Самодействующий клапан

Полезная модель относится к области компрессоростроения, а именно к самодействующим клапанам для поршневых компрессоров, применяемых преимущественно в нефтяной и газовой промышленности. В качестве компримируемых сред (в дальнейшем - рабочая среда) выступают в основном газы и/или их смеси, например, такие как: азот, углекислый газ, водород, кислород, метан, бутан в диапазоне температур, преимущественно, от 20 до 180°С, с диапазоном давлений, преимущественно, от 3 до 130 атм и/или перепадом давлений, преимущественно, до 60 атм.
Особенность использования самодействующих клапанов для поршневых компрессоров в современной нефте- и газовой промышленности в России заключается в достаточно сильной загрязненности рабочих сред, содержащих мелкие частицы в виде металлической пыли, окалины, окисных пленок, частиц ржавчины и других компонент. Поэтому одним из подходов для обеспечения их эффективной работы в таких условиях является быстрая замена изнашиваемых и загрязняемых частей клапана и упрощение конструкции сменных частей.
Помимо этого, при перекачке взрывоопасных газов и/или их смесей также важно принятие специальных дополнительных мер для исключения возможности накопления самодействующими клапанами электростатического заряда от ионизированных газовых компонентов, которые могут присутствовать в результате их ионизации, например, от нагрева и/или от разных технологических процессов и устройств.
Уровень техники
1
2
3
1
3
2
1
Известен самодействующий клапан (патент RU 2244186, МПК F16K 15/08, опуб. 10.01.2005 г.), который можно считать в качестве аналога, содержащий седло и ограничитель подъема с каналами для прохода газа, размещенный между ними с возможностью перемещения подпружиненный пружиной запорный элемент с криволинейной боковой поверхностью от плоскости посадочного диаметра D запорного элемента до его сферического окончания, центр сферического окончания запорного элемента расположен в точке пересечения вертикальной оси клапана с плоскостью, расположенной на расстоянии I=0,105D от образующей поверхности цилиндра, радиус r запорного элемента равен 0,1D, а профиль боковой поверхности запорного элемента образован цилиндрической поверхностью с радиусом R=0,1D и дугами двух сопряженных окружностей с радиусами R=1,179D и R=0,763D, причем центр цилиндрической поверхности с радиусом R и центр окружности с радиусом R расположен на вертикальной оси клапана, а центр окружности с радиусом R отстоит от плоскости посадочного диаметра в сторону седла на расстоянии I=0,886D параллельно вертикальной оси клапана.
Недостатком этого технического решения можно считать то, что запорный элемент имеет сложную для изготовления конструкцию, увеличенный вес по сравнению с грибковыми запорными элементами применяемыми в современных клапанах и низкую механическую прочность при предложенных геометрических размерах.
Помимо этого, известен самодействующий клапан (Патент RU 2535466 МПК F16K 15/02, F04B 39/10 Опубл.: 27.08.2014 Бюл. №24), который также можно считать в качестве аналога, содержащий седло, ограничитель подъема и размещенный между ними запорный орган, поджатый к седлу посредством, по меньшей мере, одной пары постоянных магнитов, обращенных друг к другу одноименными полюсами, из которых один - подвижный, установлен с возможностью перемещения в гнезде ограничителя подъема напротив второго магнита, установленного неподвижно, ограничитель подъема выполнен составным из двух частей с плоскостью разъема, проходящей между магнитами пары так, что гнездо с подвижным магнитом расположено в ближайшей к седлу части, при этом неподвижный магнит выполнен цельным и установлен во второй части ограничителя подъема, а между упомянутыми частями в зоне расположения постоянных магнитов образована полость, сообщенная с проходными каналами ограничителя подъема.
К недостаткам этого технического решения можно отнести следующее:
- сложность конструкции и зависимость силы взаимодействия (отталкивания) магнитов от температуры рабочей среды,
- ограничение числа применяемых сред преимущественно только чистыми и/или негорючими рабочими средами из-за возможности появления нескомпенсированного электростатического заряда от ионизированных компонентов газовых рабочих сред, от движения элементов в магнитном поле магнитов, трения подвижных элементов и др., и соответственно, возможностей притягивания мелких частиц и ускоренному засорению, а также образованию искры, недопустимой для взрывобезопасных рабочих сред и производств,
- увеличение массы запорного органа от использования магнита и возможность разрушения хрупких магнитов в результате аэроудара от резкого перепада давления и выхода из строя всего клапана.
