КЛАПАН С ФИКСИРОВАННЫМ ПОЛОЖЕНИЕМ ЗАТВОРА, ПРИМЕНЯЕМЫЙ ПРИ ДОБЫЧЕ ЖИДКИХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Техническое решение относится к области узлов и деталей машин, а именно - к области клапанов, предпочтительно, обеспечивающих прохождение газового, жидкостного или газожидкостного потоков, и может быть использовано в любой области науки и техники, использующей регулируемое перемещение газовых, жидкостных или газожидкостных потоков, в частности, в газовой, нефтехимической и химической отраслях промышленности.
Известно клапанное устройство (RU, патент 2066010), содержащее корпус с входным и выходным патрубками и установленными в его каналах, по меньшей мере, двумя запорными элементами, нагруженными в сторону седла посредством пружинных механизмов, установленных соосно с указанными каналами. Входной и выходной патрубки расположены соосно и перпендикулярно указанным каналам, а пружинные механизмы размещены в выполненных в корпусе цилиндрических отверстиях, сообщенных с входным патрубком в открытом положении клапана и с выходным патрубком при закрытом положении клапана.
Недостатком известного устройства следует признать ограниченность его срока действия, обусловленную использованием пружинных механизмов, подвергаемых периодическим механическим нагрузкам.
Известен (RU, патент 2447346) клапан запорный с разгруженным затвором, содержащий нижний и верхний корпуса, седло с уплотнительной поверхностью, плунжер в виде полой втулки с уплотнительной поверхностью и сквозными отверстиями, выполненными в ее днище, с образованием камеры разгрузки плунжера, шток привода, мембранный сильфон со складывающейся формой гофр с концевыми деталями, верхняя из которых герметично соединена с верхней частью плунжера, а нижняя герметично установлена в корпусе клапана, обеспечивая при сжатии сильфона от усилия привода осевое перемещение плунжера, внутренняя полость сильфона через канал, выполненный на нижней концевой детали, сообщена через байпасную линию, снабженную запорным устройством, с полостью давления рабочей среды «под затвор». Верхняя концевая деталь сильфона изготовлена таким образом, что образует с верхним корпусом плунжерную пару и полость между верхним корпусом и наружной поверхностью сильфона, средний диаметр которого выполнен равным среднему диаметру уплотнительной поверхности затвора клапана, клапан снабжен второй байпасной линией с запорным устройством, обеспечивающей соединение полости давления рабочей среды «на затвор» с наружной полостью сильфона, кроме того, оба канала байпасных линий снабжены обратным клапаном, при этом запорные устройства выполнены нормально открытого действия.
Недостатком известного клапана следует признать сложность конструкции, а также ограниченный срок действия, обусловленный использованием мембраны, подвергаемой периодическим механическим нагрузкам.
Наиболее близким аналогом разработанного клапана можно признать (RU, патент 96208) клапан с фиксированным положением затвора, применяемый при добыче жидких полезных ископаемых. Разработанный клапан содержит седло, затвор, упругий элемент с отверстием в центральной части, крышку и штифт с головкой, причем упругий элемент расположен между затвором и крышкой, в затворе со стороны крышки выполнено несквозное отверстие для размещения штифта с головкой. Упругий элемент предпочтительно выполнен пружинным или тарельчатым с окнами для прохода потока среды. Посадочная поверхность седла клапана может иметь форму конуса, сферы, плоскости или состоять из нескольких выше перечисленных форм. Соответственно посадочная поверхность затвора клапана также может иметь форму конуса, сферы, плоскости или состоять из нескольких выше перечисленных форм. Упругий элемент может быть выполнен из одной и более пластин или одного и более лепестков. Поверхность касания затвора и упругого элемента может иметь форму конуса, сферы или скругленную форму. Затвор клапана в закрытом положении может быть зафиксирован за счет поджатия упругим элементом. Плоскость расположения упругого элемента по отношению к оси клапана может быть ориентирована под углом до 90°. В некоторых вариантах реализации разработанного устройства упругий элемент может быть прикреплен к крышке или седлу клапана или зажат между крышкой и седлом клапана.
Недостатком известного клапана следует признать ограниченный срок действия, обусловленный наличием в конструкции пружинного элемента, подвергаемого периодическим механическим нагрузкам.
Технический результат, получаемый в результате реализации разработанной конструкции, состоит в повышение срока ее действия.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать клапан с фиксированным положением затвора, применяемый при добыче жидких полезных ископаемых. Разработанный клапан содержит корпус и сборную трубу с отверстиями для входа и выхода проточной среды, седло, затвор и средство фиксации положения затвора. Кроме того, он дополнительно содержит пробку, по меньшей мере, часть которой изготовлена из ферромагнитного материала, установленную в корпусе, а средство фиксации положения затвора выполнено в виде, по меньшей мере, одного магнита, с заранее рассчитанной коэрцитивной силой.
Работа клапана разработанной конструкции основана на взаимодействии двух разных физических явлений - магнетизм и гидродинамика. Для нормально открытого клапана указанное взаимодействие происходит следующим образом. При движении потока через проточный тракт, образованный элементами конструкции клапана, из-за существующего гидравлического сопротивления и скоростного напора текучей среды происходит изменение давления на поверхности затвора. В результате на затвор клапана начинает действовать сила, которую компенсирует коэрцитивная сила, по меньшей мере, одного постоянного магнита, входящего в состав клапана. Величина указанной коэрцитивной силы постоянна. Ее рассчитывают на стадии проектирования клапана, исходя из условий его дальнейшей эксплуатации. При возрастании расхода сила, воздействующая на затвор со стороны текущей среды, становится больше магнитной и изменяет состояние клапана. Затвор садится на седло и клапан закрывается. При этом поток направляется по другому тракту течения. Аналогично идет взаимодействие сил и при уменьшении расхода текучей среды - перепад давления на затворе уменьшается и магнитная сила возвращает клапан в исходное состояние.
В некоторых вариантах реализации разработанной конструкции на сборной трубе дополнительно установлены направляющие для ориентации перемещения затвора клапана.
В нижний торец пробки может быть дополнительно установлен постоянный магнит с заранее рассчитанными параметрами, в том числе, и величиной коэрцитивной силы, причем полюса магнита могут быть ориентированы как произвольно, так и ориентировано. Это зависит от условий применения разработанного клапана.
Также дополнительно магниты с заранее рассчитанными параметрами, в том числе, и величиной коэрцитивной силы могут быть установлены в затворе, в седле, по меньшей мере, в одной боковой направляющей, при этом полюса магнита также могут быть ориентированы как произвольно, так и ориентировано. Это зависит от условий применения разработанного клапана.
Из ферромагнитного материала могут быть выполнены сборная труба, затвор и корпус.
Разработанная конструкция клапана представлена на фиг.1 (открытое положение) и фиг.2 (вид сверху, корпус условно не показан), при этом использованы следующие обозначения: корпус 1, затвор 2, постоянный магнит 3, пробка 4, боковая направляющая 5, седло 6 и сборная труба 7. В нормальном состоянии клапан находится в открытом положении за счет коэрцитивной силы постоянного магнита. Переключение клапана может происходить под действием перепада давления на затворе при изменении расхода текущей среды. Причем за счет коэрцитивной силы постоянного магнита можно регулировать момент срабатывания клапана (его закрытие или открытие).
Клапан разработанной конструкции с некоторыми ее модификациями может быть использован в пассивной системе регулирования направления движения потоков внутри скважины при различных режимах ее эксплуатации: установки оборудования в скважину, добычи нефти, гидроразрыва пласта, промывки скважины и др.