ЗАДВИЖКА ШИБЕРНАЯ ТЕРМОСТОЙКАЯ
HEAT-RESISTANT GATE VALVE

Изобретение относится к области арматуростроения и предназначено для устьевой арматуры, применяемой при оснащении и эксплуатации паронагнетательных скважин нефтяных месторождений.
Известна шиберная задвижка (Пат. РФ №2.378.547, кл. МПК F16K 3/02, опубл. 10.01.2010 г.), содержащая корпус с проходным технологическим отверстием, шибер с приводом, уплотнительными седлами, втулки с обеих поверхностей шибера, установленные с возможностью поджима седел к его торцовым поверхностям.
К недостаткам конструкции задвижки можно отнести то, что в случае прокачки через устройство высокотемпературной среды - пара, горячей нефти или воды, существует разность температур между деталями, находящимися внутри корпуса и самим корпусом.
Особенно велика эта разность при открытии или закрытии шибера, т.е. в начальный момент подачи горячей среды через задвижку или в момент прекращения подачи. При этом произойдет неравномерное термическое изменение размеров втулок, седел, шибера и корпуса.
Это может привести к резкому увеличению контактных напряжений на границе седло-шибер с возникновением касательных напряжений на штоке, с неравномерным нагружением уплотнения штока. Связь штока через резьбу непосредственно с шибером, приводит в этом случае к неравномерному поджиму и заклиниванию. При открытии шибера поджим седел к поверхности шибера осуществляется также за счет воздействия перепада давления со стороны уплотняемой среды.
Герметизация кольцевых зазоров между втулками, седлами и корпусом, с использованием высокоэластичных уплотнительных колец, например на основе резины, ограничивает область применения таких задвижек по температуре.
Известна задвижка шиберная (Пат. РФ №2.128.308, кл. МПК F16K 3/20, опубл. 27.03.1999 г.), состоящая из корпуса с проходными отверстиями, шибера, подвижных седел с уплотнительными элементами и независимыми опорными втулками, каждая из которых образует с соответствующим подвижным седлом кольцевой зазор. Уплотнительный элемент подвижного седла со стороны, обращенной к шиберу, выполнен по радиусу, что, по мнению авторов, повышает надежность и долговечность работы задвижки.
Поджим седел к уплотняемой поверхности шибера осуществляется пружинами, расположенными по периметру.
К недостаткам конструкции можно отнести:
- необходимость высокой точности изготовления сопрягаемых деталей седел с обеспечением сборки и постоянного контактного взаимодействия с уплотняемой поверхностью отбора;
- поджим седел к шиберу осуществляется пружинами, но кольца, поджимающие уплотнитель, связаны с седлом болтовым соединением, из чего можно сделать вывод, что установка пружины возможна только в отверстиях со стороны торцовой части, обращенной к внутренней поверхности корпуса.
При необходимости на задвижках с достаточно малыми геометрическими параметрами проблематично получить осевое усилие от пружины, достаточное для герметизации зазора между седлом и шибером.
Основное осевое усилие, направленное на поджим уплотнения седла к поверхности шибера, создается за счет перепада давления со стороны уплотняемой среды, которое воспринимается радиальными уплотнительными кольцами, диаметр которых больше диаметра уплотнительных колец на торцах седел. Проблематично иметь надежный герметичный контакт на границе торцовой поверхности шибера с торцем втулки, поскольку площадь седла, меньше чем площадь опорной втулки. Это говорит о том, что удельные контактное давление на границе взаимодействия шибера с опорным кольцом будет значительно меньше необходимого для обеспечения герметизации уплотняемой среды.
Известна термостойкая шиберная задвижка (Пат. РФ №2.443.926, кл. МПК F16K 3/02, опубл. 27.02.2012 г.), принятая авторами за прототип.
Задвижка шиберная термостойкая состоит из корпуса с проходными отверстиями и гнездами под втулочные седла, снабженные юбками. Втулочные седла установлены в гнездах с образованием технологического зазора с телом корпуса.
