КЛАПАН ПЕРЕПУСКНОЙ МАГНИТОРЕГУЛИРУЕМЫЙ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ С ЗАЩИТОЙ ОТ ИЗНОСА (ВАРИАНТЫ)
MAGNET CONTROLLED WEAR RESISTANT RELIEF VALVE OF DISCRETE ACTION (VERSIONS)

Изобретение относится к запорной арматуре и может быть использовано в устройствах измерения дебита нефтяных скважин для перепуска рабочей среды из сосуда в сосуд.
Известен магнитный клапан, содержащий немагнитные корпус с седлом и установленные в нем по оси два регулируемых цилиндрических постоянных магнита, между которыми установлен запорный орган с размещенным в нем кольцевым постоянным магнитом и расположенный в корпусе со стороны седла дополнительный кольцевой постоянный магнит, коаксиальный магниту в запорном органе и ближнему к седлу регулируемому магниту, причем полюс последнего и также одноименный ему полюс дополнительного магнита направлены к разноименному им полюсу магнита в запорном органе, другой полюс которого направлен к одноименному ему полюсу регулируемого магнита в противоположном седлу конце корпуса, при этом в торце запорного органа выполнены цилиндрические проточки с возможностью ввода в них полюсов регулируемых магнитов для фиксирования запорного органа в крайних положениях (SU, авторское свидетельство №1180627 А, от 23.09.85, МПК F16K 31/08).
Известный клапан имеет ряд недостатков:
- ослаблена потенциальная возможность силового взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов наличием на них слоя немагнитного материала, а также тем, что все магниты расположены по отношению друг к другу коаксиально, не полюс в полюс, и вследствие этого силовое взаимодействие магнитных полей осуществляется значительно ограниченной их частью;
- возможно лишь регулирование величины перепада давления рабочей среды на клапане только на момент его открытия, регулирование же величины перепада давления рабочей среды на момент закрытия ограничено;
- диапазон регулирования величины перепада давления рабочей среды при открытии определяется только потенциальными возможностями магнитов, что значительно сужает область применения клапанов по перепаду давления рабочей среды на нем.
Известен клапан магниторегулируемый, содержащий корпус с перегородкой, выполненной из металла, подпружиненный запорный орган со штоком, изготовленные из металла, пружину, седло, шайбу из магнитного материала на штоке, два кольцевых постоянных магнита, два магнитопровода, дроссель в виде металлического дросселирующего диска в проходном канале седла, жестко скрепленный с запорным органом, манжету из эластомера, закрепленную на седле, распорную втулку из немагнитного материала между магнитопроводами, один из которых выполнен в виде втулки, ввернутой на резьбе в корпус, и резьбовой пробки в ней (RU, патент №2307279, С2 на изобретение от 27.09.2007, МПК F16K 31/08).
Известный клапан магниторегулируемый имеет ряд недостатков:
- незначительность диапазона регулирования величины перепада давления рабочей среды на клапане по причине ограниченности возможностей кольцевых постоянных магнитов, что значительно сужает область применения клапана;
- размагничивание постоянных магнитов и выход из строя эластомерной манжеты вследствие значительной величины скорости перемещения подвижной системы элементов: шток с шайбой и запорным органом с дросселем; что приводит к излишней величине ударного воздействия подвижной системы элементов в крайних точках хода штока на постоянные магниты и эластомерную манжету. При посадке с ударом запорного органа на седло, а также при соприкосновении с ударом шайбы с магнитопроводами, ударные воздействия приводят к постепенному размагничиванию кольцевых магнитов из-за их сотрясения и к разрушению манжеты в результате динамической деформации ее сверх пределов упругости эластомера и, в том числе, вследствие невозможности диссипации энергии деформации по причине скоротечности процесса по времени. При посадке запорного органа на седло коническая поверхность запорного органа вначале соприкасается с кромкой эластомерной манжеты. При дальнейшем перемещении вниз запорного органа кромка должна скользить относительно конической поверхности вверх со скоростью, равной по величине скорости перемещения запорного органа вниз. При этом стенка юбки манжеты должна наклоняться внутрь к центру по радиусу, сжимаясь в окружном направлении, чтобы в конце движения (посадке на седло) запорного органа принять форму, адекватную его конической поверхности. Но скольжение осуществляется со значительным трением эластомера о металл. Скорость скольжения под воздействием сил трения и инерции стенки отстает по величине от скорости перемещения запорного органа, поэтому стенка юбки манжеты деформируется по высоте сверх пределов упругости эластомера до тех пор, пока величина скорости скольжения кромки под воздействием накопленной силы реакции сдеформированной стенки не сравняется с величиной скорости перемещения запорного органа и не превысит ее. По окончании перемещения вниз запорного органа кромка проскользит вверх пока стенка не примет форму конической поверхности запорного органа, первоначальная динамическая деформация стенки по высоте уменьшится, но не до конца, этому помешают силы трения стенки о коническую поверхность под воздействием упругости юбки манжеты и перепада давления рабочей среды на нее. Чем больше скорость перемещения запорного органа вниз, тем больше первоначальная динамическая и остаточная деформация стенки по высоте, тем раньше запорный орган разобьет эластомерную манжету вплоть до ее полного разрушения; электрохимическая коррозия штока в месте сопряжения его с перегородкой и магнитопроводом, вызванная блуждающими электротоками, индуцированными перемещением шайбы в магнитном поле постоянных магнитов;
