Клапан осесимметричный

Полезная модель относится к трубопроводной арматуре, в частности к клапанам, предназначенным для регулирования расхода и давления природного и искусственного углеводородного газов, а также для применения в качестве запорно-регулирующей, отсечной и антипомпажной арматуры, устанавливаемой на трубопроводах технологических линий, технологических обвязках компрессорных станций (КС), дожимных компрессорных станций (ДКС), подземных хранилищ газа (ПХГ) и газопроводах, а также на участках газопроводов из районов их добычи, производства и хранения.
Известен регулирующий осесимметричный клапан осевого потока, содержащий корпус с входным и выходным патрубками и размещенный внутри корпуса обтекатель с образованием кольцевого канала, выходную часть которого перекрывает перфорированный отверстиями сепаратор, жестко соединенный с седлом, зафиксированным в выходном патрубке, и размещенный внутри него с возможностью осевого перемещения поршень, закрепленный на рейке реечного механизма, шток которого соединен с приводом, поршень выполнен с разгрузочными каналами на торце, а косозубое зацепление реечного механизма и свободные торцы штока и рейки расположены в сформированных для них полостях, полости косозубого зацепления и торца штока изолированы от давления рабочей среды (Патент RU №191873 U1, МПК F16K 1/12, F16K 1/226, F16K 47/08, приоритет от 10.01.2019, опубл. 26.08.2019).
Недостатком известного клапана является то, что две манжеты поз. 32 и поз. 33 (см. Фиг. 3 к Патенту RU №191873 U1) находятся всегда в контакте с поршнем, оказывая сопротивление движению поршня, а также подвержены износу в процессе перемещения поршня на всем ходе.
Наиболее близким по назначению, технической сущности и достигаемому результату к заявляемому в качестве полезной модели, является клапан регулирующий, содержащий корпус с входным и выходным патрубками и размещенный внутри корпуса обтекатель с образованием кольцевого канала, выходную часть которого перекрывает сепаратор с отверстиями, жестко соединенный с седлом, зафиксированным в выходном патрубке, и размещенный внутри него с возможностью осевого перемещения поршень, закрепленный на рейке реечного механизма, шток которого соединен с приводом, поршень выполнен с разгрузочными каналами на торце, а косозубое зацепление реечного механизма и свободные торцы штока и рейки расположены в сформированных для них полостях, при этом полости косозубого зацепления и торца штока изолированы от давления рабочей среды (Патент RU №196436 U1, МПК F16K 1/12, F16K 47/14, приоритет от 09.09.2019, опубл. 28.02.2020).
Недостатком известной конструкции клапана является то, что в конструкции клапана уплотнения поршня (плунжера) располагаются на одном диаметре. Расположение уплотнений на одном диаметре приводит к тому, что после открытия поршня на 10% при дальнейшем его движении на поршень воздействуют усилия уплотнений от давления. При полностью открытом поршне при его движении также уплотнения контактируют с поршнем, в результате чего движение поршня осуществляется с потерями, связанными с преодолением усилия прижатия уплотнений от давления в клапане, в результате чего затруднено обеспечение стабильной работы клапана. Также движение поршня в конструкции клапана, когда уплотнения поршня прижаты к поршню на протяжении всего хода, вызывает повышенный износ уплотнений.
Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является сохранение стабильной работы клапана за счет разгрузки поршня (плунжера) от действия усилий прижатия уплотнений при движении поршня от 10% до 100% хода и уменьшения износа уплотнений поршня при эксплуатации.
Для решения технической проблемы в клапане осесимметричном, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, и размещенный внутри корпуса обтекатель с образованием кольцевого канала, выходную часть которого перекрывает сепаратор с отверстиями, жестко соединенный с седлом, зафиксированным в выходном патрубке, и размещенный внутри него с возможностью осевого перемещения поршень, закрепленный на рейке реечного механизма, шток которого соединен с приводом, поршень выполнен с разгрузочными каналами на торце, а косозубое зацепление реечного механизма и свободные торцы штока и рейки расположены в сформированных для них полостях, при этом полости косозубого зацепления и торца штока изолированы от давления рабочей среды, согласно полезной модели, слева по ходу движения поршня в сепараторе выполнена кольцевая проточка с установленным в ней уплотнением, взаимодействующим с выполненной слева на наружной поверхности поршня ступенью размером 0,5-5 мм, с возможностью обеспечения герметичности клапана в закрытом положении.
