Устройство запорное

Устройство запорное

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области горного дела, в частности к нефтегазодобывающей отрасли, и может быть использовано в устьевом оборудовании для нефтегазовых скважин, в эксплуатации нефтепроводов, водоводов, газопроводов.

Известны устройства запорные [RU №2261389 С2, кл. F16K 3/26, 27.09.2005 г., RU №94041194 А1, кл. F16K 3/24, 20.09.1996 г.], содержащие корпуса, запорные элементы, привод, элементы фланцевого соединения.

Недостатками известных устройств запорных являются ограниченные функциональные возможности, сложность конструкции из-за большой элементной базы, сложности в процессе изготовления и, как правило, ненадежность в процессе эксплуатации.

Известно устройство запорное [RU 2351830 С2, кл. F16K 1/12, F16K 31/52, 10.04.2009 г.], содержащее корпус, кольцо в выточке корпуса с уплотняемой конической поверхностью, пробку с соответствующей уплотнительной поверхностью, эксцентриковый привод, перепускную втулку.

Недостатками известного устройства запорного являются ограниченные функциональные возможности, сложность конструкции из-за большой элементной базы, нетехнологичность, ненадежность в процессе эксплуатации, особенно при отрицательных температурах окружающей среды в зимнее время на нефтегазовых месторождениях Российской Федерации.

Техническая задача изобретения состоит в возможности использования устройства запорного как по своему функциональному назначению, так и как обратный клапан при аварийных остановках, используя при этом перепады давлений до и после устройства запорного и изменения направления движения перекачиваемой среды, например, в гидравлических системах, в трубопроводах, в устьевом оборудовании, в обеспечении через входной и выходной каналы прохода технологического инструмента, приборов при исследовании скважин, скребков для удаления парафиновых отложений в канале насосно-компрессорных труб.

Кроме выше изложенного технической задачей изобретения является повышение надежности, уменьшение элементной базы конструкции устройства запорного, увеличение срока эксплуатации, особенно в системах высокого давления и при отрицательных температурах окружающей среды в зимнее время при образовании льда в каналах гидравлической связи устройства запорного, снижение гидроабразивного износа при высоких скоростях перекачиваемой среды и увеличение коррозионной стойкости элементов конструкции, определяющие его работоспособность и надежность, удобство обслуживания при эксплуатации, обеспечение ремонтопригодности и конкурентоспособности устройства запорного.

Технический результат достигается тем, что устройство запорное, содержащее корпус, кольцо в выточке корпуса с уплотняемой конической поверхностью, пробку с соответствующей уплотнительной поверхностью, эксцентриковый привод, перепускную втулку, отличающееся тем, что в корпусе через радиальную резьбовую выточку и торцевое уплотнение в кольцевой канавке ввинчен стакан и зафиксирован в расточке корпуса штифтами, в стакане выполнены с одной стороны камера, с противоположной резьбовое отверстие, гнездо с цилиндрической и конической поверхностями и наружная резьба, в камере стакана размещены плунжер, соединенный с втулкой привода, и винт с левой резьбой, с противоположной стороны в гнезде резьбовая уплотнительная втулка с цилиндрической и конической поверхностями, винт с правой трубной цилиндрической резьбой, нажимное кольцо и накидная гайка, втулка привода через левую резьбу взаимодействует с левой резьбой винта, а через правую трубную цилиндрическую резьбу винт взаимодействует с соответствующими резьбами в отверстии стакана и в уплотнительной втулке, на торце плунжера выполнены коническая выточка и канал для гидравлической связи в камере стакана, а на наружной поверхности плунжера выполнены шаровой сегмент, пересекающийся с конической выточкой, и паз, открытый с торца втулки привода, соответствующий в сечении и расчетной длины паз выполнен в камере стакана, в пазах размещены шары, при этом в центральных расточках корпуса выполнены кольцевые канавки и установлены с соответствующими канавками с одной стороны опорная втулка с уплотняемой сферической поверхностью и входным каналом, с противоположной стороны втулка с направляющими поверхностями на торце и с соответствующим выходным каналом, образующие герметичные камеры между кольцевыми канавками, причем запорный элемент выполнен в виде полого шара, масса которого равна или меньше массы вытесненной жидкости с возможностью перемещения по направляющим поверхностям втулки и взаимодействия с шаровым сегментом плунжера для принудительного перекрытия входного канала опорной втулки через ее уплотняемую сферическую поверхность при правом вращении винта рычагами управления и открытия входного канала под действием движения потока перекачиваемой жидкости при левом вращении винта и расположения полого шара в камере стакана, а также с возможностью как закрытия входного канала опорной втулки, так и частичного перекрытия входного и выходного каналов опорной и направляющей втулок в автоматическом режиме при ограничении прохода перекачиваемой жидкости расчетным левым или правым вращением винта для расположения полого шара в конической выточке на торце плунжера под действием изменения направления движения потока жидкости при перепадах давлений до и после устройства запорного.

