Шаровой кран с гидроприводом
BALL VALVE WITH HYDRAULIC DRIVE

Область техники
Изобретение относится к области трубопроводной арматуры и предназначено для оперативного перекрытия и герметизации внутритрубного пространства бурильной колонны в случае нефтегазоводопроявлений под большим давлением при бурении нефтяных и газовых скважин, а также для предотвращения сброса бурового раствора, оставшегося в вертлюге (верхнем силовом приводе) и буровом рукаве после выключения бурового насоса.
Предшествующий уровень техники
Шаровой кран (далее ШК) представляет собой превенторную задвижку шарового типа, полнопроходную, с внутренним отверстием. ШК устанавливают (свинчивают замковой резьбой) на выходном валу вертлюг-редуктора верхнего силового привода (ВСП) и он является его неотъемлемой частью. ШК с гидроприводом (далее ШКГП), используемый в бурильной колонне должен обеспечивать работоспособность устройства в жестких климатических условиях, в том числе, при температуре окружающей среды до минус 55°С.
Известен патент на полезную модель RU 168587, F15B 15/06, опубл. 09.02.2017 Бюл. №4 под названием «Привод гидравлический шарового крана». Он содержит корпус, в котором установлен гидроцилиндр двустороннего действия с поршнем, снабженным штоком и разделяющим полость гидроцилиндра на поршневую и штоковую камеры, каждая из которых снабжена штуцером для подачи рабочей жидкости под давлением в полости гидроцилиндра. Поршень выполнен двусторонним и вместе со штоком закреплен на корпусе гидропривода неподвижно. Шток поршня с обеих сторон выполнен полым, с образованием внутри штока двух полостей, разделенных между собой глухой перемычкой, расположенной в районе поршня под его центральной частью. Одна полость внутри штока соединена с полостью поршневой камеры гидроцилиндра при помощи каналов, выполненных в стенке штока в районе поршня со стороны поршневой камеры. Другая полость внутри штока соединена с полостью штоковой камеры гидроцилиндра при помощи каналов, выполненных в стенке штока в районе поршня со стороны штоковой камеры. На концах штока установлены штуцеры для подвода рабочего тела в упомянутые камеры гидроцилиндра и его отвода. Гидроцилиндр выполнен с возможностью осевого перемещения по поршню, а на его поверхности размещена зубчатая рейка для взаимодействия с шестеренкой, размещенной в корпусе гидропривода и устанавливаемой на исполнительный механизм приводимого в действие агрегата. В торцевых стенках корпуса установлены с возможностью осевого перемещения упоры для ограничения хода цилиндра.
Известен шаровой кран с гидроприводом, представляющим собой подвижную гильзу, установленную на корпусе крана и вращающуюся вместе с ней с возможностью осевого перемещения вдоль корпуса крана с помощью двух наружных отсекающих гидроцилиндров, закрепленных на неподвижных опорах, и роликовых узлов, входящих в пазы соединительной муфты или диска, вращающего вместе с корпусом шарового крана (Руководство по эксплуатации верхнего привода HongHua DQ225DBZ, стр. 44-50), Интернет ru.made-in-china.com>co_hongshengoil/product_Тор… Гильза имеет два симметричных внутренних паза (копира), в которые вставлены рычаги-качалки. При вертикальном движении гильзы вверх-вниз, рычаги-качалки, перемещаясь с одной стороны по копирам, с другой стороны совершают вращательное движение относительно корпуса шарового крана, поворачивая с помощью шестигранников шар гидроприводной секции в сторону закрытия или открытия внутритрубного пространства.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является шаровой кран с гидроприводом АО "ABA Гидросистемы", Санкт-Петербург, Паспорт ШКГП ЛГ ВСП-225.080.000-01ПС, 2011 год, Интернет hvdrosvstem.ru. Он содержит корпус ШК, в котором установлены два шара в седлах. Седла устанавливаются в подвижных опорах, уплотненных кольцами и поджатых к шарам с помощью пружин. С противоположной стороны шары контактируют с седлами, установленными в неподвижные разрезные втулки, уплотненные кольцами. Шары крана могут поворачиваться на 90° и открывать или закрывать внутреннее отверстие крана. Для предотвращения загрязнений гидропривода буровым раствором и другими эксплуатационными материалами составные части гидропривода размещены внутри корпуса. Гидропривод шарового крана представляет собой неподвижный узел-гидропанель, установленный на корпусе шарового крана и закрепленный с помощью фиксатора-радиатора от вращения, и подвижный узел-гидропанель верхняя, средняя и нижняя, крышка верхняя и нижняя, установленные, зафиксированные на корпусе шарового крана и вращающиеся вместе с ним. Две приводные рейки, перемещаемые внутри подвижного узла вдоль оси вращения с помощью двух симметрично расположенных относительно продольной оси поршней, поворачивают шестерни с внутренними шестигранными отверстиями. Давление в 100 бар в поршневых областях создается рабочей жидкостью, подаваемой в неподвижную гидропанель через масляные кольцевые канавки, соединенные с осевыми масляными каналами в подвижном узле. Поворот шаров осуществляется с помощью двух шестигранников, соединенных с упорами через втулки с внутренним шестигранником от внутреннего гидроприводного устройств.
