КЛАПАН С ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
VALVE WITH THERMOSENSITIVE CONTROL

Изобретение относится к запорной трубопроводной арматуре и может быть использовано в газо- и нефтепроводах, в частности в тех из них, что расположены внутри скважин.
Известен регулируемый клапан управления гидравлическим или газовым редуктором магистрального запорного клапана. Корпус клапана управления связан своими отводами с трубчатой линией управления редуктора, а затвор соединен с корпусом магистрального клапана посредством двух снабженных на концах электроизоляторами термочувствительных элементов из материала, обладающего эффектом памяти формы. Последние установлены снаружи линии управления и снабжены трубчатыми электроизоляционными кожухами, а их концы соединены соответствующими электрическим проводом с электрическим блоком управления.
Управление регулируемым клапаном управления осуществляется путем поочередного прямого нагрева одного из его термочувствительных элементов в результате пропускания электрического тока. В процессе нагрева данный элемент испытывает аустенитное превращение и совершает работу по повороту затвора и растяжению находящегося в охлажденном мартенситном состоянии другого соединенного с тем же затвором термочувствительного элемента. Обратное переключение регулируемого клапана управления осуществляется путем электрического нагрева растянутого перед этим термочувствительного элемента, в результате чего он совершает работу по реверсному повороту затвора и растяжению находящегося в охлажденном мартенситном состоянии другого соединенного с тем же затвором термочувствительного элемента.
Недостатком описанного регулируемого клапана является ограниченная сфера его применения, что обусловлено расположением соединенных с его затвором термочувствительных элементов снаружи клапана. В ряде случаев например, при установке на периодически погружаемой в скважину трубе, наряду с повышенным риском механического повреждения выступающие за пределы погружаемой трубы термочувствительные элементы препятствуют перетеканию снаружи клапана скважинной жидкости и затрудняют проведение операций по спуску и подъему периодически погружаемой в скважину трубы.
Известен выбранный в качестве прототипа клапан с термочувствительным управлением устройства селективного заканчивания скважины. Клапан выполнен золотниковым и закреплен в скважине снаружи скважинной трубы. Золотник клапана соединен с наружными стенками скважинной трубой посредством двух снабженных на концах электроизоляторами термочувствительных элементов из материала, обладающего эффектом памяти формы, один из которых расположен над, а другой - под золотником. Термочувствительные элементы снабжены трубчатыми электроизоляционными кожухами и их концы соединены соответствующими электрическим проводом с электрическим блоком управления.
Управление клапаном с термочувствительным управлением осуществляется путем поочередного прямого нагрева одного из его термочувствительных элементов в результате пропускания электрического тока. В процессе нагрева данный элемент испытывает аустенитное превращение и совершает работу по линейному перемещению золотника и растяжению находящегося в охлажденном мартенситном состоянии другого термочувствительного элемента. Обратное переключение клапана осуществляется путем электрического нагрева растянутого перед этим термочувствительного элемента, в результате чего он совершает работу по реверсному перемещению золотника и растяжению находящегося в охлажденном мартенситном состоянии другого термочувствительного элемента.
Недостатком описанного клапана с термочувствительным управлением является ограниченная сфера его применения, что обусловлено расположением его корпуса, золотника и термочувствительных элементов снаружи трубы, к которой он подсоединен. В ряде случаев, например при установке на периодически погружаемой в скважину трубе, наряду с повышенным риском механического повреждения выступающие за пределы погружаемой трубы термочувствительные элементы препятствуют току перетекающей снаружи клапан скважинной жидкости и затрудняют проведение операций по спуску и подъему периодически погружаемой в скважину трубы.
Целью изобретения является расширение сферы применения клапана с термочувствительным управлением.
