КЛАПАН С ГЕРМЕТИЧНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ ШТОКА
VALVE WITH LEAK-TIGHT STEM SEALING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к клапанам, которые используют для закрытия или открытия прохода для текучей среды при высоком давлении, в частности к эксплуатационной задвижке, предназначенной для встраивания в подводную фонтанную арматуру или для соединения с ней для добычи нефти и газа. Более конкретно, изобретение относится к уплотнениям подводных клапанов, предназначенных для управления добычей нефти и газа, а также к уплотнениям других аналогичных клапанов.
Уровень техники
Добыча нефти, конденсата и газа из подводных резервуаров все чаще осуществляется из устьев скважин, расположенных на дне моря. На таких устьях скважин устанавливают подводную фонтанную арматуру, содержащую клапаны для управления потоком между устьем скважины и штуцерной задвижкой. Задвижки фонтанной арматуры обычно являются открытыми или закрытыми для прохождения продукционного потока. Указанные задвижки обычно представляют собой шиберные заслонки, управляемые посредством возвратно-поступательной функции приводного элемента. Приводной элемент может быть выполнен в виде подпружиненного поршня, при этом шток поршня перемещается для открытия клапана, когда к приводному элементу прикладывается гидравлическое давление или электропитание.
Шток поршня обычно расположен коаксиально со штоком клапана, при этом указанные элементы функционируют как один элемент и могут представлять собой единый элемент или могут быть разделены на секции. Шток клапана соединяет приводной элемент с элементом клапана, часто называемым шибером, в охранном кожухе, содержащем клапанный элемент. По меньшей мере на часть штока клапана действует давление, существующее в охранном кожухе клапана, поскольку оно может создаваться в указанном охранном кожухе. Шток клапана может представлять собой один или несколько коаксиальных отрезков.
Уплотнение для предотвращения утечки давления в кожухе клапана устанавливают между штоком клапана и крышкой, окружающий шток клапана. В типичной уплотняющей конструкции уплотнения содержат первичные и вторичные динамические уплотнения, а также другие уплотнения. В настоящее время вторичное уплотнение устанавливается в держателе. Это приводит к необходимости статического уплотнения между поверхностью наружного диаметра держателя и крышкой. Такая известная конструкция разрабатывалась с учетом сборки, технического обслуживания и замены. Однако эта известная конструкция привела к появлению нескольких уплотнений различных типов, геометрии и герметичности, результатом чего стала объемная и сложная уплотнительная конструкция, создающая несколько каналов утечки и сильно усложняющая испытание и оценку качества каждого уплотнения. Поэтому существует потребность в новом клапане с герметичным уплотнением штока, содержащем усовершенствования в части количества и длины каналов утечки, количества различных конструкций и геометрий, упрощения конструкции уплотнения, увеличения срока службы, уменьшения размеров и упрощения испытания, оценки качества и технического обслуживания.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в удовлетворении указанной выше потребности.
Указанная потребность удовлетворяется клапаном согласно изобретению.
Более конкретно, изобретение обеспечивает клапан, используемый в качестве эксплуатационной задвижки в подводной фонтанной арматуре или соединенной с ней, а также в других аналогичных областях под водой или над водой, при этом указанный клапан содержит клапанный элемент, охранный кожух клапанного элемента, приводной элемент, шток и крышку, и при этом приводной элемент при помощи штока обеспечивает закрытие или открытие прохода для текучей среды через клапанный элемент, крышка охватывает шток и соединена с охранным кожухом клапанного элемента, а уплотнения расположены между штоком и крышкой для предотвращения утечки давления из охранного кожуха клапанного элемента. Указанный клапан отличается тем, что содержит по меньшей мере одно уплотнение для обеспечения герметизации между штоком и крышкой, которое имеет идентичный внутренний уплотняющий диаметр со стороны штока и наружное уплотнение относительно цельного корпуса или элемента крышки.
Уплотняющие элементы для уплотнения между штоком и крышкой предпочтительно имеют одинаковый внутренний и наружный уплотняющий диаметр, в частности одинарное уплотнение и наружное уплотнение, расположенные между штоком клапана и цельным корпусом или элементом крышки; или первичные уплотнения, вторичные уплотнения и наружные уплотнения, расположенные между штоком клапана и цельным корпусом или отдельным элементом крышки. Предпочтительно все уплотнения являются идентичными. Это уменьшает количество геометрических конфигураций уплотнений и упрощает проведение испытаний и технического обслуживания. Альтернативно этому можно использовать уплотнения с различной геометрией.
