Кран шаровой сдвоенный

Полезная модель относится к запорной трубопроводной арматуре и предназначена для оперативного перекрытия и герметизации трубного канала колонны насосно-компрессорных и бурильных труб при бурении нефтяных и газовых скважин при возникновении газонефтеводопроявлений, а также при проведении ремонтных и аварийных работ.
Известен сдвоенный шаровой верхний внутрикорпусной клапан (патент US 8752653 B2, МПК Е21В 21/10, Е21В 33/06, опубл. 17.06.2014), содержащий корпус с полнопроходным отверстием. В корпусе на одной оси установлены два шаровых затвора, каждый из которых зафиксирован с помощью плавающего и неподвижного седел. Неподвижные седла прикреплены к корпусу с помощью резьб и других механических крепежных элементов. Плавающие седла поджимаются к шаровому затвору с помощью волновой или другой пружины. В случае, когда шаровой клапан закрыт, давление в стволе скважины поднимает шар с неподвижного седла и прижимает его к соответствующему плавающему седлу. Кран управляется дистанционно с помощью гидравлического привода.
Основным недостатком устройства является не в должной мере оправданное использование второго шарового затвора в верхнем клапане, так как вероятность выхода его из строя, во время работы буровой установки, весьма мала. Оборудование довольно часто проверяется и проходит техническое обслуживание, после которого делаются выводы о возможности его дальнейшей эксплуатации. Таким образом, верхний клапан становится громоздким, более дорогим и сложным в изготовлении и, соответственно, менее надежным.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является сдвоенный шаровой кран (патент US 5806563 A, МПК Е21В 34/06, F16K 27/06, Е21В 34/00, F16K 5/06, опубл. 15.09.1998), содержащий цельный корпус крана, установленные в него, два шаровых затвора, каждый из которых зафиксирован с помощью плавающего и неподвижного седел. Плавающие седла поджимаются к шаровому затвору с помощью волновой или другой пружины. Неподвижное седло зафиксировано в корпусе крана с помощью разрезного четырех секционного кольца. Кран управляется дистанционно с помощью гидравлического привода.
Недостатками указанного устройства являются:
1. Сложность сборки крана ввиду использования разрезного кольца и дополнительных крепежных элементов.
2. Высокие напряжения в шаровом затворе в закрытом положении под воздействием давления среды, как следствие высокие деформации затвора.
3. Возможность потери герметичности крана из-за высокой деформации шарового затвора в закрытом положении под нагрузкой.
4. Возможность образования трещин, отслоения и разрушения износостойкого покрытия шарового затвора из-за высокой деформации шарового затвора в закрытом положении под нагрузкой.
5. Отсутствие возможности регулировки положения шарового затвора относительно штоков при сборке, как следствие возможная несоосность штоков и шарового затвора и увеличение крутящего момента на штоках при управлении краном.
Задачами заявленной полезной модели являются:
1. Более простая и технологичная сборка крана.
2. Снижение деформации шарового затвора под нагрузкой, как следствие повышение стойкости покрытия шарового затвора, увеличение ресурса и надежности крана.
3. Возможность применения менее прочных и более дешевых материалов шарового затвора.
4. Снижение крутящего момента на штоках, как следствие возможность применять менее мощный гидравлический привод при управлении краном.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение надежности и ресурса крана.
