КЛАПАН
VALVE

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для управления потоком рабочей среды в магистральных трубопроводах высокого давления при больших расходах рабочей среды, содержащих незначительные примеси с абразивными включениями, в качестве запорного клапана на трубопроводах высокого давления при больших расходах рабочей среды.
Известны конструкции односедельного сегментного поворотного клапана (Брагин Б.Ф. «Трубопроводная арматура для абразивных гидросмесей». Машиностроение, Москва, 1981, рис.22, 25), содержащие корпус с входным и выходным отверстиями, коническое седло клапана и запорный элемент, выполненный в виде сегмента с сферической уплотнительной поверхностью.
Недостатком данных клапанов является постоянный контакт между уплотнительными поверхностями в процессе их взаимного перемещения, что влечет за собой их сильный износ при попадании абразивных частиц между трущимися поверхностями.
Указанное обстоятельство затрудняет использование этих клапанов на магистральных трубопроводах, где рабочими средами является нефть или газ, содержащих незначительные примеси с абразивными включениями.
Известен запорно-регулирующий сегментный клапан MAXEFLUSS, представленный в каталоге фирмы ООО «Самсон контроле» 2003 г. Данный запорно-регулирующий сегментный клапан, имеющий тройной эксцентриситет в осях, при повороте сегмента значительно повышает момент на приводе, что увеличивает массогабаритные характеристики как привода, так и клапана в целом. Недостатком данного клапана является также невозможность использования его на магистральных трубопроводах с абразивными включениями в качестве запорного клапана из-за его одностороннего уплотнения.
Известна конструкция односедельного поворотного сегментного клапана, содержащего корпус с входным и выходным отверстиями, расположенными на одной оси, седло клапана с конической уплотнительной поверхностью, расположенного у входного отверстия, запорный элемент, выполненный в виде сегмента с уплотнительной поверхностью, установленного в корпусе с эксцентриситетом относительно плоскости уплотнения и оси уплотнительной поверхности седла, обеспечивающим в закрытом положении герметичное прилегание уплотнительной поверхности к конусу седла и поворотный привод (см. приложение №2, F 5000R 01/2004, фирмы Masoneilan).
Данный запорно-регулирующий клапан особенно эффективен при использовании его в средах, содержащих абразивные включения.
Однако недостатком его является то, что наличие эксцентриситета в осях при повороте сегмента значительно повышает момент на приводе, что увеличивает массогабаритные характеристики как привода, так и клапана в целом. Недостатком данного клапана является также невозможность использования его на магистральных трубопроводах с абразивными включениями в качестве запорного клапана из-за его одностороннего уплотнения, и тем более его нельзя использовать в трубопроводах с насыщенными пневмогидроабразивными рабочими смесями из-за того, что невозможно осуществить очистку внутренней полости клапана перед окончательным закрытием, чтобы предохранить уплотнительные поверхности от износа и обеспечить герметичность клапана.
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является конструкция клапана по патенту РФ №2319879, (публ. бюлл №8 от 20.03.2008 г., F16K 1/22, F16K 5/06). Данный клапан с двухсторонним направлением потока рабочей среды имеет корпус с фланцами, образующими входное и выходное отверстия клапана, расположенные на одной оси, седла с конической уплотнительной поверхностью, установленные в корпусе с эксцентриситетом относительно плоскостей уплотнения и оси уплотнительной поверхности седел, и поворотный привод, обеспечивающий перекрывание седел клапана в закрытом положении или полное открытие проходного сечения клапана в открытом положении.
Данная конструкция клапана, применяемая на магистральных трубопроводах при больших расходах рабочей среды, содержащих незначительные примеси с абразивными включениями, имеет существенный недостаток, а именно при работе с высоким давлением рабочей среды в конце закрытия арматуры и в начале открытия момент привода резко возрастает и эффект по снижению момента с использованием синхронной работы двух сегментов сводится к минимуму. В закрытом положении клапана вся нагрузка от перепада давления приходится через седло на фланец выходного отверстия. Поэтому использование мягких уплотнений в седле, которые воспринимают все усилие при высоких давлениях среды, ограничивает функциональные возможности клапана.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей конструкции запорного клапана с уменьшенными массогабаритными характеристиками для использования его на магистральных трубопроводах высокого давления при больших расходах рабочей среды с использованием приводов с малым крутящим моментом.
Технический результат достигается за счет того, что клапан, содержащий корпус с фланцами, образующими входное и выходное отверстия клапана, расположенные на одной оси, седла с конической уплотнительной поверхностью, сегменты, установленные в корпусе с эксцентриситетом относительно плоскостей уплотнения и оси уплотнительной поверхности седел, и поворотный привод, обеспечивающий перекрытие седел клапана в закрытом положении или полное открытие проходного сечения клапана в открытом положении, помимо этого клапан снабжен байпасной линией, содержащей запорное устройство нормально открытого действия, расположенное на выходе из внутренней полости клапана, два обратных клапана, обеспечивающих соединение запорного устройства с входным или выходным отверстием клапана в зависимости от направления потока рабочей среды, при этом каждое седло состоит из подпружиненного плавающего поршня с ограниченным осевым перемещением, выполненным с радиальными уплотнениями и уплотнительной поверхностью с возможностью дополнительного одностороннего поджатия ее от перепада давления рабочей среды, и корпуса седла с конической поверхностью, являющейся опорной для сферической поверхности сегмента в закрытом положении клапана.
На фиг.1 изображен продольный разрез клапана, на фиг.2 - узел А на фиг.1, на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг. 1.