Предпочтительно, чтобы каждое из одинарных уплотнений или первичные и вторичные уплотнения со стороны, противоположной охранному кожуху, и в направлении, противоположном охранному кожуху, опирались на опорный механизм, состоящий из опорного кольца, следующего за ним сегментированного нагрузочного кольца и следующего за ним стопорного кольца. Опорное кольцо, нагрузочное кольцо и стопорное кольцо в сочетании называют первичным и вторичным опорными механизмами соответственно для вариантов осуществления клапана с первичным и вторичным уплотнениями. Осевая поверхность опорного кольца, противоположная охранному кожуху, предпочтительно имеет наклон наружу, а ответная осевая поверхность сегментированного нагрузочного кольца соответственно имеет наклон внутрь, при этом сегментированное нагрузочное кольцо на боковой стороне, противоположной охранному корпусу, имеет осевую поверхность, которая наклонена внутрь, а ответная осевая поверхность стопорного кольца имеет осевую поверхность, которая соответственно наклонена наружу. Наклон наружу означает, что нормальный вектор, направленный от поверхности соответствующего элемента, указывает наружу от оси штока клапана, т.е. расходится с осью штока клапана. Наклон внутрь означает, что нормальный вектор, направленный от поверхности соответствующего элемента, указывает внутрь к оси штока клапана, т.е. сходится с осью штока клапана, таким образом, направленные внутрь нормальные векторы будут пересекаться на оси штока. Можно сказать, что такие нормальные векторы будут лежать на конической поверхности, при этом векторы, имеющие наклон внутрь, направлены к вершине конуса, а векторы, имеющие наклон наружу, направлены противоположно вершине конуса. Благодаря указанным наклонам осевые силы, действующие на уплотнения и опорные механизмы, имеют составляющую, которая прижимает сегментированное нагрузочное кольцо к крышке или к элементу крышки, при этом выступ, предусмотренный вокруг наружной поверхности сегментированного нагрузочного кольца, будет вжиматься в соответствующую канавку, расположенную вокруг внутренней поверхности крышки или элемента крышки. Такая конструкция обеспечивает возможность управления очень высокими силами, соответствующими многим сотням бар, при помощи клапана с герметичным уплотнением штока без выдавливания материала, нежелательных смещений или поворотов элементов или утечек текучей среды.
Сегментированное нагрузочное кольцо предпочтительно содержит выступ вокруг радиальной наружной поверхности, который входит в соответствующую канавку, расположенную вокруг внутренней поверхности крышки или элемента крышки, при этом глубина указанной канавки больше, чем высота выступа. Как указанная канавка, так и указанный выступ предпочтительно имеют осевые боковые поверхности, которые создают осевую опору.
Сегментированное нагрузочное кольцо в поперечном сечении предпочтительно имеет клиновидную форму, самая широкая часть которой находится на верхней радиальной наружной поверхности, при этом осевые силы, действующие на сегментированное нагрузочное кольцо, содержат составляющую, прижимающую сегментированное нагрузочное кольцо к крышке или к элементу крышки, с обеспечением вжатия выступа сегментированного нагрузочного кольца в канавку крышки или элемента крышки.
Стопорное кольцо в поперечном сечении предпочтительно имеет L-образную форму, при этом нижняя часть L расположена в направлении штока и частично под сегментированным нагрузочным кольцом, при этом часть L, расположенная под сегментированным нагрузочным кольцом, входит в соответствующую выемку или вырез сегментированного нагрузочного кольца, и при этом указанная выемка или вырез предпочтительно имеет большую ширину, чем часть L, расположенная внутри него. Это помогает удерживать сегментированное нагрузочное кольцо на месте как во время работы, так и во время установки. Сегментированное нагрузочное кольцо предпочтительно содержит три сегмента, поскольку это является хорошим компромиссом между достаточным количеством сегментов для обеспечения установки и минимальным числом деталей.
Уменьшение количества уплотнений, уменьшение размеров и типов уплотнений и отсутствие держателей уплотнений являются критичными для обеспечения усовершенствований, касающихся количества и длины каналов утечки, количества различных конструкций и геометрических форм и упрощения проведения испытаний, оценки качества и технического обслуживания, а также увеличения срока службы.