Для регулировки герметичности винта с правой трубной цилиндрической резьбой уплотнительной втулкой с правой внутренней цилиндрической трубной резьбой в защитной втулке выполнен паз, соответствующий паз выполнен в защитной рубашке и через пазы выполняется регулировка герметичности винта накидной гайкой через нажимное кольцо.

На фиг.1 изображено устройство запорное в открытом положении под давлением перекачиваемой среды, например, нефтегазодобывающая скважина в режиме эксплуатации, запорный элемент - полый шар расположен в камере стакана или, например, для обеспечения прохода технологических инструментов, приборов для исследования скважин, скребков для удаления парафиновых отложений в канале насосно-компрессорных труб.

На фиг.2 изображено устройство запорное в режиме принудительного закрытия в результате вращения винта рычагами управления, например, технологическое обслуживание нефтегазодобывающей скважины.

На фиг.3 изображено устройство запорное частично в открытом положении при автоматическом режиме эксплуатации, устройство запорное выполняет функции клапана, например, в режиме эксплуатации нефтегазовой или нагнетательной скважины.

На фиг.4 изображено устройство запорное в закрытом положении под давлением при изменении направления движения среды, например, аварийная остановка нефтегазодобывающей или нагнетательной скважины.

На фиг.5 - сечение А-А на фиг.1.

На фиг.6 - вид В на фиг.3.

Устройство запорное содержит:

корпус 1 (фиг.1),

стакан 2,

расточку 3, выполненную в корпусе 1,

штифты 4,

радиальную резьбовую выточку 5, выполненную в корпусе 1,

кольцевую канавку 6, выполненную в радиальной резьбовой выточке 5,

торцевые уплотнения 7 в кольцевой канавке 6,

камеру 8 в стакане 2,

плунжер 9,

втулку привода 10,

винт 11,

левую резьбу 12, выполненную на винте 11,

левую резьбу 13, выполненную во втулке привода 10,

отверстие 14, выполненное в стакане 2,

правую трубную цилиндрическую резьбу 15, выполненную в отверстии 14 стакана 2,

гнездо с цилиндрической и конической поверхностями 16, выполненное в отверстии 14 стакана 2,

уплотнительную втулку 17,

правую трубную цилиндрическую резьбу 18, выполненную на винте 11,

правую трубную цилиндрическую резьбу 19, выполненную внутри уплотнительной втулки 17,

цилиндрическую и коническую поверхности 20, выполненные на уплотнительной втулке 17,

канал 21, выполненный в плунжере 9 для гидравлической связи в камере 8 стакана 2,

торец 22 плунжера 9,

торец 23 втулки привода 10 (фиг.2),

наружную поверхность 24 плунжера 9,

паз 25, выполненный в камере 8 стакана 2,

паз 26, выполненный на наружной поверхности 24 плунжера 9, открытый с торца 23 втулки привода 10,

