Обратный клапан

Полезная модель относится к элементам внутрискважинного оборудования, связанного с добычей нефти, предотвращающим обратный поток жидкости (обратные клапаны), управляемым перепадом давлений среды по обе стороны клапана и преимущественно устанавливаемым на нижнем конце колонны насосно-компрессорных труб. Иногда такие устройства называют дифференциальными клапанами. Особенностью предложенной полезной модели является ее конструктивная простота, технологичность и ремонтопригодность.
В дальнейшем описании будут подразумеваться клапаны, продольная ось которых вертикальна, а выходное отверстие находится сверху. Признаки «продольный», «поперечный», «верхний», «нижний» будут относиться к такому расположению клапана.
Известен обратный клапан, состоящий из корпуса, седла, закрепленного в корпусе, и запорного элемента в виде шара, в котором ограничителем поперечных перемещений запорного элемента служат стенки корпуса. Для повышения пропускной способности клапана за счет улучшения условий обтекания жидкостью запорного элемента в стенках корпуса выполнены продольные пазы. Пазы образованы расточкой или рассверливанием корпуса до вскрытия приблизительно наполовину цилиндрических сверленых каналов, расположенных по окружности. Диаметр расточки (рассверливания) немного превышает диаметр запорного элемента [RU №56940 и 70544]. Недостатками известного клапана являются высокая металлоемкость, низкий коэффициент использования материала и высокая трудоемкость изготовления. Все эти недостатки обусловлены особенностями конструкции клапана, изготавливаемого из цельного куска металла. Для образования пазов требуется выполнить около пятнадцати технологических операций, включая глубокое сверление, что повышает вероятность брака. Трудоемкость существенно повышена из-за необходимости удаления заусенцев, образующихся после рассверливания или расточки корпуса. Кроме того, надежность известного клапана снижена из-за возможности засорения сравнительно узких сверленых отверстий.
Известен обратный клапан, корпус которого выполнен виде переводника, внутри которого установлены запорный элемент в виде шара, седло, ограничитель поперечных и продольных перемещений запорного элемента, выполненный в виде стакана с продольными пазами на боковой поверхности, установленный по посадке внутри корпуса и закрепленный от продольных перемещений с одной стороны кольцевым выступом корпуса, а с другой - запорным пружинным кольцом, входящим в кольцевую проточку корпуса [RU №55018 и 76379]. Недостатками известного клапана являются нетехнологичность изготовления, предопределяющая его высокую стоимость, высокая материалоемкость, обусловленная тем, что корпус и ограничитель вытачиваются из цельных заготовок круглого сечения, причем не менее половины металла уходит в стружку. Кроме того, ремонтопригодность известного клапана невысока из-за неизбежных повреждений корродировавших стопорного кольца и канавки из-под него в корпусе. При извлечении из корпуса ограничителя, спекшегося по большой поверхности соприкосновения с корпусом, он неизбежно повреждается.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является обратный клапан, включающий полый цилиндрический корпус с наружной конической резьбой по концам, седло, зафиксированное между нижней поверхностью кольцевого выступа внутри корпуса, и торцом резьбовой втулки, ввинченной снизу в корпус, запорный элемент в виде шара и ограничитель поперечных перемещений запорного элемента, выполненный в виде тонкостенной цилиндрической втулки с окнами на боковой поверхности, зафиксированный между верхней поверхностью кольцевого выступа внутри корпуса и торцом резьбовой втулки, ввинченной в корпус сверху [RU №9497 U1]. Для обеспечения протока жидкости корпус расточен изнутри напротив окон в ограничителе. Клапан содержит ограничитель продольного перемещения запорного шара, выполненного в виде подпружиненного элемента с центрирующей поверхностью. Известный клапан обладает высокой металлоемкостью, он нетехнологичен в изготовлении из-за необходимости вначале сверлить корпус на всю длину, затем растачивать его для образования кольцевого выступа и полости. Его ремонтопригодность невелика из-за трудности извлечь без повреждения тонкостенную втулку ограничителя, прикипевшую на большой длине к стенкам корпуса. Кроме того, он недостаточно герметичен из-за отсутствия уплотнений в сочленениях составляющих его элементов.
