задвижка

Формула изобретения

Задвижка, содержащая корпус, состоящий из двух соединенных между собой частей, в каждой из которых установлены подпружиненные седла с проходными каналами диаметром d и коническими входами с углом ₁, между которыми с возможностью поворота в своей плоскости с образованием зоны регулирования с зазором размещен взаимодействующий с частями корпуса через контурные уплотнительные элементы дисковый шибер с проходным отверстием D, причем в проходном отверстии шибера с возможностью перемещения в осевом направлении на величину, не превышающую величину зазора между частями корпуса и дисковым шибером установлен сменный штуцер с проходным отверстием диаметром d₁ и с коническими входами с углом ₂, отличающаяся тем, что торцевые поверхности сменного штуцера выполнены сферическими с радиусом R=(1,6...2)D, а угол ₂ конического входа сменного штуцера равен углу ₁ конического входа проходных отверстий в седлах, при этом в каждой из частей корпуса напротив друг друга на радиусе, равном радиусу расположения проходного отверстия в шибере, и на расстоянии от оси проходных отверстий в седлах, равном длине зоны регулирования, выполнены сквозные отверстия с диаметром, большим диаметра проходного отверстия в шибере, закрытые пробками, причем диаметр проходных отверстий в седлах меньше диаметра проходного отверстия в шибере, а величина зазора между дисковым шибером и частями корпуса составляет 0,05-0,1 ширины контурного уплотнительного элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нефтяного и химического машиностроения и может быть использовано в качестве запирающего устройства на трубопроводах, транспортирующих нефть или техническую воду, а также для перекрытия каналов устьевой арматуры фонтанных, насосных и нагнетательных скважин при промышленной добыче нефти.

Эффективность промышленной добычи нефти определяется надежностью и быстрой сменой используемых при этом технических средств, которые часто работают под высоким давлением химически активной среды. Элементы запорной арматуры, в частности задвижки, имеют ограниченный срок службы и затраты на их ремонт часто превышают их первоначальную стоимость. Поэтому актуальной задачей является разработка таких конструкций задвижек, которые позволяют при необходимости производить ступенчатое регулирование потока рабочей среды без демонтажа оборудования и не требуют больших затрат на их ремонт, и могут работать в сложных климатических условиях в течение нескольких лет.

Известна задвижка (cм. SU 1523815 А1, кл. F 16 К 5/06, 23.11.1989), выполненная в виде шарового крана, содержащая корпус, в котором между подпружиненными в осевом направлении седлами с уплотнительными элементами расположена сферическая пробка, снабженная установленными в подшипниках верхней опорой в виде шпинделя с кольцевым буртиком и нижней, расположенной в расточке пробки и сопрягаемой с ней посредством шарика. Пробка имеет проходное отверстие диаметром D и имеет возможность поворота с образованием зоны регулирования от положения “закрыто” до положения “открыто”.

Недостатком такой задвижки является отсутствие возможности ступенчатого регулирования потока жидкости и замены сферической пробки без демонтажа оборудования, а также технологическая сложность изготовления сферической пробки и ответных деталей, требующая высокоточного оборудования.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сути является задвижка (RU 24715 U1, кл. F 16 К 3/06, 20.08.2002), содержащая корпус, состоящий из двух соединенных между собой частей, в каждой из которых установлены подпружиненные седла с проходными каналами и коническими входами, между которыми с возможностью поворота в своей плоскости с образованием зоны регулирования с зазором размещен взаимодействующий с частями корпуса через контурные уплотнительные элементы дисковый шибер с проходным отверстием. В проходном отверстии шибера с возможностью перемещения в осевом направлении на величину, не превышающую величину зазора, между частями корпуса и дисковым шибером установлен сменный штуцер с проходным отверстием диаметром d₁ и с коническими входами.

Известная задвижка имеет возможность без демонтажа оборудования производить ступенчатое регулирование потока жидкости. Однако одним из недостатков такой задвижки являются потери на трение в зоне контакта штуцера с седлами, что уменьшает надежность работы задвижки в целом.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей задвижки и повышение надежности ее работы.

Технический результат достигается тем, что в известной задвижке, содержащей корпус, состоящий из двух соединенных между собой частей, в каждой из которых установлены подпружиненные седла с проходными каналами диаметром d и коническими входами с углом ₁, между которыми с возможностью поворота в своей плоскости с образованием зоны регулирования с зазором размещен взаимодействующий с частями корпуса через контурные уплотнительные элементы дисковый шибер с проходным отверстием D, причем в проходном отверстии шибера с возможностью перемещения в осевом направлении на величину, не превышающую величину зазора, между частями корпуса и дисковым шибером установлен сменный штуцер с проходным отверстием диаметром d₁ и с коническими входами с углом ₂, торцевые поверхности сменного штуцера выполнены сферическими с радиусом R=1,6...2D, а угол ₂ конического входа сменного штуцера равен углу ₁ конического входа проходных отверстий в седлах, при этом в каждой из частей корпуса напротив друг друга на радиусе, равном радиусу расположения проходного отверстия в шибере, и на расстоянии от оси проходных отверстий в седлах, равном длине зоны регулирования, выполнены сквозные отверстия с диаметром, большим диаметра проходного отверстия в шибере, закрытые пробками, причем диаметр проходных отверстий в седлах меньше диаметра проходного отверстия в шибере, а величина зазора между дисковым шибером и частями корпуса составляет 0,05-0,1 ширины контурного уплотнительного элемента.

