ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН
SAFETY VALVE

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, а именно к клапанам гидравлических систем, нагруженных пружиной и снабженных разрушаемым элементом, предназначенным для защиты гидропневмосистем от повышения давлений рабочий среды сверх допустимого уровня. Техническое решение может использоваться в нефтегазовой, оборонной, сельскохозяйственной промышленности, строительстве, а также в коммунальном хозяйстве.
Из уровня техники известен предохранительный клапан (RU 2084736 С1, МПК F16K 17/14, опубл. 20.07.1997), содержащий корпус с входным и выходным патрубками, в полости которого размещены седло, запорный орган с эластичным уплотнителем и штоком, состоящим из двух телескопически связанных частей, между которыми установлена пружина, и по крайней мере один разрушаемый элемент, выполненный в виде тарированного стержня, размещенного в корпусе с возможностью взаимодействия с одной телескопической частью штока.
Недостатком известного технического решения является низкая технологичность клапана, вследствие того, что разрушаемые элементы, являются одноразовыми, что приводит к необходимости ремонта клапана после его срабатывания.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является предохранительный клапан (RU 2511797 C1, МПК F16K 17/14, опубл. 10.04.2014), содержащий корпус с входным и выходным патрубками, в полости которого размещены седло, перекрываемое запорным органом, нагруженным пружиной возврата, тарированный подпружиненный стержень, установленный перпендикулярно перемещению запорного органа, срезающий элемент, контактирующий с тарированным стержнем. Запорный орган выполнен со сквозным изогнутым каналом, вход канала совмещен с входным патрубком, выход канала совмещен с торцом тарированного стержня, а срезающий элемент установлен на запорном органе.
Недостатками известного технического решения являются сложность изготовления рабочего органа, выполненного в виде полого поршня с изогнутым внутренним отверстием, а также низкая надежность клапана, вследствие отсутствия возможности компенсации им гидродинамических ударных колебаний малой и средней мощности, возникающих в гидропневмосистемах и создающих в них гидравлические удары. Указанные недостатки уменьшают срок службы клапана и могут привести к аварийному отказу, как самого предохранительного клапана, так и всего защищаемого клапаном оборудования.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является расширение функциональных возможностей предохранительного клапана и повышение его технологичности, путем упрощения конструкции, с возможностью унификации отдельных узлов устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что предохранительный клапан содержит корпус с входным и выходным патрубками, в полости которого размещено седло, перекрываемое запорным органом с направляющим штоком, нагруженным пружиной возврата, тарированный подпружиненный стержень, установленный перпендикулярно перемещению запорного органа и срезающий элемент, контактирующий с тарированным стержнем.
Запорный орган выполнен в виде плунжера, обеспечивающего по всей своей длине герметичное перекрытие выходного отверстия, соединенного с патрубком аварийного сброса, с помощью торцевых уплотнителей, установленных на внешней поверхности плунжера.
Направляющий шток выполнен полым и двухступенчатым, при этом его первая ступень, механически закрепленная на верхнем торце плунжера, например сваркой, выполнена в своем наружном поперечном сечении в виде многогранника и подвижно в осевом направлении сопряжена с внутренней поверхностью направляющей втулки, причем форма упомянутой поверхности повторяет форму первой ступени штока. Такое соединение первой ступени штока и направляющей втулки обеспечивает компенсацию поперечных и круговых смещений всех подвижных узлов клапана.
Вторая ступень направляющего штока выполнена цилиндрической, герметично и подвижно в осевом направлении сопряженной с герметизирующим устройством, выполненным, например, в виде сальника, при этом герметизирующее устройство разделяет клапан на пружинно-механический и рабочий-гидродинамический отсеки. В верхней части второй ступени выполнены сквозные отверстия, связывающие внутреннюю полость плунжера через направляющий шток с рабочим-гидродинамическим отсеком, а на ее торце установлен твердосплавной наконечник.
Направляющая втулка механически соединена с герметизирующим устройством, например, посредством резьбового соединения, а герметизирующее устройство, аналогичным способом, - с запорной гайкой, на торце которой выполнено сквозное отверстие, с установленным в нем упором с внутренним коническим седлом, выполненным с возможностью плотного прилегания к нему твердосплавного наконечника второй ступени направляющего штока. Запорная гайка закреплена на корпусе клапана и выполнена с возможностью установки на нее гидропневмокомпенсатора или с возможностью закрепления в ее сквозном отверстии гибкого шланга, подключенного к автономному гидропневмокомпенсатору.
Положительный технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью конструктивных признаков клапана, состоит в расширении его функциональных возможностей по компенсации гидродинамических ударных нагрузок. При этом компенсация малых и средних нагрузок происходит без смещения запорного органа, за счет выполнения запорной гайки с возможностью установки на нее гидропневмокомпенсатора, а при гидродинамическом ударе, когда запорный орган выполняет сброс давления через выходной патрубок, направляющая втулка блокирует вращение плунжера вокруг оси и под действием пружины возврата обеспечивает его автоматическое возвращение в исходное положение после сброса давления.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен предохранительный клапан; на фиг. 2 - узел контакта первой ступени направляющего штока с направляющей втулкой (разрез А-А на фиг. 1); на фиг. 3 - герметизирующее устройство (вид Б на фиг. 1); на фиг. 4 - узел контакта тарированного стержня с запорным органом (вид В на фиг. 1); на фиг. 5 - патрубок с магнитной заглушкой; на фиг. 6 - седло упора, установленного в отверстие запорной гайки (вид Г на фиг. 1).
