ЗАПОРНЫЙ ОРГАН И ШПИНДЕЛЬ ТРУБНОЙ ГОЛОВКИ

Полезная модель относится к трубопроводной запорной арматуре, в частности к шаровым кранам, предназначенным для различных областей техники, в том числе в качестве устьевого оборудования при эксплуатации нефтяных и газовых скважин для герметизации устья скважины, подвески колонны лифтовых труб, контроля и регулирования режима работы скважины, перекрытия и направления добываемой продукции в манифольд, а также проведения различных технологических операций, в других областях с повышенными требованиями к герметичности.
Известна трубная головка, включающая резьбовой трубодержатель, имеющий наружную цилиндрическую поверхность с выполненным на ней буртом, осевое отверстие с резьбами насосно-компрессорной трубы, расположенный и опирающийся буртом на бурт в осевом отверстии корпуса трубной головки, металлический резьбовой трубодержатель имеет на нижнем торце бурта выполненную соосно резьбе выпуклую сферическую поверхность, которой он размещен с возможностью наклона на вогнутой сферической поверхности верхнего торца бурта в отверстии металлического корпуса трубной головки, при этом сферические поверхности соразмерны, а между сферическими поверхностями установлено эластомерное уплотнение (RU №2168001).
Недостатком данного запорный органа является узость функциональных возможностей и низкая надежность при управлении открыванием/закрыванием дверей, так как распределительный элемент непосредственно соединен с трубодержателем.
Известна трубная головка, включающая цилиндрический корпус с верхним и нижним присоединительными фланцами, с двумя верхними и двумя нижними боковыми отводами, имеющими присоединительные фланцы для установки задвижек, установленный в осевом канале корпуса трубодержатель, узел крепления и герметизации трубодержателя в осевом канале корпуса, размещенный в осевом канале корпуса над трубодержателем шаровой запорный орган со сквозным осевым и глухим боковым каналами, оси которых взаимно перпендикулярны, а также с верхним и нижним седлами с уплотнениями, находящимися на сферической рабочей поверхности седел, узел управления шаровым запорным органом в виде связанного с ним вала, ось которого перпендикулярна осям сквозного и глухого бокового каналов и проходит через точку их пересечения, размещенный на цилиндрическом корпусе переходный фланец, на сферических рабочих поверхностях верхнего и нижнего седел выполнены кольцевые канавки, внутренний диаметр которых превышает наружный диаметр уплотнений седел, выполненных в виде уплотнительных колец, установленных соответственно над и под указанными кольцевыми канавками, причем на наружной цилиндрической поверхности верхнего седла выполнена канавка, с одной стороны связанная с выполненным в цилиндрическом корпусе трубной головки каналом для подачи смазки, а с другой стороны связанная с кольцевой канавкой, расположенной на сферической поверхности седла, посредством радиальных каналов, выполненных в седле, при этом шаровой запорный орган выполнен с каналами, расположенными вдоль оси сквозного осевого канала, причем отверстия упомянутых каналов, при открытом положении шарового запорного органа, совпадают с кольцевыми канавками на рабочих сферических поверхностях седел, а один из этих каналов соединен с выполненным в шаровом запорном органе дополнительным каналом, ось которого перпендикулярна оси сквозного осевого канала, при этом вал узла управления шаровым запорным органом выполнен в виде двух соосных валов, торцы которых имеют канавки, а между торцами валов размещен диск с выполненными на его торцевых поверхностях взаимно перпендикулярными выступами для взаимодействия с канавками валов, упомянутые валы и диск выполнены с осевыми каналами для сообщения с дополнительным каналом шарового запорного органа (RU №2359105).
