КЛАПАН ОБРАТНЫЙ ШАРИКОВЫЙ
BALL CHECK VALVE

Изобретение относится к запорной арматуре, в частности к обратным шариковым клапанам, применяемым, например, со штанговыми глубинными или электроцентробежными насосами, предназначенными преимущественно для перекачивания жидкостей с высоким содержанием механических примесей.
Известны клапаны обратные по патентам RU2296885 F04B 53/10, F16K 5/02; RU2247865 F04B 53/10, F16K 5/02; RU75227 F04B 53/10, F16K 5/02. Данные клапаны имеют схожую конструкцию, состоящую из корпуса, внутри которого размещен запорный орган со штоком и выполнено седло. Последнее выполнено из набора подвижных в радиальном направлении и уплотненных эластичными элементами колец. Посадочные поверхности колец смещены эксцентрично относительно друг друга и подпружинены в осевом направлении.
Недостатком этих устройств является недостаточная надежность работы. Для обеспечения герметичности необходим полный контакт всей цилиндрической поверхности запорного органа с седлом. Из-за смещения относительно друг друга колец седла между ним образуются канавки, в которых скапливаются механические примеси, препятствующие прохождению запорного органа. В результате не обеспечивается полное закрытие клапана, что приводит к его негерметичности. Также, следует отметить, сложную нетехнологичная конструкция запорного узла, требующую высокой точности изготовления и точного позиционирования колец седла при сборке.
Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является клапан обратный, который содержит полый цилиндрический корпус с внутренним кольцевым выступом, установленную в корпусе клапанную пару в виде кольцевого седла и шарикового запорного элемента, ограничитель хода запорного элемента в виде клетки со сквозными отверстиями для протока жидкости. Между седлом и клеткой установлен кольцевой упругий элемент, внутренний диаметр которого не превышает диаметр шарикового запорного элемента. По варианту исполнения кольцевой упругий элемент в продольном сечении может иметь полукруглую или коническую форму (по патенту RU2653142 E21B34/06, F16K15/04 опубл. 07.05.18).
Описанная геометрия кольцевого упругого элемента позволяет выполнять только одну функцию, направленную на прижатие шарика к седлу. Также при такой форме кольцо недостаточно прочно закреплено в корпусе клапана, что может привести к выдавливанию кольца. Все это снижает надежность работы клапана.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение заключается в повышении надежности работы и величины рабочего давления клапана обратного шарикового за счет применения динамической системы уплотнения, реализованной с помощью манжеты.
Указанный технический результат достигается тем, что клапан обратный шариковый состоит из корпуса, внутри которого установлены клапанная пара, состоящая из седла и шарика, и ограничитель хода шарика, выполненный в виде клетки со сквозными отверстиями, и отличается тем, что содержит динамическую систему уплотнения, реализованную при помощи манжеты, расположенной между клеткой и седлом и представляющей собой кольцо, отверстие которого образовано двумя коническими поверхностями, со стороны клетки на манжете между ее торцом и коническими поверхностями выполнена внутренняя канавка, при этом минимальный внутренний диаметр манжеты меньше диаметра шарика, при посадке шарика в седло центр шарика располагается между седлом и местом контакта манжеты с шариком.
Кроме того, на клетке может быть выполнен выступ, а на манжете ответный уступ, на котором выполнена внутренняя канавка.
Кроме того, на корпусе может быть выполнен выступ, а на торце манжеты ответный уступ, выполненный с противоположенной стороны от внутренней канавки.
Кроме того, конические поверхности манжеты могут образовывать острую кромку.
Кроме того, конические поверхности манжеты могут образовывать полукруглую кромку.
Кроме того, предпочтительно угол конических поверхностей манжеты может быть выполнен в диапазоне от 30° до 60°.
Кроме того, манжета может быть выполнена из бутадиен-нитрильного каучука, в том числи гидрированного с антифрикционными добавками.
Изобретение поясняется фигурами, на которых изображено:
фиг. 1 – клапан обратный шариковый с манжетой динамической системы уплотнения, продольный разрез;
фиг. 2 – манжета динамической системы уплотнения клапана обратного шарикового, продольный разрез;
фиг. 3 – манжета динамической системы уплотнения клапана обратного шарикового, вариант исполнения с уступами, продольный разрез;
фиг. 4 – клапан обратный шариковый в открытом положении;
фиг. 5 – реализация функции гидроцилиндр динамической системы уплотнения;
фиг. 6 – реализация функции грязесъемник динамической системы уплотнения;
фиг. 7 – реализация функции успокоитель динамической системы уплотнения;
фиг. 8 – реализация функции герметик динамической системы уплотнения.
Клапан обратный шариковый (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором установлена клапанная пара, состоящая из седла 2 и шарика 3. Ограничитель хода шарика 3 выполнен в виде закрепленной в корпусе 1 клетки 4 со сквозными отверстиями 5 для протока жидкости. Между клеткой 4 и седлом 2 установлена манжета 6. На клетке 4 выполнен выступ 7, а на корпусе 1 –  выступ 8. Минимальный диаметр отверстия манжеты 6 подбирается так, чтобы он был меньше диаметра шарика 3 для обеспечения гарантированного контакта манжеты 6 с поверхностью шарика 3. При этом манжета 6 устанавливается таким образом, что при посадке шарика 3 в седло 2 центр шарика 3 располагался между седлом 2 и местом контакта манжеты 6 с шариком 3.
Манжета 6 динамической системы уплотнения клапана обратного шарикового (фиг. 2) представляет собой кольцо, отверстие которого образовано двумя коническими поверхностями 9 и 10 с образованием кромки 11. На чертеже показан вариант с острой кромкой 11. С одной стороны манжеты 6 выполнена внутренняя канавка 12. Угол конических поверхностей α выполнен в диапазоне от 30° до 60°.