- износ и разрушение штока и перегородки в местах их сопряжения, вызванные вибрацией запорного органа под гидродинамическим воздействием потока рабочей среды с неравномерными полями скорости и плотности, подаваемого под запорный орган. Запорный орган имеет форму чаши, обращенной полостью навстречу потоку, что является причиной вынужденных колебаний его при обтекании потоком в крайне неблагоприятных условиях. Размах и сила колебаний запорного органа усугубляется наличием радиального зазора в месте сопряжения штока с перегородкой. Величина зазора постоянно увеличивается вследствие их электрохимической коррозии. Продольные перемещения штока относительно перегородки, со значительной радиальной силой прижимающегося к ней при колебаниях, изнашивают оба элемента в процессе трения, результативность которого повышается за счет увеличения шероховатости трущихся поверхностей из-за электрохимической коррозии. Сила прижатия достигает значительной величины по причине жесткости материала (металл) перегородки, неспособной вследствие этого демпфировать колебания запорного органа с целью уменьшения силы прижатия штока к перегородке. Сочетание всех этих неблагоприятных факторов приводит к износу в лавинообразной форме штока и перегородки в месте их сопряжения и в итоге к их разрушению;
- обрастание парафином рабочего органа и дросселя, что нарушает работу клапана;
- значительные радиальные нагрузки на перегородку от штока при его колебаниях усугубляются большой массой запорного органа и дросселя, изготовленных из металла и к тому же консольно относительно перегородки закрепленных на штоке.
Известный клапан магниторегулируемый наиболее близок к изобретению по технической сути и достигаемым техническим результатам.
Технической задачей изобретения является повышение долговечности и надежности работы клапана перепускного магниторегулируемого дискретного действия с защитой от износа путем снижения вероятности размагничивания постоянных магнитов и уменьшения величины динамической деформации эластомерной манжеты при посадке запорного органа на седло, за счет сокращения величины скорости перемещения штока, а также путем устранения возможности электрохимической коррозии деталей клапана, уменьшения веса запорного органа и дросселя, демпфирования колебаний штока и снижения вероятности обрастания парафином рабочего органа и дросселя, кроме того, задачей является расширение диапазона регулирования перепада давления рабочей среды на клапане увеличением силового взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов путем установки дополнительных магнитов и эффективным их взаиморасположением.
Техническая задача по первому варианту клапана перепускного магниторегулируемого дискретного действия с защитой от износа, содержащего металлический корпус, подпружиненный запорный орган со штоком, выполненные из металла, пружину, седло, шайбу из магнитного материала на штоке, постоянные магниты, два магнитопровода по обеим сторонам шайбы, дроссель в виде металлического дросселирующего диска в проходном канале седла, жестко связанный с запорным органом, манжету из эластомера, закрепленную на седле, распорную втулку из немагнитного материала между магнитопроводами, один из которых выполнен в виде резьбовой втулки, ввернутой в корпус, и резьбовой пробки в ней, решается согласно изобретению тем, что резьбовая втулка с резьбовой пробкой выполнены как единый монолитный верхний магнитопровод с регулировочным болтом и уплотнительной промежуточной вставкой, в расточке верхнего магнитопровода над шайбой установлены верхние дисковые постоянные магниты, а нижние дисковые постоянные магниты установлены в выточке нижнего магнитопровода под шайбой, при этом дисковые постоянные магниты обращены разноименными полюсами к полюсам нижнего и верхнего магнитопровода и расположены по окружностям со смещением относительно друг друга, кроме того, в сопряжение штока и нижнего магнитопровода установлена подшипниковая втулка из антифрикционного, неэлектропроводного, износостойкого материала, в корпусе установлен демпфер из упругого полимера, в сопряжении которого со штоком установлена подшипниковая втулка из антифрикционного, износостойкого, неэлектропроводного, стабильного в рабочей среде материала, запорный орган, дросселирующий диск и дистанционная втулка выполнены из упругого, износостойкого антифрикционного полимера с низкой адгезией к парафину.
