Клапанный узел плунжерной насосной установки

Предполагаемое техническое решение относится к области насосостроения и предназначено для применения в качестве клапанных узлов, преимущественно в плунжерных насосах для перекачивания жидкостей, например, загрязненной воды, нефтепродуктов, нефтяных эмульсий и нагнетания в нефтяные пласты нефтепромысловых сточных вод.
Известно техническое решение клапанный узел (Патент RU №2240461, МПК F16K 15/06), сущностью является клапанный узел насоса, установленный в полости гидроблока насоса, содержащий седло с конической рабочей посадочной поверхностью и осевым цилиндрическим направляющим отверстием, кольцеобразное периферийное эластичное уплотнение, закрепленное с внешней стороны верхней части седла, а также тарельчатый клапан с периферийным эластичным уплотнителем и направляющей крестовиной, контактирующей со стенкой осевого цилиндрического отверстия седла, причем периферийный эластичный уплотнитель тарельчатого клапана контактирует с кольцеобразным эластичным уплотнением седла, а тарельчатый клапан и направляющая крестовина соединены между собой шаровым шарниром, отличающийся тем, что шаровой шарнир со стороны направляющей крестовины снабжен кольцевым эластичным фиксатором, выполненным, например, из литьевого свулканизированного полиуретана, радиальная толщина которого в месте одновременного его контакта с поверхностями шара шарового шарнира и тарельчатого клапана больше, чем на выходе из тарельчатого клапана, а форма эластичного фиксатора повторяет формы сопрягаемых с ним поверхностей тарельчатого клапана и направляющей крестовины.
Известно техническое решение - насосная станция (Патент RU №62667, МПК F04B 23/10) включающая одно- или многоплунжерный насос с гидроузлами, всасывающими и нагнетательными клапанами, соответствующими количеству плунжеров насоса, всасывающей и напорной магистралями, из которых всасывающая магистраль соединена с емкостью (баком) для рабочей жидкости, а напорная - с потребителями, при этом насосная станция оснащена пневмогидроаккумуляторами, автоматом разгрузки, предохранительными клапанами, контрольно-измерительными приборами, соединенными с напорной магистралью, отличающаяся тем, что нагнетательные клапаны установлены в верхней части корпуса насоса и гидравлически соединены, непосредственно, с плунжерными (рабочими) камерами гидроузлов насоса.
При этом в указанной насосной станции имеется узел, представленный на Фиг. 3 (Фиг. 4 аналога Патент RU №62667), - нагнетательный клапан включает в себя: стакан 21, внутри которого помещено седло 22, на которое опирается тарелка 23 нагнетательного клапана, прижимаемая пружиной 24, которая удерживается упором 25 и пробкой 26, ввернутой в стакан 21. Между седлом 22 и упором 25 предусмотрена проставка 27 с боковыми отверстиями. В стакане 21 предусмотрены входное окно 28 и боковые (выходные) окна 29.
Недостатками известных и описанных выше технических решений являются: наличие эластичного уплотнителя на тарельчатом клапане, что приводит к износу и сопрягаемые с ним детали, а именно изнашиваются посадочные седла, корпус клапанного узла, таким образом, в следствие указанного выше клапанный узел в сборе требует регулярной замены, указанное более подробно следует из того, что клапан при совершении периодических циклов закрытия и открытия проходного сечения посадочного седла, имеет боковые перемещения, которые негативно влияют на боковые поверхности корпуса клапанного узла. Вследствие постоянного трения боковых поверхностей, стенки клапанов и корпуса быстро изнашиваются, появляются на поверхности, задиры, которые приводят к задержкам хода клапанов. В результате эксплуатация насосного плунжерного агрегата становится затруднительной и в силу указанного для восстановления работоспособности необходимо замена всего клапанного узла в сборе, что является достаточно трудоемким и дорогостоящим мероприятием.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности совпадающих признаков и назначению является клапанный узел плунжерного насосного агрегата Т-60-3Д-М1 (http://baikal-uvd.ru/pump.html) встроенного в гидравлическую часть насоса, соединенную через всасывающие клапаны с приемным коллектором, причем в корпусе гидравлической части выполнены каналы, образующие, проточные полости высокого и низкого давления, а также гнезда для размещения всасывающих и нагнетательных поджатых пружинами клапанов к седлам. В клапанном узле установлен нижний проставок, в котором располагается подвижный всасывающий клапан, который совершает периодические вертикальные движения и перекрывает проходные отверстия посадочного седла.
