Устройство запорно-регулирующее с электромагнитом
LOCKING AND REGULATING DEVICE WITH ELECTROMAGNET

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности.
Функциональное назначение клапана - дистанционное перекрытие потока рабочей среды на выкидной линии газовой скважины, в том числе:
- дистанционного перекрытия трубопровода - по сигналу оператора;
- местное перекрытие трубопровода - ручным дублёром привода клапана.
Клапан используется на объектах нефтегазоконденсатных месторождений.
Клапан должен устанавливаться на горизонтальном участке трубопровода приводом вверх в соответствии со стрелкой, указывающей направление движение рабочей среды.
Известен (RU 2733142 C2) электромагнитный клапан, содержащий рабочий элемент клапана, включающий в себя участок железного сердечника, смещаемый в осевом направлении в ответ на возбуждающий эффект электромагнита; корпус клапана, включающий в себя множество каналов для протекания в них или из них текучей среды под давлением, клапанную коробку, с которой сообщаются каналы, клапанный диск, который вмещен в клапанную коробку и который является смещаемым по направлению к седлу и от седла клапана в клапанной коробке в ответ на перемещение рабочего элемента клапана в осевом направлении для изменения состояний соединения между каналами, опорную часть клапана, поддерживающую клапанный диск, опорный участок клапана включает в себя пару опорных рычагов, продолжающихся от участка железного сердечника в осевом направлении, и клапанный диск поддерживается между опорными рычагами, способными смещаться, к опорным рычагам прикреплен колпачок, причем колпачок включает в себя участок зацепления, и участок зацепления колпачка зацеплен с участком зацепления клапанного диска, установленного на седле клапана в ответ на смещение рабочего элемента клапана, смещающегося в направлении, противоположном направлению, в котором упругий элемент поджимает клапанный диск, с возможностью отделения клапанного диска от седла клапана за счет толчковой силы упругого элемента.
Известен (RU 2343328 C2) электромагнитный клапан, содержащий механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние, электромагнит, в состав которого входят внешний, центральный магнитопроводы, верхний фланец и катушка, седло клапана, якорь с запорным органом, выполненные с возможностью перемещения между седлом клапана и электромагнитом, первая и вторая шайбы, по крайней мере, одна из которых выполнена из магнитного материала, причем обе шайбы установлены с одной стороны относительно запорного органа, а электромагнит - с другой, третья шайба, выполненная из магнитного материала и установленная в магнитопроводе симметрично оси катушки, на внешней стороне корпуса клапана установлен корпус ручного дублера.
Технической проблемой как вышеуказанных устройств, так и других известных аналогичных устройств является недостаточная герметичность, особенно в случае работы в условиях возможных высоких перепадов давления.
Предлагается устройство запорно-регулирующее с электромагнитом, включающее корпус с внутренней полостью, затвор, электромагнитный привод, ручной дублёр. Устройство включает затвор и малый разгрузочный затвор. Затвор выполнен в виде неподвижного седла, клетки с отверстиями для пропуска рабочей среды, плунжера в сборе, соединенного штоком плунжера с якорем электромагнита через шток ручного дублера, регулирующей резьбовой втулки. Клетка установлена во внутренней полости корпуса и выполнена с возможностью прижатия к седлу регулировочной резьбовой втулкой. Плунжер в сборе включает плунжер, регулировочную резьбовую втулку, верхнюю втулку, нижнюю втулку, шток плунжера, нижний шток, причём плунжер имеет внутреннюю полость, боковое отверстие, каналы, выходной канал, внутреннее резьбовое отверстие, верхняя втулка имеет резьбовые соединения со штоком плунжера в своей верхней части и с нижним штоком в своей нижней части, верхняя втулка также снабжена пружиной, обеспечивающей постоянное герметичное уплотнение малого загрузочного затвора в месте контакта конических