Технический результат достигается за счет того, что в кране, содержащем корпус, выполненный со сквозной в продольном направлении полостью и состоящий из механической и ручной части, при этом ручная часть крана состоит из шарового затвора, зафиксированного между седлами, двух штоков, установленных с возможностью вращения с помощью ключа и закрепленных в корпусе крана, двух крестовин, соединенных со штоками, и крепежного элемента для позиционирования нижнего седла, а механическая часть крана состоит также из шарового затвора, зафиксированного между седлами, крепежного элемента для позиционирования верхнего седла, двух крестовин, соединенных с промежуточными втулками, двух штоков, закрепленных в корпусе крана и соединенных через рычаги и шпонки с подвижной в осевом направлении муфтой, установленной на внешнем диаметре корпуса, отличающийся тем, что в качестве крепежных элементов для позиционирования нижнего седла ручной части и верхнего седла механической части крана использованы резьбовые гайки, установленные с возможностью регулировки положения шаровых затворов путем поджатая плавающих седел к соответствующим шаровым затворам через упругие элементы, причем все седла в устройстве являются плавающими, при этом шаровые затворы покрыты износостойким покрытием, изолированные полости крана при закрытых шаровых затворах сообщены с полостью крана со стороны скважины, а плавающие седла со стороны вертлюга системы верхнего привода покрыты износостойким покрытием и герметично поджаты к соответствующему шаровому затвору упругими элементами.
Кроме того, шаровой затвор и плавающие седла со стороны вертлюга системы верхнего привода покрыты износостойким покрытием с содержанием карбида вольфрама.
Кроме того, материал шарового затвора и плавающие седла со стороны вертлюга системы верхнего привода обработаны путем азотирования.
Кроме того, материал шарового затвора и плавающие седла со стороны вертлюга системы верхнего привода обработаны путем цементации.
Кроме того, шаровой затвор и плавающие седла со стороны вертлюга системы верхнего привода выполнены из материала твердостью 30…65 HRC.
Кроме того, шаровой затвор и плавающие седла со стороны вертлюга системы верхнего привода выполнены из коррозионностойких марок стали.
Кроме того, изолированная полость крана при закрытом шаровом затворе сообщена с полостью крана со стороны скважины через, по меньшей мере, одно сквозное отверстие на сферической поверхности шарового затвора.
Кроме того, плавающие седла со стороны скважины установлены негерметично при закрытом шаровом затворе.
Простота и технологичность сборки крана достигается за счет простоты установки резьбовых гаек в корпус, поджимающих упругий элемент нижнего седла ручной части и верхнего седла механической части крана. Гайки фиксируются в корпусе в необходимом положении посредством кернения в четырех точках, что позволяет отказаться от дополнительных стопорных элементов, препятствующих отвинчиванию гайки. В качестве упругих элементов могут быть использованы тарельчатые, волновые или иные пружины.
Положение штоков и шарового затвора исключает несоосность и перекосы, что приводит к уменьшению крутящего момента на штоках при управлении краном.
Полости крана при закрытых шаровых затворах сообщены с полостью крана со стороны скважины, это приводит к тому, что значительно уменьшаются напряжения и деформации в шаровом затворе, что препятствует образованию трещин, отслаиванию и разрушению износостойкого покрытия, что повышает ресурс и надежность крана. Снижение напряжений и деформаций в шаровом затворе позволяет получить более полное и плотное прилегание верхних седел к шаровому затвору, исключающее протечки рабочей среды, а также становится возможным использовать менее прочные и более дешевые материалы шарового затвора. В результате выравнивания давления в полости крана и со стороны скважины сила трения нижнего седла о шаровой затвор снижается, что приводит к уменьшению крутящего момента на штоках при управлении краном.
Устройство представлено следующими чертежами:
- на фиг. 1 показан вид спереди крана шарового сдвоенного;
- на фиг. 2 представлен разрез А-А крана шарового сдвоенного.
