Клапан шаровой, срабатывающий от давления
PRESSURE-OPERATED BALL VALVE

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для автоматической защиты оборудования и трубопроводов с жидкой и газообразной химической и нефтяной рабочей средой при аварийном изменении давления. Клапан шаровой, срабатывающий от давления (КШСД), может найти применение во всех процессах нефтегазовой и химической отрасли, в которых требуется  открытие или перекрытие трубопровода при аварийном изменении давления.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В патентной литературе известны различные виды и типы клапанов для перекрытия рабочей среды.
Известен затвор обратный поворотный, содержащий корпус с крышкой и поворотную тарель с седлом, установленные внутри корпуса, а также проходящий через крышку шток, шарнирно соединенный с тарелью. Затвор снабжен пневматическим приводом штока для закрывания тарели и пружинным приводом штока для ее пассивного открывания, причем пневматический привод подключен к управляющей системе, активирующей его, когда давление среды внутри затвора достигает заданного значения закрытия, и деактивирующей пневматический привод, когда давление среды внутри затвора достигает заданного давления открытия (RU 2546884 C1, 10.04.2015). Данный затвор предназначен для перекрытия трубопровода лишь в случае аварийной смены направления течения рабочей среды, однако он не может обеспечить перекрытие трубопровода при возникновении аварийного давления среды, текущей в заданном направлении.
Наиболее близким аналогом является клапан-отсекатель, содержащий корпус с рабочей полостью, заслонку, стыкуемую при помощи шарнирного соединения, расположенного в рабочей полости, с поворотным механизмом, пружину, находящуюся в полости регулировочного корпуса, и дифференциальный шток. В регулировочном корпусе выполнен пневмоканал с возможностью обеспечения последним равного давления на торцы дифференциального штока, причем площадь торца дифференциального штока в полости регулировочного корпуса меньше, чем площадь торца дифференциального штока в рабочей полости, кроме этого дифференциальный шток связан с заслонкой посредством рычагов, расположенных в рабочей полости (RU 2176046 C2, 20.11.2001).
Недостатком клапана-прототипа является наличие застойной полости с газом, в которой намерзает конденсат при отрицательных температурах, который также осаждается на пружинный механизм. При обмерзании пружинного механизма клапан может не срабатывать. Кроме того, в регулировочном корпусе закрытая полость переменного объема, образующаяся при перемещении ступенчатого штока, не обеспечивает точность срабатывания клапана, а  наоборот приводит  к снижению точности и износу уплотнений.
Известные конструкции предохранительных клапанов не обеспечивают возможности проверки настроек срабатывания без снятия с трубопровода и под давлением рабочей среды, имеют зависимость давления срабатывания от противодавления в сбросном трубопроводе.
Изложенное показывает, что существует необходимость создания такого устройства, в котором были бы устранены описанные недостатки, а также которое могло бы сочетать в себе несколько функций. Указанное обусловило создание клапана с новым типом арматуры, выполняющей запорную, защитную и предохранительную функции.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности срабатывания клапана шарового срабатывающего от давления, в том числе предотвращение возможности неполного открытия затвора, независимость работы клапана от противодавления. Также предлагаемый клапан шаровой, срабатывающий от давления, позволяет проверить настройки без остановки технологического процесса. Кроме того, преимуществом арматуры клапана шарового, срабатывающего от давления, является самоочищающийся затвор.
Технический результат достигается за счёт того, что предложен клапан шаровой, срабатывающий от давления, характеризующийся тем, что содержит корпус с рабочей полостью, затвор с поворотным механизмом, и привод клапана, включающий пружину давления и подвижный шток, выполненный с возможностью перемещения в корпусе, при этом подвижный шток имеет участок измененного диаметра и соединен с самоочищающимся затвором посредством стопора и стопорного рычага, содержащего короткое плечо, выполненное с возможностью зацепления за стопор, и длинное плечо, выполненное с возможностью зацепления за подвижный шток посредством входа и выхода на участке измененного диаметра подвижного штока, при этом стопорный рычаг оснащён уравновешивающей пружиной.
В качестве пружины давления привод клапана может включать одну пружину давления или последовательно соединенные между собой две пружины давления, верхняя пружина давления из которых выполнена более жесткой по сравнению с нижней пружиной давления.
Самоочищающийся затвор представляет собой шаровую пробку с отверстием. В рабочей полости корпуса размещены кольцевые прокладки, расположенные по обе стороны шаровой пробки в плоскостях, перпендикулярных оси поворота шара.
