Клапан-отсекатель

Полезная модель относится к нефтегазовой промышленности.
Функциональное назначение клапана-отсекателя К302 (клапана) – автоматическое отключение скважины путём перекрытия трубопровода высокого давления при изменении давления рабочей среды выше или ниже значений установленных настройками приводов (при аварийном повышении или понижении давления в трубопроводе).
Клапан предназначен для использования на трубопроводах нефтегазовых промыслов и подземных хранилищ газа.
Клапан устанавливается на выкидной линии скважины, у её устья, а также может устанавливаться на технологических трубопроводах нефтегазоконденсатных месторождений.
Клапан должен устанавливаться на горизонтальном участке трубопровода приводами вверх в соответствии со стрелкой, указывающей направление движения рабочей среды.
Уровень техники.
Известно устройство отсекающее, содержащее корпус, расположенный в нем поворотный запорный орган, выполненный в виде накладываемых одна на другую двух поворотных заслонок, одна из которых разгрузочная с отверстием, а другая - глухая, перекрывающая отверстие разгрузочной заслонки, и удерживающий запорный орган в открытом положении основной фиксатор. Устройство снабжено дополнительным фиксатором и двумя чувствительными элементами: один - пониженного давления, а другой повышенного давления, выполненными в виде нагруженных пружинами штоков, причем шток чувствительного элемента пониженного давления связан с основным фиксатором, а шток чувствительного элемента повышенного давления связан с дополнительным фиксатором, установленным с возможностью взаимодействия с основным фиксатором (патент RU 2103579 C1).
Известен клапан-отсекатель с двумя приводами, с двухступенчатым перекрытием потока среды, содержащий корпус, первую и вторую рабочие полости, расположенные в них затворы, приводы затвора, первый по направлению движения транспортируемой среды затвор выполнен с проходным отверстием, а второй затвор выполнен глухим (патент RU 180057).
Данный клапан решает задачу уменьшения гидроудара.
Однако при аварийном перекрытии трубопровода высокого давления, по которому транспортируется среда с высокой скоростью и с высоким содержанием  жидкой фракции возможности данного клапана по уменьшению гидроудара могут быть недостаточными.
Технической проблемой является недостаточное уменьшение гидроудара при аварийных перекрытиях трубопроводов высокого давления.
Клапан-отсекатель содержит корпус, содержащий две соединенные между собой проходным отверстием рабочие полости, в каждой из которых расположен затвор, снабженный фиксирующим его в открытом положении приводом с чувствительным элементом, выполненным в виде нагруженного пружинами штока с выступами на концах. Приводы выполнены с возможностью регулировки предела срабатывания чувствительного элемента привода.
Отличительной особенностью полезной модели является то, что клапан имеет две рабочие полости и каждая полость имеет свой снабженный приводом затвор. Вторая по направлению движения транспортируемой среды полость имеет затвор, выполненный в форме захлопки с проходным отверстием, которая в закрытом положении перекрывает 50 % площади проходного отверстия выходной полости, а первая полость имеет комбинированный затвор, выполненный в форме захлопки с отверстием, которая перекрывает 90 % площади проходного отверстия между рабочими полостями и захлопки глухой, находящейся с ней на одной оси, которая полностью перекрывает проход во входной полости.
При аварийном повышении давления в корпусе клапана осуществляется три ступени перекрытия проходного сечения до полного закрытия и в этом участвуют затворы обеих полостей.
При аварийном понижении давления в корпусе клапана осуществляется две ступени перекрытия проходного сечения до полного закрытия и в этом участвует комбинированный затвор первой входной полости.
Техническим результатом, достигаемым полезной моделью, является повышение надежности клапана-отсекателя при срабатывании и перекрытии трубопровода высокого давления, по которому среда транспортируется с высокой скоростью, что обеспечивает значительное уменьшение гидроудара.
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами фиг.1 - фиг.8.
