КРАН ШАРОВОЙ
BALL VALVE

Изобретение относится к оборудованию для герметизации внутреннего канала спускаемых труб при бурении скважин, их эксплуатации и ремонте с целью обеспечения промышленной безопасности, предупреждения и ликвидации нефтегазоводопроявлений, охраны недр и окружающей среды.
Известен кран шаровой серии КШ (Абубакиров В.Ф. и др. «Оборудование буровое, противовыбросовое и устьевое» Справ. пособ., в 2 т. - М., ООО «ИРЦ Газпром», 2007 г., т.1, с.555, рис.8.67), содержащий:
- корпус с присоединительными резьбами,
- в котором установлены подвижное и неподвижное седла,
- запорный элемент в виде шара с центральным отверстием, размещенного между седлами с возможностью поворота,
- тарельчатую пружину, поджимающую подвижное седло к шару,
- регулировочную шайбу,
- узел фиксации из 4-х секторов
- и кольца узла фиксации,
- шпиндель, установленный в сквозном отверстии, выполненном в стенке корпуса, и взаимодействующий своим выступом с пазом, выполненным на боковой поверхности шара.
Недостатком известного крана является сложность конструкции и связанная с этим трудоемкость сборки, которая включает операции по измерению внутренних линейных размеров корпуса и размеров пакета устанавливаемых в него деталей, определение разности этих размеров и последующая подгонка толщины 4-х секторов узла фиксации. Эта процедура необходима для обеспечения соосности сквозного отверстия в корпусе и шара с целью обеспечения возможности его управления и снижения величины крутящего момента на шпинделе. Однако в процессе эксплуатации шарового крана из-за агрессивного воздействия бурового раствора толщина узла фиксации из 4-х секторов ввиду износа может измениться, вследствие чего возникнет несоосность шпинделя и шара, что осложнит эксплуатацию известного шарового крана из-за увеличения крутящего момента, необходимого для поворота шара. Поэтому при техническом обслуживании после использования необходимо вновь производить замеры линейных размеров, высчитывать толщину и изготавливать узел фиксации из 4-х секторов, что увеличивает затраты на эксплуатацию известного шарового крана.
К его недостаткам также следует отнести трудоемкость выполнения отверстий в корпусе под упор шарового запорного органа, сложность сборки при непосредственной установке упора в корпус и его закрепления для предотвращения выпадения.
Кроме того, конструкция корпуса, в котором выполнена муфтовая присоединительная резьба, ограничивает эксплуатационные возможности известного шарового крана ввиду невозможности увеличения диаметрального габарита оборудования, проходящего при спуско-подъемных операциях (СПО) через центральное отверстие шара. Это обусловлено тем, что для увеличения пропускной способности необходимо увеличивать диаметр центрального отверстия в шаре и, следовательно, его наружный диаметр, а поскольку сборка известного шарового крана предусматривает установку шара внутрь корпуса через верхнюю муфтовую резьбу, это приводит к увеличению диаметрального размера муфтовой резьбы корпуса, а следовательно, и к увеличению диаметра корпуса крана. Однако наружный диаметр корпуса крана, спускаемого в скважину, не должен превышать диаметра муфты трубы, входящей в компоновку колонны труб, спускаемых в скважину, что делает невозможным увеличение пропускной способности данной конструкции крана.
Таким образом, конструктивные особенности известного шарового крана приводят к дополнительным технологическим затратам при его изготовлении, повышению трудоемкости обслуживания и ограничению эксплуатационных возможностей.
Известен кран шаровой типа КШН и КШВ (Кутепов А.И. и др. «Справочник-каталог по оборудованию и инструменту для предупреждения и ликвидации фонтанов», Москва, издательство «Недра», 1981 г., с.38, рис.1, 19), содержащий:
- корпус, состоящий из нижней ниппельной и верхней муфтовой частей, соединенных между собой цилиндрической резьбой,
- шар с центральным отверстием, установленный в расточке корпуса с возможностью вращения,
- установленный с возможностью вращения в боковом сквозном отверстии корпуса шпиндель в виде ступенчатой втулки, взаимодействующий выступом, выполненным на его внутреннем торце, со сквозным продольным пазом, выполненным на боковой поверхности шара со стороны шпинделя симметрично диаметральной плоскости и перпендикулярно центральному отверстию шара,
- верхнее и нижнее седла, взаимодействующие с шаром,
- упругодеформируемые элементы поджима седел к шару в виде верхней и нижней тарельчатых пружин, установленных в расточке корпуса.