Поворотный механизм представляет собой пружинный привод, соединённый с шаровой пробкой через поводок.
Взведенный пружинный механизм поворота затвора застопорен коротким плечом стопорного рычага, длинное плечо которого в свою очередь застопорено подвижным уравновешенным пружиной штоком, реагирующим на давление рабочей среды.
Ось вращения стопорного рычага перпендикулярна относительно стопора в момент его зацепления со стопорным рычагом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 и 2 схематически показана арматура клапана шарового, срабатывающего от давления.
На Фиг. 3А, 3Б и 3В показано место соединения стопорного рычага и подвижного штока на участке изменения диаметра подвижного штока.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Конструкционно предлагаемый клапан шаровой, срабатывающий от давления, содержит корпус (1) с рабочей полостью, затвор (2), поводок (3), пружинный привод (4), стопор (5), ось вращения стопорного рычага (6), стопорный рычаг (7), уравновешивающую пружину (8) и привод клапана, включающий подвижный шток (9), пружину давления (10) (Фиг. 1).
Установленный клапан шаровой, срабатывающий от давления, первоначально подвергают регулировке и задают давление настройки — это давление на входе в клапан, при котором происходит срабатывание клапана и шаровая пробка поворачивается на закрытие или на открытие, в зависимости от требуемого функционального назначения. Конструкция предлагаемого клапана исключает возможность произвольного изменения его регулировки.
Привод клапана шарового, срабатывающего от давления, содержит подвижный шток (9), выполненный с возможностью перемещения в корпусе (1), и пружину давления (10) (Фиг. 1).
Подвижный шток (9) выполнен с участком измененного диаметра (11) в месте его соединения со стопорным рычагом (7). В зависимости от требуемого направления срабатывания клапана (Фиг. 3А-3В) подвижный шток (9) может иметь участок с уменьшенным диаметром (Фиг. 1, 3А, 3Б) или участок с увеличенным диаметром (Фиг. 2, 3В).
Также привод клапана может включать в качестве пружины давления последовательно соединенные между собой в единое целое нижнюю пружину давления (10) и верхнюю пружину давления (12) (Фиг. 2), при этом верхняя пружина давления (12) выполнена более жесткой по сравнению с нижней пружиной давления (10). При повышении давления верхняя пружина давления (12) увлекает за собой подвижный шток (9) вверх, а при снижении давления нижняя пружина давления (10) толкает подвижный шток (9) вниз.
Стопорный рычаг (7) имеет два плеча: длинное и короткое. При этом длинное плечо стопорного рычага (7) выполнено с возможностью зацепления за подвижный шток (9) и расцепления с подвижным штоком (9) на участке измененного диаметра (11), а короткое плечо стопорного рычага (7) выполнено с возможностью зацепления за стопор (5) при вращении по оси вращения (6).
Ось вращения перпендикулярна относительно стопора (5) в момент его зацепления со стопорным рычагом (7).
Стопорный рычаг (7) снабжен уравновешивающей пружиной (8), которая смягчает высвобождение длинного плеча стопорного рычага (7) на участке изменения диаметра (11) подвижного штока (9), тем самым снижая давление стопорного рычага (7) на подвижный шток (9) и уменьшая между ними трение.
Кроме того, уравновешивающая пружина (8) предотвращает возможность преждевременного срыва длинного плеча стопорного рычага (7) на участке изменения диаметра (11) подвижного штока (9). При этом конструкционно соединение участка изменения диаметра (11) подвижного штока (9) и стопорного рычага (7) выполнено таким образом, что, когда давление рабочей среды почти равно давлению настройки и участок изменения диаметра (11) подвижного штока (9) уже почти сместился в нужное положение, а длинное плечо стопорного рычага (7) удерживается только краем, усилие, оказываемое стопорным рычагом (7) на подвижный шток (9), минимально и срыва плеча стопорного рычага не происходит.
Стопор (5) соединен с самоочищающимся затвором (2), снабженным поворотным механизмом. Самоочищающийся затвор (2) представляет собой шаровую пробку, которая закрывает или открывает поток рабочей среды в корпусе (1). Герметичность самоочищающегося затвора (2) обеспечивается двумя кольцевыми прокладками, уплотняющими шар и расположенными по обе стороны шаровой пробки в плоскостях, перпендикулярных оси поворота шара. Поворотный механизм представляет собой пружинный привод (4), соединённый с шаровой пробкой через поводок (3). Каждый раз при срабатывании поворотного механизма происходит самоочищение  затвора с помощью двух кольцевых прокладок.
