Клапан-отсекатель
SHUTOFF VALVE

Предлагаемое изобретение относится к запорно-регулирующим устройствам, в частности клапанам, предназначенным для автоматического перекрытия трубопровода. Клапан предназначен для использования на трубопроводах нефтегазовых промыслов и подземных хранилищ газа.
Известен патент России № 55969 от 27.08.2006, в котором раскрыто устройство контроля и регулирования расхода, содержащее трубопровод, регулирующий клапан с поворотным запорным органом, соединенным с приводом запорного органа, линии отбора давления, датчики давления среды. При этом первая и вторая линии отбора давления расположены соответственно в первой и второй измерительных секциях, которые расположены со сторон входного и выходного отверстий регулирующего клапана, образующих единый комплекс трубопровода, введен управляемый электрический привод запорного органа, которым управляет вычислительно-управляющее устройство, связанное электрическими связями с задатчиком угла поворота запорного органа, с первым и вторым датчиками давления и устройством индикации угла поворота запорного органа и рассчитанного расхода проточной среды.
Недостатком данного устройства является невозможность автоматического ступенчатого перекрытия потока при повышении или понижении давления.
Наиболее близким техническим решением является патент России № 198735 от 24.07.2020. В данном патенте раскрыт клапан-отсекатель, содержащий: корпус с входным и выходным каналами, запорный орган, перекрывающий выходной канал и механический привод, осуществляющий поворот запорного органа. При этом в качестве запорного органа используются затвор, управляемый механическим приводом, состоящий из основной захлопки с разгрузочным отверстием и дополнительной глухой захлопки, выполненной с возможностью перекрывать разгрузочное отверстие глухой захлопки при понижении или повышении давления внутри корпуса устройства выше настроенного. Кроме того, устройство включает механизм дистанционного срабатывания привода, который включает электромагнит, Г-образный рычаг и шток, где электромагнит выполнен с возможностью управлять Г-образным рычагом, связанным со штоком, осуществляющим управление штоком механического привода, а также узел подъема затвора, включающий рукоятку, связанную с рычагом, осуществляющих подъем и фиксацию затвора. Недостатком данного устройства является недостаточная безопасность работы устройства, при одновременной добыче и закачке газа. Данная недостаточная безопасность обусловлена тем, что при необходимости одновременной добыче и закачке газа необходимо применять два одинаковых клапана-отсекателя выполненных по патенту № 198735.
Функциональное назначение клапана:
автоматическое перекрытие трубопровода при достижении в трубопроводе величин давления, установленных настройками клапана:
а) при понижении давления при добыче, а также при закачке газа;
б) при повышении давления при добыче, а также при закачке газа;
местное перекрытие трубопровода - ручными дублерами приводов клапана.
Технический результат предлагаемого решения - повышение надежности устройства и уменьшение стоимости клапана-отсекателя, работающего при одновременной добыче и закачке газа.
Технический результат достигается тем, что клапан-отсекатель содержит:
- корпус с входным и выходным каналами,
- затвор, перекрывающий выходной канал, состоящий из основной захлопки с разгрузочным отверстием и дополнительной глухой захлопки, выполненной с возможностью перекрывать разгрузочное отверстие глухой захлопки,
- механический привод, осуществляющий поворот затвора, включающий: пружину сжатия, пружину растяжения, шток и, связанный со штоком, рычаг, и
- узел подъема затвора, включающий рукоятку связанную с рычагом, осуществляющих подъем и фиксацию затвора.
При этом в корпусе с входным и выходным каналами, установлен: второй затвор, перекрывающий выходной канал, состоящий из второй основной захлопки с разгрузочным отверстием и второй дополнительной глухой захлопки, выполненной с возможностью перекрывать разгрузочное отверстие глухой захлопки и, соответствующий ему второй механический привод, осуществляющий поворот второго затвора, включающий: пружину сжатия, пружину растяжения, шток и, связанный со штоком, рычаг.
Первый и второй механические приводы выполнены одинаково и работают попеременно. Так при понижении давления внутри корпуса устройства выше настроенного, пружина растяжения, одного из приводов, смещает шток, который в свою очередь поворачивает соответсвующий рычаг, сначала выходящий из зацепления с упора основной захлопки, и тем самым освобождая основную захлопку, которая под действием собственного веса и потока среды поворачивается и ограничивает поток, а затем выходящий из зацепления с упора глухой захлопки, и тем самым освобождая глухую захлопку, которая под действием собственного веса и потока среды поворачивается и полностью перекрывает поток.