шары 27, размещенные в пазах 25 и 26,

коническую выточку 28, выполненную на торце 22 плунжера 9,

шаровой сегмент 29, выполненный на наружной поверхности 24 плунжера 9, пересекающийся с конической выточкой 28,

центральную расточку 30 в корпусе 1 для установки опорной втулки,

опорную втулку 31,

входной канал 32 опорной втулки 31,

уплотняемую сферическую поверхность 33, выполненную в опорной втулке 31,

центральную расточку 34 в корпусе 1 для установки направляющей втулки (фиг.3),

направляющую втулку 35,

кольцевую канавку 36, выполненную в центральной расточке 34 корпуса 1,

выходной канал 37 направляющей втулки 35,

наружную поверхность 38 направляющей втулки 35,

кольцевую канавку 39, выполненную на наружной поверхности 38 направляющей втулки 35,

герметичную камеру 40,

торец 41 направляющей втулки 35,

наружную поверхность 42 опорной втулки 31,

кольцевую канавку 43, выполненную на наружной поверхности 42 опорной втулки 31,

кольцевую канавку 44, выполненную в центральной расточке 30 корпуса 1, герметичную камеру 45,

направляющие поверхности 46, выполненные на торце 41 направляющей втулки 35,

запорный элемент 47, выполненный в виде полого шара,

нажимное кольцо 48,

накидную гайку 49,

защитную рубашку 50,

защитную втулку 51,

паз 52, выполненный в защитной рубашке 50 (фиг.4),

расчетную длину [L] 53 паза 25, выполненного в камере 8 стакана 2,

фиксаторы 54,

резьбовую втулку 55,

паз 56, выполненный в защитной втулке 51,

рычаги управления 57,

фиксирующий винт 58,

частичное перекрытие 59 входного 32 и выходного 37 каналов опорной 31 и направляющей 35 втулок запорным элементом 47 (фиг.6).

В статическом положении, например, при сборке элементы устройства запорного взаимодействуют следующим образом.

В центральную расточку 30 корпуса 1 через резьбовое соединение герметично устанавливают опорную втулку 31 с входным каналом 32 и с уплотняемой сферической поверхностью 33 (фиг.1, фиг.2, фиг.3).

С противоположной стороны корпуса 1 через центральную расточку 34 герметично устанавливают направляющую втулку 35 с выходным каналом 37.

Направляющую втулку 35 ориентируют и фиксируют фиксаторами 54 (фиг.4) от проворота относительно оси корпуса 1.

Направляющую втулку 35 с фиксаторами 54 в центральной расточке 34 закрывают резьбовой втулкой 55.

Через радиальную резьбовую выточку 5, выполненную в корпусе 1, между опорной 31 и направляющей 35 втулками устанавливают запорный элемент 47, выполненный в виде полого шара.

В кольцевую канавку 6, выполненную в радиальной резьбовой выточке 5 корпуса 1, устанавливают торцевое уплотнение 7.

В гнездо с цилиндрической и конической поверхностями 16, выполненное в отверстии 14 стакана 2, устанавливают уплотнительную втулку 17 с правой трубной цилиндрической резьбой 19 внутри и с цилиндрической и конической поверхностями 20.

Плунжер 9 через резьбовое соединение соединяют с втулкой привода 10.

В паз 25, выполненный в камере 8 стакана 2, устанавливают шары 27.

Через шары 27 и паз 26, выполненный на наружной поверхности 24 плунжера 9 и открытый с торца 23 втулки привода 10, плунжер 9 в сборе с втулкой привода 10 вводится в камеру 8 стакана 2.

Винт 11 через правую трубную цилиндрическую резьбу 18 ввинчивается в правую трубную цилиндрическую резьбу 19 уплотнительной втулки 17 и далее ввинчивается в правую трубную цилиндрическую резьбу 15, выполненную в отверстии 14 стакана 2.

