Устройство для сброса давления

Изобретение относится к клапанам для сброса давления текучей среды. Новизной изобретения является то, что клапан для сброса давления содержит поршневой демпфер, включающий две сообщающиеся между собой камеры. Технический результат заключается в возможности регулирования скорости демпфирования поршня клапана. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Варианты осуществления, описанные ниже, относятся к сбрасывающему давление и защитному устройству, в частности клапану сброса давления для применения в вариантах работы под высоким давлением с абразивными или создающими тяжелые условия работы технологическими текучими средами.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Промышленность по всему миру демонстрирует быстрый прогресс в применяемой технологии, материалах и системах, которые вместе обеспечивают (в частности) возможность разведки и работы запасов углеводородного сырья под более высокими давлениями. Для получения более высоких дебитов добычи и более продолжительной работы месторождений, чем раньше, от буровых систем требуется более высокое давление и расходы для ряда технологических процессов и, следовательно, лучшие системы защиты и безопасности для персонала и оборудования.

На рынке представлен ряд устройств сброса давления и защитных устройств для систем с текучей средой высокого давления, где твердые тела и частицы крупнее 25 мкм являются проблемой. Данные изделия в различных комбинациях могут соответствовать некоторым из требований по сертификации и работы в отраслях, где их применяют. Для систем, работающих под давлением, имеется недвусмысленное законодательство по сертификации, которую требуется обеспечивать для системы для соответствия требованиям законодательства и сертификации, данное является, в частности, важным при рассмотрении находящихся под давлением и в опасной зоне оборудования/установок.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно первому аспекту изобретения предложен клапан (5) для сброса давления текучей среды, клапан, содержащий:

впуск (8) текучей среды;

выпуск (9) текучей среды;

поршень (20), сообщающийся с впуском (8) текучей среды и выполненный с возможностью перемещения в ответ на превышение давлением текучей среды на впуске заданного порога, для соединения впуска (8) текучей среды с выпуском (9) текучей среды и, при этом сброса давления текучей среды; и демпфер (100; 80), выполненный с возможностью демпфирования перемещения поршня (20).

Демпфер уменьшает ускорение и отрицательное ускорение клапанного механизма и связанное с этим напряжение и износ, при этом существенно уменьшая риск преждевременного выхода из строя.

Поршень (20) может иметь шток (21), соединенный с соединительным средством (49), выполненный с возможностью предотвращения перемещения поршня (20) до превышения давлением текучей среды на впуске (8) заданного порога.

Клапан может содержать первичный демпфер (100), представляющий собой первую камеру(23), содержащую текучую среду, образованную частично поршнем (21, 24) и сообщающуюся по текучей среде с демпфирующим дроссельным клапаном (93).

Клапан может содержать корпус (10,70), имеющий канал (70') в котором поршень перемещается, при этом первая камера (23), содержащая текучую среду, образована частично между наружной поверхностью (21') штока (21) и внутренней поверхностью (70') канала (70').

Клапан может содержать уплотнение (25) между штоком (21) и корпусом (10,70) и проем (26) для текучей среды, выполненный в корпусе для соединения с демпфирующим дроссельным клапаном (93), причем проем (26) для текучей среды расположен смежно с уплотнением (25).

Клапан может содержать вторую камеру, содержащую текучую среду (91), сообщающуюся с демпфирующим дроссельным клапаном (93).

Вторую камеру, содержащую текучую среду (91) может образовывать кожух (90), отдельный от корпуса (10,70).

Демпфирующий дроссельный клапан (93) может располагаться в кожухе (90).

Вторая камера, содержащая текучую среду (91), может находиться под воздействием смещающего давления.

Кожух (90) может содержать емкость сжатого газа (92), выполненную с возможностью подачи смещающего давления во вторую камеру, содержащую текучую среду.

Клапан может содержать вспомогательный демпфер (80), выполненный с возможностью ограничения перемещения соединительного средства (49).

Клапан может содержать вспомогательный демпфер (80), выполненный с возможностью демпфирования перемещения поршня (20) после начала сброса поршнем давления текучей среды.

Вспомогательный демпфер (80) может содержать регулируемый поршень (81).

Регулируемый поршень (81) может перемещаться в третичной камере под воздействием смещающего давления.

Согласно второму аспекту изобретения, предложен способ управления клапаном (5) для сброса давления текучей среды, который содержит впуск (8) текучей среды, выпуск (9) текучей среды и поршень (20), сообщающийся с впуском (8) текучей среды, способ, содержащий следующие этапы:

запуск перемещения поршня (20) в ответ на превышение давлением текучей среды на впуске (8) заданного порога, и, после этого, демпфирование перемещения поршня (20).

Второй аспект можно детализировать признаками первого аспекта.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1-3 показан вариант осуществления настоящего изобретения в последовательности стадий работы.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как показано на фиг.1, клапанный узел 5 содержит корпус 10 клапана имеющий втулку 70 (с каналом 70') в которой с возможностью скольжения установлен поршень 20, имеющий кольцевое уплотнение 22.