В данном устройстве острые кромки отверстий, неопределенное качество геометрии и стойкости наружной сферической поверхности, а также растянутая во времени релаксация материала могут привести к значительному количеству производственного брака, быстрому износу, отказам при повороте пробки, снижению долговечности и надежности, геометрическая форма замкнутой выемки на шаровом запорном органе (пробке) не гарантирует точность обработки и, следовательно, безотказную работу со шпинделем при работе в составе трубной головки. Сложная трудоемкая многоступенчатая конструкция шпинделя повышает себестоимость, усложняет проверку качества, снижает надежность и долговечность запорного (по существу запорно-регулирующего) органа. Кроме того, повышенное гидравлическое сопротивление и вихреобразование на кромках каналов запорного органа приводит дополнительному нагреву перекачиваемой среды, под воздействием перекачиваемого продукта и имеющихся в нем примесей и твердых частиц разрушаются кромки каналов. Все это препятствует массовому внедрению малогабаритных трубных головок со сферическим запорным органом на месторождениях и магистральных трубопроводах.
2
3
2
3
2
3
Известен запорный орган для запорного органа - шарового крана, содержащий сферическую пробку, со сквозным цилиндрическим отверстием, изготовленную из алюминиевого сплава, чугуна или стали с алюминиевым покрытием, по меньшей мере, на его сферической поверхности, сопрягающейся с седлом шарового крана, сформировано защитное покрытие AlO с переменным по толщине фазовым составом покрытия, в котором содержание α-фазы AlO возрастает в направлении от наружных к внутренним слоям. Толщина покрытия задается в диапазоне от 15 до 500 мкм, а содержание α-фазы AlO в покрытии находится в диапазоне от 40 до 100%. Шпиндель данного запорного органа (орган для его поворота) выполнен заодно со сферической пробкой. (RU №67218, прототип).
2
3
-6
Покрытия из AlO осаждали на нержавеющей стали. Пленки толщиной 1-10 мк (1 мкм=10 м) оказались отличной защитой от коррозии на воздухе при температуре до 900°С".
Недостатком данного запорный органа является высокая себестоимость производства и контроля, значительное количество производственного брака при выполнении защитного покрытия с переменным по толщине фазовым составом покрытия, неизбежная микро и субмикропористость покрытия, возможность нарушения адгезии покрытия, ограниченность срока эксплуатации, обусловленная растянутой во времени релаксацией материала, а также растрескиванием и отслоением покрытия при ударных нагрузках, характерных при монтаже и эксплуатации в полевых условиях, под воздействием агрессивной перекачиваемой среды, значительное трение при выполнении операций.
Технической задачей группы полезных моделей, одна из которых предназначена для использования другой, и связанных между собой настолько, что они образуют единый творческий замысел, является создание эффективного запорного органа, а также шпинделя, необходимого для использования этого органа в составе трубной головки и расширение арсенала запорных органов со шпинделем для трубной головки.
2
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в том, что обеспечены снижение себестоимости, повышение долговечности, т.е. срока эксплуатации без ремонта, поскольку весь движущийся запорный орган состоит из одного релаксационностойкого материала с неразрывно связанными единой кристаллической решеткой слоями (внутренним и наружным) различного строения. Внедрение азота (N) в наружный слой, в выбранную сталь приводит к резкому увеличению твердости и износостойкости в полевых условиях, под воздействием агрессивной перекачиваемой среды при переменных низких и высоких температурах. Шпиндель состоит из одного релаксационностойкого материала. Отсутствие острых кромок, геометрическая форма шпинделя и пробки и ее выемки гарантирует точность обработки и, тем самым, безотказную работу узла при работе в составе трубной головки.
Сущность полезной модели в части запорного органа трубной головки состоит в том, что запорный орган трубной головки содержит пробку с наружной полированной сферической поверхностью и с пересекающимися диаметральным каналом большего диаметра и радиальным каналом меньшего диаметра, а также с выполненной в виде прямоугольного паза выемкой для размещения конца управляющего шпинделя, при этом пробка выполнена из жаропрочной релаксационностойкой хромистой стали с поверхностным азотированием, а отверстия каналов на сферической поверхности выполнены с притупленными кромками.
