КЛАПАН ОБРАТНЫЙ ШАРИКОВЫЙ

Полезная модель относится к нефтяному машиностроению, в частности к конструкции обратного клапана, который может быть использован с погружными штанговыми или электроцентробежными насосами для скважин, предназначенными, преимущественно, для перекачивания жидкостей с высоким содержанием механических примесей.
Из описания патента РФ на полезную модель RU 55018, опубликованного 27.07.2006 (МПК: E21B 34/06), известен клапан обратный, состоящий из цилиндрического корпуса с внутренним кольцевым выступом, запорного элемента, установленного с возможностью осевого перемещения внутри корпуса, седла, закрепленного с помощью резьбовой втулки, ограничителя с отверстиями для протока жидкости. Причем седло установлено в корпусе с одной стороны кольцевого выступа на входе клапана, а ограничитель закреплен с другой стороны кольцевого выступа. Запорный элемент выполнен в виде шарика. Резьбовая втулка выполнена увеличенной высоты, так, что ее торец выступает над уровнем боковых стенок корпуса клапана. При этом для удобства сборки и разборки клапана на выступающей части боковой поверхности втулки выполнены отверстия под вороток. Использование клапана данной конструкции в составе насосного оборудования нефтяной скважины привело к снижению ресурса оборудования и к преждевременному отказу лифтовой колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) за счет промыва стенок колонны НКТ. К указанному дефекту привело наличие отверстий в резьбовой втулке. То есть, при эксплуатации описанного клапана значительно повысился абразивный износ внутренней поверхности трубы, в которую он был установлен, поскольку через упомянутые сквозные отверстия под вороток, выполненные на резьбовой втулке, возникали поперечные потоки перекачиваемой жидкости, направленные в стенку трубы, что приводило к быстрому эрозионному износу и разрушению стенки трубы.
Указанный недостаток устранен в конструкции клапана обратного, охраняемого патентом РФ на полезную модель RU 76380, опубликованным 20.09.2008 (МПК: E21B 34/06). В описании патента раскрыт клапан обратный, включающий корпус, седло, шариковый запорный элемент, установленный в ограничителе с отверстиями для протока жидкости. Седло клапана закреплено в корпусе с помощью гайки и втулки. Между втулкой и корпусом установлено уплотнительное кольцо. Ограничитель выполнен в виде клетки, закрепленной с помощью стопорного кольца. Резьбовая втулка установлена заподлицо (вровень) с боковыми стенками корпуса клапана. Клапан данной конструкции обладает хорошей ремонтопригодностью, а также высокой стойкостью к эрозионному воздействию перекачиваемой жидкости, содержащей механические примеси.
Однако эксплуатация упомянутого клапана на нефтяных скважинах в тяжелых условиях требует дальнейшего повышения жесткости и надежности его конструкции. В частности по технологии эксплуатации скважинного оборудования при проведении ремонтных работ предусматривается использование сбивного стержня (ломика), который сбрасывают вниз с верхнего уровня скважины. Воздействие сбивного стержня на донную часть клетки запорного элемента в некоторых случаях может приводить к смятию клетки. Для повышения надежности клапана требуется повышение прочности конструкции клетки и других элементов клапана без снижения его пропускной способности.
Заявленная полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности клапана обратного шарикового в тяжелых условиях эксплуатации.
Техническим результатом полезной модели является повышения надежности клапана обратного шарикового.
Для решения поставленной задачи предложен клапан обратный шариковый, включающий полый стальной цилиндрический корпус с внутренним кольцевым выступом, установленную в корпусе клапанную пару в виде кольцевого седла и шарикового запорного элемента, ограничитель хода запорного элемента, выполненный в виде клетки со сквозными отверстиями для протока жидкости, закрепленной внутри корпуса при помощи стопорного кольца, при этом седло установлено с одной стороны кольцевого выступа на входе клапана, а клетка - с другой стороны кольцевого выступа, седло закреплено с помощью гайки и резьбовой втулки, сквозные отверстия клетки выполнены ступенчато, так что диаметр отверстий в донной части клетки выполнен меньше, чем диаметр соединенных с ними каналов, образованных в боковых стенках клетки, а толщина кольцевого выступа, разделяющего седло клапана и клетку, составляет от 0,15 до 2 диаметров шарика запорного элемента.
Выполнение клетки с отверстиями ступенчатой формы позволяет увеличить массивность и прочность донной части клетки, на которую приходятся основные импульсные воздействия в период эксплуатации клапана. При этом не происходит снижения пропускной способности клапана, поскольку (на величину ступеньки) увеличен диаметр каналов, выполненных в виде продольных расточек цилиндрической формы в боковых стенках клетки и ступенчато переходящих в отверстия, расположенные в донной части клетки, благодаря чему суммарный просвет между шариком и внутренней поверхностью боковых стенок клетки увеличен. Таким образом, ступенчатое сопряжение сквозных отверстий с продольными каналами клетки клапана позволяет повысить его эксплуатационную надежность.