Через левую резьбу 12 винт 11 соединяется с левой резьбой 13 втулки привода 10 с плунжером 9 в камере 8 стакана 2.

Стакан 2 совместно с винтом 11, уплотнительной втулкой 17, плунжером 9 и втулкой привода 10 ввинчивается в радиальную резьбовую выточку 5 корпуса 1.

Причем расположение шарового сегмента 29, выполненного на наружной поверхности 24 плунжера 9 и пересекающегося с конической выточкой 28, выполненной на торце 22 плунжера 9 относительно запорного элемента 47, выполненного в виде полого шара и относительно уплотняемой сферической поверхности 33, выполненной в опорной втулке 31, достигается технологически, например, предварительной сборкой и разметкой паза 25 в камере 8 стакана 2 с последующей механической обработкой.

При этом торцевое уплотнение 7 в кольцевой канавке 6 обеспечивает герметичность резьбового соединения стакана 2 с корпусом 1.

Стакан 2 фиксируется в расточке 3 корпуса 1 штифтами 4.

Через винт 11 на уплотнительную втулку 17 устанавливается нажимное кольцо 48.

На стакан 2 навинчивается накидная гайка 49.

Через винт 11 на стакан 2 надевается защитная рубашка 50, а на защитную рубашку 50 надевается защитная втулка 51.

На винт 11 устанавливаются рычаги управления 57 и фиксируются фиксирующим винтом 58.

В динамическом положении устройство запорное работает следующим образом.

При движении перекачиваемой среды через входной канал 32 опорной втулки 31 полый шар 47 перемещается по направляющим поверхностям 46, выполненным на торце 41 направляющей втулки 35, и потоком перекачиваемой жидкости перемещается в камеру 8 стакана 2, так как его вес меньше или равен весу вытесненной жидкости (фиг.1, фиг.5).

Входной 32 и выходной 37 каналы втулок 31 и 35 полностью открыты для прохождения перекачиваемой среды (движение перекачиваемой жидкости на фиг.1 указано стрелками).

При принудительном закрытии устройства запорного правым вращением винта 11 рычагами управления 57 в стакане 2 плунжер 9 через левую резьбу 13 втулки привода 10 с левой резьбы 12 винта 11 свинчивается и полый шар 47 в результате взаимодействия с конической выточкой 28, выполненной на торце 22 плунжера 9, перемещается из камеры 8 стакана 2 по направляющим поверхностям 46, выполненным на торце 41 направляющей втулки 35, и в результате взаимодействия с шаровым сегментом 29 полый шар 47 через уплотняемую сферическую поверхность 33 перекрывает входной канал 32 опорной втулки 31. Устройство запорное закрыто (фиг.2).

При этом наличие канала 21, выполненного в плунжере 9 для гидравлической связи в камере 8 стакана 2, обеспечивает выравнивание давления в камере 8 при движении плунжера 9, что обеспечивает легкость вращения рычагов управления 57.

Расчетная длина (L) 53 паза 25 необходима для соединения плунжера 9 через втулку привода 10 с винтом 11 в камере 8 стакана 2 и для исключения выпадения шаров 27 из пазов 25 и 26 при определении необходимого хода плунжера 9 в камере 8.

Для использования устройства запорного в качестве клапана обратного необходимо расчетным левым или правым количеством оборотов винта 11, соединенного с рычагами управления 57, частичное перекрытие 59 входного 32 и выходного 37 каналов втулок 31 и 35 запорным элементом 47, выполненным в виде полго шара, в зависимости от величины потока перекачиваемой жидкости (фиг.3, фиг.4, фиг.6).

В этом случае при движении перекачиваемой жидкости, указанной стрелками на фиг.3, под действием давления жидкости полый шар 47 по направляющим поверхностям 46, выполненным на торце 41 направляющей втулки 35, перемещается до совмещения с конической выточкой 28, выполненной на торце 22 плунжера 9.

