КЛАПАН ОБРАТНЫЙ

Предложение относится к элементам внутрискважинного оборудования, связанного с добычей нефти, предотвращающим обратный поток жидкости (обратные клапаны), управляемым перепадом давлений среды по обе стороны клапана и преимущественно устанавливаемым на нижнем конце колонны насосно-компрессорных труб. Иногда такие устройства называют дифференциальными клапанами.
Известен обратный клапан, содержащий корпус, внутри которого расположены запорный элемент, выполненный в виде шара, и седло, неподвижно скрепленное с корпусом. Для обеспечения свободного прохождения среды (жидкости, газа) в прямом направлении, между запорным элементом и корпусом имеется зазор [Заявка США №2009/044948 A1]. Недостаток известного клапана состоит в его невысокой пропускной способности. Это ограничивает сферу возможных применений клапана. Причина невысокой пропускной способности состоит в малой величине указанного зазора, который не может быть увеличен во избежание снижения точности посадки запорного элемента на седло. Большие поперечные перемещения запорного элемента снижают надежность и быстродействие клапана.
Известен обратный клапан, состоящий из корпуса, седла, закрепленного в корпусе и запорного элемента, в котором ограничителем поперечных перемещений запорного элемента служат стенки корпуса. Для повышения пропускной способности клапана за счет улучшения условий обтекания жидкостью запорного элемента в стенках корпуса выполнены продольные пазы. Пазы образованы расточкой или рассверливанием корпуса до вскрытия приблизительно наполовину цилиндрических сверленых каналов, расположенных по окружности. Диаметр сверления (расточки) немного превышает диаметр запорного элемента [RU №56940 U1]. Недостатками известного клапана являются высокая металлоемкость, низкий коэффициент использования материала и высокая трудоемкость изготовления. Все эти недостатки обусловлены особенностями конструкции клапана, изготавливаемого из цельного куска металла. Для образования пазов требуется выполнить, по меньшей мере, пятнадцать технологических операций, включающих глубокое сверление. Это повышает вероятность брака. Существенно повышает трудоемкость необходимость удаления заусенцев, образующихся после рассверливания или расточки корпуса. Кроме того, надежность известного клапана снижена из-за возможности засорения сравнительно узких сверленых отверстий.
Известен обратный клапан, включающий корпус, седло и шаровой запорный элемент, в котором для ограничения перемещений запорного элемента используется специальная отдельная деталь, называемая ограничителем, или клеткой. Ограничитель выполнен в виде толстостенной втулки или стакана, у которого для обеспечения протока жидкости, внутренние стенки имеют продольные пазы, переходящие в отверстия в дне стакана. Ограничитель закреплен в корпусе стопорным кольцом [RU №76380 U1]. Продольные перемещения запорного элемента ограничены дном стакана, а поперечные - продольными ребрами, образуемыми перегородками между смежными пазами.
Технология изготовления ограничителя такая же, как и у предыдущего аналога: глубокое сверление ряда отверстий, расположенных по окружности, с последующим вскрытием их стенок сверлением или растачиванием. Недостатками известного ограничителя являются сложность и высокая трудоемкость изготовления, возможность засорения сравнительно узких сверленых отверстий ограничителя.
Пропускная способность описанных выше клапанов невелика из-за большого гидравлического сопротивления каналов и отверстий ограничителя. Для устранения этого недостатка был предложен вариант описанного выше клапана, в котором отверстия ограничителя-клетки выполнены конусными [RU №76379 U1]. Такое решение незначительно увеличивает пропускную способность, поскольку турбулентный режим течения сохраняется, но существенно усложняет изготовление ограничителя.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является обратный клапан, включающий корпус, седло, запорный элемент и ограничитель поперечных перемещений запорного элемента, или направляющий элемент, выполненный в виде полой тонкостенной цилиндрической втулки. Для обеспечения протока жидкости, втулка имеет боковые отверстия, вытянутые по длине [RU №9497 U1]. Известный клапан ненадежен в эксплуатации и нетехнологичен в изготовлении. Тонкостенная втулка направляющего элемента, ослабленная к тому же прорезями, не обладает достаточной жесткостью. Проделывание длинных прорезей в тонкостенной втулке является довольно сложной технологической задачей.
В известном клапане поток жидкости трижды меняет свое направление: двигаясь по оси корпуса, он поворачивает, обтекая запорный элемент, к стенкам корпуса, затем от стенок корпуса к его оси и, наконец, поворачивает, устанавливаясь опять вдоль оси корпуса. Это повышает его гидравлическое сопротивление.
1
Аналогично устроены, и обладают теми же недостатками обратные клапаны, описанные в [RU 26076 U SU №1830121, US №2005/0257927 A1].
