ОБРАТНЫЙ КЛАПАН
RETURN VALVE

Данное техническое решение относится к горной технике, в частности к запорным средствам для предотвращения возврата текучей среды под давлением в обратном направлении.
Обратный клапан предназначен для герметизации внутреннего канала бурового инструмента при возникновении давления жидкости снизу в процессе бурения нефтяных и газовых скважин и проведении ремонтных скважинных работ.
Известен обратный клапан, содержащий корпус с резьбами на верхнем и нижнем концах, имеющий центральный канал и седло в виде кольцевого уступа, выполненного в расточке центрального канала со стороны нижнего конца, установленное в расточке поворотное запорное устройство, взаимодействующее с седлом и снабженное упругими элементами, удерживающими запорное устройство в закрытом положении, узел фиксации запорного устройства и упругих элементов в корпусе, причем запорное устройство содержит два запорных элемента, выполненных из половин кольцевого цилиндра путем сечения каждой из них двумя взаимно перпендикулярными наклонными плоскостями, верхняя из которых выполнена под углом меньше 90° к плоскости окружности цилиндра, а боковая - под таким же углом к его оси, упругие элементы выполнены в виде двух пластинчатых пружин, верхний конец которых расположен в пазу, выполненном на цилиндрической поверхности в верхней части запорных элементов, узел фиксации запорных и упругих элементов в корпусе выполнен в виде закрепленного в нижней части расточки корпуса кольца, на верхнем торце которого выполнены пазы, в которых установлен ригель в виде пластины, взаимодействующей с пазами, выполненными на нижнем торце запорных элементов, а на цилиндрической поверхности выполнены диаметрально противоположные пазы, в которых установлены нижние концы пластинчатых пружин, причем верхние торцы запорных элементов, взаимодействующие с седлом, и их боковые поверхности, взаимодействующие между собой, покрыты эластомером (RU 2427702 С1, 27.08.2011).
Известен обратный клапан преимущественно для бурильной колонны с гидроабразивной средой, содержащий корпус, состоящий из соединенных резьбовым соединением ниппеля и переводника, установленное между ними седло с упругоэластичным уплотнением и запорный орган, контактирующий с седлом и снабженный пружиной, поджимающей запорный орган к седлу, причем запорный орган выполнен в виде полого плунжера, выход которого герметично заглушен лобовым и донным обтекателями, в стенках плунжера выполнены окна, плунжер соединен с возможностью скольжения с седлом, а упругоэластичный элемент ограничен в направлении выхода клапана по меньшей мере частью поверхности скольжения седла, при этом лобовой обтекатель выполнен с дроссельным отверстием, а лобовой и донный обтекатели образуют между собой думисную полость, соединенную через дроссельное отверстие с входом обратного клапана. Трактовая стенка лобового обтекателя выполнена сопряженной с нижними по потоку торцами окон. Плунжер выполнен с кольцевой наружной канавкой, ширина которой превышает, по меньшей мере, расстояние между верхними и нижними по потоку торцами окон, а минимальная глубина канавки от поверхности скольжения плунжера равна максимальной величине натяга упругоэластичного элемента в седле относительно поверхности скольжения плунжера (RU 2232243 С1, 10.07.2004).
Известен обратный клапан, включающий полый корпус с размещенным в нем коническим седлом и установленным под седлом с возможностью осевого перемещения между седлом и ограничительной решеткой запорным узлом, выполненным в виде сердечника с хвостовиком и конической упорной поверхностью, переходящей в цилиндрический поясок, причем клапан снабжен эластичной конической манжетой со ступицей, закрепленной на сердечнике, взаимодействующей с коническим седлом и обеспечивающей возможность перекрытия раструбом проходного канала, образованного сердечником в полости корпуса, разделенной манжетой на надманжетную и соединенную с закорпусным пространством подманжетную полуполости, при этом в местах переходов ступицы в раструб выполнены наружный кольцевой паз, образующий с раструбом уплотнительный валик, охватывающий цилиндрический поясок сердечника, и кольцевая выточка с расходящимися от нее вдоль образующей внутренней конической поверхности раструба внутренними канавками (RU 2213 845 С1, 10.10.2003).