При выполнении высоты ступени менее 0,5 мм не обеспечивается бесконтактное перемещение поршня 11 относительно уплотнения 15, как следствие повышенный износ уплотнений и негативное влияние на точность работы клапана. При выполнении высоты ступени более 5 мм из-за противодавления поршень 11 будет стремиться открыть клапан, что недопустимо при штатной работе клапана. Длина ступени 16 поршня 11 определяется конструкцией клапана и должна обеспечивать гарантированное зацепления ступени 16 поршня 11 с уплотнением 15 при полностью закрытом клапане.
Выполнение кольцевой проточки в сепараторе 12 слева по ходу движения поршня 11 и установление в нее уплотнения 15, а также выполнение ступени размером 0,5-5 мм на наружной поверхности слева на поршне 11 обеспечивает сохранение стабильной работы клапана за счет того, что поршень 11 при движении от 10% до 100% хода не контактирует с уплотнениями 15 и 19 и не преодолевает сопротивление, вызываемое усилием прижатия уплотнений к поршню клапана давлением рабочей среды. Так как уплотнения 15 и 19 не взаимодействуют с поршнем 11 при движении от 10% до 100%) хода, то износ уплотнений снизится на 90%, по сравнению с известной конструкцией клапана. При закрытии клапана от 10% до 0% хода поршень 11 входит в контакт с уплотнениями 15 и 19, расположенных на разных диаметрах и обеспечивает герметичность затвора.
Расположение уплотнения 15 и уплотнения 19 на разных диаметрах, разница в диаметрах 0,5-5 мм (в известной конструкции клапана уплотнения располагаются на одном диаметре), обеспечивает после открытия поршня от 0 до 10%, дальнейшее движение поршня осуществляется без воздействия на поршень 11 усилий уплотнений 15 и 19 от давления. А при движении поршня 11 от 10% до 100% (полностью открыт) уплотнения 15 и 19 не будут взаимодействовать (входить в контакт) с поршнем 11 и движение поршня будет осуществляться без потерь, связанных с преодолением усилия прижатия уплотнений 15 и 19 как в известной конструкции клапана, что обеспечивает уменьшение износа уплотнений 15 и 19 при эксплуатации на 90% (по сравнению с классической схемой конструкции клапана), а, следовательно, и сохранение стабильной работы клапана.
Клапан осесимметричный предназначен также для дросселирования потока газа с целью поддержания выходного давления и расхода на объектах газового и нефтяного промысла, межпромысловой инфраструктуры, комплексах по переработке газа и жидких углеводородов, подземного хранения газа, а также для антипомпажного регулирования центробежных компрессоров газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций.
Обеспечивает высокую пропускную способность, широкий диапазон и точность регулирования, низкий уровень шума и вибраций.
Клапан обеспечивает:
- автоматическое позиционное регулирование (изменение положения) регулирующего элемента;
- возможность остановки регулирующего элемента в любом промежуточном положении в течение неограниченного промежутка времени и последующее движение от исполнительного механизма в любом направлении;
- работоспособность - после воздействия на закрытый затвор максимального перепада давления.
- герметичность затвора в закрытом положении.
Клапан осесимметричный поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 приведен общий вид клапана осесимметричного (поршень в положении закрыто - 0%), продольный разрез;
на фиг. 2 - вид А на фиг. 1, показано уплотнение 15, установленное в кольцевую проточку на входе сепаратора 12, обеспечивающее герметичность клапана в закрытом положении; показано уплотнение 19, установленное на выходе сепаратора 12 для обеспечения герметичности поршня 11 в закрытом положении в полость, образованной профилированными поверхностями сепаратора 12 и седла 18; показана ступень поршня размером 0,5-5 мм на наружной поверхности поршня 11; показаны фторопластовые вставки 13 и винты 13; показаны отверстия 17 в сепараторе 12; показаны уплотнения 20, 21 для обеспечения герметичности сепаратора 12 относительно корпуса 1 в закрытом положении.
