Клапан-отсекатель с поворотным сегментным затвором

Предлагаемая полезная модель относится к запорно-регулирующим устройствам, в частности клапанам, предназначенным для автоматического перекрытия трубопровода.
Функциональное назначение устройства - автоматическое перекрытие трубопровода при изменении давления рабочей среды (при аварийном повышении/понижении давления в трубопроводе) до величины, установленной настройкой устройства, а также дистанционное перекрытие трубопровода по сигналу оператора. Устанавливается на технологических трубопроводах нефтегазодобывающих предприятий, обеспечивающих транспортирование, хранение, переработку нефти, газа, нефтегазовой смеси, газоводяной эмульсии и пр.
Известен клапан-отсекатель (см. патент РФ № 2558078 от 27.07.2015), содержащий корпус, входной и выходной каналы, механизм настройки, состоящий из подпружиненных горизонтального поршня и вертикального штока, взаимодействующих друг с другом плоскими, перпендикулярно расположенными упорами; механизм взвода; седло и затвор, соединенный тягой с вертикальным подпружиненным штоком. При этом корпус снабжен подпружиненным плунжером, расположенным перпендикулярно его оси, магнитом - на одном из его концов, магнитным датчиком, например, нормально-разомкнутым герконом, светодиодом и источником питания, причем подпружиненный плунжер выполнен так, что одним концом он взаимодействует с затвором, при открытом клапане-отсекателе , а другим концом, на котором расположен магнит, - с магнитным датчиком при закрытом клапане-отсекателе, причем магнитный датчик соединен последовательно со светодиодом и источником питания. Недостатком данного устройства является низкая надежность и безопасность, ввиду применения затвора на оси.
Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении надежности и безопасности устройства.
Технический результат достигается тем, что клапан-отсекатель с поворотным сегментным затвором содержит корпус с входным и выходным каналами, седло, установленное в корпусе, затвор, контактирующий с седлом и перекрывающий выходной канал, крышку корпуса с установленной в ней механическим приводом, механический привод, осуществляющий поворот затвора при понижении или повышении давления внутри корпуса и механизм взвода механического привода. При этом затвор выполнен в виде основания с закрепленным на нем сферическим подвижным сегментом, перекрывающий седло выходного канала, при этом основание жестко закреплено на опоре, установленной в корпусе клапана, которая вращается вокруг своей оси валом механического привода;
механический привод, включает:
- два, параллельно установленных в корпусе клапана, пилотных регулятора, один работающий на повышение давления внутри корпуса клапана, другой - на понижение давления внутри корпуса клапана, при этом каждый пилотный регулятор включает подпружиненный шток в корпусе, перемещающийся вертикально, соответственно от повышения или понижения давления внутри корпуса клапана,
- горизонтальную плоскую платформу, расположенную над крышкой корпуса,
- рычаг-коромысло, установленный на платформе и выполненный с возможностью вращения вокруг своей центральной оси в вертикальной плоскости, концы которого связаны с концами штоками пилотных регуляторов,
- подпружиненный поворотный рычаг, установленный на платформе и выполненный с возможностью удержания его рычагом-коромыслом,
- вал, вращающий основание, нижней частью закрепленный в крышке, а верхней частью - в горизонтальной плоской платформе, при этом на верхнем конце вала жестко закреплен главный рычаг, выполненный с возможностью его удержания подпружиненным поворотным рычагом,
-  по меньшей мере, одна спиральная пружина, одним концом прикрепленная к крышке, а другим - к валу, придающая постоянное усилие вращения вала,
- демпфирующий механизм, установленный на платформе и ограничивающий вращение главного рычага.
А механизм взвода механического привода выполнен в виде храпового колеса, жестко закрепленного на валу, и связанной с ним, по меньшей мере, одной собачки взведения, закреплённой на горизонтальной плоской платформе.
Подвижность сферического сегмента осуществляется, по меньшей мере, одной пружиной, отталкивающей сферический сегмент от основания.
Горизонтальная плоская платформа может быть установлена на, по меньшей мере, одной стойке, прикрепленной к крышке корпуса или болтах, соединяющих ее с крышкой корпуса.