Краткое описание чертежей. Изобретение иллюстрируют три чертежа, на которых представлены:
фигура 1 - вариант осуществления клапана согласно изобретению с удаленным охранным кожухом крышки и клапана,
фигура 2 - подробное изображение уплотнений штока и опоры с фиг.1, и
фигура 3 - более подробное изображение уплотнений штока и опоры с фиг.2.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан вариант осуществления клапана 1 согласно изобретению, более конкретно - подводной эксплуатационной задвижки фонтанной арматуры. Клапан содержит клапанный элемент 2, элемент 3 кожуха клапана, приводной элемент 4, шток 5 и крышку 6. Приводной элемент 4 функционально предназначен для того, чтобы при помощи штока 5 закрывать или открывать проточный канал 7 через клапанный элемент 2, крышка закрывает шток 5 и соединяется с элементом кожуха клапана, а уплотнения 8, 9, 10, 11 установлены между штоком и крышкой для предотвращения утечки давления из охранного кожуха клапанного элемента. Все уплотнения 8, 9, 10, 11 для обеспечения герметичности между штоком и крышкой имеют идентичный внутренний уплотняющий диаметр со стороны штока 5 и наружное уплотнение со стороны цельного корпуса или элемента крышки 6. Для специалистов в данной области техники очевидно, что данный клапан представляет собой шиберную задвижку с неограниченным или полностью сквозным отверстием или каналом, открытым для прохождения потока, как показано на чертеже. Возвратно-поступательное движение 12 штока открывает или закрывает канал 7 для прохождения потока. Указанный клапан содержит предохранительный клапан 13, в частности обратный клапан, установленный в отверстии 14 между двумя наружными уплотнениями 10, 11 для выпуска рабочего потока в чрезвычайно маловероятной ситуации возникновения утечки рабочего потока через первичное и вторичное уплотнения. Такой выпуск предотвращает попадание текучей среды в систему управления, что обеспечивает возможность управления клапаном даже в условиях утечки. Наружные уплотнения предназначены для предотвращения попадания текучей среды из отверстия 14, но не препятствуют ее прохождению к указанному отверстию. Уплотнение штока клапана удерживается на месте стопором 15.
Клапан с герметичным уплотнением штока более подробно показан на фигуре 2. В противоположном направлении от клапанного элемента и кожуха клапана, который может содержать текучую среду при высоком давлении, клапан с герметичным уплотнением штока содержит первичное уплотнение 8, опорное кольцо 16, сегментированное нагрузочное кольцо 17, стопорное кольцо 18, вторичное уплотнение 9 штока, опорное кольцо 16, сегментированное нагрузочное кольцо 17, стопорное кольцо 18, первое наружное уплотнение 10 с противоположной ориентацией, разгрузочное отверстие 14, второе наружное уплотнение 11 и стопор 15. Сочетания опорного кольца, сегментированного нагрузочного кольца, состоящего в показанном варианте осуществления из трех частей, и стопорного кольца образуют первичный 19 и вторичный 20 опорный механизм соответственно.
На фигуре 3 показаны более подробно первичное уплотнение 8 и первичный опорный механизм 19 с фигуры 2. Более конкретно, механизм и траектория действия нагрузки показаны дополнительно к первичному уплотнению 8 и первичным опорным элементам - опорному кольцу 16, сегментированному нагрузочному кольцу 17 и стопорному кольцу 18. Давление в отверстии клапана, показанное стрелкой 21, которое может быть выше чем 150 бар, в частности 690 бар, действует на сторону давления первичного уплотнения 8, что приводит к появлению осевой силы, торцевой силы 22 давления, действующей со стороны первичного уплотнения в направлении опорного кольца. Ответная поверхность опорного кольца является осевой, однако поверхность опорного кольца, противоположная давлению 21, имеет наклон наружу. Сегментированное нагрузочное кольцо имеет поверхность, наклоненную внутрь на стороне давления, а также поверхность, наклоненную внутрь на стороне, противоположной давлению. Стопорное кольцо 18 имеет поверхность, наклоненную наружу и обращенную к противоположно наклоненной поверхности сегментированного нагрузочного кольца. Осевые силы, представляющие собой силы, параллельные оси штока клапана, можно разложить на радиальную составляющую дополнительно к осевой составляющей, когда сила действует на ответные наклонные поверхности. Осевые силы, действующие на сегментированное нагрузочное кольцо, содержат радиальную, направленную наружу составляющую, которая толкает сегментированное нагрузочное кольцо наружу, от крышки или элемента крышки, на которых сегментированное нагрузочное кольцо имеет радиальную опору 23 и осевую опору 24. Иными словами, это означает, что сегментированное нагрузочное кольцо в поперечном сечении имеет клинообразную форму, которая имеет увеличивающуюся ширину по мере удаления от оси штока, поэтому осевое давление на сегментированное нагрузочное кольцо имеет составляющую давления, направленную радиально наружу и уравновешенную радиальным давлением опоры на невыступающие наружные радиальные поверхности сегментированного нагрузочного кольца. Высота выступа меньше, чем глубина канавки, что позволяет выдерживать самые высокие давления без возникновения утечки. Осевые боковые поверхности выступа и канавки образуют осевую опору и обеспечивают сохранение на месте первичного уплотнения.
На чертежах показано несколько конструктивных деталей, характерных для представленного варианта осуществления и типичных для клапана согласно изобретению в соответствии с предусмотренным назначением. Однако указанные детали, а также предпочтительные характеристики изобретения могут изменяться в широких пределах при условии сохранения признаков, указанных в независимом пункте формулы изобретения. Клапан изобретения может иметь описанные или показанные на чертежах характеристики в любой функциональной комбинации, при этом такие комбинации являются частью изобретения.