В заявленной конструкции клапана обратного предусмотрена возможность увеличения толщины кольцевого выступа, разделяющего седло клапана и клетку. Толщина кольцевого выступа может быть выполнена в интервале от 0,15 до 2 диаметров шарика запорного элемента. Толщина выступа величиной от 0,15 диаметра шарика минимально достаточна для обеспечения прочности выступа на срез в обычных условиях эксплуатации. Увеличенная до 2 диаметров шарика толщина кольцевого выступа, разделяющего седло клапана и клетку, позволяет заявленному устройству выдерживать более сильные импульсные воздействия в продольном направлении, что повышает прочность конструкции в тяжелых условиях эксплуатации, а следовательно и показатели надежности клапана.
Гайка и резьбовая втулка, закрепляющие в корпусе седло клапана, выполнены с пазами под ключ. Причем указанные пазы на втулке служат не только для взаимодействия с ключом на этапе сборки, но на этапе эксплуатации клапана они дополнительно служат направляющими для потока перекачиваемой жидкости, способствуют централизации потока и его закручиванию. Предпочтительно, пазы под ключ выполнены глухими без сквозной проточки их наружной боковой стенки для исключения воздействия боковых потоков перекачиваемой жидкости на стенки колонны НКТ, что дополнительно повышает показатели надежности заявленного устройства.
В заявленной конструкции клапана (в сборе) резьбовая втулка не должна выступать за пределы корпуса, что позволяет исключить турбулентную составляющую при движении потока жидкости и повышает показатели надежности заявленного устройства.
Между резьбовой втулкой и корпусом клапана обратного установлено уплотнение, предпочтительно уплотнительное кольцо из резины или силикона. Использование уплотнения позволяет исключить забивание резьбы с торца изделия при транспортировке изделия, а также повреждений резьбы абразивными частицами при эксплуатации клапана обратного в потоке перекачиваемой жидкости, что дополнительно повышает показатели надежности заявленного устройства. С той же целью на внешней стороне резьбовой втулки выполнен защитный буртик с кольцевой проточкой под ним для размещения уплотнения или уплотнительного кольца.
Упомянутые выше гайка, резьбовая втулка и клетка выполнены, предпочтительно, из нержавеющей стали марки 40X13, которая обеспечивает заданные показатели коррозионной стойкости, прочности и надежности заявленного устройства.
Полезная модель иллюстрируется фигурой 1.
На фигуре 1 представлен клапан обратный шариковый на виде сбоку с осевым продольным разрезом.
Клапан обратный шариковый содержит полый стальной цилиндрический корпус 1 с зауженной горловиной на входе. В корпусе 1 размещена клапанная пара, содержащая кольцевое седло 2, установленное в проточке на внутреннем кольцевом выступе корпуса, и запорный элемент в виде шарика 6, установленного с возможностью осевого перемещения в клетке 7.
1
2
1
2
Ограничитель хода запорного элемента выполнен в виде клетки 7 со сквозными отверстиями для протока жидкости. Клетка 7 установлена внутри корпуса с опорой на кольцевой выступ и закреплена внутри корпуса 1 при помощи стопорного кольца 8, при этом седло 2 установлено с одной стороны кольцевого выступа на входе клапана, а клетка 7 - с другой стороны кольцевого выступа. Седло 2 закреплено с помощью гайки 3 и резьбовой втулки 4. Сквозные отверстия клетки 7 выполнены ступенчато, так что диаметр D отверстий в донной части клетки выполнен меньше диаметров D соединенных с ними каналов, образованных продольными проточками сегментной формы в боковых стенках клетки 7. (D<D).
1
2
В предпочтительном варианте изготовления заявленного устройства выполняется соотношение D/D=(0,85÷0,95), где
1
D - диаметр отверстий в донной части клетки,
2
D - диаметр каналов, образованных продольными проточками сегментной формы в боковых стенках клетки.
1
2
При этом минимальный диаметр D выбирается из условий обеспечения заданной пропускной способности клапана, а максимальная величина диаметров D выбирается, исходя из минимальной допустимой толщины стенки клетки с точки зрения обеспечения ее прочности.
Кольцевой выступ, расположенный с внутренней стороны на стенке корпуса, разделяет между собой седло 2 и клетку 7 и служит для клетки опорой. Толщина указанного кольцевого выступа максимально может составлять величину до 2 диаметров шарика 6 запорного элемента.