Известен обратный клапан для бурильной колонны, включающий корпус, состоящий из ниппеля и переводника, связанных резьбовым соединением, установленное между ними составное седло в виде втулки, образующей с переводником кольцевую полость, и упругого эластомерного элемента, размещенного в полости с возможностью взаимодействия с кольцевым выступом цилиндрической втулки и ниппеля, а также расположенный со стороны последнего и контактирующий с седлом тарельчатый запорный орган, содержащий проходящий по оси переводника шток, в хвостовой части которого установлена пружина, поджимающая запорный орган к седлу, причем в проходном канале переводника выполнены ребра, а шток выполнен в виде центрального стержня и обечайки, ребра связывают их между собой, причем пружина размещена в цилиндрической кольцевой полости между обечайкой и переводником (RU 2107805 С1, 27.03.1998).
Известен клапан обратный, содержащий корпус с осевым каналом и седлом, крышку с коромыслом, подвешенную на оси, причем клапан снабжен цилиндрической пружиной с упорами на концах, расположенной на установленной в отверстиях средней части корпуса оси с эластичным покрытием, которая размещена в отверстиях выступов коромысла крышки, прижимаемой через один из упоров цилиндрической пружиной к седлу, образованному втулкой седла, установленной в осевом канале корпуса, и манжетой седла из эластичного материала, расположенной во внутренней проточке корпуса между втулкой и корпусом, который выполнен цилиндрической формы с расположенными напротив друг друга двумя окнами между одним из концов корпуса и средней частью корпуса, на внешних сторонах концов корпуса выполнены проточки в виде канавок и в них размещены манжеты из эластичного материала (RU 2393326 С1, 27.06.2010).
Известен обратный клапан, включающий корпус, размещенную в корпусе подвижную втулку с седлом, установленную с возможностью ограниченного осевого перемещения, подпружиненный запорный орган со штоком и срезной элемент, причем в корпусе выполнены радиальные отверстия, которые перекрыты подвижной втулкой, удерживаемой срезным элементом в крайнем нижнем положении, запорный орган установлен концентрично и подпружинен относительно подвижной втулки, на наружной поверхности которой выполнены кольцевые проточки, образующие с корпусом замкнутые полости, причем верхняя полость заполнена фильтрующим материалом и перекрывает радиальные отверстия корпуса при срабатывании обратного клапана (RU 2071550 С1, 10.01.1997).
Известен обратный клапан для обсадной колонны, содержащий корпус, установленные в нем фильтр, седло с осевым каналом и закрепленными в нем уплотнительной манжетой и поджимающей ее к седлу втулкой с радиальными отверстиями, в которой установлен с возможностью осевого перемещения взаимодействующий с запорным элементом, выполненным в виде шара, шток-толкатель с осевой пружиной, обеспечивающий прижатие запорного элемента к манжете торцевой поверхностью штока-толкателя в верхней его части, причем торцевая поверхность штока-толкателя в верхней его части имеет форму диска, диаметр которого близкий к внутреннему диаметру втулки и выполнен с возможностью центрирования штока-толкателя при его перемещениях в осевом направлении стенками втулки, а в нижней части втулки закреплена гайка с отверстиями по кругу и осевым отверстием, выполненная с возможностью центрирования штока-толкателя посредством осевого отверстия (RU 2467158 С1, 20.11.2012).
Известен обратный клапан, переключаемый потоком, содержащий корпус, направляющий элемент, расположенный в корпусе и имеющий отверстие, проходящее сквозь него, и клапанный затвор, имеющий головку и шток, при этом головка имеет верхнюю по потоку поверхность, взаимодействующую с посадочной поверхностью корпуса, когда клапанный затвор находится в первом положении, направляющий элемент и клапанный затвор, каждый имеет палец или канавку, причем палец проходит в канавку так, что он следует форме канавки при перемещении клапанного затвора внутри корпуса, форма канавки имеет такую конфигурацию, чтобы направлять клапанный затвор из первого положения во второе положение при действии силы на головку и из второго положения в третье положение при прекращении действия силы на головку, при этом третье положение находится ниже по потоку относительно первого положения (RU 2358092 С2, 10.06.2009).
