалы давления срабатывания при повышении давления, на фиг.2 - разрез А-А с расположением запорного органа, планки крепления седла, механизма подъёма тарелки запорного органа, упора тарелки, привода (механизма) срабатывания клапана и шкалы давления срабатывания при понижении давления, на фиг. 3 - разрез Б-Б с расположением тарелки запорного органа и её креплением к выходному фланцу, упора тарелки, на фиг. 4 - выноска В с расположением штока и фиксатора при срабатывании при аварийном повышении/понижении давления в корпусе клапана: 4а - рабочее положение, 4б - повышение давления, 4в - понижение давления.

На фигурах позициями обозначены:

1 - клапан,

2 - привод механический, настроенный на срабатывание при повышении или понижении давления в корпусе клапана,

3 - рым-болты,

4 - корпус,

5 - входной фланец,

6 - выходной фланец,

7 - ось тарелки,

8 - кронштейн крепления тарелки,

9 - тарелка,

10 - вентиль перепускной,

11 - механизм подъема тарелки,

12 - рукоятка механизма подъема тарелки,

13 - шкала настройки срабатывания привода при аварийном повышении давления,

14 - шкала настройки срабатывания привода при аварийном понижении давления,

15 - указатель положения штока,

16, 17, 18 - кольца резиновые уплотнительные,

19 - шпилька,

20, 21 - гайки,

22 - ось фиксатора,

23 - пружина кручения фиксатора,

24 - фиксатор привода,

25 - упор фиксатора,

26 - впадина фиксатора,

27, 28 - кольца резиновые уплотнительные,

29 - шпилька,

30 - втулка,

31 - винт,

32 - гайка,

33 - пружина сжатия настройки срабатывания при повышении давления,

34 - пружина сжатия настройки срабатывания при понижении давления,

35 - шток,

36 - выступ штока,

37 - колпак,

38 - упор тарелки,

39 - седло,

40 - кольцо уплотнительное седла,

41 - планка крепления седла.

Устройство и его работа

Конструкция клапана приведена на фиг. 1-3.

В состав клапана входят: клапан 1; привод пружинный 2, с автоматическим срабатыванием на ЗАКРЫТИЕ при достижении в клапане величины давления срабатывания, установленной настройками привода, при повышении или понижении давления рабочей среды.

Настройка привода (фиг. 2) на срабатывание при аварийном повышении давления в корпусе производится достижением определенного усилия сжатия пружины 33 гайкой 32.

Настройка привода на срабатывание при аварийном понижении давления в корпусе производится достижением определенного усилия сжатия пружины 34 винтом 31. Защиту привода от воздействия внешней среды и нарушения диапазонов настройки обеспечивает колпак 37.

Для монтажа и демонтажа клапана на трубопровод предусмотрены рым-болты 3 (фиг. 1).

В клапан 1 (фиг. 1) входит: корпус 4, входной 5 и выходной 6 фланцы, которые крепятся к корпусу 4 при помощи шпилек 19 и гаек 20, установленное в расточке выходного фланца съемное седло 39, уплотнённое резиновым кольцом 40 и зафиксировано в осевом направлении кронштейном крепления тарелки 8 и планкой 41.

На оси 7 кронштейна 8, установленного на выходном фланце 6, установлена тарелка 9, предназначенная для полного перекрытия потока рабочей среды при срабатывании клапана на ЗАКРЫТИЕ при повышении или понижении давления рабочей среды выше или ниже значений, установленных настройками привода 2.

Для выравнивания давления рабочей среды до и после тарелки 9 на выходном фланце 6 установлен перепускной вентиль 10 (фиг. 1).

Для установки тарелки 9 в рабочее положение (ОТКРЫТО) на корпусе 4 установлен механизм подъёма тарелки 11 с рукояткой 12.

Механизм подъема тарелки устанавливается в боковое отверстие корпуса 4 и крепится неподвижно к корпусу шпильками 29 и гайками 21.

Герметичность потока рабочей среды по отношению к окружающей среде обеспечивается резиновыми уплотнительными кольцами 16, 17, 18, 27, 28.

Работа клапана.

Принцип действия клапана заключается в механической разблокировке тарелки 9 приводом 2 при выходе давления рабочей среды в трубопроводе за пределы диапазона, установленного настройками клапана.