Кроме того, известен самодействующий клапан (US 5511583 А, МПК F16K 15/08, НПК 137/543.23; 137/543.19, 137/512.1, опубл. 30.04.1996), который по числу общих признаков можно считать прототипом, содержащий седло и ограничитель подъема со сквозными каналами для прохода рабочей среды и размещенные между ними комплектами из сменных картриджей, запорных элементов и пружин, с возможностью возвратно-поступательных перемещений запорных элементов в гнездах ограничителя подъема, с возможностью запрессовки в седло картриджа, в котором созданы сквозные пазы, а на внешней стороне картриджей сформированы цилиндрические проточки.
Недостатками этого технического решения являются сложная конструкция картриджа, ограничение числа применяемых сред
преимущественно только чистыми и/или негорючими рабочими средами из-за возможности появления нескомпенсированного электростатического заряда от ионизированных компонентов газовых рабочих сред, и соответственно, притягивания мелких частиц и ускоренного засорения картриджа, а также образованию искры, недопустимой для взрывобезопасных рабочих сред и производств,
Технической задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является устранение указанных выше недостатков, и особенно упрощение конструкции самодействующего клапана и расширение числа применяемых сред.
Эти технические задачи достигаются за счет того, что предлагаемый самодействующий клапан, содержащий седло и ограничитель подъема со сквозными пазами для прохода рабочей среды и размещенными между ними комплектами из сменных картриджей, запорных элементов и пружин, с возможностью возвратно-поступательных перемещений запорных элементов, с возможностью удаления из седла и запрессовки в него картриджа при замене последнего, а на внешней стороне картриджей сформированы проточки с возможностью самостопорения и сбора поверхностных частиц при запрессовке картриджа в седло, картридж выполнен цилиндрическим с внешним диаметром от 30 до 45 мм, высотой от 15 до 30, в котором созданы два симметричных сквозных концентрических паза, шириной от 5 до 10 мм, с формированием между ними двух перемычек толщиной от 5 до 10 мм, толщина стенки картриджа от 1,5 до 5 мм, в ограничителе подъема сформированы гнезда для возвратно-поступательных перемещений запорных элементов, запорный элемент выполнен в виде плоского кольца с толщиной от 3 до 11 мм, с одной стороны запорный элемент имеет сферическую поверхность радиусом от 6 до 20 мм.
Отличием предлагаемого самодействующего клапана является то, что суммарное электрическое сопротивление от поверхности картриджа, контактирующей с одной стороной запорного элемента, через седло, ограничитель подъема и до поверхности пружины, контактирующей с другой
стороной запорного элемента не превышает значений в диапазоне от 5 Ом до 50 кОм.
Другим отличием предлагаемого самодействующего клапана является то, что для одного или нескольких его элементов введено электрическое заземление.
Также отличием предлагаемого самодействующего клапана является то, что запорный элемент изготовлен из титана, коррозионно-стойких сталей или полимеров на основе полиэфиркетона с возможностью нанесения на одну или обе его стороны электропроводного покрытия.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами.
Фиг. 1 показывает общий вид и состав самодействующего клапана.
На фиг. 2-5 изображены разные виды самодействующего клапана.
Фиг. 6, 7 демонстрирует эквивалентные электрические схемы самодействующего клапана: при изготовлении запорного элемента из электропроводного материала (фиг. 6) и диэлектрика с двусторонней электропроводным покрытием (фиг. 7), пунктиром показано заземление.
При последующем изложении принято, что в качестве продольной оси и ее положительного направления используется соответственно ось ОХ и ее положительное направление. Термины «впереди», «перед», «передний», «позади», «зад», «задний» и аналогичные им по смыслу будут трактоваться в соответствии с расположением элементов относительно выбранного ранее положительного направления оси ОХ.
Осуществление полезной модели.
Предлагаемый самодействующий клапан (фиг. 1) содержит седло 1 с картриджами 2, каждый из которых содержит комплекты запорных элементов 3 с пружинами 4, ограничитель подъема 5 с каналами для прохода рабочей среды.