А при повышении давления внутри корпуса устройства выше настроенного, шток, преодолевая усилие пружины сжатия, поворачивает связанный с ним рычаг, сначала выходящий из зацепления с упора основной захлопки, и тем самым освобождая основную захлопку, которая под действием собственного веса и потока среды поворачивается и ограничивает поток, а затем выходящий из зацепления с упора глухой захлопки, и тем самым освобождая глухую захлопку, которая под действием собственного веса и потока среды поворачивается и полностью перекрывает поток,
Пружины первого и второго механических приводов могут быть, как одинаковыми, так разными - настроеными на работу на разные давления внутри корпуса устройства.
Каждый механический привод содержит шкалу настройки пределов срабатывания клапана при понижении давления внутри корпуса устройства и шкалу настройки пределов срабатывания клапана при повышении давления внутри корпуса устройства.
Также клапан содержит перепускные вентили для выравнивания давления среды до и после затвора.
Клапан содержит первую рукоятку, позволяющую вручную перемещать первый затвор, открывая или перекрывая выходной канал.
Также клапан содержит вторую рукоятку, позволяющую вручную перемещать второй затвора, принудительно перекрывая выходной канал.
Предлагаемый клапан устанавливается на выкидной линии скважины, у ее устья, а также может устанавливаться на технологических трубопроводах нефтегазоконденсатных месторождений.
Устанавливается на горизонтальном участке трубопровода приводами вверх в соответствии со стрелкой, указывающей направление движения рабочей среды.
Конструкция клапана изображена на фиг.1-3, где
на фиг.1 показан основной вид с указанием основных узлов и отдельный деталей клапана-отсекателя;
на фиг.2 показан основной вид с разрезами основных элементов клапана, с указанием основных деталей;
на фиг.3 показан разрез А-А клапана с указанием рабочего положения основных узлов.
на фиг.4 показан клапан с положением затвора после автоматического срабатывания привода при добыче газа;
на фиг.5 показан клапан с исходным положением затворов (готовность клапана к автоматическому срабатыванию при добыче газа);
на фиг.6 показан клапан с промежуточным положением затвора (разблокировка основной захлопки);
на фиг.7 показан клапан после полного срабатывания затвора и перекрытия проходного отверстия в крышке (разблокировка дополнительной захлопки );
на фиг.8 показан привод пружинный на срабатывание при добыче газа в разрезе.
В состав клапана входит:
1 - клапан;
2 - привод пружинный на срабатывание при добыче газа;
3 - рукоятка привода пружинного на срабатывание при добыче газа;
4 - привод пружинный на срабатывание при закачке газа;
5 - рукоятка привода пружинного на срабатывание при закачке газа;
6 - рым-болт;
7 - корпус;
8 - крышка входная;
9 - крышка выходная;
10 - ось;
11 - кронштейн;
12 - затвор;
13 - ось;
14 - кронштейн;
15 - затвор;
16 - захлопка основная с разгрузочным отверстием;
17 - захлопка дополнительная, глухая;
18 - захлопка основная с разгрузочным отверстием;
19 - захлопка дополнительная, глухая;
20, 21 - вентили перепускные;
22 - табличка фирменная;
23 - узел подъема захлопок;
24 - рукоятка узла подъема захлопок;
25 - узел подъема захлопок;
26 - рукоятка узла подъема захлопок;
27-30 - шкалы;
31, 32 - рычаги приводов;
33 - упор;
34, 35 - оси;
36 - колпак;
37 - кольцо уплотнительное;
38 - уплотнение штока;
39 - защитное кольцо;
40 - втулка;
41 - винт;
42 - гайка;
43 - пружина сжатия, приводящая в действие привод при повышении давления
44 - пружина сжатия, приводящая в действие привод при понижении давления
45 - шток.
На Фиг.1 показаны:
- привод пружинный, с автоматическим срабатыванием на ЗАКРЫТИЕ при достижении в клапане 1 величины давления срабатывания, установленной настройками привода, при понижении/повышении давления при добыче газа (в дальнейшем - привод 2). Привод 2 имеет рукоятку 3, предназначенную для перевода чувствительного механизма срабатывания привода из положения АВТ. в положения РУЧН. или СТОП;
- привод пружинный, с автоматическим срабатыванием на ЗАКРЫТИЕ при достижении в клапане 1 величины давления срабатывания, установленной настройками привода, при понижении/повышении давления при закачке газа (в дальнейшем - привода 4). Привод 4 имеет рукоятку 5, предназначенную для перевода чувствительного механизма срабатывания привода из положения АВТ. в положения РУЧН. или СТОП;
- рым-болты 6 для монтажа и демонтажа клапана на трубопровод;
- табличка фирменная 22 с указанием направления потока среды при отборе газа и закачке газа, условное давление и условный проход.