Общим недостатком для всех описанных клапанов с запорным элементом в виде шара является ненадежность работы клапана, в условиях, когда пропускаемая через него жидкость способна откладывать смолистые или иные отложения. Пока запорный элемент прилегает к седлу одним и тем же местом, отложения в поясе контакта не образуются и клапан работает надежно. Но если вследствие какой-либо флюктуации, шар повернется к седлу стороной, покрытой отложениями, плотного запирания клапана может не произойти.
Технический результат, достижение которого составляет цель настоящего предложения, состоит в упрощении конструкции и технологии изготовления клапана, а также в снижении его гидравлического сопротивления.
Указанный результат достигается тем, что в известном обратном клапане, содержащем корпус, седло, запорный элемент и тонкостенный направляющий элемент, указанный направляющий элемент выполнен в виде трубы с гофрированными в продольном направлении стенками.
Кроме того, складки-гофры стенок направляющего элемента направлены под углом к его оси.
Кроме того, величина указанного угла лежит в пределах 5…30 градусов.
Выполнение направляющего элемента в виде трубы с гофрированными стенками обеспечивает высокую жесткость элемента. При этом его изготовление очень несложно и практически безотходно. Другими словами, упрощается конструкция и технология изготовления клапана.
Гофрирование стенок трубы в продольном по отношению к оси клапана направлении обеспечивает хорошую центровку направляющего элемента в корпусе клапана, а запорного элемента - в направляющем элементе. Кроме того, это существенно снижает гидравлическое сопротивление клапана по сравнению с известными аналогами за счет того, что жидкость, обогнув запорный элемент, не меняет более направления своего движения.
Выполнение складок-гофр направляющего элемента под углом к его оси, способствует вращению запорного элемента, повышая тем самым равномерность его очистки от возможных отложений и износа.
Выполнение складок-гофр направляющего элемента под углом 5…30 градусов является оптимальным. При угле менее 5 градусов запорный элемент не вращается при продольных перемещениях, а при угле более 30 градусов заметно возрастает сопротивление закручиваемому потоку жидкости.
Существо предложения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен продольный разрез предложенного клапана.
На фиг.2 изображено сечение направляющего элемента плоскостью, перпендикулярной оси клапана.
На фиг.3 изображен продольный разрез предложенного клапана в исполнении с наклонными гофрами направляющего элемента.
Предложенный клапан содержит корпус 1, выполненный в виде отрезка цилиндрической трубы. С одной стороны к корпусу присоединена резьбовая втулка 2 для соединения клапана с насосно-компрессорной трубой, а с другой - втулка-основание 3 седла 4. Запорный элемент 5 может иметь различную форму. В качестве примера, на чертеже он представлен в виде шара.
Для ограничения поперечных относительно оси клапана перемещений запорного элемента 5 и центровки этого элемента относительно седла 4 служит направляющий элемент 6, выполненный в виде отрезка трубы с гофрированными в продольном направлении стенками. Для ограничения продольного (осевого) перемещения запорного элемента 5 служит шпилька 7.
В осевом направлении перемещение направляющего элемента 6 ограничено: снизу - седлом, сверху - резьбовой втулкой 2. В поперечном направлении перемещение запорного элемента 5 ограничено выступающими внутрь ребрами гофр (складок). Центровка направляющего элемента 6 вместе с запорным элементом 5 в корпусе 1 осуществляется внешними ребрами гофр.
Направляющий элемент 6 предложенного клапана прост в изготовлении. Он может изготавливаться либо из отрезка тонкостенной трубы, на боковой поверхности которой выдавливаются гофры, либо скручиваться из отрезка гофрированной ленты со сваркой получаемого стыка. В обоих случаях изготовление элемента 6 практически не дает отходов.
Необходимое число гофр определяется при конструировании конкретного клапана и лежит в пределах от трех до, по меньшей мере, двенадцати. Оптимальным является элемент 6 с шестью гофрами, и углом при вершине внутренней складки 60°, как изображено на фиг.2. Число и размеры гофр определяются несложным расчетом, исходя из заданных диаметра запорного элемента 5, внутреннего диаметра корпуса 1 и толщины стенки заготовки.
Гофры могут быть направлены под небольшим - от 5 до 30 градусов, углом А к оси направляющего элемента 6, как это показано на фиг.3. При таком исполнении запорный элемент 5, двигаясь вдоль оси клапана и задевая за наклонные гофры направляющего элемента, слегка вращается и ложится на седло 4 каждый раз новым местом. Это способствует самоочищению поверхности запорного элемента 5.
Опыт показал, что для обратного клапана диаметром 120 мм с запорным элементом в виде шара диаметром 72 мм толщины стенки направляющего элемента в 2 мм оказывается абсолютно достаточно для обеспечения надежной продолжительной работы клапана.
Предложенный клапан обладает очень низким гидравлическим сопротивлением. Поступающая снизу струя жидкости, обогнув запорный элемент 5, устремляется вверх по сравнительно широким каналам-гофрам, не изменяя больше направления.