КЛАПАН ПЕРЕПУСКНОЙ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ С МАГНИТНОЙ ФИКСАЦЕЙ, РАЗГРУЗКОЙ И КОНТРОЛЕМ ПОЛОЖЕНИЯ
BYPASS VALVE OF DISCRETE ACTION WITH MAGNETIC FIXATION, RELIEF AND POSITION CONTROL

Изобретение относится к запорной арматуре и может быть использовано в устройствах для измерения дебита нефтяных скважин.
Известен клапан магниторегулируемый, содержащий корпус с перегородкой, выполненный из металла, седло, манжету из эластомера, закрепленную на седле, подпружиненный шток с запорным органом, сопрягаемый внутренним конусом с манжетой, шайбу из магнитного материала на штоке, два кольцевых постоянный магнита, два магнитопровода, дроссель в виде дросселирующего диска в проходном канале седла, жестко скрепленный с запорным органом, распорную втулку из немагнитного материала между магнитопроводами, один из которых выполнен в виде втулки, ввернутой на резьбе в корпус, и резьбовой пробки в ней (патент РФ №2307279, F16K 31/08, 27.09.2007).
Известный клапан магниторегулируемый имеет ряд недостатков:
- размагничивание постоянных магнитов и выход из строя эластомерной манжеты вследствие значительной величины скорости перемещения подвижной системы элементов (шток с шайбой и запорным органом дросселем), что приводит к излишней величине ударного воздействия подвижной системы элементов в крайних точках хода штока на постоянные магниты и эластомерную манжету;
- отсутствие информации о том, в каком положении находится клапан: «Открыто» или «Закрыто»;
- затруднения при демонтаже клапана вызванные тем, что запорный орган может быть загружен перепадом давлений остаточной рабочей среды в клапане при перекрытых полостях до и после запорного органа, причем если перепад давления, направленный под запорный орган, легко стравливают ослаблением пружины при вращении втулки, ввернутой на резьбе в корпус, то перепад давлений, направленный в обратном направлении, не позволит, без применения больших усилий, освободить запорный орган.
Известен клапан перепускной с магнитной фиксацией и аварийным сбросом, содержащий корпус с перегородкой и крышкой на резьбе, седло, подпружиненный запорный орган со штоком и пружиной, уплотнительный элемент из эластомера в форме манжеты, герметизирующий сопряжение седла с запорным органом, дополнительную пружину, шайбу из магнитного материала на штоке, два постоянных магнита, два магнитопровода: верхний и нижний по обеим сторонам шайбы: один из них, верхний, выполнен в виде резьбовой пробки, ввернутой в корпус, распорную втулку из немагнитного материала между магнитопроводами, дроссель, в виде дросселирующего диска в проходном канале седла, жестко связанный с запорным органом (патент РФ №2329427, МПК F16K 31/08, 20.07.2008).
Известный клапан имеет ряд недостатков:
- размагничивание постоянных магнитов и разрушение уплотнительного элемента вследствие значительной величины скорости перемещения подвижных элементов, вызывающей большие ударные нагрузки;
- обрастание парафином манжеты, запорного органа и дросселя;
- отсутствие информации о том, в каком положении находится клапан: «Открыто» или «Закрыто»;
- затруднение при демонтаже клапана, вызванное тем, что запорный орган может быть загружен перепадом давлений остаточной рабочей среды в клапане при перекрытых полостях, до и после запорного органа, причем если перепад давлений, направленный под запорный орган, легко стравливают ослаблением пружины при вращении резьбовой пробки, то перепад давлений в обратном направлении не позволит, без применения больших усилий, освободить запорный орган;
- ограниченность возможности настройки клапана на заданный интервал перепадов давлений на нем путем подбора кольцевых постоянных магнитов необходимой величины магнитной силы, поскольку подбор и установка необходимых магнитов взамен прежних влечет за собой, в большинстве случаев, необходимость изменения конфигураций и размеров многих сопутствующих магнитам деталей клапана.
