Пилотный клапан

Изобретение относится к арматуростроению и предназначено для автоматического перекрытия потока среды нефтяных и газовых скважин при изменении расчетных параметров потока рабочей среды. Пилотный клапан содержит корпус с линией подачи управляющего газа, механизмы настройки клапана для срабатывания клапана при заданном давлении и исполнительный механизм с настроечной пружиной и мембраной. Одна сторона мембраны обращена к полости, связанной с контролируемой средой. Другая сторона мембраны контактирует с механизмом переключения. Последний выполнен в виде рычага. Одним концом рычаг консольно закреплен на оси вращения и взаимодействует с мембраной. Другим концом рычаг связан с механизмом фиксации подпружиненного штока. Один конец штока контактирует с устройством для его взведения. Другой его конец контактирует с запорным элементом. Последний перекрывает полость управляющего газа при изменении параметров потока контролируемой среды. Рычаг взаимодействует с мембраной через стержень, расположенный на мембране. Обращенная к настроечной пружине исполнительного механизма сторона рычага контактирует с настроечным элементом. Настроечный элемент выполнен в виде тела с двумя опорными сферическими поверхностями. Одна из поверхностей взаимодействует с ответной опорной поверхностью рычага, другая - с шайбой, воспринимающей усилие настроечной пружины исполнительного механизма. Изобретение направлено на упрощение конструкции клапана и повышение надежности его работы, а также на расширение функциональных возможностей клапана. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к арматуростроению и может найти применение в нефтегазодобывающей промышленности для автоматического перекрытия потока среды нефтяных и газовых скважин при изменении расчетных параметров потока рабочей среды.

Известно отсечное устройство, содержащее запорный элемент с поршневым пневмоприводом и пилотный клапан со штоком, источник управляющей среды, связанный с пилотным клапаном и с подпоршневой полостью пневмопривода посредством управляемого клапана и обратными клапанами, установленными в над- и подпоршневых полостях пневмопривода, причем обратный клапан подпоршневой полости соединен с управляемым клапаном и обратным клапаном надпоршневой полости шарнирно-рычажными связями и снабжен жестко связанным с ним подпружиненным толкателем, а на штоке пилотного клапана выполнена кольцевая канавка с возможностью взаимодействия с толкателем обратного клапана (а.с. СССР №1028932, F16K 17/32 от 03.12.81).

Недостатками известного технического решения являются значительная сложность конструкции, недостаточно широкий диапазон контролируемого давления в транспортируемой среде, сложность перенастройки.

Известен пневмоклапан с установленным в корпусе запорным органом, перемещаемым при помощи штока с управляющим поршнем, в котором выполнена расточка, причем диаметр расточки управляющего поршня равен диаметру штока, а в расточке поршня установлен вспомогательный поршень со сферическим концом, контактирующим с корпусом (а.с. СССР №653473, F16K 17/06 от 14.10.71).

Недостатками известного технического решения являются значительная сложность конструкции, недостаточно широкий диапазон контролируемого давления в транспортируемой среде, сложность перенастройки.

Известен пилотный клапан, связанный с запорным элементом и с источником управляющей среды, содержащий корпус со штуцерами входа, выхода и дренажа, шток, шарнирно-рычажные связи, причем подпружиненный шток с подпружиненным отсекателем имеет механизм переключения и связан с транспортируемой средой через мембранный узел, соединенный посредством шарнирно-рычажной связи, помимо подпружиненного штока, с механизмами настройки клапана, реагирующими на понижение и на повышение давления в транспортируемой среде, связанными посредством шайб и опор со сферической контактной поверхностью, установленных на противоположных концах коромысла, закрепленного в середине на оси, которое взаимодействует с шарнирно-рычажной связью (положительное решение по заявке на изобретение №2005126954 от 25.08.05, МПК F16K 17/32 - прототип).

Указанный пилотный клапан работает следующим образом.

Предварительно, при помощи механизмов настройки клапана, реагирующих на понижение и на повышение давления в транспортируемой среде, задается давление срабатывания клапана.

При изменении давления ниже минимального или выше максимального происходит срабатывание клапана на закрытие запорного элемента.

Недостатком клапана является то, что для его настройки на срабатывание в определенном диапазоне давлений требуется две пружины, одна из которых настраивается на верхнее значение давления, другая - на нижнее значение, что приводит к усложнению конструкции, росту массогабаритных характеристик и снижению точности настройки.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание пилотного клапана, конструкция которого позволяет, при наличии одной настроечной пружины, его использование как клапана, работающего на срабатывание от определенного значения давления, так и клапана, работающего в заданном интервале давлений - верхнем и нижнем.