Недостатком известного шарового крана является неудобство эксплуатации, обусловленное отсутствием фиксации шара относительно седел после его поворота в положения «Открыто» или «Закрыто», ввиду чего положение шара и, следовательно, состояние самого шарового крана - открыт он или закрыт, определяется визуально по положению граней отверстия в шпинделе или рукоятки управления относительно оси корпуса. Поэтому для того, чтобы убедиться в надежности перекрытия известного шарового крана, необходимо осуществлять дополнительное вращение шара рукояткой в разных направлениях и «ловить» закрытое положение крана. Отсутствие четкой фиксации шара в крайних положениях может привести к несоосности отверстий шара и седел в открытом положении и неперекрытию отверстия седла шаром в закрытом положении крана, что чревато следующими последствиями.
При несоосности отверстий шара и седел в открытом положении шара кромка шара, образованная пересечением его наружной поверхности в виде сферы и цилиндрической поверхности центрального отверстия, будет выступать в проходное отверстие седла, частично перекрывая его и подвергаясь абразивному износу от воздействия перекачиваемого бурового раствора. Поскольку эта кромка в положении «Закрыто» является герметизирующей поверхностью, контактируя с седлом, то при ее износе в контакте с седлом не будет достигнута герметичность, и известный шаровой кран в положении «Закрыто» не выполнит своего функционального назначения.
Кроме того, при несоосности отверстий шара и седел кромка шара, выступающая в проходное отверстие, будет создавать выступ, препятствующий спуску и подъему оборудования через центральное отверстие крана. Тем самым будут создаваться предпосылки к разрушению этой кромки ударными нагрузками от воздействия оборудования при СПО, что при последующем закрывании известного шарового крана также приведет к негерметичности и невыполнению им своего функционального назначения.
В конструкции известного шарового крана комплекс элементов герметизации, включающий верхнее седло, шар и нижнее седло, размещен между тарельчатыми пружинами, которые воспринимают усилие от давления в колонне труб, возникающего после закрывания крана. Учитывая, что размеры тарельчатых пружин конструктивно ограничены габаритами внутреннего пространства корпуса, показатели жесткости и воспринимаемого тарельчатыми пружинами максимального усилия не могут быть значительными. Поэтому, при повышении давления в колонне труб под закрытым шаром на нем будет возникать усилие, направленное вверх, которое будет передаваться на верхнюю тарельчатую пружину, упруго деформируя ее с уменьшением высоты на определенную величину. Но одновременно на эту же самую величину относительно корпуса переместится вверх и шар с верхним седлом, в результате чего возникнет несоосность шара относительно шпинделя, размещенного в боковом отверстии корпуса.
Это обстоятельство значительно увеличивает усилие, необходимое для поворота шара из положения «Закрыто» в положение «Открыто», и даже делает невозможным эту операцию при необходимости открытия известного шарового крана, находящегося под действием значительного давления в колонне труб. Поэтому для осуществления этой операции необходимо для восстановления соосности шара и шпинделя вначале создать противодавление с противоположной стороны, т.е. со стороны ведущей трубы и вертлюга, что требует дополнительного времени и трудозатрат, или же использовать известный шаровой кран при невысоких рабочих давлениях, что снижает его эксплуатационные возможности.
Выполнение в известном шаровом кране упругодеформируемых элементов поджима седел к шару в виде верхней и нижней тарельчатых пружин, установленных в расточке корпуса, увеличивает эксплуатационные затраты и не обеспечивает надежности работы крана ввиду следующих обстоятельств:
- поскольку в качестве материала для изготовления тарельчатых пружин обычно используются высокоуглеродистые стали, склонные к коррозии, срок службы таких пружин невелик, особенно при использовании известного шарового крана при закачивании в скважину агрессивных жидкостей, например, во время кислотных обработок. Возможность потери при этом упругих свойств материала пружины или ее разрушения из-за коррозии вызывает необходимость обязательной разборки крана после использования, ревизии пружин и их замены, что увеличивает эксплуатационные затраты;
- твердая фаза буровых растворов, циркулирующих через известный шаровой кран, может проникать и забивать зазоры между телом пружины и контактирующими с ним поверхностями корпуса и седел, что будет препятствовать упругой деформации пружин и может нарушить работоспособность крана.
Совокупность перечисленных конструктивных особенностей снижает надежность, безопасность и удобство эксплуатации известного шарового крана.