На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого клапана,
на фиг. 2 показан сборочный чертеж предлагаемого клапана в разрезе,
на фиг. 3 показан разрез А-А с расположением затворов входной и выходной полости, узлов подъёма захлопок, вентиля перепускного и затвора комбинированного в разрезе,
на фиг. 4 показано исходное рабочее положение клапана,
на фиг. 5 показано срабатывание захлопки с отверстием в выходной полости клапана при повышении давления в нем,
на фиг. 6 показано срабатывание захлопки с отверстием во входной полости клапана при дальнейшем повышении давления в нем,
на фиг. 7 показано срабатывание захлопки глухой во входной полости клапана и полное перекрытие потока среды,
на фиг. 8 показан привод, настроенный на срабатывание при аварийном повышении/понижении давления в корпусе клапана.
На фигурах позициями обозначены:
1 - клапан,
2 - привод механический, настроенный на срабатывание при повышении давления в корпусе клапана,
3 - рукоятка привода (пов.),
4 - привод механический, настроенный на срабатывание при повышении/понижении давления в корпусе клапана,
5 - рукоятка привода (пов./пон.),
6 - рым-болт,
7 - корпус,
8 - входная крышка,
9 - выходная крышка,
10 - ось затвора выходной полости,
11 - кронштейн затвора выходной полости,
12 - затвор выходной полости (захлопка с разгрузочным отверстием),
13 - ось комбинированного затвора входной полости,
14 - кронштейн комбинированного затвора входной полости,
15 - комбинированный затвор входной полости,
16 - захлопка основная с разгрузочным отверстием,
17 - захлопка глухая,
18 - вентиль перепускной,
19 - узел подъема затвора выходной полости,
20 - рукоятка узла подъема затвора выходной полости,
21 - узел подъема затвора входной полости,
22 - рукоятка узла подъема затвора входной полости,
23 - шкала настройки срабатывания  привода 2 при аварийном повышении давления,
24 - шкала настройки срабатывания  привода 4 при аварийном повышении давления,
25 - шкала настройки срабатывания  привода 4 при аварийном понижении давления,
26, 27 - уплотнительные кольца,
28, 29, 30 - кольца резиновые уплотнительные,
31 – шпилька,
32, 33 - гайки,
34, 35 - оси,
36 - рычаг привода 4,
37, 38 - кольца резиновые уплотнительные,
39 - шпилька,
40 - втулка,
41 - винт,
42 - гайка,
43 - пружина сжатия настройки срабатывания при повышении давления,
44 - пружина сжатия настройки срабатывания при понижении давления,
45 - шток,
46 - колпак,
47 - упор затвора выходной полости,
48 - упор затвора входной полости,
49 - рычаг привода 2
Устройство и его работа
Внешний вид клапана без комплекта монтажных частей приведён на фиг. 1. Конструкция клапана приведена на фиг. 2-8.
В состав клапана входят: клапан 1; привод пружинный (привод 2), с автоматическим срабатыванием на ЗАКРЫТИЕ при достижении в клапане 1 величины давления срабатывания, установленной настройками привода при повышении давления рабочей среды. Привод 2 имеет рукоятку 3, предназначенную для перевода чувствительного механизма срабатывания привода из положения АВТ. в положения РУЧН. или СТОП; привод пружинный (привод 4), с автоматическим срабатыванием на ЗАКРЫТИЕ при достижении в клапане 1 величины давления срабатывания, установленной настройками привода, при повышении или понижении давления рабочей среды. Привод 4 имеет рукоятку 5, предназначенную для перевода чувствительного механизма срабатывания привода из положения АВТ. в положения РУЧН. или СТОП.
Настройка привода (фиг. 8) на срабатывание при аварийном повышении давления в корпусе производится достижением определенного усилия сжатия пружины 43 гайкой 42.
Настройка привода на срабатывание при аварийном понижении давления в корпусе производится достижением определенного усилия сжатия пружины 44 винтом 41. Защита привода от воздействия внешней среды и нарушения диапазонов настройки обеспечивает колпак 46.
Для монтажа и демонтажа клапана на трубопровод предусмотрены рым-болты 6.
В клапан 1 входит: корпус 7, входная 8 и выходная 9 крышки, которые крепятся к корпусу 7 при помощи шпилек 31 и гаек 32.
На оси 10 кронштейна 11, установленного на выходной крышки 9, установлен затвор 12.
