КЛАПАН ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ
MULTIPURPOSE VALVE

Предлагаемое изобретение относится к трубопроводной арматуре высокого давления для загрязненных сред, например для регулирования расхода и перекрытия потока отсепарированных из потока природного газа жидкостей, и может быть использовано в газодобывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Надежность работы запорно-регулирующей арматуры на установках комплексной подготовки газа (УКПГ) к дальней транспортировке определяет безаварийность и стабильность работы установки и влияет на экономические показатели работы промыслов. Условия работы запорно-регулирующей арматуры в условиях газовых промыслов очень "жесткие". Перепад давлений на регулирующих клапанах в технологическом цикле достигает 8,5-13,0 МПа, а на затворах регулирующих клапанов скважин газопроводов 25 МПа. Рабочая среда - жидкость, выносимая газом из пласта, а также технологические жидкости, подаваемые в поток газа, содержат абразивные частицы - песок различных фракций, также выносимый газом из продуктивного пласта. Так, например, сбрасываемый из технологических аппаратов абсорбент диэтиленгликоль, подаваемый в них для осушки газа, содержит до 20 г/л твердых частиц. Регулирующий клапан при таких условиях подвергается абразивной и кавитационной эрозии. Его стойкость при применении наиболее прочных материалов в реальных условиях составляет от нескольких дней до нескольких месяцев. Размытый клапан, выполняющий роль гидрозатвора в аппаратах, не способен поддерживать уровень жидкости. Это может привести к прорыву газа в жидкостные линии и создать аварийную ситуацию. С целью предотвращения прорыва газа в жидкостные линии в трубопроводе перед регулирующим клапаном устанавливают отсечной клапан. С целью снижения перепада давлений на регулирующем клапане в трубопроводе устанавливают нерегулируемый дроссель. Однако он обеспечивает перераспределение давлений только на номинальных расходах. При уменьшении расхода его работа становится неэффективной и весь перепад реализуется на клапане.
Известны запорно-регулирующие клапаны, рассчитанные для работы на больших перепадах давлений (Ю.Я.Казинер, М.С.Слободкин «Арматура систем автоматического управления (исполнительные устройства)». - М.: Машиностроение, 1977, с. 49, рис.23, 24). В таких клапанах дросселирующая часть затвора представляет собой полый цилиндр, на боковой поверхности которого круглые отверстия или прорези специальной конфигурации, реализующие совместно с седлом, выполненным в виде втулки, охватывающей затвор, дроссельный проход. Среда поступает через отверстия в затворе в его внутреннюю полость. В конце хода, при уменьшении расхода среды, затвор своим увеличенным диаметром "садится" на седло, обеспечивая герметичность затвора.
Недостатком таких запорно-регулирующих клапанов является то, что в условиях загрязненных жидкостей, а также на чистых жидкостях при малых расходах дросселирование среды происходит по кольцевому зазору уплотнительных поверхностей затвора и седла и приводит к их быстрому абразивному и кавитационному размыву, герметичность клапана нарушается.
Известен регулирующий клапан (Ду 50, Ру 10 МПа, А2Д 2.503.025 ТО, АЯД 2.503.023). В этом клапане затвор регулирующего органа выполнен в виде цилиндрической втулки с проходными окнами, перемещающейся в цилиндрической расточке корпуса. Регулируемый дроссельный проход образуется между торцом расточки в корпусе клапана и окнами затвора. Запорный элемент состоит из резинового кольца на затворе выше проходных окон и специальной втулки, посредством которой кольцо с затвором вводится в цилиндрическую расточку корпуса, обеспечивая герметичность затвора.
Недостатком этого запорно-регулирующего клапана является то, что резиновое кольцо вводится во втулку при полном перепаде давлений на затворе. Кольцо пересекает торцевой зазор между специальной втулкой и торцевой поверхностью расточки в корпусе, который может быть не равным нулю вследствие попадания твердых частиц и размыва кромки расточки, что приводит к срезанию кольца и нарушению герметичности затвора.
Известен клапан запорно-регулирующий (RU 2162179 С1, кл. F16K 1/44, опубл. 20.01.2001). Клапан содержит корпус с входным и выходным каналами. В корпусе размещены два затвора: регулирующий, соединенный с штоком, перемещаемым приводом, и запорный, связанный с штоком. Клапан снабжен дополнительным затвором. Седло дополнительного затвора закреплено в нижней части корпуса соосно с штоком. Запорный затвор выполнен тарельчатым, размещен на полом удлинении штока ниже регулирующего затвора по ходу потока среды, и его седло закреплено в корпусе соосно с штоком. В полом удлинении штока выполнены радиальные отверстия, расположенные над тарельчатым затвором. Регулирующий затвор выполнен многоступенчатым, его ступени связаны с штоком с возможностью синхронного открытия всех седел затвора при перемещении штока.
Недостатком данного клапана является то, что тарельчатый затвор размещен подвижно на штоке и имеет подвижное уплотнение; седло дополнительного затвора размещено в нижней части корпуса и подвержено постоянному воздействию потока среды; клапан сброса утечек после регулирующих затворов выполнен в удлинении штока с радиальными каналами и имеет существенное сопротивление, что создает перепад давлений на тарельчатом затворе и затрудняет его открывание. Кроме того, седло запорного затвора закреплено в корпусе ниже регулирующего седла, по ходу потока среды, на величину дистанционной втулки, обусловленную перемещением запорного затвора, что увеличивает габариты клапана.