Известен клапан перепускной дискретного действия с магнитной фиксацией, разгрузкой и контролем положения, содержащий корпус, седло, запорный орган, шток, пружину, уплотнительный элемент, дополнительную пружину, шайбу, два постоянных магнита, два магнитопровода, распорную втулку, дроссель. Верхний и нижний магнитопроводы расположены по обеим сторонам шайбы. Верхний выполнен в виде пробки и ввернут в корпус. Дроссель выполнен в виде диска в проходном канале седла и жестко связан с запорным органом. Последний выполнен в виде диска. Диск состоит из двух пластин с кольцевой камерой между ними и сопрягается с радиальным зазором с проходным каналом седла. Уплотнительный элемент выполнен в форме кольца круглого сечения и размещен в камере с зазорами по оси клапана и с возможностью свободного радиального перемещения. Камера сообщена с пространством под запорным органом. Распорная втулка упирается в подвижный верхний магнитопровод посредством полой крышки и пружинного кольца. В крышку ввернута втулка. В последнюю установлена шпилька. Шпилька соединена с концом штока и имеет на конце дисковый постоянный магнит. Последний сопрягается с двумя датчиками положения. Датчики положения включают герконы. Герконы разнесены по высоте в пределах величины хода штока. Дисковый магнит зажат в гильзе между наборами регулировочных шайб и магнитопроводами (патент РФ №2424461, F16K 31/08, 20.07.2011).
Известный клапан имеет ряд недостатков:
- не достаточно эффективная работа клапана из-за отсутствия оптимальной конфигурации уплотнительного элемента запорного органа,
- конструктивная сложность системы датчиков положения клапана.
Известный клапан наиболее близок к изобретению по технической сути и достигаемым техническим результатам.
Технической задачей изобретения является повышение долговечности, надежности, эффективности работы, удобства обслуживания и настройки клапана перепускного дискретного действия с магнитной фиксацией разгрузкой и контролем положения, путем упрощения конструкции датчика положения, уменьшения вероятности разрушения уплотнительного элемента за счет изменения его формы и схемы уплотнения.
Техническая задача по клапану перепускному дискретного действия с магнитной фиксацией разгрузкой и контролем положения, содержащему корпус с перегородкой, седло, подпружиненный запорный орган со штоком и пружиной, уплотнительный элемент из эластомера, герметизирующий сопряжение седла с запорным органом, дополнительную пружину, шайбу из магнитного материала на штоке, постоянные магниты, два магнитопровода: верхний и нижний по обеим сторонам шайбы, распорную втулку из немагнитного материала между магнитопроводами, полую крышку, в полость которой установлены дополнительная пружина и подпираемый ею подвижный верхний магнитопровод, ограниченный в перемещении относительно полой крышки вниз пружинным кольцом, вставку на штоке между запорным органом и дросселирующим диском с отверстиями, установленным в проходном канале седла, датчик, представляющий собой геркон и магнит, решается согласно изобретению тем, что запорный орган снабжен уплотнительным элементом, конфигурация которого представляет собой неразъемную комбинацию эластичных элементов в виде двух колец соединенных круглой эластичной пластиной, причем одно из колец выполнено в виде круглого сечения сопрягаемого с седлом клапана, а другое прямоугольного сечения сопряжено с опорным кольцом установленным в нижнем диске запорного органа и круглая эластичная пластина сопряжена с верхним диском запорного органа, а нижний диск запорного органа совместно с основанием запорного органа образует кольцевой зазор, соединенный отверстиями в нижнем диске с кольцевой камерой уплотнительного элемента и наряду с этими в верхней части клапана на полой крышке установлен датчик, представляющий собой геркон и магнит, а на штоке закреплен разделитель магнитного поля в виде полой втулки с отверстиями, которая установлена с возможностью подвижного соединения относительно корпуса геркона и полой крышки клапана, которые закрыты полым колпаком.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
Фиг.1 - общий вид клапана в разрезе;