Задачей изобретения является создание технического решения шарового крана, лишенного перечисленных недостатков.
Техническим результатом решения этой задачи является повышение безопасности и удобства эксплуатации шарового крана.
Для обеспечения этого результата известный кран шаровой, содержащий
- корпус, состоящий из нижней ниппельной и верхней муфтовой частей, соединенных между собой цилиндрической резьбой,
- шар с центральным отверстием, установленный в расточке нижней ниппельной части корпуса с возможностью вращения,
- шпиндель в виде ступенчатой втулки, размещенный соосно шару в нижней ниппельной части корпуса с возможностью вращения и взаимодействующий выступом, выполненным на его внутреннем торце, с продольным пазом, выполненным на боковой поверхности шара со стороны шпинделя симметрично диаметральной плоскости и перпендикулярно центральному отверстию шара,
- верхнее и нижнее седла, взаимодействующие с шаром,
- упругодеформируемый элемент поджима седел к шару, установленный в расточке корпуса,
СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ
- дополнительно содержит ограничитель поворота шара, неподвижно установленный в стенке нижней ниппельной части корпуса соосно шару и выполненный в виде ступенчатого кольца с выступом на внешней цилиндрической поверхности, боковые грани которого взаимно перпендикулярны, а ось симметрии расположена под углом 45° к продольной оси корпуса и направлена вниз,
- шпиндель размещен в расточке, выполненной в ограничителе поворота шара,
- на боковой поверхности шара со стороны шпинделя над продольным пазом выполнена выборка, боковые грани которой параллельны, осесимметричны продольному пазу и взаимодействуют при повороте шара с боковыми гранями выступа ограничителя поворота,
- причем упругодеформируемый элемент поджима седел к шару выполнен в виде кольца из эластомера.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез крана шарового в положении «Открыто»; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - продольный разрез крана шарового в положении «Закрыто»; на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.3; на фиг.5 - вид В на шар запорного узла крана шарового, на фиг.6 - вид Г на ограничитель поворота шара, закрепленный в ниппельной части корпуса.
Кран шаровой (фиг.1) содержит корпус, состоящий из двух частей: из нижней ниппельной 1 и верхней муфтовой части 2, соединенных между собой цилиндрической резьбой. В расточке 3 ниппельной части 1 расположен запорный узел, включающий шар 4 с центральным отверстием 5, нижнее 6 и верхнее 7 седла и упругодеформируемый элемент 8, выполненный в виде кольца из эластомера и обеспечивающий поджим седел 6 и 7 к шару 4, а седла 7 - к торцу 9 верхней муфтовой части 2.
Шар 4 размещен в расточке 3 с возможностью вращения. На его боковой поверхности симметрично диаметральной плоскости и перпендикулярно центральному отверстию 5 выполнен продольный паз 10.
В стенке ниппельной части 1 (фиг.6) внутри расточки 3 неподвижно закреплен известным способом, например, сваркой, ограничитель поворота 11 шара 4, выполненный в виде кольца с выступом 12 на внешней поверхности, боковые грани 13 которого взаимно перпендикулярны, а ось их симметрии расположена под углом 45° к продольной оси корпуса и направлена вниз. При этом (фиг.2) выступ 12 размещается в выборке 14, выполненной над продольным пазом 10 на боковой поверхности шара 4 (фиг.5). Боковые грани 15 выборки 14 параллельны и осесимметричны продольному пазу 10 и при повороте шара 4 на 90° взаимодействуют с боковыми гранями 13 ограничителя 11 (фиг.2 и 4).
В расточке 16 ограничителя поворота 11 установлен с возможностью вращения шпиндель 17, выполненный в виде ступенчатой втулки, взаимодействующий выступом 18 с продольным пазом 10.
Муфтовая часть 2 корпуса закреплена в ниппельной части 1 посредством цилиндрической резьбы 19, минимальный проходной диаметр которой при прочих равных условиях будет больше аналогичной конической резьбы, что позволяет увеличить диаметр расточки 3 в ниппельной части 1 корпуса. Это, в свою очередь, позволяет увеличить наружный диаметр шара 4 и, следовательно, диаметр его проходного отверстия 5, что расширяет эксплуатационные возможности заявляемого шарового крана.