К недостаткам прототипа можно отнести невысокую надежность и низкую ремонтопригодность. Как показал опыт эксплуатации, данные шаровые краны с гидроприводом не могут обеспечить высокую надежность. Это обусловлено тем, что кольцевые уплотнения в проточках неподвижного узла вследствие скольжения по поверхности корпуса шарового крана с большой окружной линейной скоростью под давлением 100 бар быстро изнашиваются, начинают течь и снижать рабочее давление.
По этой же причине происходит интенсивный износ торцевого уплотнения между неподвижным и подвижным узлами шарового крана. Любая замена уплотнений, включая ремонт поршневых уплотнений, сопровождается необходимостью остановки верхнего силового привода, свинчивания шарового крана с привода, его доставки с месторождения и разборки в условиях специализированной базы производственного обслуживания.
Раскрытие изобретения
Задача, которая решена изобретением, заключается в повышении надежности работы ШКГП под высоким давлением, снижении времени простоя верхнего силового привода при ремонте гидроприводной части, повышении удобства обслуживания (точки смазки находятся снаружи корпуса).
Технический результат - полное отсутствие проблемы износа уплотнений, работающих под большим давлением и при высоких скоростях скольжения, а также возможность оперативной замены вышедших из строя деталей и узлов гидропривода шарового крана без демонтажа с верхнего привода (без длительной остановки буровых работ) и его разборки.
Поставленные задачи решены следующим образом. Шаровой кран с гидроприводом, содержит корпус, в котором расположены два шара, установленные в седлах, смонтированных в подвижных опорах, и с другой стороны, контактирующие с седлами, установленными в неподвижных разрезных втулках, привод поворота шаров, связанный с гидроприводом, смонтированным на упомянутом выше корпусе и отличается, что гидропривод выполнен в виде подвижного и неподвижного узлов, причем, неподвижный узел представляет собой опору, смонтированную на упомянутом корпусе, закрепленную в осевом направлении посредством стопорных колец, и снабженную обоймами - внутренней, жестко установленной на упомянутом корпусе, и наружной, установленной на внутренней обойме, с возможностью вращения, а подвижный узел - представляет собой приводную гильзу, установленную с возможностью перемещения вдоль упомянутого корпуса посредством двух, симметрично расположенных относительно продольной оси, гидроцилиндров, штоки которых закреплены на приводной гильзе в опорах, а корпуса соединены с неподвижным узлом - опорой. Приводная гильза снабжена внутренней гильзой, жестко установленной на упомянутом корпусе, и наружной обоймой, установленной с возможностью вращения на внутренней гильзе, а в пазах внутренней гильзы установлены три роликовых узла, обеспечивающие центрирование внутренней гильзы относительно упомянутого корпуса, и две, симметрично расположенных относительно продольной оси рейки, закрепленные посредством крепежных элементов и входящие в зацепление с шестернями, установленными на шестигранниках, смонтированных в упорах механизма поворота шаров крана.
Сущность изобретения заключается в том, гидроцилиндры, воздействующие на приводные рейки с шестигранными отверстиями, выполнены не внутри вращающихся узлов, а снаружи на невращающихся частях гидропривода.
Пример конкретного выполнения
Предлагаемое изобретение поясняется рисунками.
На рис. 1 изображен общий вид шарового крана с гидроприводом в изометрии;
на рис. 2а - продольный разрез конструкции ШК, на рис.2 6 - сечение А-А рис. 2а;
на рис. 3а - вид сбоку ШКГП, на рис. 3б - сечение А-А рис. 3а, на рис. 3в - вид с торца и сечение Б-Б;
на рис. 4а и б - общий вид ШКГП в открытом и закрытом положениях, на рис. 4в - сечение А-А рис. 4б.