Техническая задача по второму варианту клапана перепускного магниторегулируемого дискретного действия с защитой от износа, содержащего металлический корпус, подпружиненный запорный орган со штоком, выполненные из металла, пружину, седло, шайбу из магнитного материала на штоке, постоянные магниты, два магнитопровода по обеим сторонам шайбы, дроссель в виде металлического дросселирующего диска в проходном сечении канала седла, жестко связанный с запорным органом, манжету из эластомера, закрепленную на седле, распорную втулку из немагнитного материала между магнитопроводами, один из которых выполнен в виде резьбовой втулки, ввернутой в корпус, и резьбовой пробки в ней, решается согласно изобретению тем, что резьбовая втулка с резьбовой пробкой выполнены как единый монолитный верхний магнитопровод с регулировочным болтом и уплотнительной промежуточной вставкой, а постоянные магниты в виде дисков одноименными полюсами навстречу друг к другу установлены в выточках шайбы, которые расположены со смещением относительно друг друга по окружностям в верхней и нижней поверхностях шайбы, с обеих ее сторон, в сопряжении штока и нижнего магнитопровода установлена подшипниковая втулка из неэлектропроводного, антифрикционного, износостойкого материала, в корпусе установлен демпфер из упругого полимера, в сопряжении которого со штоком установлена подшипниковая втулка из антифрикционного, износостойкого, неэлектропроводного, стабильного в рабочей среде материала, запорный орган, дросселирующий диск и дистанционная втулка выполнены из упругого, износостойкого антифрикционного полимера с низкой адгезией к парафину.
Техническая задача по третьему варианту клапана перепускного магниторегулируемого дискретного действия с защитой от износа, содержащего металлический корпус, подпружиненный запорный орган со штоком, выполненные из металла, пружину, седло, шайбу из магнитного материала на штоке, постоянные магниты, два магнитпровода по обеим сторонам шайбы, дроссель в виде металлического дросселирующего диска в проходном канале седла, жестко связанный с запорным органом, манжету из эластомера, закрепленную на седле, распорную втулку из немагнитного материала между магнитопроводами, один из которых выполнен в виде резьбовой втулки, ввернутой в корпус, и резьбовой пробки в ней, решается согласно изобретению тем, что резьбовая втулка с резьбовой пробкой выполнены как единый монолитный верхний магнитопровод с регулировочным болтом и уплотнительной промежуточной вставкой, в расточке верхнего магнитопровода над шайбой установлены верхние дисковые постоянные магниты, а в выточках шайбы установлены в виде дисков одноименными полюсами навстречу друг другу верхние и нижние постоянные магниты, которые расположены со смещением относительно друг друга по окружностям в верхней и нижней поверхностях шайбы, с обеих ее сторон, кроме того, в сопряжении штока и нижнего магнитопровода установлена подшипниковая втулка из неэлектропроводного, антифрикционного, износостойкого материала, в корпусе установлен демпфер из упругого полимера, в сопряжении которого со штоком установлена подшипниковая втулка из неэлектропроводного, антифрикционного, износостойкого, стабильного в рабочей среде материала, запорный орган, дросселирующий диск и дистанционная втулка выполнены из упругого, износостойкого антифрикционного полимера с низкой адгезией к парафину.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
Фиг.1 - Общий вид клапана в разрезе; I-й вариант,
Фиг.2 - Общий вид клапана в разрезе, II-й вариант;
Фиг.3 - Общий вид клапана в разрезе, III-й вариант.
Фиг.4 - Сеч. А-А клапана на фиг.1;
Фиг.5 - Сеч. Б-Б клапана на фиг.2 и фиг.3.