Предпочтительно, пробка выполнена из жаропрочной релаксационностойкой хромистой стали с термообработкой до твердости по Бринеллю 197…245 НВ, с поверхностным азотированием на глубину h 0,3…0,5 и твердостью по Виккерсу 8000…1000 HV, диаметральный канал большего диаметра и радиальный канал меньшего диаметра выполнены с взаимно перпендикулярными осями, паз выполнен с плоскими параллельными боковыми стенками в виде сегментов окружности, перпендикулярными оси диаметрального канала, диаметры каналов выполнены в соотношении от 0,55 до 0,65, а отверстия каналов и края паза на сферической поверхности выполнены с радиально притупленными кромками, пробка выполнена из жаропрочной релаксационностойкой хромистой стали из группы: сталь 38Х2МЮА, сталь 38Х2ЮА, сталь 38ХВФЮ, сталь 20Х3МВФ, сталь 38Х2Ю.
Сущность полезной модели в части шпинделя состоит в том, что шпиндель для запорного органа трубной головки содержит прямолинейный ступенчатый стержень из хромомолибденовой стали, с цилиндрическими участками, на свободном конце участка большего диаметра выполнен хвостовик с плоскими боковыми поверхностями и торцем для размещения в пазу запорного органа, а на свободном конце участка меньшего диаметра - головка под ключ, на торце которой выполнены диаметральный и пересекающийся с ним радиальный пазы, при этом на цилиндрическом участке большего диаметра выполнены две канавки для размещения уплотнений.
Предпочтительно, диаметральный и пересекающийся с ним радиальный пазы на торце головки под ключ выполнены взаимно перпендикулярными, головка под ключ выполнена шестигранной, шпиндель выполнен из жаропрочной хромомолибденовой стали из группы: 30ХМА, 35ХМ, 38ХМ с термообработкой до твердости по Бринеллю 197…235 НВ.
На чертеже фиг.1 изображен запорный орган трубной головки, на фиг.2 - разрез А-А по фиг.1, на фиг.3 - вид Б по фиг.1, на фиг.4 - объемное изображение запорного органа, на фиг.5 - шпиндель запорного органа (разрез), на фиг.6 - общий вид трубной головки, на фиг.7 разрез В-В по фиг.6, на фиг.8 - вид сверху по фиг.6.
Трубная головка (фиг.6, 7, 8) представляет собой кованый цилиндрический корпус 1 с центральным осевым и радиальным каналами, нижним (280×140×П53) и верхним (280×140×П53) присоединительными фланцами, а также с четырьмя боковыми отводами с присоединительными местами для установки задвижек. Боковые отводы выполнены на корпусе 1 в два яруса: в верхнем ярусе - два (100×14×П37) отвода трубного канала, в нижнем ярусе - два отвода затрубного пространства (50×14×П23).
В корпусе 1, между верхними и нижними боковыми отводами, выполнено посадочное место для установки трубодержателя 6. Трубодержатель 6 представляет собой кованый корпус с муфтовыми резьбовыми концами. Снаружи на трубодержателе 6 размещен пакет уплотнительных элементов, состоящий из металлических колец и эластичных манжет. В радиальных каналах корпуса 1 размещены четыре винта 7 (с головкой под ключ 19 мм) для затяжки пакета уплотнительных элементов, нагнетательный клапан 8 и разрядная пробка 9.
В верхней части корпуса 1 установлено запорное устройство для перекрытия стволового канала между трубодержателем и боковыми отводами трубного канала. Устройство выполнено в виде шарового запорного органа 10 с верхним 11 и нижним 12 седлами, и шпинделя 14. Верхнее седло 11 закреплено в корпусе с помощью нажимной гайки 13. Переключение шарового запорного органа 10 из положения «открыто» в положение «закрыто» и обратно осуществляется поворотом шпинделя 14 (с головкой под ключ 55 мм). Для облегчения вращения шпиндель 14 установлен в корпусе 1 на подшипнике 15 и закрыт снаружи фланцем 16.
Уравнительный клапан (не изображен) соединяет внутренние полости корпуса 1 над и под шаровым запорным органом 10 и, может быть открыт или закрыт с помощью вращения винта 17 (с головкой под ключ 19 мм).