Сменный штуцер имеет проходные отверстия диаметром d₁ с коническими входами с углом ₂, равными углу ₁ конического входа проходных отверстий в седлах, торцевые поверхности его имеют сферическую форму радиусов R=1,6...2D, что не повышает гидравлическое сопротивление задвижки, уменьшает потери на трение в зоне контакта штуцера с седлами и повышает, таким образом, надежность работы задвижки.

В каждой из частей корпуса напротив друг друга на радиусе, равном радиусу расположения проходного отверстия в шибере и на расстоянии от оси проходных отверстий в седлах, равном длине зоны регулирования, выполнены сквозные отверстия диаметром больше диаметра проходного отверстия в шибере, закрытые пробками, что позволяет производить замену штуцера под давлением рабочей среды, расширяя, таким образом, функциональные возможности задвижки.

Диаметр проходных отверстий в седлах меньше диаметра проходного отверстия в шибере, что исключает возможность осевого смещения штуцера и повышает надежность ее работы. Величина зазора между дисковым шибером и частями корпуса составляет 0,05...0,1 ширины контурного уплотнительного элемента, что исключает перекос уплотнительного элемента и его преждевременный износ, обеспечивая надежность работы задвижки.

На фиг.1 приведена конструктивная схема задвижки в том положении, когда шибер находится в положении открыто, на фиг.2 показано поперечное сечение задвижки в открытом положении, на фиг.3 - конструктивная схема задвижки пpи смене штуцера, а на фиг.4 - схема расположения упорного подшипника в виде контурного уплотнительного элемента.

Задвижка содержит выполненный из двух частей 1 и 2 корпус, между которыми с помощью шпилек с шайбами и гайками (позиции не указаны) жестко закреплено распорное кольцо 3. Каждая из частей корпуса имеет сквозные каналы и конструктивные элементы, например фланцы, для монтажа задвижки в трубопроводе. Во внутренней полости распорного кольца 3 с возможностью поворота в своей плоскости в пределах зоны регулирования на оси 5, жестко закрепленной в каждой из частей 1 и 2 корпуса, размещен дисковый шибер 4 с проходным отверстием D. В каждой из частей 1 и 2 корпуса установлены взаимодействующие с дисковым шибером 4 подвижные седла 7 с волнообразными пружинами 6. В проходном отверстии дискового шибера 4 с возможностью перемещения в осевом направлении на величину, не превышающую величину зазора между частями корпуса и дисковым шибером, установлен сменный штуцер 8 с проходным отверстием d₁, торцевые поверхности которого имеют сферическую форму радиусом R=1,6...2D. Указанные пределы радиуса R получены опытным путем и зарекомендовали себя положительно. Сферическая поверхность штуцера 8 предназначена для исключения зацепления штуцера 8 за уплотнительные элементы 15, 16 седла 7 и возможности их разрушения при повороте дискового шибера 4. С целью уменьшения гидравлического сопротивления проходные отверстия штуцера 8 и седла 7 выполнены с коническими входами, где угол конического входа седла ₁ равен углу конического входа штуцера ₂. Сменные штуцера 8 могут иметь разные диаметры проходных отверстий d₁, что позволяет изменять диаметр проходного отверстия задвижки и производить ступенчатое регулирование расхода рабочей среды. Штуцер 8 устанавливается в дисковый шибер через керамическую втулку 9 с целью защиты проточной части шибера 4 от эрозийного вымывания. Для исключения выдавливания штуцера 8 давлением рабочей жидкости диаметр проходных отверстий d в седлах 7 выполнен меньше диаметра проходного отверстия D в дисковом шибере 4. В каждой из частей корпуса напротив друг друга выполнены сквозные отверстия 10 диаметром больше диаметра проходного отверстия в шибере 4, закрытые пробками 14. Сквозные отверстия 10 расположены на радиусе R₁, равном радиусу расположения проходного отверстия в шибере 4, и на расстоянии от оси проходных отверстий в седлах, равном длине зоны регулирования, что позволяет производить замену штуцера 8 без демонтажа оборудования. Дисковый шибер 4 образует с упорным кольцом 3 и частями 1 и 2 корпуса замкнутую периферийную полость 21 и взаимодействует с опорными поверхностями корпуса через выполненные в нем упорные подшипники 8 в виде контурных уплотнительных элементов. Для обеспечения герметичности и работоспособности задвижки величина зазора а между дисковым шибером 4 и частями корпуса 1, 2 составляет 0,05...0,1 ширины контурного уплотнительного элемента b. Данная зависимость обусловлена тем, что при увеличении зазора а возникает вероятность установки шибера 4 с перекосом, а также скапливанием в периферийной полости между шибером 4, распорным кольцом 3 и полукорпусами 1, 2 рабочей среды с механическими примесями, вызывающими преждевременный износ уплотнительных элементов и рабочих поверхностей шибера. При уменьшении зазора а давлением рабочей среды раздавит уплотнительные элементы 11, произойдет контакт “металл по металлу”, что затруднит вращение шибера 4 и приведет к выходу из строя задвижки. Указанные пределы отношения а к b получены опытным путем и зарекомендовали себя с положительной стороны. В дисковом шибере 4 параллельно его оси на радиусе, равном радиусу проходного канала, в центре зоны регулирования выполнено сквозное отверстие 17. Отверстие 17 соединено радиальным отверстием с замкнутой периферийной полостью 21, которая через выполненное в одной из частей корпуса нормально закрытое отверстие 19 соединена с атмосферой. Отверстие 19 в рабочем положении закрыто пробкой 12 и шариком 18. Напротив проходного отверстия в дисковом шибере 4 выполнена сквозная выемка, на периферийной части которой закреплен зубчатый сектор 20, взаимодействующий с установленной в частях 1 и 2 корпуса вал-шестерней 13.