Фиг.2 - фрагмент А с фиг.1 (запорный орган клапана закрыт);
Фиг.3 - фрагмент Б с фиг.1 (запорный орган клапана открыт);
Клапан перепускной дискретного действия с магнитной фиксацией, разгрузкой контролем положения (в дальнейшем тексте - «клапан») содержит (фиг.1, 2, 3) корпус 1, опорный диск 2 из полимерного материала, установленный в качестве перегородки, седло 3, подпружиненный запорный орган 4 со штоком 5 и пружиной 6. Запорный орган 4 выполнен в виде верхнего 7 и нижнего 8 дисков с кольцевой камерой 9 между ними. Запорный орган 4 герметизирует уплотнительный элемент 10. Кольцевая камера 9 отверстием 11 (фиг.3) сообщена с пространством под запорным органом 4. На штоке 5 закреплена шайба 12 из магнитного материала, с установленными на клею в кольцевых проточках постоянными магнитами 13 из редкоземельных элементов, направленных одноименными полюсами навстречу друг другу и подобранных в количестве, обеспечивающем заданную величину суммарной магнитной силы. Малые габариты и большая магнитная сила отдельно взятого магнита 13 позволяет подобрать заданную величину суммарной магнитной силы изменением характеристики и количества сменных магнитов 13, устанавливаемых на шайбе 12 из магнитного материала без изменения ее габаритов и формы, что в противном случае могло бы повлечь значительное изменение конфигурации и размеров многих деталей клапана, сопутствующих шайбе 12 из магнитного материала. Сменяемость магнитов 13 обеспечивается тем, что в силу их малогабаритности и большой магнитной силы единичных магнитов 13 на месте их установки на шайбе 12 из магнитного материала всегда есть свободное место для установки дополнительных магнитов 13. Крепление на клею позволяет при необходимости удалить излишние магниты 13 или заменять имеющиеся на необходимые. Сменяемость магнитов 13 позволяет значительно расширить диапазон регулирования клапана по перепаду давления на нем. Запорный орган 4 подперт пружиной 6, опирающейся с одной стороны на опору 14 на штоке 5, с возможностью регулировки величины ее предварительной силы сжатия путем перестановки опоры 14 с фиксатором 15 вдоль по штоку 5, с другой стороны - в нижний магнитопровод 16. На штоке 5 установлена опорная шайба 17, сопрягаемая с опорным диском 2. Между нижним магнитопроводом 16 и полой крышкой 18, ввернутой на резьбе в корпус 1, вставлена с возможностью перемещения распорная втулка 19 из немагнитного материала. В полой крышке 18 установлен подвижный верхний магнитопровод 20, подпертый дополнительной пружиной 21 и ограниченный в перемещении вниз относительно крышки 18 пружинным кольцом 22. В подвижном сопряжении штока 5 и опорного диска 2 в качестве опоры скольжения установлена втулка 23 из бронзы. Запорный орган 4 снабжен уплотнительным элементом 10, конфигурация которого представляет собой неразъемную комбинацию эластичных элементов в виде двух колец 24 и 25 соединенных круглой эластичной пластиной 26, причем одно из колец 24 выполнено в виде круглого сечения сопрягаемого с седлом 3 клапана, а другое 25 - прямоугольного сечения, сопряжено с опорным кольцом 27, установленным в нижнем диске 8 запорного органа 4, и круглая эластичная пластина 26 сопряжена с верхним диском 7 запорного органа 4, а нижний диск 8 запорного органа 4 совместно с основанием 28 запорного органа 4 образует кольцевой зазор 29, соединенный отверстиями 11 в нижнем диске 8 с кольцевой камерой 9 уплотнительного элемента 10 и наряду с этим в верхней части клапана на полой крышке 18 установлен датчик 30, представляющий собой геркон 31 и магнит 32, а на штоке 5 закреплен разделитель магнитного поля в виде полой втулки 33 с отверстиями 34, которая установлена с возможностью подвижного соединения относительно корпуса 35 геркона 31 и полой крышки 18 клапана, которые закрыты полым колпаком 36. В седле 3 выполнен проходной канал 37, а на штоке 5 установлен дросселирующий диск 38, втулка 39 выполнена из полимерного материала также как и опорный диск 2 и выполняет функцию электроизолятора. Дросселирующий диск 38 жестко скреплен на штоке 5 запорным органом 4 через вставку 40. В дросселирующем диске 38 выполнены по кругу отверстия 41.