В остальной показанной позиции внутренний поршень 20 занимает верхнее положение, и имеется соединение текучей средой между впуском 8 и выпуском 9 корпуса клапана через проем 30 в боку поршня и проем 60, выполненный во втулке 70 в корпусе клапана (и показанное более ясно на фиг.2). Как показано, клапан находится в состоянии покоя и никакая часть не находится в напряженном состоянии для поддержания данного положения. Если какая либо из частей отказывает во время работы, данное положение является положением сброса давления, к возврату в которое клапан должен стремиться. Другими словами, он должен "при отказе занимать положение, обеспечивающее безопасность".

Конец штока 21 поршня, который расположен на удалении от проема 30, прикреплен поворотным шарниром (позиция 54) к соединительному средству 49, содержащему нижнюю тягу 51, прикрепленную поворотным шарниром к верхней тяге 52, которая, в свою очередь, соединена с кривошипом 50. Соединительное средство содержится в кожухах 6 и 11, скрепленных по линиям 12 и 7 разъема друг с другом и с корпусом 10, соответственно, уплотнение 25 между втулкой 70 и окружностью штока 21 поршня предотвращает проход текучей среды из корпуса клапана в кожух. К соединительному средству можно получить доступ, сняв крышку 6 по линии 12 разъема. Как следствие, не требуется снимать корпус клапана с системы трубопроводов (не показано), соединенной с впускным и выпускным портами 8, 9, когда требуется провести рутинное техобслуживание или замену любой из движущихся частей. Вместо этого, только замена втулки или корпуса клапана требует такого полного демонтажа клапана с системы трубопроводов. Если необходимо, кожух 6 и 11, поршень 20 и уплотнение 25 на его базе (рассмотрено более подробно ниже), можно поднять вверх от корпуса клапана по линии 7 разъема над втулкой 70, при этом корпус клапана остается в своем нормальном собранном положении, соединенным с системой трубопроводов. Для регулировки клапана и блокирования открытого пути через корпус клапана, который должен иначе обеспечивать сброс давления, создающие нагрузку пружины клапана (указаны пунктирными линиями 40) должны быть настроены (согласно процедуре регулировки для требуемых условий работы и специфики технологического процесса). Давление в системе трубопроводов выше по потоку должно быть минимальным, и меньше давления уставки клапана.

Как показано на фиг.2, внутренние соединительные средства теперь "установлены" в заданном положении, и поршень 20 находится в своем самом нижнем положении по вертикали. Проем 30 больше не совмещено с проемом 60, при этом закрыт внутренний проход, который обеспечивал прохождение потока текучей среды через корпус клапана от впуска 8 до выпуска 9.

Внутреннее соединительное средство находится в конфигурации сверху центра, где сила создающих нагрузку пружин 40 должна делать невозможным высвобождение поршня 20 для вертикального перемещения до преодоления силы, действующей на поршень 20, силой давления текучей среды в расположенной выше по потоку системе трубопроводов (не показано). Сила, действующая на тяги 51, 52 от поршня 20 в результате давления текучей среды на впускном проеме 8, действует на кривошип 50, чему, в свою очередь противодействуют создающие нагрузку пружины 40.

Когда механизм запускается вращением кривошипа 50, достаточным для перемещения, как указано стрелкой R на фиг.3 - верхней /нижней точки поворотного шарнира тяги линейно или сверху центра в направление R высвобождения, соединительное средство свободно поворачивается в шарнирах для обеспечения перемещения поршня 20 по вертикали, как указано стрелкой V, для установления сообщения окон 30 и 60 и открытия соединения текучей средой между впуском 8 и выпуском 9. Давление, действующее на выпускном проеме 60 от "обратного давления" в системе, слабо связано с механизмом высвобождения клапана, и его функциональной возможностью по пуску /активированию. Вышеописанные признаки известны сами по себе и поэтому их дополнительные детали не приведены.

Быстрое перемещение поршня 20 и внутреннего соединительного средства 49, когда механизм работает при его давлении уставки является чрезвычайно быстрым, и внутренние части должны выдерживать высокое ускорение (поскольку давление текучей среды в расположенной выше по потоку системе трубопроводов подается на выкид), и отрицательное ускорение в линейном перемещении внутренних частей, когда они приходят к остановке в конце их перемещения (в состояние покоя /нулевое положение, с соединением текучей средой между проемами 30 и 60 клапана).

Данные быстрые перемещения могут означать существенные напряжения и износ внутренних частей клапана, и могут препятствовать их надежному возврату в нулевое положение. Согласно изобретению, задействован первичный демпфирующий механизм 100 для существенного уменьшения риска преждевременного отказа.