уплотнительных поверхностей верхней втулки и нижнего штока, нижняя втулка ввёрнута во внутреннее резьбовое отверстие плунжера с фиксацией между нижней втулкой и плунжером уплотнительного кольца, также нижняя втулка имеет в верхней части центральное отверстие, переходящее в нижней части в центральное резьбовое отверстие, в центральное отверстие нижней втулки установлен нижний шток с уплотнением, а в центральное резьбовое отверстие нижней втулки установлена пробка с уплотнительной шайбой. Во внутренних полостях регулировочной резьбовой втулки и плунжера установлена пружина. Боковое отверстие в плунжере, каналы в плунжере, выходной канал плунжера и втулка плунжера образуют малый разгрузочный затвор, открытие и закрытие которого обеспечивается верхней втулкой, выполненной с возможностью перекрытия бокового отверстия плунжера. Ручной дублёр установлен на крышку корпуса и представляет собой стакан, имеющий центральное и боковое отверстия, в центральном отверстии установлен шток ручного дублёра, в боковом отверстии установлен регулировочный узел в виде валика, жёстко соединенного с рукояткой, причём валик в месте контакта с нижним торцом штока ручного дублёра имеет эксцентричный выступ, а эксцентричный выступ выполнен с возможностью перемещения штока ручного дублёра и связанного с ним штока плунжера в крайнее верхнее положение при повороте рукоятки из положения «закрыто» в положение «открыто», тем самым открывая клапан для прохода среды. Электромагнитный привод закреплён к стакану ручного дублёра и представляет собой электромагнит, оснащенный датчиком положения якоря в крайнем выключенном положении.
Техническим результатом является: высокий уровень герметичности, возможность выполнения функций перекрытия потока рабочей среды с высоким перепадом давления на затворе с применением электромагнита необходимой мощности за счет применения в конструкции затворов клапана разгрузочных каналов, возможность использования при транспортировке как жидких, так и газообразных сред, возможность управления процессом перекрытия рабочей среды как дистанционно подачей на электромагнит электрического сигнала через модуль управления из операторной, так и вручную ручным дублером при отсутствии электропитания.
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами фиг.1-фиг.6, где
на фигуре 1 показан сборочный чертеж предлагаемого клапана в разрезе,
на фигуре 2 показан сборочный чертеж предлагаемого клапана в разрезе без электромагнита,
на фигуре 3 показан ручной дублер в сборе,
на фигуре 4 показан плунжер в сборе,
на фигуре 5 показана схема разгрузки затвора плунжера в сборе.
на фигуре 6 показаны исходное положение и положения открытия клапана.
На фигурах позициями обозначены следующие детали:
1 - корпус,
2 - плунжер в сборе,
3 - ручной дублер,
4 - электромагнит,
5 - нижняя втулка,
6 - крышка,
7 - седло,
8 - клетка,
9 - регулировочная резьбовая втулка,
10 - стакан,
11 - шток ручного дублера,
12 - шток плунжера,
13 - пружина,
14,15,16,17- кольца защитные,
18,19,20,21 - кольца резиновые уплотнительные,
22,23,24,25 - гайки,
26,27,28,29 - шпильки,
30 - рым-болт,
31,32,33,34 - прокладки спирально навитые,
35 - рукоятка ручного дублера,
36 - валик ручного дублера,
37 - плунжер,
38 - разгрузочный канал малого затвора,
39 - кольцо уплотнительное,
40 - пробка,
41- верхняя втулка,
42 - пружина,
43 - шайба,
44 - кольцо защитное,
45 - нижний шток,
46 - кольцо уплотнительное,
47 - направляющее кольцо,
48 - поршневое уплотнение,
49 - уплотнение штока,
50 - разгрузочный канал основного затвора.
Клапан состоит из клапана и электромагнитного привода.
Клапан (фиг.1 - фиг.2) включает в себя корпус 1, плунжер в сборе 2, ручной дублер 3. Сверху на корпус 1 шпильками 25 и гайками 29 крепится крышка 6. Во внутреннюю полость корпуса установлена клетка 8 с профилированными отверстиями А для прохода среды. Клетка 8 прижимается к седлу 7 регулировочной резьбовой втулкой 9.
На крышку 6 шпильками 22 и гайками 26 крепится ручной дублер 3, который своим штоком 11 соединен со штоком 12 плунжера в сборе 2.