на фиг. 3 - вид Б на фиг. 1, показан верхний конец штока 8 центрируется в корпусе 1 при помощи втулки 32, в которой установлен подшипник 33, во втулке 32 установлено уплотнение 34 с опорным кольцом 35 и уплотнение 36, втулка 32 фиксируется в корпусе при помощи гайки 37 с грязесъемником;
на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 1, показан канал ниже втулки 32 в корпусе 1, в который ввернуто устройство контроля протечек 38, обеспечивающее возможность запрессовки в полость реечного механизма смазки и контроля наличия утечки через уплотнения 28 и 29.
Клапан осесимметричный состоит из следующих основных узлов и деталей:
1 - Корпус
2 - Обтекатель корпуса
3 - Втулка направляющая
4 - Фланец прижимной
5 - Винт
6 - Обтекатель
7 - Рейка
8 - Шток
9 - Гайка
10 - Шайба стопорная
11 - Поршень
12 - Сепаратор
13 - Фторопластовая вставка
14 - Винт
15 - Уплотнение
16 - Ступень на поршне размером 0,5...5 мм
17 - Отверстия в сепараторе
18 - Седло
19 - Уплотнение
20 - Уплотнение
21 - Уплотнение
22 - Втулка прижимная
23 - Винт
24 - Отверстия в поршне
25 - Отверстия в обтекателе корпуса
26 - Кольцо
27 - Кольцо
28 - Уплотнение
29 - Уплотнение
30 - Кольцо опорное
31 - Гайка с грязесъемником
32 - Втулка
33 - Подшипник
34 - Уплотнение
35 - Опорное кольцо
36 - Уплотнение
37 - Гайка с грязесъемником
38 - Устройство контроля протечек
Клапан осесимметричный содержит корпус 1, который выполнен цельнолитым с фланцами. Центральная часть корпуса 1 выполнена в виде обтекателя 2, закрепленного на ребрах, составляющих одно целое с корпусом. В обтекателе 2 корпуса установлена втулка направляющая 3 реечного механизма, закрепленная и зафиксированная от возможности поворота относительно оси, фланцем прижимным 4 и винтами 5. Слева в корпусе 1 имеется резьба, в которую ввернут обтекатель 6 (фиг. 1).
Втулка направляющая 3 имеет два взаимно перпендикулярных отверстия, обработанных с высокой точностью. В горизонтальном отверстии расположена рейка 7, а в вертикальном - шток 8. Цилиндрические поверхности рейки 7 и штока 8 имеют поверхностное упрочнение, обеспечивающее беззадирную работу механизма. Рейка 7 и шток 8 снабжены зубьями, нарезанными под углом 45 градусов относительно оси и, взаимодействуя друг с другом посредством указанных зубьев, имеют возможность взаимного возвратно-поступательного перемещения. При движении штока 8 вниз, рейка 7 перемещается вправо (на закрытие клапана). При движении штока 8 вверх, рейка 7 перемещается влево (на открытие клапана).
На правом конце рейки 7 посредством гайки 9 и шайбы стопорной 10 закреплен поршень 11, который перемещается возвратно-поступательно совместно с рейкой 7. Наружная поверхность поршня 11 упрочнена и взаимодействует с внутренней поверхностью сепаратора 12, установленного в расточке обтекателя 2 корпуса 1 (фиг. 2). Поршень 11 центрируется относительно внутренней поверхности сепаратора 12 при помощи фторопластовых вставок 13, которые обеспечивают наличие постоянного минимального зазора между наружной поверхностью поршня 11 и внутренней поверхностью сепаратора 12. Вставки 13 зафиксированы в сепараторе винтами 14. Слева по ходу движения поршня 11 на входе в сепараторе 12 выполнена кольцевая проточка, в которую установлено уплотнение 15, а на наружной поверхности поршня 11 слева выполнена ступень на 0,5-5 мм с возможностью герметичности клапана в закрытом положении. Сепаратор 12 снабжен несколькими рядами отверстий 17 для прохода рабочей среды. Для повышения износостойкости наружная и внутренняя поверхности сепаратора 12 упрочнены.