Клапан работает следующим образом: устройство находится в крайнем зафиксированном положении «Закрыто» под действием дисбаланса сил (фиг.1), действующих на запорный орган 4 со штоком 5. Запорный орган 4 закрыт (фиг.2), опорная шайба 17 сомкнута с опорным диском 2, шайба 12 из магнитного материала примыкает к нижнему магнитопроводу 16. Дисбаланс сил замкнут на опорный диск 2. На запорный орган 4 действует усилие, создаваемое перепадом давления на клапане. Ему противостоят: сила упругости пружины 6 и магнитная удерживающая сила нижней магнитной цепи: шайба 12 из магнитного материала, ряд сменных дисковых постоянных магнитов 13, снизу шайбы 12 из магнитного материала, нижний магнитопровод 16; в сумме превышающие усилие от перепада давлений. При достижении перепадом давлений заданной величины - ΔPмакс - дисбаланс нарушается, шток 5 сдвигается вверх, опорная шайба 17 открывается от опорного диска 2. Шайба 12 из магнитного материала сдвигается вверх, зазор в нижней магнитной цепи возрастает, а магнитная удерживающая сила цепи стремительно падает по величине до нуля. Под действием дисбаланса сил: усилие от перепада давлений на запорный орган 4, а, по выходе запорного органа 4 из сопряжения с проходным каналом 37, гидродинамическое усиление от потока рабочей среды из проходного канала 37 седла 3 клапана на запорный орган 4 и на дросселирующий диск 38; значительно превышающее по величине силу упругости пружины 6, происходит расфиксация клапана из крайнего положения «Закрыто» и запорный орган 4 со штоком 5 стремительно поднимается вверх до смыкания магнитной шайбы 12 с подвижным магнитопроводом 20. Тем самым замыкается верхняя магнитная цепь: шайба 12 из магнитного материала, ряд сменных дисковых постоянных магнитов 13 вверху шайбы 12 из магнитного материала, подвижный верхний магнитопровод 20. Магнитная удерживающая сила верхней магнитной цепи в сумме с гидродинамическим усилием потока рабочей среды на запорный орган 4 и дросселирующий диск 38 значительно превышают по величине силу упругости пружины 6. Этим дисбалансом сил клапан фиксируется в крайнем положении - «Открыто». При снижении перепада давлений на клапане до заданной величины - ΔPмин - дисбаланс нарушается. Шток 5 сдвигается вниз, вместе с ним сдвигается вниз шайба 12 из магнитного материала, зазор в верхней магнитной цепи возрастает, ее магнитная удерживающая сила стремительно падает по величине до нуля. Сила упругости пружины 6 превышает по величине гидродинамическую силу потока, воздействующую на запорный орган 4 и дросселирующий диск 38. Дисбаланс сил расфиксирует клапан из крайнего положения - «Открыто». Шток 5 стремительно опускается вниз до упора опорной шайбы 17 в опорный диск 2. Запорный орган 4 входит в проходной канал 37 седла 3 и запирает его. Шайба 12 из магнитного материала замыкает нижнюю магнитную цепь, и тем самым фиксирует клапан в крайнем положении - «Закрыто» аналогично фиксации клапана в крайнем положении - «Открыто». Перемещение штока 5 под действием дисбаланса сил из одного крайнего положения с магнитной фиксацией его в другое и обратно проходит без промежуточных положений, без остановок, что и определяет дискретность действия клапана. Перемещение штока 5 вниз происходит с заметной величиной скорости. В движении вниз запорный орган 4 не подвергается прямому удару при сопряжении с седлом 3, имеет только место воздействие силы трения уплотнительного элемента 10 о заходную фаску седла 3. Еще имеет место воздействие заходной фаски седла 3, направленное на деформацию уплотнительного элемента 10. Шток 5 останавливается упором опорной шайбы 17 об опорный диск 2 из полимерного материала, при этом за счет упругости и вязкости полимерного материала опорного диска 2 демпфируется удар. При движении штока 5 вверх удар при соприкосновении шайбы 12 из магнитного материала с подвижным магнитопроводом 20 демпфируется за счет упругости дополнительной пружины 21.
Таким образом, ударные нагрузки на магниты 13 демпфируются и не превышают той недопустимой величины, когда возможно размагничивание магнитов 13 от сотрясения. При перемещении штока 5 магнит 32 вступает во взаимодействие с герконами 31 датчиков положения 30, который сигнализирует по импульсивным линиям на пульт контроля о фактическом нахождении штока 5 в одном из крайних фиксированных положений, то есть о положении клапана в положении: «Открыто» или «Закрыто».