Указанная цель достигается тем, что клапан с термочувствительным управлением содержит соединенный с трубопроводом и снабженный пропускными отверстиями трубчатый цилиндрический корпус с цилиндрическим золотниковым затвором, защитный футляр с двумя расположенными внутри термочувствительными элементами, изготовленными из материала, обладающего эффектом памяти формы, каждый из которых расположен внутри трубки из электроизоляционного материала, связан противоположными концами с соответствующими проводами электрической линией управления и посредством соответствующих электрических изоляторов соединен одним концом с корпусом, а другим - с золотниковым затвором. При этом корпус имеет вид герметично соединенного с трубопроводом патрубка, внутри которого закреплена выступающая за его пределы консольная рама и концентрично закреплен с зазором состоящий по меньшей мере из двух цилиндрических частей корпусной уступчатый цилиндрический стакан, в каждой цилиндрической части последнего имеются участки со сквозными пропускными отверстиями, снаружи стакана по обе стороны от каждого данного участка концентрично закреплены кольцевидные скребки и кольцевые скользящие уплотнения, золотниковый затвор выполнен в виде затворного уступчатого цилиндрического стакана, количество цилиндрических частей которого совпадает с числом цилиндрических частей корпусного уступчатого стакана, в днище затворного стакана имеются сквозные пропускные отверстия, а в каждой из его цилиндрических частей участки со сквозными пропускными отверстиями, внутренние поверхности цилиндрических частей затворного уступчатого стакана выполнены полированными, затворный уступчатый стакан концентрично с зазором установлен на корпусном уступчатом стакане и связан с ним с возможностью перемещения посредством соответствующих скребков и скользящих уплотнений, термочувствительные элементы расположены по одну сторону корпуса и каждый из них шарнирно соединен одним концом с рамой, а другим - с соответствующим концом шарнирно установленного на ней коромысла, одно плечо последнего посредством шатуна шарнирно соединено с внешней частью днища затворного уступчатого стакана, при этом скребки соответствующего диаметра расположены по обе стороны каждого скользящего уплотнения, примыкая к последнему, и в одном из двух крайних положений затворного стакана участки со сквозными пропускными отверстиями в его цилиндрических стенках расположены ответно соответствующим участкам со сквозными пропускными отверстиями в цилиндрических частях корпусного стакана. Футляр имеет обтекаемую по отношению к потоку жидкости или газа в трубопроводе клиновидную форму. Коромысло имеет такую форму и установлено по отношению к термочувствительным элементам таким образом, что плечо направленной вдоль каждого из них силы вначале аустенитного превращения минимально, а в конце - максимально. В отсутствие внешнего силового воздействия наружный диаметр каждого скребка больше внутреннего диаметра контактирующей с ним полированной поверхности золотника и твердость последней выше, чем у материала, из которого изготовлен данный скребок. Скребки изготовлены из сплава, обладающего эффектом сверхупругости, например из нитинола. Между корпусным и затворным уступчатым стаканом на корпусном стакане установлены изготовленные из упругого материала, например из пористой резины, патрубки соответствующих диаметров. Рама снабжена по меньшей мере двумя установочными лыжами, которые закреплены диаметрально трубопроводу на выступающей из корпуса части рамы, при этом одна лыжа расположена от другой на максимальном допустимом расстоянии, при котором скользящие поверхности обеих лыж могут без заклинивания перемещаться внутри соединенной с клапаном соответствующей части трубопровода.
На фиг.1 схематично показан клапан в открытом положении.
На фиг.2 схематично представлен клапан в закрытом положении.
На фиг.3 схематично представлен внешний вид клапана со стороны расположения выходящих из электроизоляционной пробки электропроводных штырей (см. фиг.1, 2).
На фиг.1-3: корпус - 1; трубопровод - 2; соединительный элемент - 3; консольная рама - 4; уступчатый цилиндрический корпусной стакан - 5; сквозное отверстие - 6; кольцевидный скребок - 7; кольцевидный скребок - 8; кольцевое скользящее уплотнение - 9; кольцевое скользящее уплотнение - 10; уступчатый цилиндрический затворный стакан - 11; патрубок из упругого материала - 12, патрубок из упругого материала - 13; лыжа - 14; коромысло - 15; шатун - 16; шток - 17; направляющая втулка - 18; термочувствительный рабочий элемент из сплава, обладающего эффектом памяти формы - 19; термочувствительный рабочий элемент из сплава, обладающего эффектом памяти формы - 20; электрический изолятор - 21; трубка из электроизоляционного материала - 22; защитный футляр - 23; электрический провод - 24; электропроводный штырь - 25; пробка из электроизоляционного материала - 26.
Клапан содержит трубчатый корпус 1, который герметично соединен с трубопроводом 2 посредством соединительных элементов 3, например резьбовых или фланцевых (фиг.1-3). Внутри корпуса 1 закреплена консольная рама 4 и с зазором концентрично установлен уступчатый цилиндрический корпусной стакан 5, в каждой из цилиндрических частей которого имеются участки со сквозными пропускными отверстиями 6. Снаружи стакана 5 по обе стороны от каждого участка с отверстиями 6 концентрично закреплены кольцевидные скребки 7, 8 и кольцевые скользящие уплотнения 9, 10.