Соосность шпинделя 17 и шара 4 обеспечивается при сборке в процессе свинчивания ниппельной части 1 с муфтовой частью 2. Для этого в расточку 3 ниппельной части 1 при сборке последовательно устанавливаются упругодеформируемый элемент 8, седло 6 и затем шпиндель 17, который из расточки 3 устанавливается в расточку 16 ограничителя поворота 11 таким образом, чтобы его выступ 18 занимал вертикальное положение соосно продольной оси корпуса (фиг.3), после чего в расточку 3 устанавливается шар 4, продольный паз 10 которого должен быть в вертикальном положении соосно продольной оси корпуса, а выборка 14 направлена вниз. Только в этом положении шар 4 может занять свое рабочее положение, при котором выступ 18 шпинделя 17 разместится в продольном пазе 10, а выступ 12 ограничителя поворота 11 разместится в выборке 14. Последнее, в свою очередь, возможно только потому, что, во-первых, боковые грани 13 выступа 12 взаимно перпендикулярны и ось его симметрии расположена под углом 45° к продольной оси корпуса и направлена вниз, а во-вторых, благодаря тому, что боковые грани 15 выборки 14 параллельны и осесимметричны продольному пазу 10. Затем на шар 4 устанавливается верхнее седло 7 и осуществляется свинчивание частей 1 и 2 (фиг.3).
При этом торец 9 муфтовой части 2 воздействует через верхнее седло 7 на шар 4, смещая его вниз до соосного положения со шпинделем 17. Одновременно через шар 4 перемещение будет передаваться и на нижнее седло 6, сжимая кольцо из эластомера 8. После создания необходимой соосности шпинделя 17 и шара 4 поджатием муфтовая часть 2 фиксируется в этом положении на ниппельной части корпуса 1 от проворота любым известным способом. При этом торец 9 муфтовой части 2 создает упорную поверхность для пакета: седла 6 и 7 - шар 4, воспринимающую усилие от возникающего снизу давления, чем обеспечивается постоянство величины размерной цепи от торца 9 до осей шара 4 и шпинделя 17 и, следовательно, постоянная соосность последних, что позволит открывать заявляемый шаровой кран независимо от величины усилия от давления, воздействующего на шар 4 снизу в закрытом положении. Тем самым, заявляемый шаровой кран будет более удобен в эксплуатации и обладать более расширенными эксплуатационными возможностями по сравнению с прототипом, у которого в закрытом положении из-за наличия над верхним седлом тарельчатой пружины шар может перемещаться вверх относительно шпинделя, в результате чего возникает их несоосность и увеличивается усилие на поворот шара. Поэтому для осуществления этой операции у прототипа необходимо для восстановления соосности шара и шпинделя вначале создать противодавление с противоположной стороны, т.е. со стороны ведущей трубы и вертлюга, что требует дополнительного времени и трудозатрат, или же использовать известный шаровой кран при невысоких рабочих давлениях, что снижает его эксплуатационные возможности.
Кран шаровой работает следующим образом (фиг.1).
Кран устанавливают в компоновку колонны труб (не показана) в открытом положении. Для его закрывания шпиндель 17 (фиг.3) поворачивают по часовой стрелке до упора боковой грани 15 выборки 14 (фиг.4) шара 4 в боковую грань 13 ограничителя поворота 11. При этом шар 4, повернувшись на 90°, перекроет проходное отверстие верхнего седла 7. Для открывания крана шпиндель 17 (фиг.1) поворачивают против часовой стрелки также до упора боковой грани 15 выборки 14 (фиг.2) шара 4 в боковую грань 13 ограничителя поворота 11. Жесткое закрепление ограничителя поворота 11 на ниппельной части 1 корпуса в положении, при котором ось симметрии выступа 12 расположена под углом 45° к продольной оси корпуса и направлена вниз, взаимная перпендикулярность боковых граней 13 выступа 12, параллельность боковых граней 15 выборки 14 и ее взаимодействие с выступом 12 обеспечивают постоянство и точность позиционирования шара 4 в положениях «Открыто» и «Закрыто». Этим самым будет постоянно обеспечиваться соосность и совпадение кромок отверстия 5 в шаре 4 с кромками отверстий седел 6 и 7, что обеспечивает защиту кромок шара 4 от абразивного воздействия частиц перекачиваемой среды. Упругодеформируемое кольцо 8 из эластомера создает предварительное усилие поджима седел 6 и 7 и шара 4 для создания первичной герметичности крана до поджатия давлением.
Таким образом, совокупность отличительных признаков обеспечивает заявляемому крану шаровому удобство сборки и регулирования, повышение надежности и безопасности работы, а также расширение эксплуатационных возможностей по сравнению с аналогом и прототипом.