Указанная задача достигается тем, что в предложенном пилотном клапане, содержащем корпус с линией подачи управляющего газа, механизмы настройки клапана, обеспечивающие срабатывание клапана при заданном давлении, исполнительный механизм с настроечной пружиной и мембраной, одна сторона которой обращена к полости, связанной с контролируемой средой, другая - контактирует с механизмом переключения, выполненным в виде рычага, консольно закрепленного одним концом на оси вращения и взаимодействующего с мембраной, а другим - связанного с механизмом фиксации подпружиненного штока, один конец которого взаимодействует с устройством для взведения штока, другой - с исполнительным механизмом, перекрывающим полость управляющего газа при изменении параметров потока контролируемой среды, согласно изобретению рычаг взаимодействует с мембраной через стержень, расположенный на мембране, причем сторона рычага, обращенная к настроечной пружине исполнительного механизма, контактирует с настроечным элементом, выполненным в виде тела, имеющего две опорные сферические поверхности, одна из которых взаимодействует с ответной опорной поверхностью рычага, другая - с шайбой, воспринимающей усилие настроечной пружины исполнительного механизма.

Для обеспечения работы клапана в режиме поддержания давления в заданном диапазоне в конструкцию могут быть внесены следующие изменения:

- рычаг взаимодействует со стержнем через опорную сферическую поверхность;

- рычаг механизма переключения выполняется состоящим, по крайней мере, из двух частей, с возможностью радиального перемещения частей относительно друг друга;

- части рычага механизма переключения соединяются между собой при помощи соединения «паз-шип», причем линия стыка частей выполняется неперпендикулярной к продольной оси рычага;

- настроечный элемент, ограничивающий ход рычага, располагается в подвижной части рычага, контактирующей с механизмом фиксации подпружиненного штока и выполняется в виде винта с опорной сферической поверхностью;

- настроечный элемент, ограничивающий ход одной из частей рычага, выполняется в виде шара, с одной стороны контактирующего с опорной поверхностью корпуса, другой - с конической поверхностью регулировочного винта.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявляемом устройстве в отличие от конструктивного выполнения прототипа рычаг взаимодействует с мембраной через стержень, расположенный на мембране, причем сторона рычага, обращенная к настроечной пружине исполнительного механизма, контактирует с настроечным элементом, выполненным в виде тела, имеющего две опорные сферические поверхности, одна из которых взаимодействует с ответной опорной поверхностью рычага, другая - с шайбой, воспринимающей усилие настроечной пружины исполнительного механизма, рычаг механизма переключения выполнен состоящим из двух частей, с возможностью радиального перемещения частей относительно друг друга, а его части соединены между собой при помощи соединения «паз-шип», причем линия стыка частей выполнена неперпендикулярной к продольной оси рычага, настроечный элемент, ограничивающий ход одной из частей рычага, выполнен в виде шара, с одной стороны контактирующего с опорной поверхностью корпуса, другой - с конической поверхностью регулировочного винта.

Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого технического решения благодаря наличию новых признаков обеспечивает получение технического результата, выражающегося в расширении функциональных возможностей устройства.

Конструктивное решение устройства дает возможность использования предложенного клапана с одной пружиной настройки как для настройки для срабатывания на заданном значении давления, так и для настройки в определенном интервале значений давления. Наличие одной пружины позволяет упростить конструкцию клапана и повысить тем самым надежность его работы.

Указанные существенные признаки в совокупности, характеризующие сущность заявляемого технического решения, не известны в настоящее время для пилотных клапанов. Аналог, характеризующийся идентичностью всем существенным признакам заявляемого изобретения, в ходе исследований не обнаружен, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «Новизна».

Существенные признаки заявляемого изобретения не могут быть представлены как комбинация, выявленная из известных решений с реализацией в виде отличительных признаков для достижения технического результата, из чего следует вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».

В связи с тем что описанное техническое решение предназначено для использования в рамках реальной системы управления для автоматической отсечки шлейфа газовой скважины при аварийном повышении или понижении давления в нем, изготовлено заявителем и прошло испытания с достижением заявляемого технического результата, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».

Сущность предложенного технического решения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез предложенного пилотного клапана, конструкция которого позволяет настраивать клапан на определенное давление, на фиг.2 - поперечный разрез предложенного клапана, на фиг.3 - вид слева предложенного клапана, на фиг.4 - продольный разрез предложенного пилотного клапана, конструкция которого позволяет настраивать клапан на заданный диапазон давления, на фиг.5 - поперечный разрез предложенного клапана, на фиг.6 - вид слева предложенного клапана, на фиг.7 - положение деталей клапана при повышении давления, на фиг.8 - положение деталей при понижении давления.

Клапан состоит из корпуса 1 и корпуса клапанов 2, соединенных между собой винтами и болтами через пластину 3.