По варианту исполнения манжета 6 (фиг. 3) может иметь уступ 13, на котором будет выполнена канавка 12, и уступ 14 с противоположенной от канавки 12 стороны. На чертеже показан вариант исполнения с полукруглой кромкой 11.
Применение.
Использование в шариковом обратном клапане описанной манжеты позволяет реализовать динамическую систему уплотнения и, тем самым, повысить надежность его работы и рабочее давление.
Принцип работы манжеты в составе шарикового обратного клапана применяемого в составе установки погружного насоса для добычи нефти из скважины показан на фиг. 4-8. Клапан 15 устанавливается на выходе насоса (на фиг. не показан). После включения насоса под шариком 3 создается давление, он поднимается из седла 2, преодолевая упругие силы от манжеты 6, и перемещается вверх по клетке 4, открывая клапан для прохода перекачиваемой жидкости (фиг. 4).
После выключения насоса, подача жидкости через клапан 15 прекращается. Шарик 3 начинает опускаться в седло 2. В этот момент начинает работать динамическая система уплотнения, реализованная с помощью манжеты 6. Работа системы можно разделить на этапы, в ходе которых манжета выполняет следующие функции:
1) Гидроцилиндр – манжета 6 составляет этот элемент вместе с шариком 3 в момент соприкосновения с ним. Благодаря манжете 6 шарик 3 при посадке в седло 2 работает как поршень (фиг. 5). На шарик 3 (поршень) в момент прохождения через манжету 6 ещё до его посадки в седло 2 давит столб жидкости с усилием P равным давлению столба жидкости над клапаном, умноженным на диаметр шарика D и превышающим усилие посадки шарика 3 в седло 2. Это обеспечивает точную посадку шарика 3 в седло 2 и вытеснению мехпримесей, откладывающихся на седле 2. В обычных клапанах столб жидкости начинает действовать на шарик только после его посадки в седло.
2) Грязесъемник – при прохождении шариком 3 манжеты 6 происходит его очищение от мехпримесей (фиг. 6), которые могут налипать на шарик 3. Особенно это актуально при периодической работе скважины в режиме автоматического повторного включения (АПВ) и им подобным.
3) Успокоитель – при посадке шарика 3 в седло 2 на него продолжают действовать силы инерции, например сила Кориолиса, которая придаёт шарику 3 горизонтальное отклонение. Постоянный контакт шарика 3 с манжетой 6 в момент его посадки в седло 2 нейтрализует действие сил инерции и обеспечивает системе статическую стабильность и устойчивость (фиг. 7).
4) Герметик – при усиленной посадке шарика 3 в седло 2 происходит его герметизация манжетой 6 сверху (фиг. 8).
Все эти функции, реализация которых стала возможна благодаря применению в конструкции клапана описанной  манжеты, позволили повысить его надежность и рабочее давление.
Выполнение выступа 7 на клетке 4 и выступа 8 на корпусе 1 и ответных уступов 13 и 14 на манжете 6 способствует удержанию и фиксации манжеты 6.
Выполнение кромки 11 манжеты 6 острой повышают эффективность функции грязесъемник, что актуально для эксплуатации в среде с большим количеством мехпримесей.
Выполнение кромки 11 манжеты 6 полукруглой повышают эффективность функции герметик, что актуально при высоком рабочем давлении.
Выполнение конических поверхностей 9 и 10 с углом в диапазоне от 30° до 60° позволяют облегчить прохождение шарика 3 через манжету 6 и позволяют максимально эффективно обеспечивать все свои функции.
Выполнение манжеты 6 из бутадиен-нитрильного каучука обеспечивает надежную работу манжеты в жидких средах.
Выполнение манжеты 6 из гидрированного бутадиен-нитрильного каучука дополнительно обеспечивает атмосферостойкость манжеты.
Антифрикционные добавки в материал манжеты способствуют более легкому прохождению шарика 3 через манжету 6, что уменьшает износ манжеты.
Проведенные испытания клапанов обратных шариковых с динамической системой уплотнения в скважинах Южно-Приобского месторождения показали высокую эффективность данного решения по сравнению с обычными шариковыми обратными клапанами, которые применялись до этого. Глубина спуска клапанов превышала 3200 м. Причем до применения описанных клапанов с динамической системой уплотнения использовали компоновку с двумя последовательно установленными обычными клапанами. Но и это не обеспечивало их надежную работу и через месяц клапаны переставали держать столб жидкости, и после остановки насоса начинался ее слив. Клапаны с динамической системой уплотнения показали значительно большую наработку. Один клапан проработал 199 суток. После чего был поднят вместе с остальным оборудованием по причине перевода скважины в пьезометр. Клапан сохранял герметичность на протяжении всего срока эксплуатации за исключением небольшого периода (7 суток), когда по причине загрязнения была выявлена его негерметичность. Но в течение этого периода клапан самопромылся и опять стал выполнять свои функции. Способность к самопромывке, также является важным преимуществом клапана с динамической системой уплотнения по сравнению с обычными клапанами. Другой клапан на момент подачи заявки находится в работе и сохраняет свою герметичность на протяжении всего срока эксплуатации. Наработка этого клапана приближается к полутора годам.
Надежная работа клапанов с динамической системой уплотнения позволила эффективно эксплуатировать скважины в режиме АПВ. Удельный расход электроэнергии в результате внедрения таких клапанов снизился более чем на 80%.
Таким образом, использование в клапане обратном шариковом динамической системы уплотнения, реализованной с помощью манжеты, позволяет повысить надежность его работы и величину рабочего давления, что способствует достижению технического результата.