Концы рычага-коромысла, вращающегося вокруг центральной оси в вертикальной плоскости, связаны с концами штоков пилотных регуляторов посредством толкателей штоков. При этом рычаг-коромысло установлен на оси, закрепленной в кронштейне, установленном на горизонтальной плоской платформе.
Вал закреплен в крышке и платформе посредством подшипников и связан с основанием затвора посредством шлицевого соединения.
Вращающаяся опора также должна быть установлена в корпусе клапана посредством подшипников.
Сущность заявленного устройства поясняется чертежами (Фиг.1-10):
на фиг.1 показан чертеж предлагаемого клапана-отсекателя - главный вид и вид сбоку;
на фиг.2 показан чертеж предлагаемого клапана-отсекателя - размещение элементов затвора в корпусе в положениях «ОТКРЫТО»-«ЗАКРЫТО» (со снятым приводом);
на фиг.3 показан разрез предлагаемого клапана-отсекателя в месте расположения пилотного регулятора П1, настроенного на срабатывание клапана-отсекателя при аварийном повышении давления и пилотного регулятора П2, настроенного на срабатывание клапана-отсекателя при аварийном понижении давления;
на фиг.4 показан чертеж предлагаемого клапана-отсекателя - размещение элементов привода в положениях «ОТКРЫТО» и «ЗАКРЫТО»;
на фиг.5 показан общий вид клапана-отсекателя (3D модель);
на фиг.6 показан клапан-отсекатель с вырезом в положении «ОТКРЫТО»  (3D модель);
на фиг.7 показан клапан-отсекатель с вырезом в положении «ЗАКРЫТО»  (3D модель);
на фиг.8 показан разрез крышки в сборе;
на фиг.9 показан рычаг-коромысло;
на фиг.10 показана кинематика движения рычагов привода при закрытии клапана.
На фигурах позициями обозначены следующие детали и сборочные единицы:
1 - корпус в сборе,
2 - затвор в сборе,
3 - крышка в сборе,
4 - пружины привода спиральные,
5 - плита крепления элементов привода,
6 - шток пилотного регулятора П1,
7 - шток пилотного регулятора П2,
8 - рычаг-коромысло,
9 - кронштейн,
10 - сердечник электромагнита,
11 - электромагнит,
12,13 - корпуса пилотного регулятора,
14,15 - колпаки пилотного регулятора,
16,17 - пружины сжатия пилотного регулятора,
18,19 - толкатели штоков роликовые,
20 - вал,
21 - главный рычаг,
22 - гидродемпфер,
23,24 - собачки взведения,
25 - храповое колесо,
26 - рычаг поворотный,
27 - рычаг-фиксатор,
28 - седло,
29 - уплотнение,
30 - опора,
31 - подшипник упорный,
32 - сегмент сферический подвижный,
33 - пружины,
34 - основание,
35 - корпус,
36 - крышка,
37,38 - штифты,
39 - прокладка,
40 - пружина прорезная,
41 - подшипники,
42,43 - уплотнения,
44,45 - болты.
Устройство и работа клапана-отсекателя.
Клапан состоит из корпуса в сборе 1, затвора 2, крышки в сборе 3, внутри которой расположены спиральные пружины 4, плита крепления элементов привода 5 (фиг.1), пилотного регулятора П1, настроенного на срабатывание при повышении давления среды в клапане и пилотного регулятора П2, настроенного на срабатывание при понижении давления среды в клапане (фиг.3).
В состав корпуса в сборе 1 (фиг.2) входят корпус 35, внутри которого на опоре 30 с подшипником 31 установлено основание 34. На основании 34 установлен подпружиненный сферический подвижный сегмент 32 со сферической уплотнительной поверхностью В, имеющей высокий класс обработки. Подвижность сегмента сферического сегмента 32 обеспечивается пружинами 33, эксцентриковая конструкция затвора 2 в месте присоединения  вала 20 (шлицевая поверхность Д) с опорой 30 (шлицевая поверхность Г)  необходимы для обеспечения высокого класса герметичности затвора 2 и седла 28 в закрытом положении, обеспечения самоочищения затвора в момент перекрытия проходного отверстия седла 28. Уплотнение затвора металл по металлу, детали затвора седло 28 и сферический сегмент 32 изготовлены из специальных нержавеющих сталей с высокой твердостью. Для исключения утечек транспортируемой среды между корпусом 35 и седлом 28 установлено уплотнение 29.