На корпусном стакане 5 с упором в соответствующие скребки 7, 8 и уплотнения 9, 10 с возможностью перемещения в осевом направлении концентрично установлен уступчатый цилиндрический затворный стакан 11, количество цилиндрических частей которого совпадает с числом цилиндрических частей стакана 5, а их внутренние поверхности выполнены полированными.
В днище затворного стакана 11 имеются сквозные пропускные отверстия 6, а в каждой из его цилиндрических частей участки со сквозными пропускными отверстиями 6.
По каждую сторону каждого скользящего уплотнения 9, 10, примыкая к нему, расположен по меньшей мере один скребок 7, 8 соответствующего диаметра и в одном из двух крайних положений затворного стакана 11 участки с отверстиями 6 в его цилиндрических стенках расположены ответно соответствующим участкам с отверстиями 6 в цилиндрических частях корпусного стакана 5.
В отсутствие внешнего силового воздействия наружный диаметр каждого скребка 7, 8 больше внутреннего диаметра контактирующей с ним цилиндрической полированной поверхности стакана 11 и твердость последней выше, чем у материала, из которого изготовлен данный скребок 7, 8. Скребки изготовлены из упругого или сверхупругого материала, например из сплава нитинол.
Между стаканами 5, 11 на стакане 5 установлены с натягом два патрубка 12, 13 соответствующих диаметров из упругого материала, например из пористой резины.
Рама 4 выступает за пределы трубчатой части корпуса 1 и снабжена на конце по меньшей мере двумя лыжами 14, одна из которых расположена от другой на максимальном допустимом расстоянии, при котором скользящие поверхности обеих лыж 14 могут без заклинивания перемещаться внутри соединенной с клапаном соответствующей части трубопровода 2.
На раме 4 шарнирно закреплено коромысло 15, одно плечо которого посредством шатуна 16 шарнирно соединено с закрепленным на наружной части днища стакана 11 штоком 17. Последний установлен в закрепленной в корпусе 1 направляющей втулке 18.
Каждое плечо коромысла 15 посредством соответствующего термочувствительного рабочего элемента 19, 20 и закрепленных на его противоположных концах электрических изоляторов 21 соединено с выступающей за корпус 1 частью рамы 4.
Оба элемента 19, 20 изготовлены из сплава с эффектом памяти формы, например из нитинола, имеют прямолинейную форму, расположены внутри соответствующих трубок 22 из электроизоляционного материала, например из силикона, и заполнены густой смазкой, например литолом. Память формы элементов 19, 20 выражается в сокращении длины при нагреве до аустенитного состояния после принудительного растяжения в охлажденном окружающей их средой состоянии мартенсита. Элементы 19, 20 расположены в закрепленном на внутренней стенке корпуса 1 защитном обтекаемом футляре 23. Концы элементов 19, 20 посредством соответствующих электрических проводов 24 соединены с соответствующими концами отводных электропроводных штырей 25, которые герметично закреплены в пробке 26. Последняя изготовлена из электроизоляционного материала, например из керамики, и герметично закреплена в стенке корпуса 1. При этом не связанные с проводами 24 концы штырей 25 расположены снаружи корпуса 1.
Футляр 23 имеет клиновидную форму, обтекаемую по отношению к потоку жидкости или газа в трубопроводе 2 (фиг.3).
Коромысло 15 имеет такую форму и установлено по отношению к термочувствительным элементам 19, 20 таким образом, что плечо направленной вдоль каждого элемента 19, 20 силы вначале аустенитного превращения минимально, а в конце - максимально.
Клапан работает следующим образом. В исходном положении (фиг.1) клапан открыт.
При необходимости запирания клапана посредством соответствующих штырей 25 и проводов 24 через элемент 19 пропускают ток, он нагревается, в процессе реализации аустенитного превращения уменьшается в длине, совершает работу по перемещению затворного стакана 11 и растяжению находящегося в охлажденном мартенситном состоянии элемента 20.
При этом соответствующие скребки 7, 8 обеспечивают очистку внутренних полированных поверхностей затворного стакана 11 от налипшей грязи.