Известен также клапан запорно-регулирующий (RU 2270391 С2, кл. F16K 1/44, 39/02 (2006.01), опубл. 20.10.2004), взятый за прототип. Клапан содержит корпус с входным и выходным каналами. В корпусе размещены затворы: регулирующий, соединенный со штоком, перемещаемым приводом, запорный, связанный со штоком, и дополнительный затвор - конец штока. Запорный затвор размещен концентрично в нижней части регулирующего затвора, образуя кольцевой канал, соединенный радиальными каналами с его внутренней полостью, седло дополнительного затвора выполнено в запорном затворе, который имеет осевой канал, седло запорного затвора размещено под регулирующим седлом.
Клапан обладает следующими недостатками. Дополнительный и основной затвор имеют уплотнение металл по металлу, которое требует для достижения герметичности трудоемкой операции притирки. Но при эксплуатации вследствие абразивного износа проходящей средой герметичность быстро нарушается.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в том, чтобы создать такое техническое решение, при использовании которого было возможно устранение вышеуказанного недостатка и повышение надежности и долговечности работы клапана.
Для достижения названного технического результата клапан запорно-регулирующий содержит корпус с входным и выходным каналами, в корпусе размещены затворы: регулирующий соединенный с штоком, перемещаемый приводом; запорный, связанный с штоком и размещенным в нем эластичным уплотнительным кольцом; и дополнительный затвор - конец штока, причем запорный затвор размещен концентрично в нижней части регулирующего затвора, образуя кольцевой канал, соединенный радиальными каналами с его внутренней полостью, седло дополнительного затвора выполнено в запорном затворе, который имеет осевой канал, седло запорного затвора размещено под регулирующим седлом.
Заявляемый клапан отличается от прототипа тем, что в нижней части запорного затвора выполнено углубление, в котором размещены два эластичных уплотнительных элемента, прижимаемых пружиной через промежуточное нажимное кольцо с радиальными отверстиями, причем наружный эластичный уплотнительный элемент выполнен из материала более мягкого и упругого, чем внутренний, например из резины, а внутренний, контактирующий со штоком, из более жесткого, например из фторопласта.
Запорное седло выполнено из двух частей, между которыми образована полость, в которой размещено эластичное уплотнительное кольцо, причем эта полость соединена с выходным патрубком.
Предлагаемое изобретение изображено на чертеже, где на фиг. 1 изображен запорно-регулирующий клапан, на фиг.2 изображены увеличено регулирующий, запорный и дополнительный затворы.
Клапан 1 содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 каналами. В корпусе размещены связанные со штоком 4 регулирующий 5 и запорный 6 затворы. Конец штока 4 служит дополнительным затвором 7. Шток связан с приводом 8. В корпусе также размещены регулирующее седло 9 с каналами 10, составное запорное седло с наружным 11 и внутренним 12 кольцами. Между кольцами образована полость 13, в которой размещено эластичное уплотнительное кольцо 14. Полость 13 кольцевым зазором 15 соединена с выходным патрубком 3. В нижней части запорного затвора 6 размещено составное вспомогательное седло, состоящее из внутреннего 16 и наружного 17 уплотнительных элементов, поджимаемых пружиной 18 через нажимное кольцо 19 с радиальными каналами 20. На штоке 4 выполнен буртик 21 для поджатия пружины 18 и перемещения регулирующего 5 и запорного 6 затворов. В нижней части запорного затвора 6 выполнено разгрузочное отверстие 22, а в верхней части находится гайка 23.
Клапан работает следующим образом. В исходном положении (закрыто) отверстия 10 седла 9 перекрыты регулирующим затвором 5, запорный затвор 6 поджат пружиной 18, приводом 8 и давлением среды к составному седлу 11, 12, 14, шток 4 своим нижним концом - вспомогательным седлом 7 прижат приводом 8 к эластичному уплотнительному кольцу 16, потока среды нет, клапан закрыт. При открывании клапана привод перемещает шток 4 вверх, вспомогательный затвор штока 7 отходит от эластичного уплотнительного кольца (седла) 16. Регулируемая среда из внутренней полости 23 через радиальные каналы 20 и осевой канал 22 получает выход в выходной канал 3, давление среды на запорный затвор 6 падает. Утечки среды через регулирующий затвор 5 по кольцевому зазору 24, через радиальные каналы 20 и осевой канал 22 также сбрасываются в выходной канал 3. При дальнейшем движении штока вверх запорный затвор 6 отходит от составного седла 11, 12, 14 запорного затвора, после чего регулирующий затвор 5 начинает открывать отверстия 10 в седле 9. Происходит регулирование протекающей среды. При этом уплотнительное кольцо 14 размещено в полости 13, выполненной по форме «ласточкиного хвоста», и соединяется через кольцевой зазор 15 с выходным каналом 3, т.е. перепад давления затягивает кольцо в полость. При закрытии клапана шток 4 перемещается вниз, регулирующий затвор 5 перекрывает отверстия 10, перекрывается основной поток среды. При дальнейшем движении штока 4 вниз запорный затвор 6 «садится» на составное седло 11, 12, 14 запорного затвора и прижимается пружиной 18. Утечки среды через кольцевой зазор 24 регулирующего затвора 5 сбрасывается через полость 23, радиальные каналы 20 и осевой канал 22 в выходной канал 3. В конце хода шток своим нижним концом - дополнительным затвором 7 «садится» на эластичное уплотнительное кольцо 16, проток среды прекращается, давление среды в полости 23 возрастает до входного и прижимает запорный затвор 6 к составному седлу. Клапан закрыт.
В настоящее время разрабатывается конструкторская документация на клапан для Ямбургского и Уренгойского газоконденсатных промыслов.
Экономическая эффективность от использования клапана по сравнению с ранее используемыми может быть получена за счет повышения надежности и стабильности работы установок, увеличения межремонтного периода и срока службы в условиях газовых промыслов и снижения трудоемкости по обслуживанию и ремонту.