В режиме готовности клапана к срабатыванию рукоятка механизма подъёма тарелки 12 должна находиться в положении АВТ. При нахождении рукоятки в положении СТОП. срабатывание клапана невозможно.

Наладка и запуск в работу.

На заводе-изготовителе привод клапана настроен на величины давления срабатывания, указанные в паспорте.

После монтажа клапана на трубопровод проверить срабатывание клапана в соответствии с заводскими настройками, указанными в паспорте.

Проверку производить в следующей последовательности:

- подать рабочую среду в участок трубопровода с клапаном и обеспечить в нём рабочее давление, равное среднему значению между давлением срабатывания при повышении и понижении, указанными в паспорте, при этом выступ штока 36 будет находиться по середине впадины фиксатора 26, а указатель 15 штока 35 в положении Р (фиг. 4а, рабочее положение);

- перекрыть участок трубопровода с установленным в нём клапаном;

- открыть вентиль перепускной 10 и выровнять давление до и после тарелки;

- проверить по указателю 15 положение штока 35. Указатель должен быть в положении Р;

- оттянуть и повернуть рукоятку механизма подъёма тарелки 12 в положение СТОП. При этом упор тарелки 38 отожмёт в сторону подпружиненный фиксатор привода 24 и войдёт в зацепление с упором фиксатора 25, обеспечив фиксацию тарелки 9 в открытом положении;

- рукоятку механизма подъёма тарелки 12 перевести в положение АВТ.;

- закрыть вентиль перепускной 10;

- снизить давление в трубопроводе до величины, при которой должно произойти срабатывание клапана при понижении давления, при этом шток 35 под воздействием пружины 34 переместится вниз, в полость привода с понижающимся давлением, выступ штока 36 выйдет из впадины фиксатора 26, повернет фиксатор привода 24 на оси 22, упор фиксатора 25 выйдет из зацепления с упором тарелки 38, освобождая тарелку 9, которая под действием собственного веса и потока среды повернется на оси 7 и прижмется к седлу 39, перекрывая поток рабочей среды. Указатель положения штока 15 должен быть в положении ЗН (Фиг. 4в, при понижении давления);

- зафиксировать фактическое давление срабатывания и соответствие его давлению, указанному в паспорте. При несоответствии давления срабатывания, указанному в паспорте, привести в соответствие положение шкалы 14;

- возобновить подачу рабочей среды в участок трубопровода с клапаном и обеспечить в нём рабочее давление, равное среднему значению между давлением срабатывания при повышении и понижении, указанными в паспорте;

- перекрыть участок трубопровода с установленным в нём клапаном;

- открыть вентиль перепускной и выровнять давление до и после тарелки 10;

- проверить по указателю 15 положение штока 35. Указатель должен быть в положении Р;

- оттянуть и повернуть рукоятку механизма подъёма тарелки 12 в положение СТОП. При этом упор тарелки 38 отожмёт в сторону подпружиненный фиксатор привода 24 и войдёт в зацепление с упором фиксатора 25, обеспечив фиксацию тарелки 9 в открытом положении;

- рукоятку механизма подъёма тарелки 12 перевести в положение АВТ.;

- закрыть вентиль перепускной 10;

- повысить давление в трубопроводе до величины, при которой должно произойти срабатывание клапана при повышении давления, при этом шток 35 под воздействием повышенного давления, преодолевая усилие пружины 33, переместится вверх, в полость привода с атмосферным давлением, выступ штока 36 выйдет из впадины фиксатора 26, повернет фиксатор привода 24 на оси 22, упор фиксатора 25 выйдет из зацепления с упором тарелки 38, освобождая тарелку 9, которая под действием собственного веса и потока среды повернется на оси 7 и прижмется к седлу 39, перекрывая поток рабочей среды. Указатель положения штока 15 должен быть в положении ЗВ (фиг. 4б, при повышении давления);

- зафиксировать фактическое давление срабатывания и соответствие его давлению, указанному в паспорте. При несоответствии давления срабатывания, указанному в паспорте, привести в соответствие положение шкалы 13;

Грубая перенастройка привода на другие величины давления срабатывания выполняется:

- на понижение давления установкой винта 31 привода 2 торцом на отметку шкалы 14, соответствующую требуемому давлению;

- на повышение давления установкой гайки 32 торцом на отметку шкалы 13, соответствующую требуемому давлению.