В результате перемещения затворного стакана 11 относительно корпусного стакана 5 не имеющие отверстий 6 цилиндрические части стакана 11 располагаются напротив снабженных отверстиями 6 и ограниченных по бокам соответствующими скребками 7, 8 и уплотнениями 9, 10 цилиндрических частей стакана 5, и ток жидкости через отверстия 6 стакана 5 прекращается. После этого перестают пропускать ток через элемент 19, и клапан остается закрытым до следующего переключения.
При необходимости отпирания клапана посредством соответствующих штырей 25 и проводов 24 через элемент 20 пропускают ток, он нагревается, в процессе реализации аустенитного превращения уменьшается в длине и совершает работу по перемещению затворного стакана 11 и растяжению находящегося в охлажденном мартенситном состоянии элемента 19. При этом соответствующие скребки 7, 8 обеспечивают очистку внутренних полированных поверхностей затворного стакана 11 от налипшей грязи. В результате перемещения затворного стакана 11 относительно корпусного стакана 5 имеющие отверстия 6 цилиндрические части стакана 11 располагаются напротив снабженных отверстиями 6 и ограниченных по бокам соответствующими скребками 7, 8 и уплотнениями 9, 10 цилиндрических частей стакана 5, и жидкость начинает перетекать через ответные отверстия 6 стаканов 5, 11. После этого перестают пропускать ток через элемент 20, и клапан остается открытым до следующего переключения.
Благодаря криволинейной форме коромысла 15 и тому, что оно расположено по отношению к термочувствительным элементам 19, 20 таким образом, что плечо направленной вдоль каждого элемента 19, 20 силы вначале аустенитного превращения минимально, а в конце - максимально, данное превращение протекает в сокращенном температурном интервале. Достигаемый при этом положительный эффект выражается в повышении КПД тепломеханического преобразования, а следовательно, в снижении массы элементов 19, 20 и увеличении их быстродействия.
В результате применения стаканов 5, 11 уступчатой формы появляется возможность дополнительного увеличения пропускной способности клапана за счет перепускания потока, как через кольцевидную полость между корпусом 1 и цилиндрической частью стакана 5 большего диаметра, так и через кольцевидную полость между корпусом 1 и цилиндрической частью стакана 5 меньшего диаметра.
2
2
Например, при внутреннем диаметре корпуса 1 порядка 100 мм и наружном диаметре цилиндрической части стакана 5 меньшего диаметра 60 мм (площадь сечения ≈2800 мм) пропускная способность клапана определяется пропусканием потока без сужений через цилиндрический патрубок внутренним диаметром 85 мм (площадь сечения ≈5670 мм). Очевидно, данному диаметру (85 мм) и должен соответствовать (без учета толщины стенок) внутренний диаметр цилиндрического участка корпусного стакана 5 большего диаметра.
2
Для сравнения, чтобы обеспечить аналогичную пропускную способность золотникового клапана с затвором неизменного диаметра, при равенстве площадей сечения потока непосредственно до и после затвора (≈5670 мм) внутренний диаметр его цилиндрического корпуса (без учета толщины стенок) должен составлять более 120 мм.
В случае если клапан требуется «врезать» в закрепленный по обе стороны от него трубопровод 2 участок «врезки» должен иметь длину, превышающую длину корпуса 1. Это позволяет без труда ввести в трубопровод 2 раму 4 и герметично закрепить на одном его конце сначала корпус 1. После чего на оставшейся свободной части «врезки» герметично устанавливают установочный патрубок (на фиг.1-3 не показан).
В качестве уплотнений 9, 10 в условиях перекачки маслянистой жидкости могут быть использованы рассчитанные на долговременную эксплуатацию и работающие от гидронасосов давлением свыше 20 МПа традиционные уплотнения с фторопластовыми и резиновыми кольцами поршней гидроприводов стоек шасси самолетов типа Ил-76 или Ил-86.
Скребки 7, 8 предназначены для механической очистки полированных поверхностей стакана 11 от налипшей грязи непосредственно перед контактом с соответствующими уплотнениями 9, 10.
Упругие патрубки 12, 13 обеспечивают изоляцию полированных поверхностей затворного стакана 11 от перетекающей по трубопроводу 2 жидкости или газа при открытом положении клапана. Это предотвращает истирание данных поверхностей абразивными частицами и отложение на них грязи.
Клапан может функционировать и при течении жидкости или газа в направлении, обратном тому, что показано на фиг.1, 2.
Источники информации
1. Патент РФ №2378556. F16K 31/64. Приоритет 2008. Опубл. 2010 г.
2. Патент РФ №2396424. Приоритет 2009. Опубл. 2010 г.