Обратный клапан, содержащий разъемный корпус, в виде двух полумуфт, одна из которых соединена с подводящей магистралью, а другая - с отводящей магистралью, между ними установлен подвижный в осевом направлении запорный элемент с конусообразной рабочей поверхностью, обращенной вершиной в сторону подводящей магистрали, причем внутренняя полость корпуса снабжена съемной втулкой, периферийная поверхность которой выполнена в виде многогранника, конусообразная рабочая поверхность запорного элемента выполнена ступенчатой формы, а на периферийной поверхности выполнены продольные сквозные каналы (RU 17962 U1, 10.05.2001).
Известен обратный клапан, содержащий прямоточный корпус, в котором размещены запорный орган со штоком, механическое уплотнение, седло, выполненное в виде втулки с коническим уплотнительным пояском, при этом запорный орган выполнен в виде цилиндрической пробки, снабженной конической уплотнительной поверхностью, сопрягаемой в закрытом положении клапана с уплотнительным пояском седла, причем пробка соединена со штоком посредством резьбы, а в корпусе со стороны выхода установлена направляющая для свободного конца штока, отличающийся тем, что механическое уплотнение выполнено в виде установленного на пробке после конической уплотнительной поверхности набора эластично подпружиненных, эксцентрично попарно смещенных относительно друг друга на 180° уплотнительных колец, каждая пара которых смещена относительно предыдущей пары на угол 360°/2n, где n - число пар уплотнительных колец, сопрягаемого в закрытом положении клапана с цилиндрической частью седла, причем на свободном торце пробки установлена защитная шайба, закрывающая механическое уплотнение от воздействия абразивных составляющих пластовой жидкости (RU 82475 U1, 27.04.2009).
Клапан обратный буровой, содержащий корпус, в котором размещены затвор в виде шара с седлом, клетка для ограничения перемещения шара, возвратная пружина, установленная между клеткой и шаром, отличающийся тем, что седло установлено в клетке и закреплено цилиндрической обоймой с отверстием для прохода жидкости, при этом клетка, возвратная пружина, шар, седло и обойма установлены в корпусе клапана последовательно и образуют единую сборку - модуль (RU 99814 U1, 27.11.2010).
Известен обратный клапан, содержащий корпус, установленное в нем седло с осевым каналом и закрепленными в нем уплотнительной манжетой и поджимающей ее к седлу втулкой с радиальными отверстиями, в которой установлен с возможностью осевого перемещения взаимодействующий с запорным элементом шток с осевой пружиной, обеспечивающей прижатие запорного элемента к манжете, отличающийся тем, что передняя часть седла выполнена суженной с радиальными отверстиями, запорный элемент жестко соединен со штоком, а задняя часть втулки представляет собой гайку с отверстиями (RU 109204 U1, 10.10.2011).
Близким к представленному в данном описании изобретению является известный обратный клапан, содержащий корпус, в котором размещены запорный узел, состоящий из седла, подпружиненного шара, клетки с внутренней полостью для пружины и отверстиями для прохода среды, причем корпус выполнен с двумя зеркально расположенными относительно перемычки проточками, в центральном отверстии которой помещен шар, который с одной стороны расположен с возможностью взаимодействия с седлом, закрепленным в проточке кольцевой гайкой, а с другой стороны шар расположен с возможностью взаимодействия с пружиной, зафиксированной клеткой. В данном клапане отверстия для прохода среды выполнены в дне клетки, а перемычка выполнена с двухсторонними скосами (RU 2493355 С2, 20.09.2013 - прототип).
Изобретение характеризуется общими признаками с прототипом, в частности, что каждый обратный клапан содержит корпус, в котором размещены запорный узел, состоящий из седла, взаимодействующего с ним подпружиненного запорного элемента, установленного в клетке запорного узла, при этом в клетке образована полость, в которой расположена пружина сжатия, в днище клетки выполнены отверстия, в корпусе выполнено центральное отверстие, в котором расположено седло с возможностью ее принудительного поджатая к запорному элементу резьбовой втулкой с центральным отверстием в нем.
