ШАРОВОЙ КРАН
BALL VALVE

Изобретение относится к предохранительной арматуре для герметизации осевого канала бурильной колонный труб.
Известен шаровой кран (см. па. РФ №2.502.909, кл. МКИ F16L 5/06 опубл. 27.12.2013), состоящий из полого корпуса, двух седел с уплотнителями, входящими в торцовый контакт со сферическим запорным элементом, имеющим сквозной канал и связанным с приводом его поворота вокруг вертикальной оси для перекрытия или подачи рабочей среды, в осевой канал бурильной колонны труб. Седла выполнены в виде колец, в которых содержится слой терморасширенного графита, с армирующими элементами, скрепленными между собой клеевой композицией.
Седла поджимаются к сферической поверхности запорного органа (шара), с получение необходимого герметичного контакта.
Для лучшего контакта со сферической поверхностью запорного органа каждое из колец имеет сферическую внутреннюю фаску.
Недостатки конструкции.
При закрытии запорного органа, на последний воздействует перепад давления со стороны рабочей среды, с передачей осевой нагрузки на уплотнитель, которая может достичь критических значений для материала, из которого уплотнитель изготовлен. При малом коэффициенте упругости материала и критическими силами воздействия на последний, наблюдается его уплотнение, что в дальнейшем приведет к потере герметичности уплотнителя.
В конструкции отсутствуют элементы фиксирования положения «открыто» - «закрыто» запорного органа. В случае частичного перекрытия сечения осевого канала запорного органа при неполном повороте, по мнению авторов, можно использовать устройство в качестве регулирующего органа. Известен запрет Ростехтомнадзора на использование запорной арматуры в качестве регулятора расхода потока.
При закрытии крана на подачу рабочего агента, в частности бурового раствора, перепад давления на сферической поверхности шара, воспринимается уплотнением. Это приводит к росту контактных напряжений и росту нагрузки для открытия шарового крана на подачу рабочей жидкости и повышенному износу уплотнения.
Известна конструкция шарового крана (см. пат. РФ №2.115.050 Кл. МКИ F16K 5/06 опубл. 10.07.1998 г.).
Устройство состоит из корпуса, с расположенной в осевом канале сферической пробкой, связанной с приводом вращения, уплотнений с поджимным элементом в виде кольца, размещенного в расточке корпуса. Наружная и внутренняя поверхность каждого кольца, контактируют с соответствующими поверхностями расточки.
Нажимной элемент выполнен из упругодеформируемого материала, например фторопласта. На уплотнении выполнены выступы различной формы, переходящими в плоскую торцовую поверхность. Поверхность нажимного элемента, обращенная в сторону от сферической пробки, выполнена либо конической, либо сферической вогнутой, что, по мнению авторов повышает герметичность соединения.
Однако, в случае закрытия крана происходит перераспределение контактных напряжений между уплотнением, со стороны подводящего патрубка, с их ростом со стороны отводящего патрубка. Избыточное давление, воспринимается сечением сферической пробки, с ростом осевого усилия на нажимной элемент. Это приводит к сжатию полимерного материала уплотнения, с превышение допустимых контактных напряжений и ростом нагрузки на шпиндель и снижению долговечности работы уплотнения.
Известна конструкция крана шарового (см. пат. РФ №2465504 кл. МКИ F16K 5/096; Е21В 34/06, опубл. 27.10.2012, Бюл. №30).
Кран содержит корпус, состоящий из двух частей, верхней муфтовой и нижней ниппельной, связанный друг с другом.
В расточке ниппельной части корпуса установлен шар с отверстием. В корпусе размещен шпиндель в виде ступенчатой втулки. На боковой поверхности шара, перпендикулярно центральному отверстию выполнен продольный паз, в который входит выступ, выполненный на шпинделе. Имеются верхнее и нижнее седла, взаимодействующие с шаром. В расточке корпуса установлен упругий элемент для поджима седел к шару, из эластомера.
В ниппельной части корпуса, соосно шару закреплен ограничитель его поворота, выполненный в виде кольца, с выступом на внешней стороне, боковые грани которого взаимно перпендикулярны. Ось симметрии боковых граней расположена под 45° к продольной оси корпуса и направлены вниз.
Конец шпинделя размешен в расточке ограничителя поворота шара. На боковой поверхности шара, над продольным пазам выполнена выборка, боковые грани которой параллельны и осесимметричны продольному пазу шара и могут взаимодействовать с боковыми гранями ограничителя поворота шара.
К недостаткам конструкции можно отнести следующее:
- выполнение корпуса крана из двух деталей, соединенных между собой цилиндрической резьбой, когда изделие устанавливается в составе бурильной колонны труб, где имеет место ее вращение. В этом случае витки резьбы получают дополнительное нагружение, с передачей этой нагрузки непосредственно на уплотнение седел, с поджимом к поверхности шара, что приводит к увеличению нагрузки на шпиндель, вплоть до критических значений.
Заявленное преимущество устройства, такое как постоянство контактных напряжений на границе «шар - седло», при проведении закрытия, не соответствует действительности, поскольку существует осевое усилие от давления рабочей среды на площадь сечения шара в закрытом положении, воспринимаемое уплотнителем. Эта осевая нагрузка воздействует также на ограничитель поворота.
Анализ конструктивных особенностей устройства показал, что шар, со стороны установки ограничителя имеет сквозной паз вдоль его оси, что снижает надежность работы устройства, особенно при наличии высоких контактных напряжений на границе «уплотнитель - шар», когда требуется открыть кран.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, заключается в следующем:
- возможность поддержания оптимальных контактных напряжений на границе взаимодействия поверхности шара с уплотнителем, при открытом и закрытом положении;
- обеспечение очистки поверхности шара от мехпримесей за счет выполнения поперечных пазов на внутренней поверхности нижнего седла, с накоплением в них осадка.