Клапан перепускной магниторегулируемый дискретного действия с защитой от износа, в дальнейшем тексте «Клапан» (см. фиг.1-5), содержит корпус 1 с демпфером 2 из упругого полимера. В корпус 1 на резьбе ввернут верхний магнитопровод 3, выполняющий также функцию крышки. Запорный орган 4 из упругого, износостойкого антифрикционного полимера со штоком 5 нагружен пружиной 6, упирающейся в нижний магнитопровод 7, опирающийся в свою очередь через распорную втулку 8 из немагнитного материала в верхний магнитопровод 3. Распорная втулка 8 посажена с возможностью перемещения в корпусе 1. В центральное отверстие нижнего магнитопровода 7 запрессована подшипниковая втулка 9 из антифрикционного, износостойкого, неэлектропроводного материала, в которую посажен с возможностью перемещения шток 5, на верхнем конце последнего закреплена шайба 10 из магнитного материала. Дисковые постоянные магниты 11 и 12 расположены по окружностям со смещением относительно друг друга. В верхнем магнитопроводе 3 дисковые постоянные магниты 12 через стопорное кольцо 13 фиксируются во втулке 14. На штоке 5 закреплена подвижная опора 15 для регулирования усилия предварительного сжатия пружины 6 с фиксатором 16. Для регулировки момента закрытия клапана верхний магнитопровод 3 снабжен регулировочным болтом 17 и уплотнительной промежуточной вставкой 18. На нижней цилиндрической части штока 5 закреплен запорный орган 4, сопрягаемый с седлом 19, в проходном канале которого размещен дросселирующий диск 20. Дросселирующий диск 20 в сопряжении с проходным каналом седла 19 образует дроссель 21. На седле 19 закреплена манжета 22 из эластомера, уплотняющая сопряжение седла 19 с запорным органом 4. Дросселирующий диск 20 закреплен на конце штока 5 и отделен от запорного органа 4 дистанционной втулкой 23. Дросселирующий диск 20 и дистанционная втулка 23 изготовлены из упругого, износостойкого антифрикционного полимера с низкой адгезией к парафину. В сопряжении демпфера 2 и штока 5 установлена подшипниковая втулка 24 из неэлектропроводного, стабильного в рабочей среде материала с антифрикционными и износостойкими свойствами. Клапан устанавливается в «устройство применения» 25 и крепится конусно-фланцевым соединением.
Клапан по II варианту исполнения (см. фиг.2) отличается от клапана первого варианта тем, что постоянные магниты 11, 12 в виде дисков одноименными полюсами навстречу друг к другу установлены в выточках шайбы 10, которые расположены со смещением относительно друг друга по окружностям в верхней и нижней поверхностях шайбы 10, с обеих ее сторон.
Клапан по III варианту исполнения (см. фиг.3) отличается от клапана II варианта исполнения тем, что в расточке верхнего магнитопровода 3 над шайбой 10 установлены верхние дисковые постоянные магниты 12, а в выточках шайбы 10 установлены в виде дисков одноименными полюсами навстречу друг другу верхние и нижние постоянные магниты 11, которые расположены со смещением относительно друг друга по окружностям в верхней и нижней поверхностях шайбы 10, с обеих ее сторон.
Клапан перепускной магниторегулируемый дискретного действия с защитой от износа работает следующим образом: на запорный орган 4 и дросселирующий диск 20 воздействует (с одной стороны) гидродинамическое усилие потока рабочей среды через канал седла 19 клапана, обусловленное перепадом давлений рабочей среды до и после клапана; с другой стороны через шток 5 воздействуют усилие пружины 6 и действующие на шайбу 10 магнитные силы дисковых постоянных магнитов 11, 12.
Клапан имеет два крайних зафиксированных положения: «Открыто» и «Закрыто». Промежуточных зафиксированных положений клапан не имеет и перемещение из одного крайнего положения в другое происходит без остановок.
Фиксация клапана в крайних положениях осуществляется дисбалансом сил: гидродинамическое усилие, сила пружины 6 и удерживающая сила одной из магнитных цепей, создаваемых магнитами 11, 12. При восстановлении баланса сил происходит расфиксация клапана из крайних положений и при дальнейшем нарастании тенденции изменения состоявшегося соотношения сил клапан перемещается из одного крайнего положения в другое. Например: клапан фиксируется в положении «Открыто» дисбалансом сил: гидродинамическая сила в сумме с удерживающей силой верхней магнитной цепи: магнит 11, шайба 10, верхний магнитопровод 3, магнит 12 превышают усилие сжатия пружины 6. При понижении перепада давлений до величины ΔРмин восстанавливается баланс сил и, как следствие, происходит расфиксация клапана из положения «Открыто»; далее происходит отрыв шайбы 10 от магнитопровода 3 и вследствие этого резкое падение величины, удерживающей силы верхней магнитной цепи практически до нуля, после чего подвижный комплекс элементов (запорный орган 4, шток 5, шайба 10 с магнитом 11, дросселирующий диск 20, дистанционная втулка 23) под воздействием дисбаланса сил, воздействующих на него, стремительно опускается вниз до упора в торец седла 19, так как сила сжатия пружины 6 значительно превосходит по величине гидродинамическое усилие. Подвижный комплекс элементов занял крайнее нижнее положение, запорный орган 4 сел на манжету 22, шайба 10 с магнитом 11 включились в нижнюю магнитную цепь. Тем самым клапан зафиксирован в положении «Закрыто» дисбалансом сил. Расфиксация клапана из положения «Закрыто» происходит при повышении перепада давления до величины ΔРмакс аналогично расфиксации клапана из положения «Закрыто».