Точная перенастройка привода на необходимую величину давления срабатывания при понижении давления выполняется в следующей последовательности:

- подать рабочую среду в участок трубопровода с клапаном и обеспечить в нём давление, при котором должно произойти срабатывание;

- перекрыть участок трубопровода с установленным в нём клапаном;

- открыть вентиль перепускной 10 и выровнять давление до и после тарелки;

- выкрутить винт 31 до положения «6 МПа», максимально ослабив пружину 34;

- проверить по указателю 15 положение штока 35. Указатель должен быть в положении Р;

- оттянуть и повернуть рукоятку механизма подъёма тарелки 12 в положение СТОП. При этом упор тарелки 38 отожмёт в сторону подпружиненный фиксатор привода 24 и войдёт в зацепление с упором фиксатора 25, обеспечив фиксацию тарелки 9 в открытом положении;

- рукоятку механизма подъёма тарелки 12 перевести в положение АВТ.;

- закрыть вентиль перепускной 10;

- медленно, сжимая винтом 31 пружину 34, зафиксировать падение тарелки запорного органа «на слух» и по указателю положения штока 15 (шток должен находиться в положении ЗН), при этом положение винта 31 является требуемым;

- переустановить на винте 31 шкалу 14 отметкой, соответствующей величине давления, при котором произошло срабатывание напротив винта-указателя.

Точная перенастройка привода 2 на необходимую величину срабатывания при повышении давления выполняется в следующей последовательности:

- подать рабочую среду в участок трубопровода с клапаном и обеспечить в нём давление, при котором должно произойти срабатывание;

- перекрыть участок трубопровода с установленным в нём клапаном;

- открыть вентиль перепускной 10 и выровнять давление до и после тарелки;

- закрутить гайку 32, максимально сжав пружину 33;

- проверить по указателю 15 положение штока 35. Указатель должен быть в положении Р;

- оттянуть и повернуть рукоятку механизма подъёма тарелки 12 в положение СТОП. При этом упор тарелки 38 отожмёт в сторону подпружиненный фиксатор привода 24 и войдёт в зацепление с упором фиксатора 25, обеспечив фиксацию тарелки 9 в открытом положении;

- рукоятку механизма подъёма тарелки 12 перевести в положение АВТ.;

- закрыть вентиль перепускной 10;

- медленно выкручивать гайку 32, ослабляя пружину 33, добиться срабатывания запорного органа, зафиксировав падение тарелки 9 «на слух» и по указателю положения штока 15 (шток должен находиться в положении ЗВ);

- переустановить шкалу 13, совместив соответствующее значение шкалы с величиной давления срабатывания с торцом гайки 32.

Запуск в работу клапана после его установки на трубопровод и наладки произвести в следующей последовательности:

- подать рабочую среду в участок трубопровода с клапаном и обеспечить в нём рабочее давление, равное среднему значению между настроенным давлением срабатывания при повышении и понижении;

- перекрыть участок трубопровода с установленным в нём клапаном;

- открыть вентиль перепускной 10 и выровнять давление до и после тарелки;

- проверить по указателю 15 положение штока 35. Указатель должен быть в положении Р;

- оттянуть и повернуть рукоятку механизма подъёма тарелки 12 в положение СТОП. При этом упор тарелки 38 отожмёт в сторону подпружиненный фиксатор привода 24 и войдёт в зацепление с упором фиксатора 25, обеспечив фиксацию тарелки 9 в открытом положении;

- рукоятку механизма подъёма тарелки 12 перевести в положение АВТ.;

- закрыть вентиль перепускной 10.

Клапан готов к работе.

Работа клапана при повышении давления рабочей среды в трубопроводе выше значения, установленного настройками привода 2.

При повышении давления внутри корпуса 4 выше установленной величины давления срабатывания привода 2, указанной на шкале 13, шток привода 35 под воздействием повышенного давления, преодолевая усилие пружины сжатия 33, перемещается вверх в полость привода с атмосферным давлением, осевое перемещение штока 35 передается подпружиненному пружиной кручения 23 фиксатору 24, который поворачиваясь на оси 22, установленной неподвижно во втулке 30, выходит из зацепления с упором тарелки 38, освобождая тарелку 9, которая под действием собственного веса и потока среды поворачивается на оси 7 и прижимается к седлу 39, перекрывая поток рабочей среды.