Запорный орган 10 трубной головки представляет собой пробку с наружной полированной сферической поверхностью и с пересекающимися диаметральным каналом 20 большего диаметра и радиальным каналом 21 меньшего диаметра, а также с выполненной в виде паза 22 выемкой для размещения хвостовика 23 управляющего шпинделя 14. Пробка 10 выполнена из жаропрочной релаксационностойкой хромистой стали с поверхностным азотированием, а отверстия каналов 20, 21 и края паза 22 на сферической поверхности выполнены с притупленными кромками.
Пробка 10 предпочтительно выполнена из жаропрочной релаксационностойкой хромистой стали с термообработкой до твердости по Бринеллю 197…245 НВ, с поверхностным азотированием на глубину h 0,3…0,5 и твердостью по Виккерсу 8000…1000 HV.
Диаметральный канал 20 большего диаметра и радиальный канал 21 меньшего диаметра выполнены с взаимно перпендикулярными осями.
Выемка 22 выполнена с плоскими параллельными боковыми стенками 23, 24 в виде сегментов окружности, перпендикулярными оси диаметрального канала 20.
Диаметры каналов 20, 21 выполнены в соотношении от 0,55 до 0,65, например 162 мм и 103 мм, а отверстия каналов 20, 21 на сферической поверхности выполнены с радиально притупленными радиусом R кромками. Сквозной диаметральный канал 20 с размером ⌀162 мм позволяет пропускать трубодержатель 6, радиальный канал 21 с диаметром ⌀103 мм обеспечивает пропускание перекачиваемой среды с допустимым гидравлическим сопротивлением по длине и при повороте потока на 90° из канала 21 в канал 20.
Пробка 10 выполнена из жаропрочной релаксационностойкой хромистой стали 38Х2МЮА, или из ее заменителей сталь 38Х2ЮА, сталь 38ХВФЮ, сталь 20Х3МВФ, сталь 38Х2Ю.
Шпиндель 14 для запорного органа 10 трубной головки представляет собой прямолинейный ступенчатый стержень из жаропрочной хромомолибденовой стали, с цилиндрическими участками, на свободном конце участка большего диаметра (слева по чертежу) выполнен хвостовик 25 с плоскими боковыми поверхностями и торцем для размещения в пазу 22 запорного органа 10. На свободном конце участка меньшего диаметра (справа по чертежу) выполнена головка 26 под ключ (не изображен), на торце которой выполнены диаметральный и пересекающийся с ним радиальный пазы 27, 28, при этом на цилиндрическом участке большего диаметра последовательно выполнены две канавки 29, 30 для размещения эластичных уплотнений.
Диаметральный и пересекающийся с ним радиальный пазы 29, 30 на торце головки 26 под ключ выполнены с взаимно перпендикулярными осями.
Головка 26 под ключ выполнена шестигранной.
Шпиндель 14 выполнен из жаропрочной хромомолибденовой стали 30ХМА или из группы ее заменителей: 35ХМ, 38ХМ.
Запорный орган и шпиндель трубной головки эксплуатируются следующим образом.
Перед установкой собранной фонтанной арматуры на устье скважины необходимо разместить корпус 1 на верхнем фланце колонной головки и произвести затяжку фланцевого соединения с установленным уплотнительным кольцом.
Поворотом шпинделя 14 шаровой запорный орган 10 устанавливается в положение при котором паз 29 и канал 20 расположены вертикально и канал 20 соединен с трубой НКТ.
Затем освобождается трубодержатель 6, для чего следует отвернуть винты 7 в корпусе 1 на 4 оборота. В трубодержатель 6 ввертывается монтажный патрубок (не изображен) и с его помощью извлекается трубодержатель 6 из корпуса 1.
На верхний присоединительный фланец корпуса 1 устанавливается технологический фланец для проведения спускоподъемных операций с колонной насосно компрессорных труб - НКТ (не изображено). Колонну НКТ спускают через канал 20 запорного органа 10 в ствол скважины при открытом боковом отводе затрубного пространства.