Существенным недостатком прототипа является его низкая надежность, связанная со сложностью конструкции. Сложность конструкции связана с тем, что в корпусе прототипа имеется кольцевая перемычка, запорный элемент выполнен в виде шара, пружина в клетке не имеет средств ее фиксации в рабочем положении, предотвращающих отклонение от рабочего проектного положения, корпус выполнен с двумя зеркально расположенными относительно перемычки проточками, с двух противоположных сторон в полости корпуса выполнена резьба для завинчивания в него с одной стороны клетки, а с другой стороны резьбовой втулки, при этом резьбовая втулка выполнена отдельно от седла и предназначена для поджатая седла к запорному элементу. Такая компоновка клапана имеет сравнительно большое число элементов и сложную форму полости корпуса, что оказывает отрицательное действие на надежность клапана. Также отрицательное влияние оказывает на надежность работы клапана то, что пружина не защищена от действия на нее потока жидкости, проходящего на участке от отжатого потоком запорного элемента до днища клетки. В связи с наличием множества витков пружины на указанном участке возникает турбулентность потока, износ, смещения пружины, оседания внутри пружины отложений.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции клапана.
Технический результат получен обратным клапаном, содержащим корпус с центральным резьбовым отверстием, в корпусе размещены клетка, седло и взаимодействующий с седлом подпружиненный запорный элемент, который подвижно установлен в клетке клапана, при этом в клетке выполнена полость и днище с отверстиями в нем, а в полости клетки расположена пружина поджатая запорного элемента к седлу, причем клетка в продольном разрезе имеет чашеобразную форму, образованную первой цилиндрической частью и второй удлиненной цилиндрической частью меньшего диаметра, в указанных частях клетки расположен запорный элемент, выполненный в виде стержня с полукруглой головкой, взаимодействующей с седлом, седло выполнено с наружной резьбой и оно завинчено в центральное резьбовое отверстие корпуса, торец седла прижат к торцу первой цилиндрической части клетки, конец стержня запорного элемента расположен внутри пружины, при этом корпус, стержень и клетка выполнены с уступами и к уступу корпуса поджат торец цилиндрической части клетки, а между уступами стержня и клетки расположена пружина, один конец которой упирается в уступ клетки, а другой конец пружины упирается в уступ стержня.
В первой цилиндрической части клетки расположена одна часть стержня запорного элемента с полукруглой головкой, а во второй удлиненной цилиндрической части клетки расположена концевая часть стержня запорного элемента, причем вторая часть клетки имеет меньший диаметр в сравнении с диаметром первой цилиндрической части клетки, удлиненная часть клетки простирается в нижнюю сторону от седла, она имеет дно с отверстием, между ее наружной поверхностью и внутренней поверхностью корпуса образовано пространство, а в отверстии дна подвижно расположена концевая часть стержня.
На противоположной стороне от клетки и рабочей кромки седла выполнен конический раструб, образующий кольцевую стенку седла, в торце которой выполнены радиальные пазы под инструмент для завинчивания седла в резьбовое отверстие корпуса.
На фиг. 1 показан обратный клапан, который содержит корпус 1 с резьбой 2, выполненной на цилиндрической поверхности центрального отверстия 3, при этом в корпусе размещены клетка 4, седло 5 с отверстием в нем, а также взаимодействующий с рабочей кромкой седла подпружиненный запорный элемент 6, который подвижно установлен внутри клетки клапана. Клетка имеет полость 7 и днище 8 с отверстиями 9 в нем. В клетке расположена пружина 10 поджатая запорного элемента 6 к седлу 5.
Седло 5 представляет собой гайку с наружной резьбой, посредством которой седло завинчено в резьбу 2 корпуса. Торец 11 седла прижат к торцу 12 клетки. Запорный элемент 6 выполнен в виде расположенного внутри пружины стержня с полукруглой головкой 13, взаимодействующей с рабочей кромкой седла. Головка 13 выполнена по радиусу тела вращения. Стержень запорного элемента 6 выполнен с уступом 14. Клетка 4 выполнена с уступом 15. Пружина 10 сжатия расположена между указанными уступами, при этом один конец пружины упирается в уступ клетки, а другой конец пружины упирается в уступ стержня. Пружина 10 и запорный элемент 6 имеют многослойное защитное покрытие.