Предохранительный клапан состоит из корпуса 1 с входным патрубком 2, выходным патрубком 3 и седлом 4, фиксируемым в корпусе прижимной втулкой 5. Седло 4 перекрывается запорным органом 6, нагруженным пружиной возврата 7, расположенной в пружинно-механическом отсеке, которая установлена на первой ступени направляющего штока 8, между запорным органом и нижним торцом направляющей втулки 9.
Запорный орган 6 выполнен в виде плунжера, обеспечивающего по всей своей длине герметичное перекрытие отверстия выходного патрубка 3, путем установки на внешней поверхности плунжера торцевых уплотнений 10, изолирующих пружинно-механический отсек от внутренней полости плунжера.
Направляющий шток 8 выполнен в виде двухступенчатого полого патрубка, сообщающегося с внутренней полостью плунжера через отверстие 11. Первая ступень 12 направляющего штока механически соединена с запорным органом 6, например, при помощи сварки и выполнена в своем наружном поперечном сечении в виде многогранника или другой формы, обеспечивающей продольное движение по направляющей втулке 9 и компенсацию поперечных и круговых смещений всех подвижных узлов клапана.
Вторая ступень направляющего штока 8 выполнена цилиндрической, что позволяет ей осуществлять продольное поступательное передвижение через герметизирующее устройство 13, разделяя компоновку клапана на пружинно-механический и рабочий-гидродинамический отсеки, обеспечивая надежную работу клапана и всех гидросистем, как при малых и средних гидродинамических нагрузках, так и при аномально высоких нагрузках гидроудара. В верхней части второй ступени направляющего штока выполнены боковые отверстия 14, а на его торце, например, с помощью резьбового соединения, устанавливается твердосплавный наконечник 15.
Запорная гайка 16 закреплена на корпусе 1 клапана и выполнена с возможностью установки на нее гидропневмокомпенсатора 17 или с возможностью закрепления в ее сквозном отверстии гибкого шланга, подключенного к автономному гидропневмокомпенсатору.
Внутренняя полость запорного органа совмещена с выходным патрубком 3 и направляющим штоком 8, причем выходное отверстие в нейтральном состоянии совмещено с торцом подпружиненного тарированного стержня 18, расположенного между входным и выходным патрубками 2 и 3.
Выходное отверстие 19 запорного органа 6 совмещено с выходным патрубком 3 и выполнено с опорным буртиком, в нижней части которого до буртика установлен срезающий элемент 20 в виде запрессованого в отверстие кольца из высокопрочного материала (фиг. 3). Таким образом, снижен износ запорного органа, и при проведении ремонтных работ достаточно заменить срезающий элемент, а не весь запорный орган.
Срезающий элемент 20 контактирует с боковой поверхностью подпружиненного тарированного стержня 18, который выполнен, преимущественно, с кольцевыми проточками, одинаковой глубины, размещенными через равные промежутки по длине стержня. Причем глубина проточек соразмерна с установленным давлением для их среза, что при превышении давления жидкости сверх установленного или его снижении, обеспечивает автоматизацию процесса.
Предохранительный клапан работает следующим образом.
При повышении давления в гидросистеме сверх допустимого (гидроудар), запорный орган 6 отходит от седла 4, срезая часть тарированного стержня 18, и перемещается в крайнее положение до совмещения выходного отверстия 19 запорного органа 6 с отверстием выходного патрубка 3, в результате чего осуществляется аварийный сброс избытка жидкости в патрубок 21 с магнитной заглушкой 22.
Под давлением перекачиваемой жидкости срезанная часть тарированного стержня 12 вместе с избытком жидкости перемещается через выходной патрубок 3 и попадает в патрубок 21 с магнитной заглушкой 22, который служит контейнером для сбора срезанных частей тарированного стержня. Одновременно с этим твердосплавный наконечник 15 попадает в седло упора 23, установленного в отверстии запорной гайки 16 и полностью блокирует доступ рабочей жидкости в гидропневмокомпенсатор, предотвращая его поломку. При снижении давления в гидросистеме до условно низкого или среднего, запорный орган 6 приходит в первоначальное положение под воздействием на него пружины возврата 7. После чего подпружиненный тарированный стержень 18 выдвигается до опорного буртика выходного отверстия 19 запорного органа 6.
В случае компенсации малых и средних колебаний давления предохранительный клапан работает в режиме компенсатора избыточного давления. При этом запорный орган 6 остается неподвижным. Вместо этого жидкость под избыточным, но не критичным давлением, через патрубок 3 поступает во внутреннюю полость запорного органа 6, а затем через направляющий шток 8, боковые отверстия 10 и отверстие запорной гайки 16 в гидрокомпенсатор 17 или в гибкий шланг, соединенный с автономным гидрокомпенсатором. В результате гидропневмокомпенсатор обеспечивает компенсацию избыточного давления.
Предохранительный клапан, согласно предполагаемому изобретению, отличается простой конструкцией, обеспечивающей его автоматическую работу, обладает высокой долговечностью и хорошей ремонтопригодностью. Это позволяет применять его для защиты от аномально высоких давлений в гидросистемах с повышенными требованиями к надежности, например, в нефтяной и газовой добыче, при бурении нефтяных и газовых скважин, для предохранения насосов и нагнетательных систем, в системах запорных элементов трубопроводов и манифольдов, работающих под давлением, а также в системах противовыбросового оборудования и гидросистемах, применяемых в оборонной промышленности.