Затвор 12 (захлопка 12), предназначенный для частичного перекрытия потока рабочей среды при срабатывании клапана на ЗАКРЫТИЕ при повышении давления рабочей среды выше значения установленного настройками привода 2.
На оси 13 кронштейна 14, установленного на корпусе 7, установлен комбинированный затвор (в дальнейшем - затвор 15), предназначенный для полного перекрытия потока рабочей среды при срабатывании клапана на ЗАКРЫТИЕ при повышении/понижении давления рабочей среды выше (ниже) значений, установленных настройками привода 4.
Комбинированный затвор 15 состоит из основной захлопки 16 с разгрузочным отверстием и дополнительной глухой захлопки 17.
Конструкция затворов 12 и 15 обусловлена необходимостью предотвращения резкого изменения давления рабочей среды в момент срабатывания клапана на ЗАКРЫТИЕ.
Для выравнивания давления рабочей среды до и после комбинированного затвора 15 в корпусе 7 установлен перепускной вентиль 18 (Фиг.3).
Для установки затвора 12 в рабочее положение (ОТКРЫТО) на корпусе 7 установлен узел подъёма захлопки 19 с рукояткой 20.
Для установки комбинированного затвора 15 в рабочее положение (ОТКРЫТО) на корпусе 7 установлен узел подъёма захлопок 21 с рукояткой 22.
Узлы подъема захлопок устанавливаются в боковые отверстия  корпуса 7 и крепятся неподвижно к корпусу шпильками 39 и гайками 33.
Герметичность потока среды по отношению к окружающей среде обеспечивается резиновыми уплотнительными кольцами 28-30; 37-38. Герметичность комбинированного затвора 15 обеспечивается  уплотнением 26 для захлопки 17 глухой и уплотнением  27 для захлопки 16 с разгрузочным отверстием (фиг.3).
Работа клапана.
Принцип действия клапана заключается в последовательной механической разблокировке затворов 12 и 15 приводами 2 и 4 при аварийном повышении давления рабочей среды в трубопроводе и механической разблокировке затвора 15 приводом 4 при аварийном понижении  давления рабочей среды в трубопроводе.
Исходное положение клапана, готового к автоматическому срабатыванию при аварийном повышении/понижении давления в трубопроводе изображено на фиг. 4.
Работа клапана при повышении давления рабочей среды в трубопроводе выше значений, установленных настройками приводов 2 и 4.
Конструктивное исполнение привода 2 выполнено по аналогии с приводом, описанным в патенте №180057. Привод настроен на срабатывание только при аварийном повышении давления рабочей среды в трубопроводе, причем настройка обеспечивает его срабатывание первым.
Конструктивное исполнение привода 4 (фиг.8) выполнено с возможностью срабатывания как при аварийном повышении давления, так и при аварийном  понижении давления рабочей среды в трубопроводе, причем настройка срабатывания при аварийном повышении давления рабочей среды в трубопроводе обеспечивает его последовательное срабатывание только после срабатывания привода 2.
При повышении давления внутри корпуса 7 выше установленной величины давления срабатывания привода 2, указанной на шкале 23:
Рычаг 49 привода 2 освобождает захлопку 12, которая под действием собственного веса и потока среды поворачивается на оси 10 и прижимается к седлу крышки 9, частично перекрывая проходное отверстие в выходной крышке 9 (принцип взаимодействия деталей привода 2 раскрыт в ближайшем аналоге, патенте № 180057). Эта ступень срабатывания изображена на фиг. 5.