К последней трубе колонны НКТ присоединяется трубодержатель 6 и размещается в корпусе 1 на предусмотренном для этого посадочном месте, которое предварительно должно быть тщательно промыто струей воды.
Трубодержатель 6 фиксируется в корпусе 1, пакет уплотнительных элементов, герметизирующих межтрубнре пространство, зажимается, для чего завертываются винты 7 на четыре оборота.
Пакет уплотнительных элементов трубодержателя 6 спрессовывается через нагнетательный клапан. 8 на рабочее давление 14 МПа с помощью ручного насоса. Перед опрессовкой предварительно вытесняют воздух через разрядную пробку 9.
В процессе работы, т.е. при эксплуатации скважины по одному или нескольким боковым отводам трубного канала, шаровой запорный орган 10 должен находиться в положении, при котором паз 29 и канал 20 расположены горизонтально, уравнительный клапан закрыт, стопорные винты 5 завернуты до упора.
Длительная и надежная эксплуатация трубной головки обеспечивается основными ее активными органами - запорным органом 10 и его шпинделем 14. Одной функцией запорного органа 10 в составе трубной головки является изоляция колонны НКТ от боковых патрубков корпуса 1 с одновременным соединением колонны НКТ с внешней средой при проведении монтажных и ремонтных операций, и с боковыми патрубками в вертикальном положении канала 20 и паза 29. Другой его функцией является соединение колонны НКТ с боковыми патрубками корпуса 1 с одновременной изоляцией колонны НКТ от внешней среды при эксплуатации скважины в горизонтальном положении канала 20 и паза 29 и пропускании из труб НКТ через каналы 21, 20 в магистральный трубопровод добываемой перекачиваемой среды, в которой на любом месторождении неизбежно имеются жидкие и газообразные примеси и твердые частицы. Шпиндель 14 является средством поворота органа 10 из одного из указанных положений в другое. Выполненный из стали 30ХМА шпиндель 14 передает крутящий момент от головки 26 под ключ на хвостовик 25 с необходимым запасом прочности.
При воздействии хвостовика 25 шпинделя 14 на параллельные боковые стенки 23, 24 паза 22, имеющие форму сегментов окружности, перпендикулярных оси диаметрального канала 20, формируется максимально возможный крутящий момент для поворота полированной сферической поверхности запорного органа 10 по ответной сферической поверхности верхнего и нижнего седла 11, 12, поворот происходит без деформации поверхности седел 11, 12, поскольку кромки отверстий органа 10 притуплены, а сферическая поверхность полированная.
Шпиндель устанавливается таким образом, что диаметральный и пересекающийся с ним радиальный пазы 29, 30 на торце головки под ключ параллельны диаметральному и радиальному (соответственно) каналам 20, 21 запорного органа 10, т.е. по положению пазов 29, 30 можно судить о текущем состоянии трубной головки.
1
2
Соотношение диаметров D u D каналов 20, 21, соответственно, выбрано оптимальным из условия обеспечения пропускания колонны НКТ через диаметральный канал 20 и обеспечения допустимой скорости потока перекачиваемого продукта через радиальный канал 21 с незначительными гидравлическими потерями на поворот и на ступенчатое изменение проходного сечения. Отсутствие острых кромок также не допускает вихреобразования на входе и выходе каналов 20, 21. Тем самым не допускается перегрев продукта и органа 10 за счет преобразования энергии потока в теплоту.
Свойства запорного органа 10 трубной головки в части прочностных характеристик и долговечности основаны на его геометрических характеристиках и свойствах релаксационностойкой хромистой стали и ее обработки азотированием. Химический состав в % стали 38Х2МЮА
С
Si
Mn
Ni
S
Р
Cr
Mo
Al
Cu
0.35-0.42
0.2-0.45
0.3-0.6
до 0.3
1 до 0.025
до 0.025
1.35-1.65
0.15-0.25
0.7-1.1
до 0.3
Аналогичным составом и характеристиками обладают релаксационностойкие хромистые стали: сталь 38Х2ЮА, сталь 38ХВФЮ, сталь 20Х3МВФ, сталь 38Х2Ю.