кар
кар
паз
пер
ст
Картридж 2 в основном имеет форму цилиндра с внешним диаметром d от 30 до 45 мм, предпочтительно 40 мм (фиг. 3), высотой l от 15 до 30, предпочтительно 22 мм (фиг. 4), в нем выполнены два сквозных симметричных концентрически расположенных паза шириной l от 5 до 10 мм, предпочтительно 8 мм с формированием между ними двух перемычек 6 шириной l от 5 до 10 мм, предпочтительно 7 мм, толщина стенки картриджа l от 1,5 до 5 мм, предпочтительно 3 мм. С внешней стороны картриджа 2 для запрессовки в седло 1 с натягом от 10 до 20 мкм сформирована фаска 7 под углом от 5° до 15°, предпочтительно 10° к продольной оси ОХ (фиг. 2).
пр
a
На внешней поверхности каждого картриджа 2 сформированы не более двух, предпочтительно одна, проточки 8, преимущественно с торообразным сечением с радиусом r (фиг. 5) с возможностью самостопорения и/или сбора поверхностных частиц (от пленки, окалины, стружки) при запрессовке картриджа 2 в седло 1. Шероховатость R внешней поверхности картриджа 2 составляет не более 2,5 мкм, предпочтительно 1,6 мкм.
Запорный элемент 3 имеет вид плоского кольца с толщиной от 3 до 11 мм, предпочтительно 9 мм, внешним диаметром от 20 до 60 мм, предпочтительно 37 мм. С одной стороны запорный элемент имеет сферическую поверхность радиусом от 6 до 20 мм, предпочтительно радиусом 8 мм. Отверстия для прохода рабочей среды в ограничителе подъема 5 выполнены в виде нескольких, предпочтительно трех концентрически расположенных пазов.
Самодействующий клапан работает следующим образом.
Запорные элементы 3 под действием возникшей разницы давлений от потока рабочей среды открывают сквозные пазы картриджей 2 седла 1 и поступательно перемещаются в гнезде ограничителя подъема 5 с возможностью возвратного перемещения. Далее этот поток рабочей среды выходит из пазов картриджей 2 через каналы ограничителя подъема 5. Эти пазы выполнены концентрическими и обеспечивают наилучшие условия для протекания рабочей среды. По мере открытия клапана происходит выравнивание давлений, способствующее возвратному перемещению запорных элементов 3 и началу закрытия самодействующего клапана.
Запорный элемент 3 может быть изготовлен полностью из электропроводных или диэлектрических материалов. В первом случае это могут быть легкие, но высокопрочные металлы преимущественно титан или коррозионно-стойкие стали.
Во втором случае может применяться материалы на основе перспективных композиционных материалов, таких как, например, полиэфиркетон (Патент RU 2529030 МПК C08G 65/40, С07С 43/02, С07С 43/29, Опубл. 27.09.2014, Бюл. №27). В чистом виде этот материал имеет высокие диэлектрическую прочность 16 кВ/мм и удельное объемное электрическое сопротивление  Ом⋅см (Ю.А. Михайлин. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. СПб.: ПРОФЕССИЯ, 2006 - 624 с., с. 131-182; www.victrex.com). При этом для снятия образующегося электростатического заряда на них может наноситься одно- или двухстороннее электропроводное покрытие, например, подобно как в (патент на полезную модель RU №150834 МПК B64G 1/58, Опубл. 27.02.2015 Бюл. №6).
При добавлении графита может быть создан и использоваться в качестве основы для запорного элемента 3 т.н. графитонаполненный полиэфиркетон, который является электропроводным материалом.
зэ
клап
зэ
клап
пруж
оп
c
кар
В случае изготовления запорных элементов 3 из электропроводных материалов эквивалентную электрическую схему можно представить подобно параллельному соединению двух сопротивлений: R и R, где R - электрическое сопротивление запорного элемента 3, R - суммарное электрическое сопротивление по цепи: пружина 4 с сопротивлением R - ограничитель подъема 5 с сопротивлением R (далее через металлический крепежный комплект, на фиг. 1 не показан) - седло 1 с сопротивлением R - картридж 2 с сопротивлением R.