Недостатками известного технического решения являются малый ресурс работы деталей клапанного узла, быстрый выход из строя всасывающих и нагнетательных седел клапанов, самих клапанов, и запорной крышки клапанного узла. Эти недостатки связаны с тем, что отсутствует центровка вертикальной и горизонтальной составляющей хода всасывающего и нагнетательного клапана, а также имеются боковые перемещения клапанов в корпусе узла. Следующим недостатком является незначительное осевые перемещения нагнетательного седла в корпусе, под действием ударно-упругих сил, возникающих при ударных нагрузках посадок поверхности тарельчатых клапанов на поверхность седел всасывающих и нагнетательных частей клапанного узла. В результате действия встречных вертикальных ударных сил опорных поверхностей клапана и седла появляются деформации, сколы, вмятины на седле вследствие чего происходит быстрый выход из строя клапан в целом. Вследствие чего, синхронность работы клапанов во всасывающей полости в нагнетательных узлах нарушается, и эксплуатация клапанного узла и в целом самого насосного агрегата становится не возможной. Для восстановления работоспособности требуется полная замена деталей клапанного узла, что ведет к дополнительным эксплуатационным затратам.
Технической задачей предполагаемого технического решения является устранение недостатков прототипа, а именно:
- увеличение ресурса эксплуатации деталей клапанного узла;
- износа самих клапанов и запорной крышки клапанного узла;
- уменьшение износа всасывающих и нагнетательных седел клапанов;
- упрощение конструкции, для упрощения в обслуживании клапанного узла;
- исключение из конструкции деталей приводящие к износу клапанного узла;
- уменьшение эксплуатационных затрат.
В силу реализации поставленных задач в целом, насосный агрегат становится более эффективным при использовании по назначению.
Новым является то, что внесены изменения в конструкцию всасывающей и нагнетаемой части клапанного узла насосного агрегата. В нижнем впускном клапане добавлена направляющая втулка, выполненная с клапаном как единое целое. В корпусе всасывающего посадочного седла сделано отверстие для входа втулки и посадки клапана на рабочую поверхность седла. В результате направляющая втулка центрирует ход клапана по оси, поджимаемого пружиной по вертикали и рабочие поверхности клапана и седла, точно соприкасаются между собой. С целью увеличения срока эксплуатации пружины увеличили число витков методом удлинения пружины. Вся конструкция нижнего клапана и седла находится в нижнем проставке, в котором добавлен бурт выполняющий функцию ограничителя клапана при его открытии и нахождении в максимально верхней точке хода. Для увеличения срока службы новым является также то, что в нагнетательной части клапанного узла добавлен верхний проставок с боковыми отверстиями для исключения осевого хода нагнетательного седла вследствие этого снижаются ударно-упругие нагрузки на опорную поверхность седла, а также увеличивается пропускная способности перекачиваемой воды. Верхний проставок зажимается верхней запорной крышкой, в которой установлена направляющая втулка и выполненная в корпусе запорной крышкой как единое целое, выполняющая функцию центровки осевого хода и исключения боковых перемещений нагнетательного клапана. В результате вся конструкция деталей клапанного узла работает, как единый механизм, в котором подвижными деталями являются только впускной и нагнетательный клапан с поджимающими пружинами.
Заявленное техническое решение поясняется следующими материалами.
На фиг. 1 изображен общий вид клапанного узла насосного агрегата;
На фиг. 2 изображен клапанный узел прототипа;
На фиг. 3 изображен клапанный узел аналога.