Кран шаровой сдвоенный состоит из механической и ручной частей, заключенных в единый корпус (1), выполненный со сквозной в продольном направлении полостью, муфты (2), установленной с внешней стороны корпуса (1), на механической его части. Ручная часть крана состоит из шарового затвора (3), верхнего седла (4) и нижнего седла (5), двух штоков (6) и двух крестовин (7). Механическая часть крана состоит из шарового затвора (8), верхнего седла (9) и нижнего седла (10), двух штоков (11), двух промежуточных валов (12), установленных в корпус (1) и двух крестовин (13). Поворот шарового затвора осуществляется вилкой гидроцилиндра (на рисунке не показана, не является частью крана) через подвижную муфту (2) и рычаги (14), соединенные со штоками (11) через шпонки. Муфта (2) при этом двигается вдоль направляющих (20), которые закреплены на корпусе. Направляющие являются ограничителями крайних положений муфты. Муфта через рычаги и шпонки, закрепленные на штоках преобразует поступательное движение вдоль оси крана во вращательное шарового затвора. Перемещение муфты вдоль оси крана рассчитано таким образом, что поворот шарового затвора осуществляется строго на 90°. В кране реализована схема с плавающими шаровыми затворами, установленными между плавающими седлами (4, 5, 9, 10). Седла всегда прижимаются к шаровому затвору (3, 8) посредством, например, тарельчатых пружин (15), а также давлением рабочей среды. Шаровые затворы (3, 8) и верхние седла (4, 9) покрыты износостойким покрытием, например, на основе карбида вольфрама для повышения ресурса и долговечности крана и имеют уплотнение по типу «металл-металл». В шаровых затворах (3, 8) выполнено одно или несколько разгрузочных отверстий (16) круглой, овальной, квадратной или иной формы на сферической поверхности. При закрытии шарового затвора разгрузочное отверстие находится со стороны подачи давления из скважины при газонефтеводопроявлениях, тем самым выравнивается давление в полости крана и со стороны нижнего седла.
Верхние седла (4, 9) обеспечивают герметичность в области своего контакта с шаровым затвором и корпусом. Герметичность пары верхнее седло (4, 9) - шаровой затвор (3, 8) достигается притиркой соответствующих контактирующих поверхностей. Уплотнение пары верхнее седло-шаровой затвор выполнено по типу «металл-металл». Герметичность пары верхнее седло (4, 9) - корпус достигается установкой манжеты (17) и уплотнительного кольца (18). Нижние седла (5, 10) не обеспечивают герметичность в области своего контакта с шаровым затвором (3, 8) и корпусом, а служат для позиционирования шарового затвора (3, 8) в строго определенном положении относительно других компонентов крана. Уплотнение нижние седла-шаровой затвор выполнено по типу «металл-пластополимер». Внешние седла (5, 9) крана, установленные со стороны замковых резьб поджимаются к шаровым затворам (3, 8) резьбовыми гайками (19).
Кран используется:
1) В случае газонефтеводопроявлений для аварийной герметизации канала буровой трубы.
2) Для отсечения и предотвращения сброса и разлива бурового раствора, оставшегося в вертлюге системы верхнего привода (СВП), шпинделе и буровом рукаве во время спуско-подъемных операций при бурении.
Устройство работает следующим образом.
Работа крана в процессе бурения.
Перед началом бурения и подачи бурового раствора от насосов необходимо открыть шаровые затворы (3, 8) ручной и механической части. Для этого шаровой затвор (8) механической части открывается дистанционно с пульта бурильщика с помощью гидравлического привода через муфту (2), шаровой затвор ручной части (3) переводится в положении «Открыто» вручную специальным ключом путем вращения штока (6) до упора.
Работа крана при спуско-подъемных операциях бурения.
При необходимости свинчивания/навинчивания буровой свечи, замены бурового инструмента и т.д. подача бурового раствора от насосов буровой установки должна прекратиться, только после этого дистанционно закрыть шаровой затвор (8) с пульта бурильщика. Визуально убедиться, что муфта (2) переместилась в положение «Закрыто». Только после этого свинчивать буровую свечу.
Работа крана при газонефтеводопроявлениях в процессе бурения.
При появлении признаков газонефтеводопроявлений подача бурового раствора от насосов буровой установки должна быть прекращена, шаровой затвор (8) механической части крана переводится в положение «Закрыто» с пульта бурильщика.
На всех режимах работы крана шаровой затвор (3) ручной части закрывается и открывается только при выходе из строя или негерметичности шарового затвора механической части, также проверяется его работоспособность при ежедневных регламентных работах.
Управление краном:
1) Ручная часть - ручное, специальным ключом.
2) Механическая часть - при помощи гидравлического привода (не входит в состав крана). Возможно также ручное управление специальным ключом в нештатных ситуациях.