В корпусе клапанов расположены входной 4, выходной 5 и дренажный 6 штуцеры, клапан 7 и механизм переключения, состоящий из штока 8, пружины 9, шайбы 10, гаек 11, 12 и стопора 13. Для исключения случайного доступа к механизму переключения гайка 12 закрыта колпаком 14.

В корпусе 1 расположен мембранный узел 15, стержень 16, а также закреплен рычаг 17 и установлен механизм настройки клапана, состоящий из гильзы 18, стакана 19, пружины 20, закрытых стаканом 21.

Пружина 20 одним концом упирается в торец стакана 19, другим через шайбу - в грибок 22.

Рычаг 17 установлен на оси 23 с возможностью радиального перемещения.

Предложенный клапан работает следующим образом.

Предварительно взводится механизм переключения клапанов путем перемещения гайки 12 при снятом колпаке 14. Взведение контролируется по увеличению зазора между гайками 11 и 12.

В рабочем состоянии к клапану подводится давление газа в шлейфе и давление газа управления фонтанной арматурой.

При понижении давления контролируемого газа в шлейфе уменьшается усилие, действующее на мембрану, соответственно, уменьшается усилие, действующее через стержень на пружину 20. Пружина 20 разжимается и перемещает стержень 16 вниз, соответственно, вниз перемещается и грибок 22. Грибок 22, взаимодействуя с рычагом 17, закрепленным на оси 23, поворачивает последний вниз. Вторым концом рычаг 17, взаимодействуя со стопором 13, перемещает его вниз, освобождая шток 8. Шток под действием пружины 9 перемещается и переключает клапан 7, закрывая тем самым проход газа со штуцера 4 на штуцер 5. Давление из штуцера 6 стравливается через штуцер 6.

При восстановлении давления газа в шлейфе увеличивается усилие на мембрану и стержень 16, преодолевая усилие пружины 20, перемещается вверх. Для приведения клапана в рабочее положение необходимо вручную взвести механизм переключения клапанов, потянув за гайку 11, предварительно сняв колпак 14.

Клапан под действием управляющего давления газа и силы упругости пружины 24 переключается и открывает расход газа управления фонтанной арматурой.

Перенастройка клапана производится установкой рисок нониуса стакана и гайки в соответствии с предварительно тарировочной таблицей настройки.

Описание клапана, работающего в заданном интервале давлений - верхнем и нижнем.

Клапан состоит из корпуса 1 и корпуса клапанов 2, соединенных между собой винтами и болтами через пластину 3.

В корпусе клапанов расположены входной 4, выходной 5 и дренажный 6 штуцеры, клапан 7 и установлен механизм переключения, состоящий из штока 8, пружины 9, шайбы 10, гаек 11, 12 и стопора 13. Для исключения случайного доступа к механизму переключения гайка 12 закрыта колпаком 14.

В корпусе 1 расположен мембранный узел 15, стержень 16, а также закреплены переламывающийся рычаг, состоящий из двух половинок 17 и 18, и механизм настройки клапана, состоящий из гильзы 19, стакана 20, пружины 21 и двух опор 22, закрытых стаканом 23.

Для настройки предусмотрен винт 24, установленный в половинке 18 рычага.

Между пружиной 21 и опорой 22 установлена опора 25 со сферическими опорными поверхностями.

Половинка рычага 17 консольно установлена на оси 26, а между собой обе половинки соединены осью 27.

Предложенный клапан работает работает следующим образом.

Предварительно взводится механизм переключения клапанов путем перемещения гайки 12 при снятом колпаке 14. Взведение контролируется по увеличению зазора между гайками 11 и 12.

В рабочем состоянии к клапану подводится давление газа в шлейфе и давление газа управления фонтанной арматурой.

Предложенный пилотный клапан имеет возможность изменять настройку по двум параметрам.

Первый - изменение диапазона (разности) от верхнего давления срабатывания до нижнего. Диапазон может меняться от 5 МПа (50 кгс/см²) до 10 МПа (50 кгс/см²). Установка диапазона производится винтом 24.

Второй - изменение давления срабатывания, по нижнему или верхнему пределам. Конструкция клапана позволяет производить настройку от 3-10 МПа (30-100 кгс/см²) по понижению давления и до 8-16 МПа (80-160 кгс/см²) по повышению давления. Настройка производится вращением стакана 20 до совмещения рисок нониуса стакана 20 и гильзы 19.

Давление в шлейфе, при котором производится взведение, должно быть соответственно выше нижнего давления настройки и ниже верхнего давления настройки.

Перед установкой клапан взводится за гайку 12, предварительно сняв колпак 14. Взведение контролируется по увеличению зазора между гайками 11 и 12.