Клетка в продольном разрезе имеет чашеобразную форму, образованную первой цилиндрической частью 16 в виде обечайки, в которой расположена одна часть стержня запорного элемента 6. Вторая цилиндрическая часть 17 клетки выполнена полой и удлиненной. Часть 17 клетки имеет меньший диаметр в сравнении с диаметром цилиндрической части 16, при этом часть 17 клетки имеет дно 18 с центральным в нем отверстием 19, в котором подвижно расположена концевая часть стержня запорного элемента 6. Вторая часть 17 клетки простирается в сторону от седла 15, между ее наружной поверхностью и внутренней поверхностью корпуса 1 образовано пространство 20.
Существенно, что корпус имеет уступ 21, к которому поджат торец первой цилиндрической части 16 клетки, диаметр которой равен диаметру проточки в корпусе, образующей уступ 21. Также существенно, что на противоположной стороне от клетки и рабочей кромки седла 5 расположен конический раструб 22 седла, образующий скругленную горловину с целью уменьшения гидравлического сопротивления. Конус горловины выполнен расширяющимся в сторону от продольной оси корпуса 1. При этом раструб 22 образует на конце кольцевую стенку 23, в торце которой выполнены радиальные пазы 24 под инструмент для завинчивания седла 5 в резьбовое отверстие корпуса 1. Седло 5 завинчено в корпусе с усилием, достаточным для надежной фиксации седла в его рабочем положении и для поджатая цилиндрической части 16 клетки к уступу 21 корпуса 1.
Корпус на одном конце имеет внутреннюю коническую резьбу 25 под входной патрубок, а на другом конце корпус имеет наружную коническую резьбу 26 под выходной патрубок. В корпусе 1 имеются верхняя входная полость 27 и нижняя выходная полость 28. Рабочее положение клапана вертикально, что не исключает наклонное рабочее положение клапана. В любом из этих положений верхняя входная полость 27 находится выше нижней выходной полости 28.
Клапан работает следующим образом. В процессе бурения и движения бурового раствора в направлении по стрелкам, показанным на фиг. 1, раствор под давлением через входной патрубок входит в верхнюю полость 27 корпуса, отжимает запорный элемент 6 от седла 2 и сжимает пружину 5. При этом раствор проходит через раструб 22, отверстие седла 5, полость 7 первой цилиндрической части 16 клетки, отверстия 9 в днище 8 клетки и выходит через нижнюю полость 28 клапана в выходной патрубок. При прекращении движения раствора пружина 10 разжимается и прижимает запорный элемент 6 с головкой 13 к седлу 5, герметизируя нижнюю полость 28 клапана и внутренний канал бурового инструмента. При возникновении давления в скважине снизу происходит дальнейшее прижатие запорного элемента 6 к седлу 5, что обеспечивает герметизацию внутреннего канала инструмента.
В процессе работы клапана пружина 10 защищена от воздействия на нее раствора, при этом пружина не препятствует движению раствора в пространстве 20 между поверхностями корпуса 1 и клетки 4. Выполненный в седле раструб 22, имеющий наклонные в сторону от продольной оси корпуса и скругленные поверхности, уменьшает сопротивление движению раствора и обеспечивает подачу потока раствора равномерно по всей поверхности полукруглой головки 13 запорного элемента.
Благодаря тому, что в корпусе клапана содержится минимальное число элементов, то монтаж клапана осуществляется минимальным числом действий. Сначала в корпус через верхнюю полость 27 вводят клетку 4 вместе с запорным элементом и пружиной до упора торца днища 8 клетки в уступ 21 корпуса 1, а затем завинчивают седло 5 до его упора в торец 12 клетки 4. Демонтаж осуществляют также двумя действиями в обратной последовательности.
Указанные особенности позволили упростить ремонт клапана, повысить надежность его работы и ресурс за счет новой компоновки клапана, покрытия пружины клапана и запорного элемента, а также за счет исключения из конструкции элементов из резины и эластомеров. Опыты показали, что клапан применим для работы в любых агрессивных средах при больших температурах.