Перекачиваемая среда, огибая полый шар 47, транспортируется согласно технологическому регламенту. Устройство запорное открыто (фиг.3).

При правом вращении рычагов управления 57 в процессе принудительного закрытия входного канала 32 опорной втулки 31 запорным элементом 47 через уплотняемую сферическую поверхность 33 плунжер 9 через левое резьбовое соединение втулки привода 10 с винта 11 вывинчивается, а при левом вращении рычагов управления 57 плунжер 9, соединенный с втулкой привода, навинчивается на винт 11 для открытия канала 32.

При плановой или аварийной остановке, например, нефтегазодобывающей или нагнетательной скважин обратным давлением жидкости полый шар 47 перекрывает через уплотняемую сферическую поверхность 33 входной канал 32 опорной втулки 31. Устройство запорное закрыто (фиг.4).

При техническом обслуживании скважины, например, при исследовании или удалении парафина в канале насосно-компрессорных труб исследовательские приборы или скребки спускаются в скважину через лубрикатор (на чертеже лубрикатор не показан).

Под действием груза (металлический валик) протягивающего, например, скребок, соединенный проволокой с грузом и проходящей через лубрикатор, полый шар 47 по направляющим поверхностям 46, выполненным на торце 41 направляющей втулки 35, вследствие взаимодействия груза перемещается в камеру 8 стакана 2, открывая входной 32 и выходной 37 каналы втулок 31 и 35, обеспечивая проход приборов, инструмента, скребков для проведения исследований скважин или удаления парафина в канале насосно-компрессорных труб (фиг.1).

Использование уплотнительной втулки 17 с правой цилиндрической трубной резьбой 19, взаимодействующей с правой трубной цилиндрической резьбой 18 винта 11, а также гнезда с цилиндрической и конической поверхностями 16, выполненные в отверстии 14 стакана 2, взаимодействующие с соответствующими цилиндрической и конической поверхностями 20 уплотнительной втулки 17 под действием нажимного кольца 48 в результате завинчивания накидной гайки 49 через совмещенные пазы 56 и 52, выполненные в защитной рубашке 50 и в защитной втулке 51, обеспечивает надежную герметизацию винта 11 через соответствующую внутреннюю резьбу 19 уплотнительной втулки 17, так как профиль трубной цилиндрической резьбы плавный, без резких переходов (ГОСТ 6357-81. Резьба трубная цилиндрическая).

Наличие в устройстве запорном герметичных камер 40 и 45, образованных между кольцевыми канавками 39 и 43 на наружных поверхностях 38 и 42 втулок 35 и 31 и кольцевыми канавками 36 и 44 в центральных расточках 30 и 34 в корпусе 1, а также полого шара 47, которые выполняют роль компенсации при образовании льда, особенно в зимнее время, внутри устройства запорного вследствие его расширения и исключают деформацию элементов устройства запорного, так как камеры при образовании льда уменьшаются в объеме и восстанавливаются при прогреве с обеспечением первоначальных функциональных характеристик без ремонтно-восстановительных работ устройства запорного.

Использование в конструкции устройства запорного правых резьбовых соединений и левых резьбовых соединений в элементах конструкции стакана 2, винта 11 и приводной втулки 10 приводит к уменьшению объема камеры 8, что приводит к уменьшению воздействия объемных расширений воды при замораживании устройства запорного и к исключению остаточных деформаций элементов конструкции.

Предложенное новое техническое решение устройства запорного отличается от известных технических решений новизной, так как в автоматическом режиме функционирования, без участия обслуживающего персонала, использованы физические характеристики эксплуатации как нефтегазодобывающей, так и нагнетательной скважины (разница давлений перед или после запорного элемента и изменения направления движения перекачиваемой среды в случае аварийной или плановой остановки скважины).