Заявленное техническое решение состоит из следующих элементов конструкции:
- корпус 1,
- пружины нагнетательного клапана и впускного клапана 2,
- тарельчатый впускной клапан 3 с направляющей втулкой 4,
- тарельчатый нагнетательный клапан 5,
- верхний проставок 6,
- нижний проставок 7 с боковыми отверстиями для прохождения жидкости,
- седло верхнее нагнетательного узла 8, оснащенное кольцевой проточкой с установленной с ней герметизирующей манжетой,
- седло нижнее всасывающего узла 9, оснащенная кольцевой проточкой с установленной с ней герметизирующей манжетой, и выполненным отверстием для хода втулки клапана,
- запорная крышка 10 с верхней направляющая втулкой 11, оснащенная кольцевой проточкой с установленной с ней герметизирующей манжетой,
- отверстие запорной крышки с нарезанной резьбой 12 для извлечения деталей клапанного узла,
- верхняя ограничительная фиксирующая крепежом 13 крышка клапанного узла 13
Клапанный узел представляет собой корпус 1, в котором, в верхней части размещен нагнетательный гидроузел, состоящий из нагнетательного клапана 5, верхнего проставка 6, верхнего седла 8, пружины 2, верхней направляющей втулки 11, и запорной крышки 10, обеспечивающей герметичность нагнетательного гидроузла посредством верхнего седла 8 оснащенного манжетой (на Фиг. 1 поз. не указана) и манжеты установленной на запорной крышке 10 на (Фиг. 1 поз. не указана), а в нижней части размещен всасывающий гидроузел, состоящий из впускного клапана 3, с нижней направляющей втулки 4, пружины 2, нижнего проставка 7, нижнего седла 9 оснащенного манжетой (на Фиг. 1 поз. не указана). При этом клапанный узел 1 неподвижно установлен в нижней части полости гидроблока плунжерного насосного агрегата посредством болтовых резьбовых соединений опорной поверхностью гидроблока, соединенный с всасывающей линией (не показано на Фиг. 1). Сверху нижнего седла 9 с установленным буртиком 15, для ограничения хода впускного клапана 3 с размещенной нижней направляющей втулкой 6 соединены между собой неподвижно посредством выточки единой детали, пружина 2 установлена на впускной клапан 3 далее сверху смонтирован нижний проставок 7 с боковыми отверстиями для прохождения жидкости, который неподвижно фиксирует поверхность нижнего седла 9 к корпусу гидроблока (не Фиг. 1 поз. показана) плунжерного насосного агрегата. В нагнетательной части клапанного узла, верхнее седло 8 установлено на нижний проставок 7, далее на верхнее седло 8, размещен нагнетательный клапан 5, пружина 2 установлена на нагнетательный клапан 5 далее смонтирован верхний проставок 6 и плотно фиксируется запорной крышкой 10 в котором встроена направляющая втулка 11 для центровки клапана и пружины. Для ограничения максимального хода нагнетательного клапана 5 в нижней поверхности запорной крышки 10 предусмотрена дополнительная опорная поверхность 16.
Таким образом, принимая во внимание описанную выше конструкцию в заявленном техническом решении, обладают возможностью возвратно-поступательного движения впускной клапан 3 с размещенной нижней направляющей втулкой 4 размещенные во всасывающем гидроузле и впускной клапан 3 по размещенной верхней направляющей втулке 11 размещенные соответственно в верхнем нагнетательном гидроузле при этом, указанные детали клапанных узлов находятся в нормально закрытом положении и приводятся в указанное положение посредством поджатия пружин 2 соответственно.
Благодаря применению существенных признаков, приведенных в независимом пункте формулы, обеспечивается возможность исключения всех ударных нагрузок на детали клапанного узла, кроме рабочих перемещений клапанов и пружин. При этом указанные узлы размещены соосно и обеспечивают работу заявленного технического решения следующим образом.
При движении плунжеров в гидравлической части плунжерного насосного агрегата жидкость из трубопровода поступает через всасывающую линию в всасывающий гидроузел во всасывающую полость гидроузла воздействуя на впускной клапан 3, тем самым под действием пружины 2 открывая входные отверстия седла. После наполнения жидкостью нижней полости гидравлического блока впускной клапан 3 под действием пружины 2 закрывается, и далее при обратном ходе плунжера в гидравлической части плунжерного насосного агрегата открывается нагнетательный клапан 5, который может возвратно-поступательно перемещаться по центрирующей втулке 11 запорной крышки 10. Верхний проставок 6 при этом исключает возможность осевого перемещения седла 8 в корпусе 1. Под давлением жидкость через отверстия в верхнем проставке 6 перетекает в нагнетательную часть гидроблока и далее через отверстия в нагнетательной части корпуса 1 клапанного узла поступает в напорную полость трубопровод. Все выше указанные циклы повторяются на всех клапанных узлах всего насосного агрегата.
Заявляемый клапанный узел может быть изготовлен на стандартном оборудовании с применением современных материалов и технологий. Применяется в сфере нефтедобычи при процессах нагнетания нефтепромысловых сточных вод в системе поддержания пластового давления.
Предлагаемый клапанный узел позволяет обеспечить эксплуатацию насосного агрегата в круглогодичном режиме работы, увеличить ресурс работы деталей и клапанного узла в целом, исключить негативные ударные нагрузки на поверхности седел, снизить металлоемкость гидроузлов, минимизировать эксплуатационные затраты на обслуживание клапанных узлов гидравлической части плунжерного насосного агрегата.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна» предъявляемому к техническим решения, т.к. заявленная совокупность признаков из исследованной области техники заявителем не выявлена.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», т.к. полезная модель изготовлена и используется для закачки жидкости в системе поддержания пластового давления в процессах добычи нефтепродуктов.