Технический результат достигается тем, что шаровой кран состоит из корпуса, шара с центральным отверстием, шпинделя, кинематически связанного с шаром через продольный паз, верхнего и нижнего седла, взаимодействующих с шаром, ограничителя поворота шара, в виде фигурной выборки на боковой поверхности, фиксатора, упругодеформируемого элемента. Ограничитель поворота шара выполнен в виде упора имеющим в сечении форму сегмента, с пальцем на внутренней стороне, обращенным к фигурной выборке на шаре и дугообразным выступом на внешней стороне, входящими взаимодействие с кольцевым пазом на внутренней поверхности корпуса.
Устройства снабжено стаканом с внутренней проточкой, поджимаемым гайкой, с цилиндрической расточкой, к упору.
Верхнее седло выполнено в виде упругодеформируемого элемента, состоящего из юбки с наружным кольцевым выступом, входящим во внутреннюю проточку стакана. В осевом канале юбки имеется внутренний кольцевой выступ, на который опирается втулка с уплотнителем, который контактирует с поверхностью шара. Юбка установлена в цилиндрической расточке гайки, с образованием технологического зазора с ее телом. Нижнее седло снабжено поперечными пазами, разнесенными равномерно по периметру.
Конструкция шарового крана представлена чертежами где:
- на фиг. 1 общий вид шарового крана в разрезе;
- на фиг. 2 общий вид верхнего уплотнения седла шарового крана;
- на фиг. 3 нижнее уплотнение шарового крана;
- на фиг. 4 шаровой кран в разрезе;
- на фиг. 5 шаровой кран со стороны стрелки А, ограничитель поворота;
- на фиг. 6 шаровой кран со стороны стрелки Б - паз под шпиндель;
- на фиг. 7 конструкция упора с ограничителем поворота.
Шаровой кран состоит из корпуса 1, в осевом канале которого выполнена ступенчатая расточка, в которой размещено нижнее седло 2, со сферической внутренней расточкой 3 и поперечными пазами 4 (см. фиг. 1 и фиг. 3). На сферическую поверхность нижнего седла 2 опирается шар 5 с центральным отверстием, снабженным продольным пазом 6 под шпиндель 7. С противоположной стороны на шаре 5 выполнена фрезеровка 8 с фигурной выборкой 9 (см. фиг. 5), играющей роль ограничителя положения шара 5. В расточке корпуса 1 установлен упор 10, поджимаемый к нижнему седлу 2 стаканом 11. Стакан 11 в свою очередь поджимается сверху гайкой 12, в которой выполнена цилиндрическая расточка 13, переходящая в проточку 14 внутри стакана 11.
В осевом канале стакана 11 установлена юбка 15 с выступом 16.
Стакан 11 снабжен внутренним выступом 17 и установлен в цилиндрической расточке 13, с образованием технологического зазора 18 с телом гайки 12. Внутри стакана 11 установлена втулка 19 с уплотнением 20, имеющим сферическую внутреннюю проточку 21. (см. фиг. 2), поджимаемая к поверхности шара 5 уплотнения 20, с образованием герметичного контакта.
Гайка 12 имеет сквозной осевой канал 22, переходящий в осевой канал 23 втулки 19, гидравлически связанным с центральным отверстием 24 шара 5 далее, с осевым каналом 25 корпуса 1. Втулка 19 выполнена из стали, а уплотнение 20 из упругодеформируемого материала, например фторопласта. Толщина стенки юбки 15 определена из условия восприятия осевого усилия со стороны втулки 19 и уплотнение 20 с сохранением ее целостности при растяжении. Упор 10 (см. фиг. 7) выполнен в виде сектора, на наружной поверхности которого выполнен дугообразный выступ 26. С противоположной стороны упор 10 выполнен плоским и снабжен пальцем 27, входящим в расточку 28 на фигурной выборке 9. В теле корпуса 1, на одном уровне с осью шпинделя 7, выполнен кольцевой паз 29, в который введен дугообразный выступ 26 упора 11.
Кольцевой зазор между корпусом 1 и гайкой 12 перекрыт уплотнительным кольцом 30, а между корпусом 1 и стаканом 11 уплотнительным кольцом 31. Для соединения с трубами бурильной колонны в корпусе 1 выполнена внутренняя резьба 32 и наружная резьба 33.
Работа устройства
В собранном состоянии (см. фиг. 1) кран шаровой устанавливается в составе бурильной колонны труб, с расположением над ротором. Поджим шара 5 к сферической поверхности нижнего седла 3 осуществляется гайкой 12, имеющей торцовый контакт с телом стакана 11, опирающимся на упор 10.
Закрытие крана шарового происходит путем вращения шпинделя 7, связанного через продольный паз 6 с шаром 5.
При этом палец 27 перемещается по расточке 28 шара 5 до упора в фигурную выборку 9, с полым перекрытым телом шара 5 осевого канал 23 втулки,19. Избыточное давление от давления рабочей или пластовой жидкости, воспринимается полным сечением тела шара 5, которое сообщается уплотнению 20 и втулке 19, с передачей осевого усилия через внутренний выступ 17 стакана 11 и далее на его стенки. Толщина стенки юбки 15 определяется из условия восприятия осевого усилия от шара 5 с удлинением в сторону уменьшения размера технологического зазора 18 с телом гайки 12. За счет удлинения юбки 15 происходит снижение контактных напряжений на границе сопряжения уплотнения 20 с телом шара 5.
Площадь сечения тела уплотнения 20 принята большей площади сечения юбки 15, что обеспечивает допустимые параметры по контактным напряжениям между уплотнением 20 и телом шара 5.