ШКГП содержит шаровой кран и гидропривод (рис. 1). Шаровой кран состоит из корпуса 1 (рис. 2), двух шаров 2, установленных в седлах 3 и 4. Седла 3 установлены в подвижных опорах, уплотненных кольцами 5, 6 и поджатых к шарам 2 с помощью пружин 7. С противоположной стороны шары 2 контактируют с седлами 4, установленными в неподвижные разрезные втулки 8, зафиксированные кольцами 9, 10 и уплотненные кольцами 11, 12. Шары крана могут поворачиваться на 90° и открывать или закрывать внутреннее отверстие крана. Привод поворота шаров 2 осуществляют с помощью ключей 13, соединенных с упорами 14 с внутренним шестигранником от внешнего гидроприводного устройства (верхний узел) или ручного управления (нижний узел). Фиксацию упоров 14 в корпусе осуществляют втулками 15 с уплотнениями 16, 17. Поворот шара вручную осуществляют ключом-шестигранником, вставляемым в пазы упора. Ключ входит в комплект инструментов. На корпусе крана нанесены буквы «О» и «З», что соответствует положению «Открыто» и «Закрыто». Ручной шаровой кран расположен перед предохранительным переводником и используется в качестве дополнительного крана или в том случае, если гидроприводная секция шарового крана выйдет из строя, а так же в случае отключения электроэнергии или в других ситуациях.
В дополнение к замковому соединению с валом вертлюг-редуктора, на корпусе 1 шарового крана выполнены наружные шлицы 18 для установки шлицевой муфты (на рисунке не показаны), соединяющей корпус 1 и выходной вал редуктора.
Конструктивно, устранение проблемы с уплотнениями достигают тем, что гидропривод шарового крана представляет собой неподвижный узел - опору 19 (рис. 3), установленный на корпусе шарового крана и закрепленный в осевом направлении с помощью стопорных колец 20, и подвижный узел - гильза приводная 21, перемещаемый вдоль шарового крана 1 с помощью двух симметрично расположенных относительно продольной оси гидроцилиндров 22, штоки которых закреплены на приводной гильзе в опорах, а корпуса соединены с неподвижной опорой.
Неподвижный узел - опора 19 имеет внутреннюю обойму 23, которая центрируется на корпусе шарового крана 1, и вращается вместе с ним при вращении вала вертлюга. Наружная обойма 24 установлена на шариковом подшипнике и неподвижна, как и внутренняя обойма относительно корпуса шарового крана в осевом направлении. Шпонка 25 фиксирует от поворота наружную обойму относительно лапы захвата.
Приводная гильза имеет подвижную внутреннюю гильзу 26, установленную на корпусе крана 1 и вращающуюся вместе с ним, и наружную обойму 27, установленную на шариковом подшипнике на внутренней гильзе (не вращается).
Во внутренней гильзе, в пазах, установлены три роликовых узла 28 и две симметрично расположенных относительно продольной оси рейки 29, закрепленные с помощью винтов. Ролики 30 обеспечивают центрирование внутренней гильзы относительно корпуса 1 при осевых перемещениях. Рейки 29 входят в зацепление с шестернями 31, установленными на шестигранниках 32, вставленных в упоры механизма поворота шаров крана.
Для предотвращения проворота наружной обоймы подвижного узла 21, на ней установлена шпонка 33, входящая в паз кронштейна 34, закрепленного на неподвижной опоре 19.
ШК закрыт (рис. 4) в крайнем положении приводной гильзы при ее касании с опорой 19 и фиксации относительно корпуса. Для фиксации данного положения приводной гильзы используются пять фиксирующих узлов, распределенных по периметру корпуса и гильзы. С этой целью на корпусе крана установлены пять втулок, а на корпусе гильзы - пять подпружиненных фиксаторов 35 (рис.4), входящих в лунки втулок при достижении крайнего положения.
Работа шарового крана с гидроприводом осуществляется следующим образом.
Работа шарового крана с ручным приводом.
Открытие/закрытие шарового крана с ручным приводом обеспечивается путем ручного поворота шара при помощи шестигранного ключа S16 из одного крайнего положения «ОТКРЫТО» в другое крайнее положение «ЗАКРЫТО» и наоборот. Контроль положения шара осуществляется визуально по меткам на корпусе шарового крана и втулке. В случае если продольная ось корпуса совпадает с осью втулки - шаровой кран открыт. В случае если ось корпуса перпендикулярна оси втулки - шаровой кран закрыт.
Работа гидроприводного шарового крана.
Открытие шарового крана осуществляется подачей управляющего сигнала на электромагнит (на рисунке не показано). Приводная гильза шарового крана перемещается в положение «шаровой кран открыт». Срабатывает индуктивный датчик (на рисунке не показан). По истечении нескольких секунд управляющий сигнал с электромагнита снимается.
Закрытие шарового крана осуществляется подачей управляющего сигнала на электромагнит (на рисунке не показано). Приводная гильза шарового крана перемещается в положение «шаровой кран закрыт». Срабатывает индуктивный датчик (на рисунке не показан). По истечении нескольких секунд управляющий сигнал с электромагнита снимается.
Заявляемый вариант шарового крана с гидроприводом конструктивно завершен и готов к внедрению в эксплуатацию, показывая высокие результаты по надежности работы.