Гайка 3 и резьбовая втулка 4 выполнены с пазами 9 под ключ. При этом пазы 9 под ключ выполнены глухими без сквозной проточки наружной боковой стенки резьбовой втулки 4 и гайки 3.
Между резьбовой втулкой 4 и корпусом 1 установлено уплотнение, предпочтительно, выполненное в виде уплотнительного кольца 5 из резины или силикона.
На внешней стороне резьбовой втулки 4 выполнен защитный буртик и кольцевая проточка под ним для размещения уплотнения или уплотнительного кольца 5.
Гайка 3, резьбовая втулка 4 и клетка 7 выполнены из нержавеющей стали, предпочтительно из стали марки 40X13.
Корпус 1 клапана может быть выполнен из стали 45, но более предпочтительно - из стали с улучшенной коррозионной стойкостью, например, из стали марки 40Х.
Заявленный клапан обратный шариковый работает следующим образом.
При использовании с погружными насосами клапан обратный шариковый устанавливают в насосно-компрессорную трубу.
После включения насоса рабочая жидкость поступает на вход клапана через резьбовую втулку 4 к шарику 6, выполняющему роль запорного элемента. Под давлением жидкости шарик 6 поднимается из седла 2 и перемещается внутри клетки 7, открывая клапан для прохода перекачиваемой жидкости. При этом внутри клапана образуется поток жидкости, который перемещается по каналам, образованным продольными проточками в боковых стенках клетки 7. Далее жидкость выходит через сквозные отверстия в донной части клетки 7 и поступает на выход клапана в колонну насосно-компрессорных труб, по которой поднимается на выход из скважины. Все элементы конструкции заявленного клапана обратного шарикового обладают высоким запасом прочности и обеспечивают ему высокую надежность в тяжелых условиях эксплуатации.
При остановке насоса шарик 6 запорного элемента под давлением столба жидкости в колонне насосно-компрессорных труб опускается в седло 2, тем самым предотвращает обратный поток рабочей жидкости и удерживает жидкость на заданном уровне в колонне насосно-компрессорных труб.
При необходимости замены в клапане шарика 6 или седла 2 сливают жидкость из колонны над обратным клапаном с помощью сливного клапана. При этом, в случае использования сбивного стержня для открытия сливного клапана, его воздействие на гарантированно не повреждает клетку, благодаря повышению прочности донной части клетки (за счет ступенчатого выполнения отверстий) и прочности опоры (за счет увеличения толщины кольцевого выступа). Таким образом, отличительные признаки конструкции клапана обеспечивают повышение надежности заявленного устройства.
Дальнейший ремонт осуществляют путем выкручивания резьбовой втулки 4 с гайкой 3 и замены седла 2 и шарика 6. Уплотнительное кольцо 5, установленное в кольцевой выточке во втулке 4 предохраняет резьбу на гайке 3 и на втулке 4 от воздействия абразивных частиц и агрессивной рабочей жидкости, что упрощает разборку клапана для технического обслуживания, а также повышает его долговечность и надежность.
Пример.
Опытный образец клапана обратного шарикового заявленной конструкции был установлен в насосно-компрессорную трубу нефтяной скважины, работающей с возможностью совместного выхода нефти и попутного нефтяного газа. Выход порций газа при открытии клапана сопровождался ударными воздействиями шарика на донную часть клетки. При этом за период эксплуатации клапана не зафиксировано фактов раскалывания запорного элемента импульсным ударным воздействием шарика.
Эксплуатация опытного образца клапана показала, что повышение надежности достигнуто за счет совместного влияния отличительных признаков его конструкции, позволивших уменьшить импульс силы, с которым шарик воздействует на клетку. Результат достигнут уменьшением продольного размера клетки, который привел, как к увеличению толщины кольцевого выступа, разделяющего седло клапана и клетку, так и к необходимости увеличения диаметров каналов, образованных продольными проточками цилиндрической формы в боковых стенках клетки, чтобы сохранить на прежнем уровне пропускную способность клапана.
Таким образом, отличительные признаки полезной модели, заключающиеся в том, что:
- сквозные отверстия клетки выполнены ступенчато, так что диаметр отверстий в донной части клетки выполнен меньше диаметра соединенных с ними каналов, образованных проточками в боковых стенках клетки;
- толщина кольцевого выступа, разделяющего седло клапана и клетку, составляет от 0,15 до 2 диаметров шарика запорного элемента;
в тяжелых условиях эксплуатации совместно обеспечивают один технический результат повышения надежности клапана за счет повышения его стойкости к ударным воздействиям при сохранении пропускной способности.