Кроме выше изложенного предложенное устройство запорное обеспечивает через входной и выходной каналы опорной и направляющей втулок проход технологического инструмента, приборов для исследования скважин, скребков для удаления парафиновых отложений в канале насосно-компрессорных труб, технологично при изготовлении, надежно в эксплуатации, ремонтопригодно, конкурентоспособно, и его использование в производстве обеспечит положительный технико-экономический эффект, особенно при отрицательных температурах окружающей среды в зимнее время на нефтегазовых месторождениях Российской Федерации.

Источники информации

1. RU 2351830 C2, кл.F16K 1/12, 31/52, 10.04.2009.

2. RU 2261389 C2, кл.F16K 3/26, 27.09.2005.

3. RU 94041194 A1,кл.R16K 3/24, 1996.

4. RU 2190139 C2,27.09.2002.

5. GB 2166847 A,14.05.1986.

6. US 3102550 A,03.09.1963.

7. US 3784156 A,08.01.1974.

8. DE 8800051 U1,18.02.1988.

9. DE 10162720 A1,01.08.2002.10.

10. WO 98/55784 A1,10.12.1998.

1. Устройство запорное, содержащее корпус, кольцо в выточке корпуса с уплотняемой конической поверхностью, пробку с соответствующей уплотнительной поверхностью, эксцентриковый привод, перепускную втулку, отличающееся тем, что в корпусе через радиальную резьбовую выточку и торцевое уплотнение в кольцевой канавке ввинчен стакан и зафиксирован в расточке корпуса штифтами, в стакане выполнены с одной стороны камера, с противоположной - резьбовое отверстие, гнездо с цилиндрической и конической поверхностями и наружная резьба, в камере стакана размещены плунжер, соединенный с втулкой привода и винт с левой резьбой, с противоположной стороны - в гнезде резьбовая уплотнительная втулка с цилиндрической и конической поверхностями, винт с правой трубной цилиндрической резьбой, нажимное кольцо и накидная гайка, втулка привода через левую резьбу взаимодействует с левой резьбой винта, а через правую трубную цилиндрическую резьбу винт взаимодействует с соответствующими резьбами в отверстии стакана и в уплотнительной втулке, на торце плунжера выполнены коническая выточка и канал для гидравлической связи в камере стакана, а на наружной поверхности плунжера выполнены шаровой сегмент, пересекающийся с конической выточкой и паз, открытый с торца втулки привода, соответствующий в сечении и расчетной длины паз выполнен в камере стакана, в пазах размещены шары, при этом в центральных расточках корпуса выполнены кольцевые канавки и установлены с соответствующими канавками с одной стороны опорная втулка с уплотняемой сферической поверхностью и входным каналом, с противоположной стороны - втулка с направляющими поверхностями на торце и с соответствующим выходным каналом, образующие герметичные камеры между кольцевыми канавками, причем запорный элемент выполнен в виде полого шара, масса которого равна или меньше массы вытесненной жидкости, с возможностью перемещения по направляющим поверхностям втулки и взаимодействия с шаровым сегментом плунжера для принудительного перекрытия входного канала опорной втулки через ее уплотняемую сферическую поверхность при правом вращении винта рычагами управления и открытия входного канала под действием движения потока перекачиваемой жидкости при левом вращении винта и расположения полого шара в камере стакана, а также с возможностью как закрытия входного канала опорной втулки, так и частичного перекрытия входного и выходного каналов опорной и направляющей втулок в автоматическом режиме при ограничении прохода перекачиваемой жидкости расчетным левым или правым количеством оборотов вращения винта для расположения полого шара в конической выточке на торце плунжера под действием изменения направления движения потока жидкости при перепадах давлений до и после устройства запорного.

2. Устройство запорное по п.1, отличающееся тем, что в защитной втулке выполнен паз, соответствующий паз выполнен в защитной рубашке для регулировки герметичности правой трубной цилиндрической резьбы винта резьбовой уплотнительной втулкой через пазы вращением накидной гайкой через нажимное кольцо.