Справа от сепаратора 12 располагается седло 18. Для обеспечения герметичности поршня 11 в закрытом положении в полость, образованной профилированными поверхностями сепаратора 12 и седла 18 установлено уплотнение 19. Сепаратор 12 уплотняется по поверхности корпуса 1 при помощи уплотнений 20 и 21. Сепаратор 12 фиксируется в осевом направлении через седло 18 резьбовой втулкой прижимной 22, которая законтрена от откручивания винтом 23 (фиг. 1).
Для выравнивания усилия на поршень 11 и рейку 7 от действия дифференциального давления рабочей среды в поршне 11 имеются отверстия 24, сообщающие полости с одной и другой стороны. В обтекателе 2 корпуса 1 имеются отверстия 25, сообщающие полости с обоих торцов рейки 7.
Внутренние полости реечного механизма изолированы относительно рабочей среды с целью исключения выталкивающего усилия от давления рабочей среды на шток 8. Герметичность внутренних полостей реечного механизма обеспечивают: по втулке направляющей 3 - кольца 26, 27; по рейке 7 - уплотнения 28, 29. Уплотнение 28 устанавливается на рейку 7. Уплотнение 29 установлено между кольцом опорным 30 в расточку втулки направляющей 3 и зафиксирована гайкой 31, в которой, для защиты манжеты от механических включений, расположен грязесъемник.
Верхний конец штока 8 центрируется в корпусе 1 при помощи втулки 32, в которой установлен подшипник 33. Во втулке 32 устанавливается уплотнение 34 с опорным кольцом 35 и уплотнение 36, обеспечивающее герметичность клапана по отношению к внешней среде в случае выхода из строя внутренних уплотнительных элементов втулки направляющей 3 и рейки 7. Втулка 32 фиксируется в корпусе при помощи гайки 37, в которой установлен грязесъемник (фиг. 3).
Ниже втулки 32 в корпусе 1 выполнен канал, в который ввернуто устройство контроля протечек 38, обеспечивающее возможность запрессовки в полость реечного механизма смазки и контроля наличия утечки через уплотнения 28 и 29 (фиг. 4).
Клапан осесимметричный работает следующим образом.
Принцип действия клапана состоит в регулировании расхода и давления газа посредством перемещения регулирующего органа, которым является поршень 11 вдоль оси сепаратора 12. При этом происходит открытие или закрытие определенного количества пропускных отверстий 17 в сепараторе 12, что влечет за собой изменение площади проходного сечения клапана.
В закрытом положении клапана поршень 11 занимает крайнее правое положение. При этом уплотнение осуществляется прижатием поршня 11 к уплотнению 15 и 19, которые поджаты к поверхности поршня 11 за счет сжатия, возникающего вследствие наличия перепада давления рабочей среды.
Для перевода клапана из положения «закрыто» в положение «открыто» на привод подается управляющий сигнал. Шток привода перемещается вверх на рабочий ход. Через муфту привода усилие привода передается штоку 8, который, посредством зубьев, взаимодействуя с рейкой 7, перемещает ее, а, соответственно, и закрепленный на рейке 7 поршень 11, влево на открытие. Поршень 11, перемещаясь влево, от 0 до 10% хода выходит из зацепления с уплотнениями 15 и 19, открывает определенное количество отверстий 17 сепаратора 12, обеспечивая заданный расход и давление рабочей среды.
Закрытие клапана происходит аналогично открытию в противоположном направлении. При подаче сигнала привод перемещает шток 8 вниз, тем самым, обеспечивая перемещение рейки 7 с поршнем 11 вправо на закрытие. При движении вправо от 10 до 0% поршень 11 входит в зацепление с уплотнениями 15 и 19, обеспечивая герметичность.
Таким образом, результатом усовершенствования конструкции клапана осесимметричного, является повышение его надежности, сохранение стабильной работы клапана, уменьшение износа главных уплотнений на 90%.