На юбках седел установлены пакеты термостойких радиальных уплотнений, поджимаемых торцем втулочного седла, к торцовой поверхности корпуса в месте расположения гнезд. На торцах втулочных седел, обращенных к торцовым поверхностям шибера, установлены торцовые уплотнения.
В шибере выполнена цилиндрическая расточка, в которой установлена втулка, с резьбой, для связи с нижним концом штока. Перпендикулярно к его оси в штоке выполнено отверстие, в которое пропущен штифт, жестко связанный с втулкой. Шток охвачен пакетом уплотнительных манжет, установленных в крышке и поджатых снизу грундбуксой.
Шток снабжен буртом, которым он входит во взаимодействие с грундбуксой в крайнем верхнем положении.
Работа термостойкой шиберной задвижки.
При сборке задвижки в гнездах корпуса устанавливаются втулочные седла, снабженные предварительно термостойкими радиальными уплотнениями на поверхности юбок.
При вводе шибера в зазор между втулочными седлами происходит предварительное сжатие материала термостойких радиальных уплотнений с сохранением упругих свойств. Зазор между телом втулочных седел и корпусом определяется из условия его ликвидации, когда произойдет термическое увеличение размера шибера и линейных размеров втулочных седел, с замыканием осевой нагрузки на корпус. Зазор между торцем юбок и корпусом определяется из условия сохранения его минимального значения при термическом увеличении диаметральных размеров каждой из юбок. Герметизация зазора между шибером и втулочными седлами осуществляется торцовыми уплотнениями в их кольцевых канавках.
При подаче высокотемпературной среды через задвижку под воздействием температуры происходит в первую очередь термическое изменение поперечных размеров шибера и линейных размеров втулочных седел с ликвидацией зазора между втулочными седлами и корпусом. Тем самым обеспечивается защита термостойких радиальных уплотнений от дополнительных сжимающих осевых нагрузок, которые могут превосходить значения для материала термостойких радиальных уплотнений. При закрытии шибера последний воспринимает перепад давления со стороны уплотняемой среды и сообщает его на втулочное седло без дополнительного нагружения осевой нагрузкой пакета термостойких радиальных уплотнений на юбке втулочного седла, находящегося справа.
Термостойкие уплотнения на юбке, находящиеся слева, под действием избыточного давления поджимают торцовое уплотнение к поверхности шибера с сохранением герметичного контакта.
При этом шибер смещается к торцовой поверхности втулочного седла с соответствующим перемещением на эту же величину его верхнего конца относительно штока, что исключает создание изгибающего момента на штоке и неравномерной нагрузки, сообщаемой пакету уплотнительных манжет.
Толщина стенки каждой из юбок определяется из условия обеспечения ее упругой деформации с сохранением работоспособности материала радиальных уплотнений и поддерживания необходимых контактных напряжений на наружной поверхности юбок и внутренней поверхности гнезд корпуса.
Изменение диаметральных размеров юбок компенсирует рост внутренних напряжений в материале радиальных уплотнений при сохранении необходимых контактных напряжений на уплотняемых поверхностях.
Недостатки конструкции:
- соединение шибера с нижним концом штока обладает недостаточной степенью свободы, чтобы обеспечить смещение шибера в ту или иную сторону, при изменении термодинамических условий эксплуатации в момент открытия-закрытия шибера;
- низкая работоспособность термостойких радиальных уплотнений при изменении термодинамических условий эксплуатации.
При осуществлении подачи горячего флюида через задвижку происходит первоначально нагрев втулочных седел с термостойкими уплотнениями с соответствующим термическим увеличением диаметральных размеров при холодном корпусе. В этом случае происходит увеличение внутренних напряжений в материале уплотнителя, превосходящее допустимые значения.
При закрытии шибера слева уплотнение продолжает находится под действием перепада давления.
Осевое усилие, воспринимаемое уплотнением и площадью шибера, перераспределяется и сообщается через шибер на уплотнение, находящееся справа за шибером.