При понижении давления газа в шлейфе уменьшается усилие, действующее на мембрану, при этом, соответственно, уменьшается усилие, действующее через стержень на пружину 21. Пружина разжимается и перемещает стержень 16 вниз, соответственно, вниз перемещается опора 25. Стержень опоры, взаимодействуя с рычагом 17, закрепленным на оси 26, поворачивает последний вниз. Рычаг 17, взаимодействует с рычагом 18 косым срезом, и в то же время они скреплены между собой осью 27. Оба рычага поворачиваются по часовой стрелке как одно целое. Рычаг 18, концом взаимодействуя со стопором 13, перемещает его вниз, освобождая шток 8. Шток под действием пружины 9 перемещается и переключает клапан 7, закрывая тем самым проход газа с входного штуцера 4 на выходной штуцер 5. Давление из выходного штуцера 5 стравливается через дренажный штуцер 6.

При восстановлении давления газа в шлейфе увеличивается усилие на мембрану и стержень 16, преодолевая усилие пружины 21, перемещается вверх. Для приведения клапана в рабочее положение необходимо вручную взвести механизм переключения клапанов, потянув за гайку 12, предварительно сняв колпак 14.

При повышении давления контролируемого газа в шлейфе увеличивается усилие, действующее на мембрану, соответственно, увеличивается усилие, действующее через стержень на пружину. Стержень 16 перемещается вверх и сжимает пружину 21. Стержень 16, взаимодействуя с рычагом 17 через штифт, поворачивает рычаг 17 вверх. Рычаг 17 скреплен с рычагом 18 осью 27. В то же время рычаг 18 от перемещения вверх удерживается винтом 24.

Таким образом, при перемещении рычага 17 вверх рычаг 18 проворачивается вокруг точки контакта винта 24 и пластины 3. Свободный конец рычага 18, взаимодействуя со стопором, перемещает его вниз, освобождая шток 8. Шток под действием пружины 9 перемещается и переключает клапан 7, закрывая тем самым проход газа с входного штуцера 4 на выходной штуцер 5. Давление из выходного штуцера 5 стравливается через дренажный штуцер 6.

При восстановлении давления газа в шлейфе уменьшается усилие на мембрану и стержень 16 под действием пружины 21 перемещается вниз. Для приведения клапана в рабочее положение необходимо вручную взвести механизм переключения клапанов, потянув за гайку 12, предварительно сняв колпак 14.

Клапан под действием управляющего давления и пружины переключается и открывает расход газа управления фонтанной арматурой.

Перенастройка клапана производится установкой рисок нониуса стакана и гайки.

Использование предложенного клапана позволит упростить конструкцию клапана и повысить надежность его работы.

1. Пилотный клапан, содержащий корпус с линией подачи управляющего газа, механизмы настройки клапана, обеспечивающие срабатывание клапана при заданном давлении, исполнительный механизм с настроечной пружиной и мембраной, одна сторона которой обращена к полости, связанной с контролируемой средой, другая - контактирует с механизмом переключения, выполненным в виде рычага, консольно закрепленного одним концом на оси вращения и взаимодействующего с мембраной, а другим - связанного с механизмом фиксации подпружиненного штока, при этом один конец штока контактирует с устройством для его взведения, другой - с запорным элементом, перекрывающим полость управляющего газа при изменении параметров потока контролируемой среды, отличающийся тем, что рычаг взаимодействует с мембраной через стержень, расположенный на мембране, причем сторона рычага, обращенная к настроечной пружине исполнительного механизма, контактирует с настроечным элементом, выполненным в виде тела, имеющего две опорные сферические поверхности, одна из которых взаимодействует с ответной опорной поверхностью рычага, другая - с шайбой, воспринимающей усилие настроечной пружины исполнительного механизма.

2. Пилотный клапан по п.1, отличающийся тем, что рычаг взаимодействует со стержнем через опорную сферическую поверхность.

3. Пилотный клапан по п.1, отличающийся тем, что рычаг механизма переключения выполнен состоящим, по крайней мере, из двух частей с возможностью радиального перемещения частей относительно друг друга.

4. Пилотный клапан по п.3, отличающийся тем, что части рычага механизма переключения соединены между собой при помощи соединения «паз-шип», причем линия стыка частей выполнена неперпендикулярной к продольной оси рычага.

5. Пилотный клапан по п.2, отличающийся тем, что настроечный элемент, ограничивающий ход рычага, расположен в подвижной части рычага, контактирующей с механизмом фиксации подпружиненного штока и выполнен в виде винта с опорной сферической поверхностью.

6. Пилотный клапан по п.2, отличающийся тем, что настроечный элемент, ограничивающий ход одной из частей рычага, выполнен в виде шара, с одной стороны контактирующего с опорной поверхностью корпуса, другой - с конической поверхностью регулировочного винта.