Исходное положение клапана-отсекателя «ОТКРЫТО» отображено на фиг.2 и фиг.6.
Пилотные регуляторы П1 и П2 (фиг.3) настраиваются посредством достижения определенного усилия сжатия пружин 16 и 17, которые устанавливаются во внутреннюю полость корпусов 12 и 13 с упором на торец штоков 6 и 7.  При вкручивании колпаков 14 и 15 во внутреннее резьбовое отверстие корпусов происходит сжатие пружин до необходимого усилия.
Конструктивное исполнение пилотных регуляторов выполнено таким образом, что пилотный регулятор П1 срабатывает только при аварийном повышении давления в корпусе клапана, пилотный регулятор П2 ограничен в перемещениях от действия повышенного давления. При аварийном понижении давления в корпусе клапана срабатывает пилотный регулятор П2, пилотный регулятор П1 ограничен в перемещениях при аварийном понижении давления в корпусе клапана
При аварийном повышении давления в клапане - шток 6 пилотный регулятор П1, преодолевая усилие сжатия пружины 16 начинает двигаться вверх (направление указано стрелкой), через толкатель штока роликовый 18 передает усилие на плоскость «З» (фиг.9) рычага-коромысла 8 и проворачивает его на оси кронштейна 9 на определенный угол. При повороте рычага-коромысла 8 подпружиненный поворотный рычаг 26 выходит из упора с выступом «К», проворачивается за счет своей пружины на своей оси и выводит из зацепления подпружиненный рычаг фиксатор 27, которым зафиксирован в положении «ОТКРЫТО» главный рычаг 21, неподвижно закрепленный на валу 20 и, таким образом, выводит из зацепления весь рычажный механизм привода. Главный рычаг 21 рычажного механизма поворачивается совместно с валом 20, передавая шлицевой поверхностью Д вала 20 и шлицевым отверстием Г опоры 30 поворот на 90 градусов против часовой стрелки затвору 2, переводя клапан из положения «ОТКРЫТО» в положение «ЗАКРЫТО». Кинематика поворотов и перемещений рычагов из положения «ОТКРЫТО» в положение «ЗАКРЫТО» показана на фиг.10 (перемещение - стрелками, положение рычагов в положении «ЗАКРЫТО» - штрихпунктирными линиями).
При аварийном понижении давления в клапане - шток 7 пилотный регулятор П2, под действием усилие сжатия пружины 17 начинает двигаться вниз (направление указано стрелкой), через толкатель штока роликовый 19 передает усилие на плоскость Ж (фиг.9) рычага-коромысла 8 и проворачивает его на оси кронштейна 9 на определенный угол. При повороте рычага-коромысла 8 подпружиненный поворотный рычаг 26 выходит из упора с выступом «К», проворачивается своей пружиной на своей оси и выводит из зацепления подпружиненный рычаг фиксатор 27, которым зафиксирован в положении «ОТКРЫТО» главный рычаг 21, неподвижно закрепленный на валу 20 и, таким образом, выводит из зацепления весь рычажный механизм привода. Главный рычаг 21 рычажного механизма поворачивается совместно с валом 20, передавая шлицевой поверхностью Д вала 20 и шлицевым отверстием Г опоры 30 поворот на 90 градусов против часовой стрелки затвору 2, переводя клапан из положения «ОТКРЫТО» в положение «ЗАКРЫТО».
Перевод клапана из положения «ОТКРЫТО» в положение «ЗАКРЫТО» после срабатывания пилотных регуляторов П1 и П2 производится деталями крышки в сборе 3 за счет создания, при установке клапана в исходное положение «ОТКРЫТО», определенного усилия скручивания 3-х рядов спиральных пружин 4, закрепленных штифтами 37 и 38 одним концом к крышке 36, другим к валу 20 (фиг.8). Вал 20 установлен на подшипниках 41 между крышкой 36 и плитой 5. Плита 5 крепится на крышке 36 болтами 44, 45. С целью исключения контакта и трения между спиральными пружинами установлены прокладки 39. В верхней части на вал 20 устанавливаются неподвижно храповое колесо 25 и главный рычаг 21. В нижней части вала 20 со стороны шлицевой поверхности Д установлена прорезная пружина 40 для исключения люфтов и обеспечения жесткости соединения с затвором 2 при монтаже корпуса в сборе 1 и крышки в сборе 3. Герметичность конструкции крышки в сборе 3 по отношению к внешней среде обеспечивается уплотнениями 42, 43.