Технические результаты, достижение которых составляет цель настоящего предложения, состоят в упрощении конструкции и технологии изготовления клапана, а также в снижении его материалоемкости.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в известном обратном клапане, содержащем цилиндрический корпус с резьбовыми участками по концам, седло, запорный элемент, ограничитель продольных перемещений запорного элемента и ограничитель поперечных перемещений запорного элемента, выполненный в виде втулки с окнами на боковой поверхности, а также верхнюю и нижнюю резьбовые втулки, образующие с корпусом цилиндрическое резьбовое соединение, корпус выполнен в виде отрезка трубы, а ограничитель имеет два кольцевых выступа по концам, соответствующие внутреннему диаметру корпуса.
Кроме того, резьбовые втулки имеют на удаленных от корпуса концах коническую резьбу.
Кроме того, седло выполнено в виде ступенчатой втулки, входящей по малому диаметру в выточку в торцевой части нижней резьбовой втулки.
Кроме того, клапан содержит уплотнения между резьбовыми втулками и корпусом, а также между седлом и нижней резьбовой втулкой.
Кроме того, резьбовые втулки имеют заплечики, взаимодействующие с торцами корпуса.
Кроме того, ограничитель и седло зафиксированы от продольных перемещений резьбовыми втулками.
Кроме того, ограничитель продольных перемещений запорного элемента выполнен в виде шпильки, установленной поперек ограничителя и ввернутой в резьбовое отверстие в его стенке.
Кроме того, запорный элемент выполнен в виде шара.
3
Кроме того, запорный элемент выполнен из материала плотностью (2…3) г/см.
Кроме того, запорный элемент выполнен из плавленого кварца.
Кроме того, запорный элемент выполнен из ситалла.
Благодаря выполнению корпуса в виде отрезка трубы упрощается технология его изготовления, фактически состоящего только из нарезания внутренней цилиндрической резьбы на концах отрезка трубы. При надлежащем подборе заготовки из стандартного сортамента труб материалоемкость корпуса оказывается близкой к минимально возможной. Близким к максимально возможному оказывается коэффициент использования материала, поскольку в отход идет только стружка от нарезания резьбы.
Благодаря тому, что ограничитель имеет два кольцевых выступа по концам, соответствующие внутреннему диаметру корпуса, упрощается изготовление клапана, поскольку точной обработке подлежат только узкие цилиндрические поверхности выступов ограничителя. Благодаря этому же повышается его ремонтопригодность, поскольку ограничитель, находящийся в контакте с узкими цилиндрическим полосками выступов, легко и без повреждений выбивается из корпуса даже после работы в коррозионно-активной среде.
Благодаря тому, что кольцевые выступы ограничителя соответствуют внутреннему диаметру корпуса, упрощается сборка клапана, поскольку этим обеспечивается центрирование ограничителя в корпусе.
Благодаря тому, что резьбовые втулки имеют на удаленных от корпуса концах коническую резьбу, обеспечивается возможность присоединения клапана напрямую к насосно-компрессорным трубам или иному внутрискважинному оборудованию.
Выполнение седла в виде ступенчатой втулки, входящей по малому диаметру в выточку в торцевой части нижней резьбовой втулки, обеспечивает надежную передачу усилия от запорного элемента через седло и резьбовую втулку корпусу, благодаря чему повышается технологичность изготовления клапана, корпус которого не имеет внутренних выступов.
Благодаря наличию уплотнений между резьбовыми втулками и корпусом, а также между седлом и нижней резьбовой втулкой обеспечивается полная герметичность закрытого клапана.
Благодаря наличию у резьбовых втулок заплечиков, взаимодействующих с торцами корпуса, и фиксации ограничителя и седла резьбовыми втулками, повышается технологичность изготовления клапана за счет упрощения сборки.
Благодаря выполнению ограничителя продольных перемещений запорного элемента в виде шпильки, установленной поперек ограничителя и ввернутой в резьбовое отверстие в его стенке, снижается материалоемкость клапана и повышается его ремонтопригодность.
Благодаря выполнению запорного элемента в виде шара, повышается срок службы и надежность клапана, поскольку износ шарового запорного элемента происходит равномерно по всей его поверхности.
3
Благодаря выполнению запорного элемента из материала плотностью (2…3) г/см расширяются функциональные возможности клапана, поскольку это придает ему способность работать в наклонном и горизонтальном положениях.
Благодаря выполнению запорного элемента из плавленого кварца или ситалла обеспечивается большой срок службы клапана.
