МАНЖЕТА ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПЛОТНЕНИЯ ШАРИКОВОГО ОБРАТНОГО КЛАПАНА С КЛАПАННОЙ ПАРОЙ V11-150

Полезная модель относится к запорной арматуре, в частности к обратным шариковым клапанам, применяемым, например, со штанговыми глубинными или электроцентробежными насосами, предназначенными преимущественно для перекачивания жидкостей с высоким содержанием механических примесей.
Известен клапан обратный шариковый, который содержит полый цилиндрический корпус с внутренним кольцевым выступом, установленную в корпусе клапанную пару в виде кольцевого седла и шарикового запорного элемента, ограничитель хода запорного элемента в виде клетки со сквозными отверстиями для протока жидкости. Между седлом и клеткой установлен кольцевой упругий элемент, внутренний диаметр которого не превышает диаметр шарикового запорного элемента. По варианту исполнения кольцевой упругий элемент в продольном сечении может иметь полукруглую или коническую форму (по патенту RU 2653142 E21B 34/06, F16K 15/04 опубл. 07.05.18).
Описанная геометрия кольцевого упругого элемента позволяет выполнять только одну функцию, направленную на прижатие шарика к седлу. Также при такой форме кольцо недостаточно прочно закреплено в корпусе клапана, что может привести к выдавливанию кольца. Все это снижает надежность работы клапана.
Известен клапан обратный шариковый, состоящий из корпуса, внутри которого установлены клапанная пара, состоящая из седла и шарика, и ограничитель хода шарика, выполненный в виде клетки со сквозными отверстиями. Клапан содержит динамическую систему уплотнения, реализованную при помощи манжеты, расположенной между клеткой и седлом и представляющей собой кольцо, отверстие которого образовано двумя коническими поверхностями, со стороны клетки на манжете между ее торцом и коническими поверхностями выполнена внутренняя канавка, при этом минимальный внутренний диаметр манжеты меньше диаметра шарика, при посадке шарика в седло центр шарика располагается между седлом и местом контакта манжеты с шариком (по патенту RU 2752503, F16K 15/04, E21B 34/06, опубл. 07.05.18).
Наиболее близким по своей технической сущности к полезной модели является манжета динамической системы уплотнения шарикового обратного клапана, представляющая собой кольцо, отверстие которого образовано двумя коническими поверхностями, образующими кромку, с одной стороны между торцом и коническими поверхностями выполнена внутренняя канавка. По варианту исполнения на торцах со стороны внутренней канавки и с противоположной стороны выполнены уступы. Конические поверхности образуют острую кромку, угол конических поверхностей выполнен в диапазоне от 30° до 60° (по заявке RU 2021101509, F16J 15/00, опубл. 25.07.22).
Недостатком аналога и прототипа является то, что в источниках указана общая информация о конструкции и конфигурации манжеты динамической системы уплотнения. Шариковые обратные клапаны выполняются в различных стандартизованных габаритных размерах. Каждый габарит клапана содержит клапанную пару определенного типоразмера, которая содержит шарик и седло определенных размеров. Размерный ряд клапанных пар определяется различными стандартами: ГОСТ Р 51896-2002, ОСТ 26-16-06-86, API 11AX. Из этого следует, что для каждого типоразмера клапанной пары манжета динамической системы уплотнения должна иметь определенные геометрические размеры, чтобы обеспечивать её работу с максимальной эффективностью.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в повышении эффективности и надежности работы манжеты, а также реализации динамической системы уплотнения шарикового обратного клапана, оснащенного клапанной парой типоразмера V11-150 по стандарту API 11AX.
Указанный технический результат достигается тем, что манжета динамической системы уплотнения шарикового обратного клапана с клапанной парой V11-150 представляет собой кольцо, отверстие которого образовано двумя коническими поверхностями, образующими кромку, с одной стороны между торцом и коническими поверхностями выполнен уступ, на котором расположена внутренняя канавка, с другой стороны на торце выполнен уступ, и отличается тем, что внешний диаметр манжеты не менее 30 мм, диаметр отверстия выполнен в диапазоне от 20 до 22 мм, угол между коническими поверхностями выполнен в диапазоне от 120° до 150°.
Предпочтительный диаметр уступа, на котором расположена канавка, не менее 24,5 мм, а диаметр уступа с противоположной стороны от канавки не менее 24 мм.
Общая длина конических поверхностей предпочтительно выполнена в диапазоне от 2 до 6 мм.
Кроме того, кромка может быть выполнена острой.
Полезная модель поясняется фигурами, на которых изображено:
фиг. 1 - манжета динамической системы уплотнения шарикового обратного клапана, общий вид;
фиг. 2 - манжета динамической системы уплотнения шарикового обратного клапана, продольный разрез;
фиг. 3 - шариковый обратный клапан с манжетой динамической системы уплотнения в закрытом положении, продольный разрез;
фиг. 4 - шариковый обратный клапан в открытом положении, продольный разрез;
фиг. 5 - реализация функции гидроцилиндр динамической системы уплотнения;
фиг. 6 - реализация функции грязесъемник динамической системы уплотнения;
фиг. 7 - реализация функции успокоитель динамической системы уплотнения;
фиг. 8 - реализация функции герметик динамической системы уплотнения.