Величина удерживающей магнитной силы нижней магнитной цепи достигается путем установки на шайбу 12 из магнитного материала сменных магнитов 13 дополнительных или замены уже имеющихся магнитов другими с заданными характеристиками, или снятия излишних, то - есть дискретным методом регулирования. Регулирование величины магнитной удерживающей силы верхней магнитной цепи осуществляется дискретным способом, аналогично регулированию нижней магнитной цепи, путем подбора сменных магнитов 13 с соответствующей характеристикой или же путем изменения количества сменных магнитов 13, уже установленных на место. Бронзовые втулки 23, установленные на шток 5 в качестве опор скольжения, препятствуют заклиниванию штока 5. Опорный диск 2 и втулки 39 служат электроизоляторами, препятствующими протеканию блуждающих токов, в противном случае это чревато электрохимической коррозией в сопряжениях металлических деталей с зазором. Опорный диск 2 за счет упругости и вязкости полимерного материала демпфирует колебания штока 5 с консольно относительно опоры расположенным на нем запорным органом 4, вставкой 40, дросселирующим диском 38, вызываемые гидродинамическим воздействием потока рабочей среды из канала 9 на запорный орган 4. Предотвращение отложений парафина на запорный орган 4, дросселирующий диск 38 обеспечивается самоочищением поверхностей этих элементов от начинающихся отложений при каждом ходе штока 5. При ходе запорного органа 4 парафин со стенок седла 3 срезается кромками верхнего 7, и нижнего 8 дисков, и выносится в момент начала хода вверх скоростной струей потока рабочей среды в зазор между заходной фаской седла 3 и цилиндрической поверхностью запорного органа 4. При дальнейшем ходе штока 5 скоростная струя из зазора между стенкой седла 3 и дросселирующим диском 38 смывает со стенок начинающий оседать парафин и уносит его потоком. При полном открытии скоростные струи из отверстий 41 смывают начинающий оседать парафин на вставке 40, разбиваются о нижнюю поверхность запорного органа 4, веером омывают ее, попутно смывая с нее парафин, и уносят его с потоком рабочей среды. При посадке запорного органа 4 в проходной канал седла 3 (см. фиг.2, 3) уплотнительный элемент 10 за счет диаметрального натяга деформируется по радиусу, создавая контактное давление на стенки седла 3 обеспечивающее герметизацию сопряжения запорного органа 4. При прохождении заходной фаски седла 3 уплотнительный элемент 10 по радиусу сдвигается в кольцевую камеру 9 и вытесняет через отверстия 11 находящуюся там рабочую среду с начинающим оседать парафином в пространство под запорным органом 4, поскольку давление рабочей среды в пространстве не успело вырасти до необходимой величины. После окончания посадки запорного органа 4 давление рабочей среды под запорным органом 4 возрастает, распространяется через отверстия 11 в кольцевую камеру 9 и поджимает запорный орган 4 к стенкам седла 3 и кольцевой камеры 9, создавая на них дополнительное контактное давление, создающее в сумме с предварительным рабочее контактное давление. герметизирующее сопряжение. По выходе запорного органа 4 из седла 3 уплотнительный элемент 10 освобождается от деформирующих его нагрузок и принимает свободные первоначальные размеры и форму. При демонтаже с места установки клапан будет находиться в положении «Закрыто», поскольку предклапанное пространство будет отключено от источника рабочей среды, разгружено от ее давления и самой среды. Заклапанное пространство достаточно отключить от объекта нагнетания среды, но при этом давление среды в этом случае будет сохранено. Перепад давлений, направленный обратно рабочему в этом случае, также как и в других экстремальных аналогичных случаях, будет достаточно значителен. Сила воздействия перепада давлений на запорный орган 4, т.е. загрузка будет велика, что с учетом большой магнитной удерживающей силы нижней магнитной цепи, включающей: ряд магнитов 13, шайба 12 и нижний магнитопровод 16; будет представлять серьезную проблему при удалении запорного органа 4 из седла 3. Магнитную удерживающую силу можно устранить, разомкнув шайбу 12 из магнитного материала и нижний магнитопровод 16 ввертыванием в корпус 1 крышки 18, а силу от перепада давлений можно уменьшить, только стравив большую часть перепада давлений, то есть, разгрузив клапан. Разгрузка клапана осуществляется уплотнительным элементом 10 совместно с кольцевой камерой 9, выполняющими в этом случае функцию обратного клапана. Давление рабочей среды в заклапанном пространстве отожмет через кольцевые отверстия 29 между седлом 3 и запорным органом 4 уплотнительный элемент 10 от верхней стенки кольцевой камеры 9 и через отверстия 11 рабочая среда отравится в предклапанное пространство. Конструкция установки постоянного магнита 32 на датчике 30 позволяет регулировать величину силы магнитного поля магнита 32, воздействующей на геркон 31, адаптировать конфигурацию магнитного поля к размерам геркона 31, что расширяет выбор магнитов 32 и герконов 31 из имеющегося в наличии ассортимента их характеристик и размеров, а также, что наиболее важно, способствует более точной координации крайних фиксированных положений штока 5.
Использование изобретения позволит за счет упрощения конструкции датчика положения, уменьшения вероятности разрушения уплотнительного элемента за счет изменения его формы и схемы уплотнения создать надежный, долговечный эффективный в работе, удобный в обслуживании и настройке перепускной клапан дискретного действия с магнитной фиксацией, разгрузкой и контролем положения.