Работа клапана при понижении давления рабочей среды в трубопроводе ниже значения, установленного настройками привода 2.

При понижении давления внутри корпуса 4 ниже установленной величины давления срабатывания привода 2, указанной на шкале 14 шток 35 привода, под действием усилия пружины 34 перемещается вниз в полость привода с понижающимся давлением, осевое перемещение штока 35 передается, подпружиненному пружиной кручения 23, фиксатору 24, который поворачиваясь на оси 22, установленной неподвижно во втулке 30, выходит из зацепления с упором тарелки 38, освобождая тарелку 9, которая под действием собственного веса и потока среды поворачивается на оси 7 и прижимается к седлу 39, перекрывая поток рабочей среды.

Рукоятка 12 в рабочем положении клапана должна находиться в положении АВТ., при нахождении рукоятки 12 в положении СТОП срабатывание клапана от понижения и повышения давления рабочей среды невозможно. Перепускной вентиль 10 должен быть закрыт.

Подъём тарелки 9 рукояткой 12 допускается выполнять только после выравнивания давления до и после тарелки 9 посредством открытия перепускного вентиля 10.

При относительно простой конструкции привода клапана обеспечивается возможность установки тарелки в рабочее положение и её надёжная фиксация в этом положении без наличия в приводе рукоятки переключения режимов с минимальным количеством манипуляций при запуске клапана в работу и наладке, а также надежность срабатывания от понижения и повышения давления рабочей среды и перекрытия трубопровода.

Изобретение относится к арматуростроению, в частности к отключающим устройствам с поворотным запорным органом, и предназначено для автоматического перекрытия трубопровода высокого давления при аварийном понижении или повышении давления в нем. Шток клапана-отсекателя имеет на конце цилиндрический выступ, фиксатор выполнен в виде поворотной защелки, прижатой к цилиндрическому выступу штока пружиной кручения, имеет со стороны цилиндрического выступа штока впадину в форме усеченной пирамиды и скошенный под углом упор фиксатора, выполненный с возможностью входа в зацепление со скошенным под углом упором тарелки при установке тарелки в рабочее положение и её фиксации в этом положении при давлении в корпусе клапана в пределах настроенного рабочего диапазона и выхода из зацепления с упором тарелки и возврата тарелки в закрытое положение при выходе давления в корпусе клапана за пределы настроенного рабочего диапазона. Конструкция привода клапана обеспечивает возможность установки тарелки в рабочее положение и её надёжную фиксацию в этом положении при давлении в корпусе клапана в пределах настроенного рабочего диапазона без наличия в приводе рукоятки переключения режимов с минимальным количеством манипуляций при запуске клапана в работу и наладке, а также надежное срабатывание и возврат тарелки в закрытое положение при выходе давления в корпусе клапана за пределы настроенного рабочего диапазона. 4 ил.

Клапан-отсекатель, содержащий корпус, входной и выходной фланцы, съёмное седло, установленное в расточке выходного фланца, уплотненное резиновым кольцом и зафиксированное в осевом направлении, поворотный запорный орган, выполненный в виде тарелки с упором, расположенный на корпусе привод устройства срабатывания с чувствительным элементом, выполненным в виде нагруженного пружинами штока, связанного с фиксатором, удерживающим упором в открытом положении запорный орган, снабжённый указателем положения штока чувствительного элемента, с возможностью визуального контроля за положением штока, и подвижными шкалами давления срабатывания чувствительного элемента, с возможностью установки на шкалах фактических давлений срабатывания чувствительного элемента при настройке, отличающийся тем, что шток имеет на конце цилиндрический выступ, фиксатор выполнен в виде поворотной защелки, прижатой к цилиндрическому выступу штока пружиной кручения, имеет со стороны цилиндрического выступа штока впадину в форме усеченной пирамиды и скошенный под углом упор фиксатора, выполненный с возможностью входа в зацепление со скошенным под углом упором тарелки при установке тарелки в рабочее положение и её фиксации в этом положении при давлении в корпусе клапана в пределах настроенного рабочего диапазона и выхода из зацепления с упором тарелки и возврата тарелки в закрытое положение при выходе давления в корпусе клапана за пределы настроенного рабочего диапазона.