При дальнейшем повышении давления внутри корпуса 7 выше установленной величины давления срабатывания привода 4, указанной на шкале 24: под действием повышающегося давления в полости корпуса 7 шток привода 45, преодолевая усилие пружины сжатия 43 перемещается  вверх в полость привода с атмосферным давлением, осевое перемещение штока 45  через ось 35 передается рычагу 36, который находясь на оси 34, установленной неподвижно во втулке 40  преобразует осевое перемещение штока 45  в  продольное перемещение Т-образной части рычага 36 (фиг.8 (выноска Г «при повышении давления»)), рычаг привода 36 выходит из зацепления с упором 48, освобождая захлопку 16, которая под действием собственного веса и потока среды поворачивается на оси 13 и прижимается к седлу корпуса 7, частично перекрывая поток рабочей среды и оставляя открытым только разгрузочное отверстие в захлопке 16. Эта ступень срабатывания изображена на фиг.6. После перекрытия захлопкой 16 проходного отверстия в корпусе 7 продолжает повышаться давление (при резком повышении давления за захлопкой 4), рычаг привода 36 выходит из зацепления с фрагментом тела «С» захлопки глухой 17, что приводит к ее освобождению приводом,  под действием собственного веса и потока среды захлопка 17 поворачивается на оси 13 и прижимается к захлопке 16, окончательно перекрывая поток рабочей среды. Эта ступень срабатывания изображена на фиг. 7.
Работа клапана при понижении давления рабочей среды в трубопроводе ниже значения, установленного настройками привода 4.
Принцип действия клапана заключается в механической разблокировке затвора 15 приводом 4 при аварийном понижении давления рабочей среды в трубопроводе, так как привод 2 и находящийся с ним в зацеплении затвор 12 остаются в исходном положении.
При понижении давления внутри корпуса 7 ниже установленной величины давления срабатывания привода 4, указанной на шкале 25: под действием понижающегося  давления в полости корпуса 7 шток привода 45, под действием  усилия сжатия пружины сжатия 44 перемещается  вниз в полость привода с понижающимся  давлением, осевое перемещение штока 45  через ось 35 передается рычагу 36, который находясь на оси 34, установленной неподвижно во втулке 40  преобразует осевое перемещение штока 45  в  продольное перемещение Т-образной части рычага 36 (фиг. 8 (выноска Г «при понижении давления»)), рычаг 36 привода 4 освобождает захлопку 16, которая под действием собственного веса и потока среды поворачивается на оси 13 и прижимается к седлу корпуса 7, частично перекрывая поток рабочей среды и оставляя открытым только разгрузочное отверстие в захлопке 16. После перекрытия захлопкой 16 проходного отверстия в корпусе 7, в полости корпуса 7 продолжает понижаться давление,  рычаг 36 привода 4 выходит из зацепления с фрагментом тела «С» захлопки глухой 17, при этом рычаг освобождает захлопку 17, которая под действием собственного веса и потока среды поворачивается на оси 13 и прижимается к седлу захлопки 16, окончательно перекрывая поток рабочей среды.
Блокировка затвора 12 в положении ОТКРЫТО выполняется переводомрукоятки 3 привода 2 в положение СТОП, при этом рукоятка 20 узла подъёмазахлопки 19 должна находиться в положении СТОП.
Блокировка затвора 15 в положении ОТКРЫТО выполняется переводомрукоятки 5 привода 4 в положение СТОП, при этом рукоятка 22 узла подъёмазахлопок 21 должна находиться в положении СТОП.
Местное – ручное (принудительное) срабатывание клапана на ЗАКРЫТИЕ выполняется поворотом рукояток 3 и 5 приводов 2 и 4 в положение РУЧН., при этом рукоятки 20 и 22 узлов подъема захлопок 19 и 21 должны находиться в положении АВТ.
Рукоятки 3 и 5, 20 и 22 в рабочем положении клапана должны находиться в положении АВТ., при нахождении рукояток 3 и 5, 20 и 22 в положении СТОП срабатывание клапана от понижения и повышения давления невозможно. Перепускной вентиль 18 должен быть закрыт.
Подъём затвора 15 рукояткой 22 узла подъёма захлопок 21 допускается выполнять только после выравнивания давления до и после затвора 15 посредством открытия перепускного вентиля 18.
Достоинства и преимущества предлагаемого клапана отсекателя:
по конструктивному двухприводному исполнению с трёхступенчатым перекрытием потока среды при аварийном  повышении давления в трубопроводе нет аналогов;
практически исключает вероятность разрушения деталей затворов клапана и трубопровода по которому транспортируется  среда с содержанием жидкой фракции  с высокой скоростью и высоким давлением;
способен выполнять защитные функции отсечения потока как при аварийном повышении давления в нем, так и при аварийном понижении давления в нем.