Ограничение поворота затвора на 90 градусов против часовой стрелки в положение «ЗАКРЫТО» обеспечивается за счет установки гидродемпфера 22, который контактирует в момент закрытия с главным рычагом 21 и ограничивает его перемещение. Кроме этого, гидродемпфер предназначен для регулирования скорости срабатывания затвора 2 в конечный момент его закрытия и предотвращения гидроудара.
Перевод клапана после срабатывания из положения «ЗАКРЫТО» в исходное положение «ОТКРЫТО» производится поворотом вала 20 на угол 90 градусов по часовой стрелке при помощи специального накидного ключа, который имеет внутреннее отверстие в головке, соответствующее по форме сечению вала 20 в его верхней части. Для исключения возможности возврата вала 20 под действием силы сжатия спиральных пружин в положение «ЗАКРЫТО» предусмотрены собачки взведения 23; 24, которые в момент вращения вала должны находиться в зацеплении с храповым зубчатым колесом 25. После фиксации главного рычага 21 рычагом фиксатором 27, как указано на фиг.4 в положении «ОТКРЫТО», рычаг поворотный 26 должен контактировать с выступом К рычага-коромысла 8, а собачки взведения должны быть выведены из зацепления с храповым зубчатым колесом 25. Это положение соответствует готовности клапана к срабатыванию при аварийном повышении/ понижении давления в нем.
Срабатывание клапана на закрытие по сигналу оператора производится подачей электрического сигнала на электромагнит 11. Под действием электромагнитного поля сердечник электромагнита 10 втягивается в корпус, преобразуя свое линейное перемещение во вращательное движение рычага-коромысла 8 и проворачивает его на оси кронштейна 9 на определенный угол. При повороте рычага-коромысла 8 подпружиненный поворотный рычаг 26 выходит из упора с выступом «К», проворачивается на своей оси и выводит из зацепления подпружиненный рычаг фиксатор 27, которым зафиксирован в положении «ОТКРЫТО» главный рычаг 21, неподвижно закрепленный на валу 20 и, таким образом, выводит из зацепления весь рычажный механизм привода. Главный рычаг 9 рычажного механизма поворачивается совместно с валом 20, передавая шлицевой поверхностью Д вала 20 и шлицевым отверстием Г опоры 30 поворот на 90 градусов против часовой стрелки затвору 2, переводя клапан из положения «ОТКРЫТО» в положение «ЗАКРЫТО».
С целью защиты рычажного механизма от попадания атмосферных осадков в конструкции клапана-отсекателя предусмотрен защитный кожух, который крепится на крышке в сборе 3 (на фиг.1- 9 условно не показан).
Преимущества клапана:
1. Эксцентрическая самоочищающаяся конструкция затвора исключает возможность контакта уплотнительных поверхностей до момента полного закрытия, обеспечивает соприкосновение уплотнительных поверхностей только в последний момент закрытия клапана или в начальный момент открытия, тем самым исключается постоянный контакт уплотнительных поверхностей в рабочей среде с абразивными включениями в процессе перемещения затвора.
2. Для более плотной посадки сегмента сферического подвижного на седло предусмотрена его податливость за счет подпружиненной конструкции сегмента сферического 32 в затворе 2.
3. Возможность срабатывания как в автоматическом режиме, так и по команде оператора подачей электрического сигнала на электромагнит.
4. Исключительная прочность и точность шлицевого соединения вала привода с затвором полностью исключает люфты и холостые ходы.
5. Конструкция корпуса клапана цельная, исключает промежуточные соединения «корпус-крышка».
6. Конструкция клапана полнопроходная для потока среды.
Предлагаемый клапан-отсекатель с поворотным сегментным эксцентрическим затвором не имеет аналогов в России.