Настройка привода механического 2 или 4 (см. Фиг.8) производится следующим образом:
- на срабатывание при понижении давления винтом 41 поджимается (регулируется) пружина сжатия 44 до определенного усилия, соответствующего необходимой величине срабатывания по шкале 27;
- на срабатывание при повышении давления гайкой 42 поджимается (регулируется) пружина сжатия 43 до определенного усилия, соответствующего необходимой величине срабатывания, по шкале 28.
С целью предотвращения нарушения пределов настройки и исключения механического повреждения деталей на привод установлен колпак 36.
Герметичность привода в месте установки в корпусе клапана от воздействия давления транспортируемой среды обеспечивается резиновыми уплотнительными кольцами 37-38 и защитным кольцом 39.
В клапан 1 (Фиг.2) входят: корпус 7, входная 8 и выходная 9 крышки.
На оси 10 кронштейна 11 выходной крышки 9 установлен затвор 12, предназначенный для перекрытия потока рабочей среды при срабатывании привода 2 при добыче газа.
На оси 13 кронштейна 14 входной крышки 8 установлен затвор 15, предназначенный для перекрытия потока рабочей среды при срабатывании привода 4 при закачке газа.
Затвор 12 состоит из основной захлопки 16 с разгрузочным отверстием и дополнительной глухой захлопки 17.
Затвор 15 состоит из основной захлопки 18 с разгрузочным отверстием и дополнительной глухой захлопки 19.
Конструкция затворов 12 и 15 со ступенчатым перекрытием  проходных отверстий в крышках 8 и 9 обусловлена необходимостью предотвращения резкого повышения давления в момент срабатывания клапана на ЗАКРЫТИЕ при добыче или закачке газа.
Для выравнивания давления среды до и после затвора 12 на крышке 9 установлен перепускной вентиль 20.
Для выравнивания давления среды до и после затвора 15 на крышке 8 установлен перепускной вентиль 21.
Для установки затвора 12 в рабочее положение (ОТКРЫТО) на корпусе 7 установлен узел подъема захлопок 23 с рукояткой 24.
Для установки затвора 15 в рабочее положение (ОТКРЫТО) на корпусе 7 установлен узел подъема захлопок 25 с рукояткой 26.
Работа клапана при добыче газа.
Исходное положение клапана - рукоятка 26 узла подъема захлопок 25 должна находиться в положении СТОП. Затвор 15 должен быть зафиксирован рычагом 32 привода 4, рукоятка 5 должна находиться в положении СТОП. Это положение привода 4 соответствует его блокировке и отсутствию возможности срабатывания при повышении/понижении давления в корпусе 7 клапана 1 при добыче газа.
Принцип действия клапана заключается в механической разблокировке затвора 12 приводом 2 при аварийном понижении или повышении давления рабочей среды в трубопроводе.
При понижении давления внутри корпуса 7 ниже установленной величины давления срабатывания привода 2, указанной на шкале 27:
сила пружины сжатия 44 передает осевое перемещение штоку привода 45, который в свою очередь за счет понижающегося в полости корпуса давления перемещается вниз, осевое перемещение штока 45 через ось 35 передается рычагу привода 31, который находясь на оси 34, установленной неподвижно во втулке 40 преобразует осевое перемещение штока 45 в продольное перемещение Т-образной части рычага 31 (Фиг.8 (Вид Б «при понижении давления»)),
рычаг привода 31 выходит из зацепления с упором 33, освобождая захлопку 16, которая под действием собственного веса и потока среды поворачивается на оси 10 и прижимается к торцу крышки 9, перекрывая поток транспортируемой среды и оставляя открытым только разгрузочное отверстие;
в корпусе 7 продолжает понижаться давление (при резком падении давления за захлопкой 4), рычаг привода 31 выходит из зацепления с фрагментом тела захлопки 17, что приводит к ее освобождению приводом, под действием собственного веса и потока среды захлопка поворачивается на оси 10 и прижимается к захлопке 16, окончательно перекрывая поток рабочей среды.