Однако изменение диаметральных размеров втулочного седла и уплотнения после закрытия шибера приводит к охлаждению корпуса и дополнительному сжатию материала уплотнения с ростом напряжений, превосходящим допустимые.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, заключается в следующем:
- возможность плавающего положения шибера, способного в зависимости от действующей осевой нагрузки занимать оптимальное положение относительно торцовых уплотнений и в соединении со штоком;
- возможность поддержки оптимальных контактных напряжений на уплотняемой торцовой поверхности шибера при открытом и закрытом его положении, т.е. когда отсутствует температурное воздействие и давление уплотняемой среды на одном из уплотнителей, при сохранении воздействия этих факторов на другом уплотнителе.
Технический результат достигается тем, что задвижка шиберная термостойкая содержит корпус, шибер с проходным отверстием, втулки с юбками и уплотнениями, размещенные в гнездах, снабженных тонкостенными стаканами с наружным кольцевым и внутренним опорным выступами, выполненных в теле подводящего и отводящего патрубков. Втулки с юбками и уплотнениями установлены внутри стаканов с обеспечением торцового контакта юбками с их внутренними опорными выступами и втулками с торцовыми поверхностями шибера. Шибер со штоком соединены через шарнирное соединение, включающее палец со сферической поверхностью на шибере, шар на нижнем конце штока, связанные друг с другом через переводник, снабженный ответной сферической поверхностью и накидными гайками. Стаканы в гнездах установлены с образование диаметрального и торцового зазора с корпусом.
Анализ технических решений показал, что известна шиберная задвижка (см. пат. РФ №2244862, М кл. F16K 41/07, опубл. 20.01.2005 г.). В устройстве отмечено, что узел соединения штока с шибером выполнен в виде Т-образного паза в шибере, в который введен ответный Т-образный палец, что обеспечивает ограниченное взаимное перемещение шибера относительно штока на величину технологического зазора, образованного при изготовлении и монтаже сопрягаемых деталей.
Известна также шиберная задвижка (см. пат. РФ №2.378.547, М кл. F16K 3/02, опубл. 10.01.2010). Шибер связан со штоком напрямую через резьбовое соединение. Для поддержания контактных напряжений седел с шибером в осевой канал подводящего и отводящего патрубков введены втулки, опирающиеся через упругие кольца на седла. Втулки обладают повышенной коррозионной стойкостью и могут быть изготовлены из материала с коэффициентом термического расширения, превосходящим термический коэффициент расширения металла, из которого выполнена задвижка.
Известен пат. США №4.647.050, М кл. Е21В 33/00, опубл. 22.07.1985, где рассмотрена конструкция устройства, в котором применено шарнирное соединение для связи трубной подвески с устьевым оборудованием.
Конструкция задвижки шиберной термостойкой поясняется чертежами,
где:
- на фиг.1 - общий вид конструкции в разрезе в положении деталей для пропуска горячего флюида;
- на фиг.2 - увеличенная в масштабе конструкция седла и узел взаимодействия его с шибером;
- на фиг.3 - конструкция шиберной задвижки в разрезе при перекрытии подачи горячего флюида.
Задвижка шиберная термостойкая состоит из корпуса 1 с подводящим 2 и отводящим 3 патрубками. В осевых каналах 4 и 5 патрубков 2 и 3 выполнены гнезда 6 и 7, в которых размещены стаканы 8 и 9 с наружными кольцевыми выступами 10 и 11 и внутренними опорными выступами 12 и 13.