Под термином «релаксация напряжений» понимают самопроизвольное снижение механических напряжений в металле, сопровождающееся изменением геометрии изделия. Уменьшение релаксационной стойкости большинства сплавов с повышением температуры обусловлено как изменением энергии тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке, так и интенсификацией диффузионных процессов, облегчающих перемещение дислокации в кристаллической решетке. По этому релаксация напряжений приводит к снижению стойкости и постепенному нарушению геометрии ответственных деталей. Использование релаксационностойкого материала направлено на исключение указанных недостатков.
Прочность шпинделя 14, работающего при повороте запорного органа 10 на сжатие, изгиб, кручение и поверхностное смятие, основаны на его геометрических параметрах и свойствах хромомолибденовой стали и ее обработки - закалка и отпуск до твердости 197…235 НВ по Бринеллю.
Химический состав в % стали 30ХМА
С
Si
Mn
Ni
S
Р
Cr
Mo
Al
0.26-0.33
0.17-0.37
0.40-0.70
до 0.3
до 0.025
до 0.025
0.80-1.10
0.15-0.25
до 0.3
Аналогичным составом и характеристиками обладают хромомолибденовые стали: 35ХМ, 38ХМ.
Для обеспечения работоспособности трубной головки используется запорный орган 10 из жаропрочной релаксационностойкой хромистой стали 38Х2МЮА., подвергнутый азотированию - насыщению сферической полированной поверхности азотом с термообработкой до твердости 197…245 НВ по Бринеллю, с поверхностным азотированием на глубину h 0,3…0,5 и твердостью 8000…1000 HV по Виккерсу. При азотировании атомарный азот поглощается поверхностью жаропрочной релаксационностойкой хромистой стали с образованием твердого раствора азота в матрице нитридов железа и нитридов легирующих элементов. Азотирование повышает прочность запорного органа трубной головки из жаропрочной релаксационностойкой хромистой стали, повышает сопротивление задираемости (при условии радиально притупленного выполнения кромок отверстий каналов на сферической поверхности) и налипанию, ослабляет влияние концентраторов напряжений по контуру отверстий каналов на снижение предела выносливости стали, работающей в коррозионной среде, присутствующей в трубной головке. В результате азотирования и термообработки устраняется возможность разрушения кромок каналов 20, 21 под воздействием перекачиваемого продукта и имеющихся в нем примесей и твердых частиц, а также подавляется эффект заедания особенно по притупленным и скругленным кромкам отверстий каналов на сферической поверхности при контактном трении с седлом 11, 12, снижается коэффициент трения по полированной сферической поверхности, как показали испытания, с 0,7-0,8 до 0,4-0,15, обеспечивается долговечность полированной сферической поверхности и изделия в целом. При этом, надежно защищается и сохраняется от разрушения рабочая поверхность паза для размещения конца управляющего шпинделя 14, по которой передается усилие поворота. Таким образом, конструкция исключает заклинивание, заедание и/или разрушение ответственных поверхностей запорного органа 10.
Таким образом, созданы эффективный запорный орган и шпиндель, расширен арсенал запорных органов со шпинделем для трубной головки.
2
При этом обеспечены снижение себестоимости, повышение долговечности, т.е. срока эксплуатации без ремонта, поскольку весь движущийся запорный орган состоит из одного релаксационностойкого материала со слоями (внутренним и наружным) различного строения. Внедрение азота (N) в наружный слой, в выбранную сталь приводит к резкому увеличению твердости и износостойкости в полевых условиях, под воздействием агрессивной перекачиваемой среды при переменных низких и высоких температурах. Геометрическая форма шпинделя и пробки и ее выемки гарантирует точность обработки и, тем самым, безотказную работу узла при работе в составе трубной головки.