Существо полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен в разрезе предложенный клапан, находящийся в вертикальном положении.
Предложенный клапан содержит корпус 1, выполненный в виде отрезка цилиндрической трубы круглого сечения. По концам труба корпуса снабжена внутренней цилиндрической резьбой 2, в которую завернуты верхняя и нижняя резьбовые втулки 3 и 4 соответственно. Наружный диаметр, по меньшей мере, части резьбовых втулок 3 и 4 на участке, где заканчивается резьба, превышает наружный диаметр резьбы на них, так что образуются заплечики 5, ограничивающие глубину ввертывания резьбовых втулок и тем самым точно задающие расстояние между находящимися в корпусе 1 торцами резьбовых втулок.
В зависимости от назначения обратного клапана, удаленные от корпуса концы резьбовых втулок 3 и 4 могут иметь внутреннюю или наружную коническую резьбу для присоединения к насосно-компрессорным трубам или иным элементам скважинного оборудования. На чертеже в качестве примера показаны резьбовые втулки с внутренней конической резьбой 6. Удаленные от корпуса концы обеих или одной из резьбовых втулок 3 и 4 могут не иметь резьбы, например, если они предназначены для приварки или снабжены фланцами. Также одна или обе резьбовые втулки могут являться одновременно частью другого элемента скважинного оборудования, например фильтра.
Нижняя резьбовая втулка 4 служит опорой для седла 7. Для надежной фиксации седла 7 оно выполнено в виде ступенчатой втулки, входящей по малому диаметру в выточку 8 в торцевой части нижней резьбовой втулки 4.
3
Запорный элемент 9 клапана может иметь различную форму: шара, капли, конуса, гриба. В качестве примера, на чертеже представлен наиболее часто употребляемый запорный элемент в виде шара. Для того чтобы предложенный клапан мог работать не только в вертикальном, но и в наклонном и даже горизонтальном положениях, он должен быть выполнен из твердого материала плотностью (2…3) г/см, например плавленого кварца или ситалла.
Для ограничения поперечных относительно оси клапана перемещений запорного элемента 9 и центровки этого элемента относительно седла 7 служит ограничитель (направляющий элемент, в уровне техники встречаются также названия «клетка», «фонарь») 10, выполненный в виде цилиндрической втулки с окнами 11 на боковой поверхности. По концам ограничитель 10 имеет кольцевые выступы 12, образованные посредством выполнения проточки в области расположения окон 11 так, что в средней части его наружный диаметр меньше внутреннего диаметра корпуса. Это обеспечивает свободный проход жидкости через клапан. Диаметр же кольцевых выступов 12 соответствует их установке в корпус 1 по скользящей посадке. Высота этих выступов устанавливается минимально необходимой для центрирования ограничителя 10 в корпусе 1. Ориентировочно она лежит в пределах от 3 до 10 мм.
Размеры окон 11, толщина стенок ограничителя, глубина проточки в области расположения окон, зазор между его внутренними стенками и запорным элементом установлены такими, чтобы проходное сечение клапана для обтекающего запорного элемента потока жидкости было не меньше сечения входного канала клапана в нижней резьбовой втулке 4. При этом, для того чтобы предложенный клапан мог работать не только в наклонном и горизонтальном положениях, минимальное расстояние между противоположными внутренними стенками ограничителя 10 должно составлять (1,05…1,2) диаметра запорного элемента.
Для ограничения продольного (осевого) перемещения запорного элемента 9 служит шпилька 13, установленная поперек ограничителя 10 и ввернутая в резьбовое отверстие 14 в его стенке. Облегчая разборку, это повышает ремонтопригодность клапана.
В осевом направлении перемещение ограничителя 10 ограничено: снизу - седлом 7, сверху - резьбовой втулкой 3.
Для обеспечения герметичности клапан содержит кольцевые уплотнительные прокладки (уплотнения) 15, установленные между резьбовыми втулками 3 и 4 и корпусом 1, а также между седлом 7 и нижней резьбовой втулкой 4. Предпочтительным является выполнение прокладок из термостойкого упругого материала, например витона.
Предложенный клапан в вышеописанном исполнении обладает небольшой массой, прост в изготовлении и ремонте, надежен и способен работать не только в вертикальном, но и в наклонном и горизонтальном положениях, закрывается уже при расходе не свыше (1-1,5) л/сек.