Взведенный пружинный механизм поворота затвора (2) застопорен коротким плечом стопорного рычага (7), длинное плечо которого в свою очередь застопорено подвижным уравновешенным пружиной штоком (9), реагирующим на давление рабочей среды.
Конструкция соединения подвижного штока (9), стопора (5), стопорного рычага (7) с затвором (2) в виде шаровой пробки через поводок (3), снабженный пружинным приводом (4), позволяет проворачиваться шару вне зависимости от противодавления, которое может действовать на него с обратной стороны относительно входящего потока рабочей среды.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагаемый клапан шаровой, срабатывающий от давления, работает следующим образом.
Регулировку клапана осуществляют для аварийных ситуаций изменения давления при пороговых значениях давлений 2МПА и 10МПА.
Испытания установленного клапана шарового, срабатывающего от давления, проводили при аварийном повышении давления до 10 МПа и при  аварийном   снижении   давления  до 2 МПа.
При аварийном изменении давления в рабочей среде, протекающей в корпусе (1), под действием пружины давления (10) подвижный шток (9) меняет свое положение, двигаясь вверх или вниз. В случае последовательно соединенных нижней пружины давления (10) и верхней пружины давления (11), при снижении давления нижняя пружина давления (10) толкает подвижный шток (9) вниз, а при повышении давления верхняя пружина давления (11) увлекает за собой подвижный шток (9) вверх.
Движение подвижного штока (9) высвобождает стопорный рычаг (7). Длинное плечо стопорного рычага (7) за счет уравновешивающей пружины (8) плавно (мягко) выходит из зацепления на участке изменения диаметра (11) подвижного штока (9), а короткое плечо стопорного рычага (7) зацепляется за стопор (5) по оси вращения (6).
Испытания показали, что преждевременного срыва длинного плеча стопорного рычага (7) на участке изменения диаметра (11) подвижного штока (9) не происходит.
Стопорный рычаг (7) проворачивается вокруг оси (6) и освобождает стопор (5). При освобождении стопора (5) поводок (3) под действием пружинного привода (4) проворачивается вокруг своей оси и поворачивает затвор (2) – шаровую пробку с двумя кольцевыми прокладками, которая закрывает или открывает поток рабочей среды в корпусе (1).
Проведенные испытания клапанов шаровых, срабатывающих от давления, показали их 100% срабатывание. Неполного открытия затвора не наблюдалось также в 100% случаев. При этом на срабатывание затвора клапана не оказывало влияние давление рабочей среды, действующее на него со стороны затвора (2), т.е. с обратной стороны относительно входящего потока рабочей среды. Кроме того, каждый раз при срабатывании поворотного механизма затвора происходило его самоочищение  от загрязнения.
Результаты испытаний показали, что арматура клапана может осуществлять как герметичное перекрытие потока рабочей среды, т.е. осуществлять запорную функцию, так и открытие трубопровода для потока рабочей среды, а также сброс избытка рабочей среды, т.е. выполнять предохранительную функцию.
Также при испытаниях была установлена возможность проверки настроек давления без остановки технологического процесса.
ср
Проверка настроек была осуществлена на клапане, в котором в качестве пружины давления привод клапана включает последовательно соединенные друг с другом верхнюю и нижнюю пружины давления. Для проверки набрали давление Pвнутри клапана, далее через  пружины (10) и (12) в подвижный шток (9) вкрутили испытательную шпильку, которую другим концом закрепили на динамометре. Далее за испытательную шпильку потянули с силой F, преодолевая сопротивление пружин (10) и (12). Произошло срабатывание клапана шарового, срабатывающего от давления. Затем было определено давление настройки по формуле
ср
P = P+F*S,
ср
где Р – давление рабочей среды в клапане, F - сила, с которой тянут подвижный шток (9), а S - площадь подвижного штока (9),
как давление, при котором произошло срабатывание клапана шарового срабатывающего от давления.
Таким образом, результаты показывают, что осуществление предлагаемого изобретения позволило достичь всех заявленных технических результатов: повысилась точность срабатывания клапана шарового, срабатывающего от давления, в том числе предотвращена возможность неполного открытия затвора, независимость работы клапана шарового, срабатывающего от давления, от противодавления, настройки клапана проверены без остановки технологического процесса. Кроме того, при срабатывании поворотного механизма затвора происходило его самоочищение  от загрязнения.