Внутрь стаканов 8 и 9 введены втулки 14 и 15 с юбками 16 и 17, на которых установлены уплотнения 18 и 19. Втулки 14 и 15 опираются юбками 16 и 17 на внутренние опорные выступы 12 и 13 стаканов 8 и 9 и выходят противоположным концом за границы стаканов 8 и 9 с образованием торцового контакта с уплотняемыми поверхностями шибера 20. Шибер 20 на верхнем конце снабжен пальцем 21 со сферической поверхностью 22, охватываемой накидной гайкой 23, связанной с переводником 24. В крышке 25, связанной с корпусом 1, выполнена расточка 26 и установлен пакет термостойких уплотнений 27, охватывающих шток 28, нижний конец которого располагается под пакетом термостойких уплотнений 27, снабженный опорным выступом 29 и шаром 30, входящим в контакт с ответной сферической поверхностью, выполненной в теле переводника 24, и поджатой гайкой 31. Кольцевой зазор между крышкой 25 и корпусом 1 герметизирован кольцом 32, и они связаны друг с другом болтовым или шпилечным соединением. Стаканы 8 и 9 в месте торцового контакта наружными выступами 10 и 11 с корпусом 1 опираются на уплотнения 33 и 34.
Работа задвижки шиберной термостойкой.
Пакет термостойких уплотнений 18 и 19 устанавливается на наружной поверхности юбок 16 и 17, втулок 14 и 15, которые вводятся внутрь стаканов 8 и 9.
При вводе втулок 14 и 15 внутрь стаканов 8 и 9 происходит предварительное сжатие материала уплотнений 18 и 19 с сохранением упругих свойств. Поскольку толщина стенок стаканов 8 и 9 принята минимальной (в пределах 0,5 мм), то это способствует накоплению в их материале упругих деформаций, которые могут сообщаться на уплотнения. Стаканы 8 и 9 устанавливаются в гнездах 6 и 7 с образованием между ними кольцевого зазора. Между торцовой поверхностью стаканов 8 и 9 и торцовой поверхностью корпуса 1 в месте выполнения гнезд 6 и 7 также образованы зазоры, размер которых определяется исходя из термического изменения размеров шибера и линейных размеров втулок 14 и 15 до без удлинения юбок 16 и 17.
При воздействии температуры на втулки 14 и 15 с юбками 16 и 17 происходит также нагрев материала стаканов 8 и 9. Термическое удлинение стаканов 8 и 9 равно термическому удлинению втулок 14 и 15, что позволяет сохранять неизменными и достаточными напряжения в материале уплотнений 18 и 19 с сохранением их упругих свойств и герметизирующей способности.
При этом герметизация шибера 20 осуществляется за счет поджима торцов втулок 14 и 15.
Дополнительный поджим втулок 14 и 15 обеспечивается также восприятием давления сечением сборки стаканов 8 и 9, уплотнений 18 и 19, втулок 14 и 15.
Термическое изменение размеров этих сборок и самого шибера 20 не влияет на работоспособность уплотнений 18 и 19. При закрытии шибера 20, которое осуществляется при вращении штурвала, связанного со штоком 28, последний через шар 30, связанный с переводником 24, передает осевую нагрузку на сферическую поверхность 22 и далее через палец 21 на шибер 20.
Наличие сферического соединения шибера 20 со штоком 28 позволяет обеспечить центровку шибера 20 относительно торцовых поверхностей втулок 14 и 15 с сохранением герметичности соединения.
При закрытии шибера 20 происходит перераспределение нагрузок, действующих на шибер 20, поскольку сборка соединения - стакан 9, втулка 15, уплотнение 19 - перестает воспринимать перепад давления и температуру, которая после прекращения прокачки горячего флюида уменьшается. Происходит также охлаждение корпуса 1 с изменением размеров деталей.
Благодаря сферическому соединению шибера 20 со штоком 28 шибер 20 может свободно перемещаться в ту или другую сторону с сохранением работоспособности задвижки параллельно торцовой поверхности втулок 14 и 15.
При термическом изменении диаметральных размеров юбок 16 и 17 одновременно с тем же знаком происходит термическое изменение диаметральных размеров стаканов 8 и 9. Тем самым сохраняются неизменными напряжения в уплотнениях 18 и 19 с поддержанием необходимых контактных напряжений на уплотняемых поверхностях шибера 20.