Перемещение подвижного комплекса элементов вверх происходит под воздействием дисбаланса сил: гидродинамическое усилие значительно превышает по величине силу сжатия пружины 6; до упора шайбы 10 с магнитом 11 в верхний магнитопровод 3 с магнитом 12. Шайба 10 с магнитом 11 включается в верхнюю магнитную цепь. Клапан зафиксирован в положении «Закрыто» дисбалансом сил. Величины перепадов давления рабочей среды: ΔРмин и ΔРмакс, при которых происходит дискретная смена положений клапана из «Закрыто» в «Открыто» и обратно, регулируется не только регулировкой величины силы предварительного сжатия пружины 6 сменой положения опоры 15 на штоке 5, но и регулировкой величины удерживающей силы верхней и нижней магнитных цепей. Верхняя магнитная цепь регулируется сменой магнита 12 на более или менее мощный из имеющихся в ассортименте типоразмеров. Более мощный магнит 12 приводит к уменьшению величины ΔРмин за счет увеличения удерживающей силы и наоборот. Размещение магнита 11 в шайбе 10 значительно увеличивает удерживающую силу за счет сопряжения через шайбу 10 магнитных полей двух магнитов 11, 12. Уменьшается также величина ΔРмин.
Нижняя магнитная цепь регулируется смещением нижнего магнитопровода 7 с магнитом 11 от шайбы 10 в ее крайнем нижнем положении. При увеличении зазора между шайбой 10 и нижним магнитопроводом 7 уменьшается величина удерживающей силы и наоборот, соответственно уменьшается или растет величина ΔРмакс. Размещение магнита 11 в нижнем магнитопроводе 7 значительно увеличивает удерживающую силу в нижней магнитной цепи за счет прямого сопряжения магнитных полей магнитов 11, 12 и, соответственно, увеличивает ΔРмакс.
Размещение магнитов 11, 12 в выточках на шайбе 10 значительно увеличивает массу конструкции подвижного комплекса элементов по сравнению с аналогом клапана в «к» раз. Принимая во внимание, что величина кинетической энергии подвижного комплекса элементов, накопленная им к концу перемещения, практически одинакова и у клапана, и у его аналога, можно сделать вывод, что скорость перемещения подвижного комплекса элементов клапана, по сравнению с аналогом, в  раз меньше. В той же степени сокращается ударное воздействие сотрясением на магниты 11, 12. При перемещении вниз до упора в торец седла 19 ударное воздействие демпфируется запорным органом 4, изготовленным из упругого полимера. Снижение скорости перемещения наряду с антифрикционностью запорного органа 4 значительно снижает величину первоначальной динамической и остаточной деформации манжеты 22.
Упругость материала демпфера 2 значительно снижает силу и величину амплитуды вынужденных колебаний запорного органа 4 в потоке рабочей среды из проходного канала седла 19. Этим также исключается резонанс подвижной системы элементов клапана. Неэлектропроводность материала втулок 9 и 24 препятствует протеканию блуждающих токов в их сопряжениях со штоком 5, что исключает электрохимическую коррозию элементов в этих местах. Изготовление втулки 24 из стабильного в рабочей среде материала исключает заклинивание штока 5 в подвижном сопряжении от разбухания втулки 24. Снижение массы элементов за счет применения полимеров вместо металлов, из которых они изготовлены: запорный орган 4 и консольно присоединенные к нему дросселирующий диск 20, дистанционная втулка 23, значительно снижает величину радиальной силы прижатия штока 5 к втулке 24 во время его колебаний, что наряду с антифрикционностью и износостойкостью материала втулки 24, отсутствием электрохимической коррозии в сопряжении и снижением скорости осевого перемещения штока 5 сводит величину износа трением элементов сопряжения к минимуму.
Низкая адгезия к парафину материала дросселирующего диска 20, дистанционной втулки 23 предотвращает обрастание парафином поверхностей элементов, контактирующих с текущей рабочей средой.
Работа вариантов II, III исполнения клапана осуществляется идентично первому варианту.
Реализация конструкции, предложенной изобретением, позволит создать клапан долговечный и надежный в работе, с широким диапазоном регулирования перепада давления рабочей среды на нем.