При повышении давления внутри корпуса 7 выше установленной величины давления срабатывания привода 2, указанной на шкале 28:
под действием повышающегося давления в полости корпуса 7 шток привода 45, преодолевая усилие пружины сжатия 43 перемещается вверх в полость привода с атмосферным давлением, осевое перемещение штока 45 через ось 35 передается рычагу 31, который находясь на оси 34, установленной неподвижно во втулке 40 преобразует осевое перемещение штока 45 в продольное перемещение Т-образной части рычага 31 (Фиг.8 (Вид Б «при повышении давления»)),
рычаг привода 31 выходит из зацепления с упором 33, освобождая захлопку 16, которая под действием собственного веса и потока среды поворачивается на оси 10 и прижимается к торцу крышки 9, перекрывая поток транспортируемой среды и оставляя открытым только разгрузочное отверстие;
в корпусе 7 продолжает повышаться давление (при резком повышении давления за захлопкой 4), рычаг привода 31 выходит из зацепления с фрагментом тела захлопки 17, что приводит к ее освобождению приводом, под действием собственного веса и потока среды захлопка 17 поворачивается на оси 10 и прижимается к захлопке 16, окончательно перекрывая поток рабочей среды.
Блокировка затвора 12 в положении ОТКРЫТО выполняется переводом рукоятки 3 привода 2 в положение СТОП, при этом рукоятка 24 узла подъема захлопок 23 должна находиться в положении СТОП.
Местное - ручное (принудительное) срабатывание клапана на ЗАКРЫТИЕ.
Выполняется поворотом рукоятки 3 привода 2 в положение РУЧН., при этом рукоятка 24 узла подъема захлопок 23 должна находиться в положении АВТ.
Рукоятки 3 и 24 в рабочем положении клапана должны находиться в положении АВТ., при нахождении рукояток 3 и 24 в положении СТОП срабатывание клапана от понижения и повышения давления при добыче невозможно, т.к. привод заблокирован. Перепускной вентиль 20 должен быть закрыт.
Подъем затвора 12 рукояткой 24 узла подъема захлопок 23 выполнять только после выравнивания давления до и после затвора 12 посредством открытия перепускного вентиля 20.
Работа клапана при закачке газа.
Исходное положение клапана - рукоятка 24 узла подъема захлопок 23 должна находиться в положении СТОП. Затвор 12 должен быть зафиксирован рычагом 31 привода 2, рукоятка 3 должна находиться в положении СТОП. . Это положение привода 2 соответствует его блокировке и отсутствию возможности срабатывания при повышении/понижении давления в корпусе 7 клапана 1 при закачке газа.
Принцип действия клапана заключается в механической разблокировке затвора 15 приводом 4 при аварийном понижении или повышении давления рабочей среды в трубопроводе.
Принцип взаимодействия деталей привода 4 и затвора 15 идентичен прописанному выше в разделе «Работа клапана при добыче газа»
Блокировка затвора 15 в положении ОТКРЫТО выполняется переводом рукоятки 5 привода 4 в положение СТОП, при этом рукоятка 26 узла подъема захлопок 25 должна находиться в положении СТОП.
Местное - ручное (принудительное) срабатывание клапана на ЗАКРЫТИЕ.
Выполняется поворотом рукоятки 5 привода 4 в положение РУЧН., при этом рукоятка 26 узла подъема захлопок 25 должна находиться в положении АВТ.
Рукоятки 5 и 26 в рабочем положении клапана должны находиться в положении АВТ., при нахождении рукояток 5 и 26 в положении СТОП срабатывание клапана от понижения и повышения давления при закачке невозможно, т.к. привод заблокирован. Перепускной вентиль 21 должен быть закрыт.
Подъем затвора 15 рукояткой 26 узла подъема захлопок 25 выполнять только после выравнивания давления до и после затвора 15 посредством открытия перепускного вентиля 21.
Достоинства и преимущества предлагаемого клапана-отсекателя:
- по конструктивному 2-х приводному и исполнению нет аналогов;
- совмещает в одном функции клапанов-отсекателей, предназначенных для обеспечения безопасности оборудования и трубопроводов при закачке и отборе газа;
-исключает необходимость устанавливать два клапана-отсекателя для выполнения функций обеспечения безопасности оборудования и трубопроводов при аварийном повышении/понижении давления рабочей среды в процессе отбора и закачки газа;
- относительно низкая цена на оборудование.