Конструкция затвора выполнена в виде неподвижного седла 7 (Фиг.2) клетки 8 с отверстиями А для пропуска рабочей среды и плунжера в сборе 2, соединенного штоком 12 со якорем электромагнита 4 посредством штока 11 ручного дублера 3.
Электромагнитный привод представляет собой электромагнит 4, оснащенный датчиком положения якоря в крайнем выключенном положении. Имеет кабельные вводы для подключения электропитания. Крепится шпильками 23 и гайками 27 к стакану 10 ручного дублера 3.
Электромагнит производится и поставляется предприятиями, производящими данного типа продукцию.
Плунжер в сборе 2 (фиг.4) состоит из плунжера 37 с внутренним резьбовым отверстием, в которое вворачивается втулка 5, фиксируя между собой уплотнительное кольцо 39. В центральное отверстие нижней втулки 5 установлен нижний шток 45 с уплотнением 49, во внутреннее резьбовое отверстие нижней втулки 5 вкручена пробка 40 с уплотнительной шайбой 43.
Верхняя втулка 41 имеет резьбовое соединение со штоком 12 в верней части и резьбовое соединение с нижним штоком 45 в нижней части. Пружина 42 обеспечивает постоянное герметичное уплотнение поверхности П (фиг.5) затвора малого разгрузочного в месте контакта конических уплотнительных поверхностей верхней втулки 41 и нижнего штока 45 за счет действия усилия сжатия пружины 42. Герметичность обеспечивается до наступления момента начала срабатывания электромагнита.
Герметичность затвора основного-плунжера в сборе 2 в месте контакта с седлом 7 (уплотнительная поверхность С фиг.2) обеспечивается за счет усилия сжатия пружины 13. При перемещении якоря электромагнита в крайнее верхнее положение происходит перемещение плунжера в сборе 2 и разгерметизация уплотнительной поверхности С, проход в клапане открывается для прохождения рабочей среды.
Для обеспечения герметичности и долговременного срока эксплуатации плунжера в сборе 2 при осевом перемещении во внутренней полости клетки 8 на плунжере 37 установлены направляющие кольца 47 и поршневое уплотнение 48.
С целью обеспечения работоспособности клапана от воздействия осевого усилия якоря электромагнита 4 при больших перепадах давлений на входе и выходе среды предусмотрена разгруженная конструкция затвора малого в месте контакта конических поверхностей нижней втулки 5 и нижнего штока 45 плунжера в сборе 2 (поверхность П фиг.5). Это достигнуто наличием в конструкции плунжера 37 радиально расположенного отверстия Б и каналов 38, через которые происходит прохождение рабочей среды в верхнюю полость плунжера 37 и далее во внутреннюю полость, где расположен нижний участок нижнего штока 45. Таким образом, в первоначальный момент открытия разгрузочного затвора достигнуто равенство давлений под штоком и над штоком 45, и электромагниту достаточно минимального осевого усилия для размыкания поверхности П (фиг.5) в месте контакта конических поверхностей втулки 5 и нижнего штока 45, которое соответствует усилию сжатия пружины 13.
За счет того, что полезная площадь поверхности плунжера 37 в его верхней части, на которую постоянно воздействует давление среды превышает площадь поверхности втулки 5, находящейся в контакте с седлом 7, плунжер в сборе 2, при отсутствии осевого перемещения электромагнита, находится в крайнем нижнем положении, перекрывая проход среды и создавая герметичность уплотнительной поверхности С (фиг.2, фиг.6).
В положении малого разгрузочного затвора ЗАКРЫТ (фиг.5) втулка 41 своей наружной диаметральной поверхностью не перекрывает боковое отверстие Б в плунжере 37, среда по каналам 38 попадает во внутреннюю полость, где расположен нижний участок нижнего штока 45 и происходит выравнивание давления под и над нижним штоком 45.
В положении малого разгрузочного затвора ОТКРЫТ (фиг.5) втулка 41 своей наружной диаметральной поверхностью перекрывает боковое отверстие Б в плунжере 37, через канал 50 происходит сброс давления с верней части клапана (над плунжером в сборе 2) в выходной канале клапана (под плунжером в сборе 2).