Задвижка работает следующим образом. При вращении вала-шестерни 13 с помощью ключа (не показан) происходит поворот дискового шибера 4 на оси 5 из положения "открыто" в положение "закрыто" или наоборот. Угол поворота вала-шестерни зависит от геометрических размеров основных деталей задвижки - дискового шибера 4 и параметров зубчатого зацепления сектора 20. В опытных образцах задвижек с диаметром условного прохода 65 мм при повороте вала-шестерни на 540 градусов шибер поворачивается на оси на 80 градусов, полностью открывая или закрывая проходное сечение задвижки. Для исключения попадания рабочей среды в периферийную полость 21 на опорных поверхностях корпуса установлены упорные подшипники 11 в виде контурных уплотнительных элементов. Уплотнение шибера обеспечивается двумя подвижными седлами 7. Прижим седла осуществляется дисковыми волнообразными пружинами 6. В закрытом или промежуточном положении дискового шибера на него действует поперечная сила, определяемая статическим давлением и скоростным напором рабочей среды и площадью, на которую они действуют. Эту силу воспринимают упорные подшипники 11. Для снижения статического давления и скоростного напора рабочей среды в дисковом шибере 4 выполнено сквозное отверстие 17, соединенное радиальным отверстием с замкнутой периферийной полостью 21. Отверстие 17 предназначено для снижения нагрузки от скоростного потока жидкости на уплотнительную часть седла 7, для предотвращения разрушений уплотнительной части седла. При этом сила, действующая в зоне контакта седла 7 с дисковым шибером 4, от давления рабочей среды не зависит и остается постоянной, определяемой только силой упругости волнообразных пружин 6, что уменьшает износ рабочих поверхностей седел и шибера, а также повышает надежность работы задвижки. Замена штуцера 8 производится следующим образом: дисковый шибер 4 устанавливается в положение “закрыто”, выкручиваются пробки 14 и штуцер 8 выталкивается в удобную сторону и заменяется на следующий. Пробки 14 устанавливаются в гнезда и подтягиваются до обеспечения соответствующей герметичности, для чего на торцах пробки имеются уплотнения. Перед нагнетанием смазки в корпус задвижки при ее периодическом техническом обслуживании и замене штуцера 8 необходимо разрядить ее от давления. Сброс давления производится через отверстие 19 при открытии пробки 12. Смазка в зазоры между шибером 4 и частями 1 и 2 корпуса, а также в зону зубчатого зацепления подается при сборке задвижки через пресс-масленку и специальные каналы, выполненные в вал-шестерне и шибере, которые на фиг.1-4 не показаны. Для визуального контроля наполнения смазкой задвижки служит отверстие 19 с открученной на 2...3 оборота пробкой 12.

Широкая функциональная возможность, надежность и удобство управления задвижкой подтверждены ее испытаниями в реальных производственных условиях в нефтедобывающей промышленности. Время, необходимое для замены штуцера, составляет от 15 до 30 мин в зависимости от удобства расположения задвижки и времени года. Полный средний ресурс составил 1800 циклов, что обеспечивает ее полный cpoк службы не менее 9 лет. Практикой подтверждено, что средний срок службы задвижки до капитального ремонта не менее 5 лет.