Манжета 1 динамической системы уплотнения шарикового обратного клапана (фиг. 1, 2) представляет собой кольцо, отверстие 2 которого образовано двумя коническими поверхностями 3 и 4 с образованием кромки 5. С одной стороны манжеты 1 выполнен уступ 6 с внутренней канавкой 7. С противоположенной стороны выполнен уступ 8.
Применение
Манжета динамической системы уплотнения применяется в конструкции шарикового обратного клапана (фиг. 3). Клапан содержит корпус 9, в котором установлена клапанная пара, состоящая из седла 10 и шарика 11. Ограничитель хода шарика 11 выполнен в виде закрепленной в корпусе 9 клетки 12 со сквозными отверстиями для протока жидкости. Между клеткой 12 и седлом 10 установлена манжета 1. На клетке 12 выполнен выступ 13, а на корпусе 9 - выступ 14, которые нужны для удержания манжеты в корпусе 9 клапана и исключения её выдавливания. Для дополнительного удержания манжеты 1 в корпусе 9 служит внутренняя канавка 7, на которую при закрытом положении клапана действует давление столба жидкости и вжимает манжету 1 в корпус 9.
Использование в шариковом обратном клапане описанной манжеты позволяет реализовать динамическую систему уплотнения и, тем самым, повысить надежность его работы и рабочее давление.
Принцип работы манжеты в составе шарикового обратного клапана применяемого в составе установки погружного насоса для добычи нефти из скважины показан на фиг. 4-8. Клапан 15 устанавливается на выходе насоса (на фиг. не показан). После включения насоса под шариком 11 создается давление, он поднимается из седла 10, преодолевая упругие силы от манжеты 1, и перемещается вверх по клетке 12, открывая клапан для прохода перекачиваемой жидкости (фиг. 4).
После выключения насоса, подача жидкости через клапан 15 прекращается. Шарик 11 начинает опускаться в седло 10. В этот момент начинает работать динамическая система уплотнения, реализованная с помощью манжеты 1. Работа системы можно разделить на этапы, в ходе которых манжета выполняет следующие функции:
1) Гидроцилиндр - манжета 1 составляет этот элемент вместе с шариком 11 в момент соприкосновения с ним. Благодаря манжете 1 шарик 11 при посадке в седло 10 работает как поршень (фиг. 5). На шарик 11 (поршень) в момент прохождения через манжету 1 ещё до его посадки в седло 10 давит столб жидкости с усилием P равным давлению столба жидкости над клапаном, умноженным на диаметр шарика d и превышающим усилие посадки шарика 11 в седло 10. Это обеспечивает точную посадку шарика 11 в седло 10 и вытеснению мехпримесей, откладывающихся на седле 10. В обычных клапанах столб жидкости начинает действовать на шарик только после его посадки в седло.
2) Грязесъемник - при прохождении шариком 11 манжеты 1 происходит его очищение от мехпримесей (фиг. 6), которые могут налипать на шарик 11. Особенно это актуально при периодической работе скважины в режиме автоматического повторного включения (АПВ), периодического кратковременного включения (ПКВ) и им подобным.
3) Успокоитель - при посадке шарика 11 в седло 10 на него продолжают действовать силы инерции, например, сила Кориолиса, которая придаёт шарику 11 горизонтальное отклонение. Постоянный контакт шарика 11 с манжетой 1 в момент его посадки в седло 10 нейтрализует действие сил инерции и обеспечивает системе статическую стабильность и устойчивость (фиг. 7).
4) Герметик - при усиленной посадке шарика 11 в седло 10 происходит его герметизация манжетой 1 сверху (фиг. 8).
1
Диаметр D отверстия 2 должен быть выполнен в диапазоне от 20 до 22 мм для того, чтобы обеспечить контакт шарика 11, диаметр которого у клапанной пары V11-150 равен 22,225 мм, и в то же время обеспечить возможность прохождения шарика через манжету 1 за счет её упругого расширения.
2
Внешний диаметр D манжеты 1 должен быть не менее 30 мм. Это нужно для того чтобы обеспечить достаточную площадь торцовых поверхностей манжеты и возможность закрепления манжеты 1 в клапане 15.
3
Диаметр D уступа 6, на котором расположена канавка 7, должен быть не менее 24,5 мм для того, чтобы ответный выступ 13 на клетке 12 имел достаточную площадь соприкосновения с манжетой 1, чтобы не повреждать её при прохождении шарика 11 через манжету вверх.
4
Диаметр D уступа 8 с противоположной стороны от канавки 7 должен быть не менее 24 мм для того, чтобы ответный выступ 14 на корпусе 9 имел достаточную площадь соприкосновения с манжетой 1, чтобы не повреждать её при прохождении шарика 11 через манжету вниз.
Угол α между коническими поверхностями 3 и 4 выполнен в диапазоне от 120° до 150°, для того чтобы обеспечить легкое прохождение шарика 11 через манжету. Больший угол не обеспечит достаточного выступания манжеты из корпуса 9 клапана, меньший угол может привести к повреждению кромки 5 при прохождении шарика 11.
Общая длина L конических поверхностей 3 и 4 должна быть выполнена в диапазоне от 2 до 6 мм. Такая длина при угле α от 120° до 150 обеспечит оптимальную величину выступания манжеты из корпуса 9 клапана 15.
Таким образом, описанная манжета позволяет повысить эффективность и надежность работы манжеты, а также позволяет реализовать динамическую систему уплотнения шарикового обратного клапана, оснащенного клапанной парой типоразмера V11-150 по стандарту API 11AX, что способствует достижению технического результата.