После дальнейшего подъема плунжера в сборе 2 от воздействия осевого усилия электромагнита происходит отрыв конической уплотняющей поверхности «С» плунжера в сборе 2 от седла 7, открываются отверстия А для прохода среды в клетке 8 (фиг.2 выноска В).
Схема расположения деталей малого разгрузочного затвора в положении ЗАКРЫТ, а также направление движение рабочей среды (синий цвет) по каналам 38 указано стрелками и изображено на фиг.5.
Схема расположения деталей малого разгрузочного затвора в положении ОТКРЫТ, а также направление движение рабочей среды (синий цвет) по каналам 50 указано стрелками изображено на фиг.5 и соответствует моменту начала поднятия плунжера в сборе 2 и открытию проходных отверстий А в клетке 8.
С целью открытия клапана при отсутствии электропитания предназначен ручной дублер 5, который представляет собой стакан 10, в боковом отверстии которого установлен узел подъема в виде рукоятки 35 (фиг.3), жестко соединенной с валиком 36. Валик 36 в месте контакта с нижним торцом штока 11 имеет эксцентричный выступ, который при повороте рукоятки 35 из положения ЗАКРЫТО в положение ОТКРЫТО производит перемещение штока 11 и связанного с ним штока 12 в крайнее верхнее положение, тем самым открывая клапан для прохода среды.
Устройство работает следующим образом.
Положения элементов клапана изображены на фиг.6 (синий фон - рабочая среда):
- положение 1 соответствует исходному положению клапана, когда на электромагнит не подается электрический сигнал, проход среды перекрыт уплотнительной поверхностью С создаваемой плунжером в сборе 2 и седлом 7;
- положение 2 соответствует промежуточному положению клапана в первоначальный момент подачи на электромагнит электрического сигнала. Якорь электромагнита, последовательно соединенный со штоком 11 ручного дублера 3 и штоком 12 плунжера в сборе 2 через верхнюю втулку 41 передает осевое перемещение нижнему штоку 45, при котором происходит размыкание конических поверхностей нижнего штока 45 и нижней втулки 5 в месте их контакта, происходит разгерметизация уплотнительной поверхности П (фиг.5). Проход среды перекрыт уплотнительной поверхностью С, создаваемой плунжером в сборе 2 и седлом 7;
- положение 3 соответствует открытию клапана. Якорь электромагнита, перемещаясь в крайнее верхнее положение передает осевое перемещение плунжеру в сборе 2, происходит разгерметизация уплотнительной поверхности С (фиг.6) и обеспечивается проход среды от входного отверстия до выходного (направление потока среды указано стрелками);
При прекращении подачи электропитания на электромагнит за счет усилия сжатия пружины 13 происходит возврат плунжера в сборе 2 в исходное закрытое положение (фиг.2), а за счет усилия сжатия пружины 42 происходит возврат в исходное положение втулки 41 и соединенного с ним нижнего штока 45, который своей конической поверхностью входит в контакт с конической поверхностью нижней втулки 5, образуя герметичную уплотнительную поверхность П (фиг.5 положение «ЗАКРЫТ»).
Достоинства и преимущества предлагаемого клапана
1. Возможность выполнения функций перекрытия потока рабочей среды с высоким перепадом давления на затворе с применением электромагнита необходимой мощности за счет применения в конструкции затворов клапана разгрузочных каналов.
2. Может использоваться при транспортировке как жидких, так и газообразных сред.
3. Имеется возможность управления процессом перекрытия рабочей среды как дистанционно подачей на электромагнит электрического сигнала через модуль управления из операторной, так и вручную ручным дублером при отсутствии электропитания.
1. Высокий класс герметичности затвора - «А» по ГОСТ Р 54808-2011.
2. Широкий диапазон по условным проходам от DN50 до DN200.
3. По принципу срабатывания данного типа электромагнитный клапана может быть как нормально открытый (при отсутствии электропитания проход открыт), так и нормально закрытый (при отсутствии электропитания проход закрыт).