клап
клап
пруж
оп
c
кар
общ1
зэ
клап
Сопротивление R определится по формуле R = R + R + R + R, а общее сопротивление R определяемое параллельным соединением R и R равно
общ1
зэ
клап
пруж
оп
с
кар
общ1
Как видно, для параллельных соединений общее сопротивление Rменьше меньшего из составляющих R и R, поэтому подбирая значения R, R, R, R за счет выбора материалов пружины 4, ограничителя подъема 5, седла 1 и картриджа 2 можно добиться уменьшения значения общего сопротивления R до значений в диапазоне от 5 Ом до 50 кОм. Это позволяет обеспечить эффективную нейтрализацию накапливаемого электростатического заряда и исключить возможность образования искры, а также засорения самодействующего клапана за счет электростатического притяжения мелких частиц, содержащихся в рабочей среде.
пруж
оп
с
кар
зэ
клап
В случае изготовления запорных элементов 3 из диэлектрических материалов возможно формирование нескомпенсированного электростатического заряда на их разных сторонах. При двухсторонней металлизации разделенной диэлектриком запорный элемент 3 подобен конденсатору с возможностью накопления заряда, а к его обоим обкладкам присоединены металлические элементы самодействующего клапана: пружины 4 с сопротивлением R - ограничитель подъема 5 с сопротивлением R - седло 1 с сопротивлением R - картридж 2 с сопротивлением R. Эквивалентная схема подобна RC-цепи и подбирая толщину запорного материала 3, влияющего на емкость С, материал пружины 4, ограничителя подъема 5, седла 1 и картриджа 2, определяющими суммарное сопротивление R в диапазоне от 5 Ом до 50 кОм обеспечивается также, как и описано выше, исключить возможность образования искры, а также засорения самодействующего клапана за счет электростатического притяжения мелких частиц, содержащихся в рабочей среде.
клап
Изготовление запорного элемента 3 с односторонней металлизацией или вообще без нее в некоторой степени можно описать по описанному выше варианту с образованием RC-цепи. При этом понимается, что образующийся на его разных сторонах электростатический заряд будет стекать через металлические пружины 4 и через картридж 2 и нейтрализовываться также при суммарном сопротивление R в диапазоне от 5 Ом до 50 кОм с исключением негативных последствий в виде искры и/или засорения.
Эффективность устранения накапливаемого электростатического заряда может быть высокой также и при использовании электрического заземления, обеспечивающего стекание этого заряда и выравнивание потенциалов элементов самодействующего клапана.
На фиг. 6 и 7 показаны эквивалентные электрические схемы самодействующего клапана: при изготовлении запорного элемента из электропроводного материала (фиг. 6) и диэлектрика с двусторонней металлизацией с образованием RC-цепи (фиг. 7). Пунктиром показано заземление.
Суть предлагаемых технических решений заключается в следующем.
1. За счет упрощения конструкции запорного элемента 3, уменьшения числа (до 1-2) и формы проточек 8, выполняемых в виде части тороидальной поверхности (тороидальное сечение) на внешней стороне картриджа 2 и др. упрощена конструкция самодействующего клапана.
2. Для предотвращения накопления электростатического заряда, приводящего потенциально к искре и/или к притягиванию мелких частиц из среды и ускорению засорения клапана предлагается обеспечить малое электрическое сопротивление между частями самодействующего клапана, контактирующими, в первую очередь, с разных сторон с запорного элемента 3. Этим замыкается электрическая цепь, осуществляется нейтрализация разнополярных зарядов и/или выравнивание потенциалов на разных сторонах запорного элемента 3.
Также предложено осуществлять заземление для одного или нескольких частей клапана и удаление образующихся электростатических зарядов в процессе работы клапана и выравнивание потенциалов элементов самодействующего клапана.
Все это позволяет осуществлять работу клапана с ионизированными, взрывоопасными газами и тем самым, расширяет число применяемых сред самодействующего клапана.
К настоящему времени на предприятии уже изготовлены и опробированы опытные образцы самодействующего клапана в соответствии с предложенной полезной моделью. Проведенные испытания показали повышение срока службы клапана на 10%. Упрощение конструкции картриджа не привело к снижению эффективности работы клапана.
ЗЭ
Использование в качестве основы для запорного элемента 3 предложенного технического решения т.н. графитонаполненного полиэфиркетона позволило для разных его вариантов достичь значений R в диапазоне от 500 Ом до 40 кОм, что отличает его в лучшую сторону от прототипа, в котором запорный элемент является диэлектриком (без металлизации).
Данное изделие запланировано для запуска к серийное производство, комплект технологической и конструкторской документации находится на заключительной стадии подготовки.