Клапан содержит корпус 1 с фланцами 2, 3 с входным 4 и выходным 5 отверстиями, расположенными на одной оси. Корпус 1 имеет седла 6 и 7, сегменты 8 и 9, установленные в корпусе с эксцентриситетом относительно плоскостей уплотнения и оси уплотнительной поверхности седел, оси 10, 11 и 12, 13 сегментов, привод 14. Оси 11 и 13 кинематически связаны между собой механизмом шарнирного параллелограмма, состоящего из рычагов 15, 17 и тяги 16 (см. фиг.3). Седло (см. фиг.2) состоит из поршня 18, радиальных уплотнений 19, кольца 20, пружин 21 и корпуса седла 22, жестко установленного во фланце 2,3. Внутренняя полость корпуса 1 через штуцер 23 соединена с запорным устройством нормально открытого действия 24, а через трубопровод байпасной линии последний соединен с обратными клапанами 25, 26 с полостями отверстий 4, 5 через штуцера 27, 28 соответственно. Прилегание поверхностей сегментов 8, 9 к опорной поверхности B корпуса седла 22 обеспечивается подгонкой компенсаторов 29, 30 соответственно.
Клапан работает следующим образом.
В открытом положении клапана поток рабочей среды беспрепятственно проходит через входное и выходное отверстия 4, 5.
Уплотнительные поверхности сегментов 8, 9 защищены от скоростного потока среды и находятся в зоне минимальных скоростей, что обеспечивает защиту их от механических повреждений и эрозионного износа.
На байпасной линии запорное устройство 24 находится в открытом положении. Рабочая среда перепадом давления, проходя через штуцер 27, закрывает обратный клапан 25 и открывает обратный клапан 26, соединяя внутреннюю полость клапана через штуцер 28 с отверстием 5.
Поршень 18 (см. фиг.2) на обеих седлах под давлением пружин 21 и кольца 20 перемещается и выбирает конструктивный зазор Z, при этом уплотнительная поверхность поршня 18 выступает относительно опорной поверхности B корпуса седла 22.
При закрытии клапана (например, когда поток рабочей среды направлен из отверстия 4 к отверстию 5) привод 31 поворачивает ведущую ось 13 сегмента 9 с опорной осью 12. Ось 13 через систему рычагов 15, 17 и тяги 16 одновременно поворачивают ось 11 с сегментом 8 и опорной осью 10. Поворот сегментов заканчивается посадкой сферических поверхностей на опорную поверхность B корпуса седла 22. При прохождении сферических поверхностей сегментов 8, 9 в контакте с уплотнительными поверхностями поршней 18 последний перемещается на величину зазора Z, сжимая пружины 21.
После закрытия затвора подается команда на закрытие запорного устройства 24. При этом давление во внутренней полости клапана такое же, как и во входном отверстии 4, так как входное давление рабочей среды отжимает поршень 18 фланца 3 и давление выравнивается. Из внутренней полости клапана избыточное давление проникает через зазоры в полость под поршень 18 фланца 2 и создает дополнительное усилие поджатия уплотнительной поверхностью поршня 18 к сферической поверхности сегмента 9.
При низких давлениях рабочей среды герметичность в затворе обеспечивается поджатием только усилием пружин 21.
Для открытия клапана подается команда на открытие запорного устройства 24. Перепадом давления рабочей среды обратный клапан 26 байпасной линии открывается, и давление во внутренней полости клапана быстро сбрасывается и выравнивается с полостью, расположенной у отверстия 5. При этом сегмент 9 полностью разгружается от усилия, создаваемого перепадом давления. Одновременно на сегмент 8 действует перепад давлений, который создает момент, поворачивающий его в направлении открытия, а следовательно, значительно снижает нагрузку на поворотный привод. Привод самотормозящийся. За счет этого эффекта происходит открытие с очень малым крутящим моментом. При открытии основное усилие поджатия сегмента 9 сброшено, поэтому последний в разгруженном состоянии проскальзывает своей сферической поверхностью по уплотнительной поверхности поршня 18 и выходит из зацепления.
При изменении направления движения рабочей среды, что бывает в аварийных ситуациях на магистральных трубопроводах газовых, нефтяных и водяных систем, давлением рабочей среды обратный клапан 26 перекрывается, и при открытом запорном устройстве 24 нормально открытого действия открывается обратный клапан 25. Через штуцер 27 внутренняя полость клапана соединяется с отверстием 4.
При этом в положении «закрыто» герметичность клапана обеспечивается уплотнительными поверхностями сегмента 8 и поршня 18 седла 6, а поршень 18 седла 7 отжимается перепадом давления, давление во внутренней полости практически сравнивается с давлением у отверстия 5.
При технологической обвязке магистральных трубопроводов может возникнуть необходимость в двухсегментном клапане с односторонним направлением потока рабочей среды. При этом клапан можно упростить, выполнив соединение внутренней полости клапана байпасной линией с выходным отверстием клапана, оснастив ее только запорным устройством нормально открытого действия
Опытное изготовление предлагаемой конструкции доказало ее эффективность и полностью подтвердило ее аэродинамический расчет.
Предлагаемый запорный клапан в отличие от существующих конструкций позволит существенно снизить момент на приводе и обеспечить двухстороннее уплотнение затвора при уменьшенных весогабаритных характеристиках, а также повысить износостойкость и герметичность уплотнительных поверхностей, увеличивая срок службы клапана при использовании его на магистральных трубопроводах высокого давления при больших расходах рабочей среды, то есть может заменить шаровые краны, установленные на магистральных трубопроводах с высоким давлением среды.