КЛАПАН ШТАНГОВОГО НАСОСА

Полезная модель относится к нефтяному машиностроению и может быть использована в скважинных штанговых насосах, перекачивающих преимущественно жидкости с повышенным содержанием механических примесей.
Известен клапан, в котором уплотнительный элемент седла клапана из эластомерного материала расположен в закрытой полости и находится в условиях всестороннего объемного сжатия (см., патент US №4781213, кл. F 16 К 15/04, 01.11.1988).
Расположение уплотнительного элемента седла из эластомерного материала в закрытой полости позволяет улучшить условия работы уплотнительного элемента. Однако зона контакта седла с запорным элементом в виде шара находится в постоянном контакте с перекачиваемой жидкой средой, включающей механические примеси, что приводит к быстрому износу уплотнительного элемента седла. В результате надежность работы такого клапана также недостаточно высока.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является клапан штангового насоса, содержащий корпус, шаровой запорный элемент и составное седло, включающее сопряженные наружный и внутренний кольцевые элементы, при этом в наружном кольцевом элементе выполнена цилиндрическая расточка, а внутренний кольцевой элемент размещен в этой цилиндрической расточке и поджат к наружному кольцевому элементу посредством резьбой втулки (см., патент RU №2005940, кл. F 16 K 15/04, 15.01.1994).
Техническим результатом, на достижение которого направлена настоящая полезная модель, является повышение надежности работы клапана.
Технический результат достигается за счет того, что клапан штангового насоса содержит корпус, запорный элемент со сферической или конической поверхностью и составное седло, включающее сопряженные наружный и внутренний кольцевые элементы, при этом в наружном кольцевом элементе выполнена цилиндрическая расточка, а внутренний кольцевой элемент размещен в этой цилиндрической расточке и поджат к наружному кольцевому элементу посредством резьбой втулки, при этом глубина цилиндрической расточки наружного кольцевого элемента меньше высоты внутреннего кольцевого элемента, наружный кольцевой элемент выполнен из пластичного антифрикционного материала, например бронзы, внутренний кольцевой элемент выполнен из износостойкого твердого, но хрупкого материала, например керамики, отверстия наружного и внутреннего кольцевых элементов со стороны запорного элемента образованы конической сужающейся поверхностью с переходом в цилиндрическую поверхность, при этом диаметр цилиндрической поверхности наружного кольцевого элемента равен максимальному диаметру конической поверхности внутреннего кольцевого элемента, а угол конусности конической поверхности наружного кольцевого элемента превышает угол конусности конической поверхности внутреннего кольцевого элемента.
Запорный элемент может быть изготовлен из керамики или из закаленной нержавеющей стали.
Запорный элемент может быть покрыт нитридом титана.
В ходе исследования режима работы клапана штангового насоса было установлено, что при взаимодействии шарового запорного элемента с седлом на последнее действует радиальное растягивающее усилие, возникающее в результате гидравлической нагрузки на шаровой запорный элемент от перепада давления. При существующих размерах клапанов и давлении перепада до 15-20 МПа, эта нагрузка может достигать 1000 кг и более. Если внутренний кольцевой элемент выполнен из хрупкого твердого материала, например чугуна или керамики, то оно может разрушиться под воздействием
ударов и растягивающих нагрузок шарового запорного элемента клапана в момент закрытия клапана.
2
3
Описываемая конструкция составного седла предотвращает разрушение внутреннего кольцевого элемента, выполненного из твердого износостойкого материала (в качестве таких материалов могут быть использованы чугун, закаленная сталь, керамика и целый ряд других твердых сплавов). Недостатком таких материалов, как правило является их хрупкость, в связи с чем они плохо воспринимают растягивающие усилия. Для исключения воздействия на внутренний кольцевой элемент растягивающих усилий от действия шарового запорного элемента внутренний кольцевой элемент сопрягают с наружным кольцевым элементом, выполненным например из нержавеющей стали, бронзы или латуни, для чего внутренний кольцевой элемент располагают в расточке наружного кольцевого элемента, при этом внутренний кольцевой элемент прижимают к наружному кольцевому элементу, для чего высота внутреннего кольцевого элемента превышает глубину цилиндрической расточки. Внутренний кольцевой элемент может быть расположен с натягом, например запрессован в расточку наружного кольцевого элемента. В этом случае материал внутреннего кольцевого элемента испытывает только напряжения сжатия. В результате чугун и керамика работают только на сжатие. Даже такие очень хрупкие минералокерамические материалы, например, карбид кремния (SiC), корунд (АlO) не разрушаются, несмотря на то, что седло клапана испытывает ударные и растягивающие нагрузки. Однако только одной запрессовки недостаточно. Необходимо предотвратить удар шарового запорного элемента по внутреннему кольцевому элементу. Поэтому шаровой запорный элемент при посадке на седло сначала ударяет по пластичному наружному кольцевому элементу, а затем перекрывает проход в седле. Для уменьшения вероятности засорения клапана механическими примесями и более точной посадки шарового запорного элемента на седло внутренняя расточка корпуса
клапана выше седла может быть выполнена конической сужающейся по направлению к седлу (на чертеже не показано).
Для увеличения износостойкости шарового запорного элемента он может быть изготовлен из керамики или закаленной нержавеющей стали и может быть покрыт нитридом титана.
На чертеже представлен продольный разрез клапана штангового насоса.
Клапан штангового насоса содержит корпус 1, шаровой запорный элемент 2 и составное седло, включающее сопряженные наружный 3 и внутренний 4 кольцевые элементы. В наружном кольцевом элементе 3 выполнена цилиндрическая расточка, а внутренний кольцевой элемент 4 размещен в этой цилиндрической расточке и поджат к наружному кольцевому элементу посредством резьбовой втулки 5 и корпуса 1. Глубина цилиндрической расточки наружного кольцевого элемента 3 меньше высоты внутреннего кольцевого элемента 4. Наружный кольцевой элемент 3 выполнен из пластичного антифрикционного материала (нержавеющей стали, латуни или бронзы). Внутренний кольцевой элемент 4 выполнен из износостойкого твердого, но хрупкого материала (чугуна или керамики). Отверстия наружного 3 и внутреннего 4 кольцевых элементов со стороны шарового запорного элемента 2 образованы конической сужающейся поверхностью, соответственно 6 и 7, с переходом в цилиндрическую поверхность, соответственно 8 и 9. Диаметр цилиндрической поверхности 8 наружного кольцевого элемента 3 равен максимальному диаметру конической поверхности 7 внутреннего кольцевого элемента 4, а угол конусности конической поверхности 6 наружного кольцевого элемента 3 превышает на 15°-20° угол конусности конической поверхности 7 внутреннего кольцевого элемента 4.
Шаровой запорный элемент 2 может быть изготовлен из керамики или закаленной нержавеющей стали и может быть покрыт нитридом титана.
Устройство работает следующим образом.
Клапан работает по принципу автоматических уплотнительных устройств периодического действия. Открытие и закрытие клапана осуществляется под действием разности давления над и под клапаном. При этом, если давление перекачиваемой среды под запорным элементом 2 превышает давление над запорным элементом 2, последний поднимается над седлом, что дает возможность перекачеваемой жидкой среде поступать в пространство над клапаном, а если давление перекачиваемой среды под запорным элементом 2 меньше давления над запорным элементом 2, последний садится на седло.
Настоящая полезная модель может быть использована в нефтедобывающей и других отраслях промышленности, где требуется использование штанговых насосов для откачки из скважин различных жидких сред, в том числе жидких сред с механическими примесями.