Как проиллюстрировано на фиг.3, демпфирующее действие получают перемещением текучей среды (указано плотным затенением на чертежах) из первой камеры 23 во вторую камеру 91, установленную снаружи, для отделения и удаления от корпуса 10 клапана, посредством дроссельного клапана, регулируемого маховичком 93.

Первая камера 23 является кольцевой камерой, образованной между наружной цилиндрической поверхностью 21' штока 21 поршня и внутренним каналом 70' втулки 70. Камера 23 ограничена на своем нижнем конце поверхностью 24 верхнего конца поршня 20 и на своем верхнем конце уплотнением 25 между штоком 21 и втулкой 70. Во втулке смежно с уплотнением 25 предусмотрен проем 26 для перемещения текучей среды в трубку 101.

Вторая камера 91 образована в кожухе 90, имеющем соединение текучей средой 94 с трубкой 101. Поток текучей среды, проходящей в камеру и из камеры, регулируется дроссельным клапаном, управляемым маховичком 93. Заполненная газом емкость 92 (отделена от емкости 91 текучей среды скользящим поршнем 95 и заряжается газом через клапан 96) дает небольшое смещающее обратное давление на текучую среду для обеспечения демпферу возврата к исходному положению. Данное давление является минимальным, и не предназначено для перемещения клапана обратно в "нулевое" положение, но предназначено только для обратного перемещения масла.

Выпускной фланец и соединение рассчитаны на одно давление на впуске. Ограничивающим фактором является сопротивление поршневых уплотнений 25 для противодействия противодавлению, действующему на них, и поршня для противодействия наружному давлению. В показанном варианте осуществления, уплотнения 25 можно изготавливать из различных материалов, подходящих по условиям технологической текучей среды или окружающей среды.

Соответственно, когда приводится в действие клапанный механизм ("при запуске клапана"), поршень 20 вначале может функционально ускоряться для первой части своего перемещения (только настолько, насколько демпфирующий элемент амортизирует начальное перемещение) до установления сообщения окон 30 и 60 и соединения текучей средой между впуском и выпуском. Первичный демпфер 100 с регулированием сжатия замедляет остальную часть перемещения.

Первичный демпфирующий механизм 100 может регулироваться на специфический вариант применения и регулирует скорость клапанного механизма от полного закрытия до полного открытия при запуске на своем давлении уставки. Скорость демпфирования можно регулировать посредством тонкой регулировки разгрузочных отверстий внутри клапана, и/или посредством изменения вязкости демпфирующей текучей среды. Данные регулировки выполняют на стадии испытаний, следующей за изготовлением, для тонкой регулировки предусмотрен регулировочный винт 93. Вместе указанное обеспечивает открытие поршня и сброс давления быстро, насколько возможно, но замедляет перемещение поршня для предотвращения повреждения и потенциальной неисправности.

Как показано позицией 80, также предусмотрен вспомогательный демпфер, который служит в качестве концевого упора, ограничивающего перемещение соединительного средства 52 для предотвращения перекрутки и повреждения, как показано на фиг.1. Данное исключает возможность заклинивания клапана в положении установки на ноль.

Как указано позицией 81 на фиг.1, вспомогательный демпфер имеет регулируемый поршень, который содействует первичному демпфированию после начала сброса поршнем давления в системе, и поэтому выполнен с возможностью поглощения кинетический энергии, которую поршень и внутренние соединительные средства получают в результате своего быстрого ускорения. Что касается первичного демпфера 100, вспомогательный демпфер 80 также создает небольшое присущее обратное давление посредством внутренней третичной камеры (не показано) для обеспечения своего возврата в исходное положение. Данное смещающее давление является минимальным, и не обеспечивает клапану обратного перемещения в "нулевое" положение, но просто обеспечивает обратное перемещение масла.

В дополнение, для уменьшения кинетической энергии движущихся частей, когда они доходят до остановки в конце своего перемещения, вспомогательный демпфер 80 также обеспечивает установку проема 30 в поршне на одной линии с проемом 60 во втулке 70 корпуса клапана.

Хотя конкретные варианты осуществления описаны в данном документе с иллюстративными целями, различные эквивалентные модификации являются возможными в объеме настоящего описания, что понятно специалисту в данной области техники. Например, в показанном варианте осуществления, поршень 20 рассчитан на работу при полном давлении, и материалы можно подбирать по параметрам технологической текучей среды и условиям окружающей среды. Таким образом, клапан, как стандартный узел, выполнен с функциональными возможностями выдерживать давление до впускного давления, как противодавления на выпускном проеме, с вычисляемой деградацией показателей работы "возврата в нулевое положение". Идеи, изложенные в данном документе, можно применять для другого оборудования и не только для вариантов осуществления, описанных выше и показанных на прилагаемых чертежах. Соответственно, объем вариантов осуществления, описанных выше, определяется следующей формулой изобретения.

1. Клапан для сброса давления текучей среды, содержащий:

впуск текучей среды;

выпуск текучей среды;

поршень, сообщающийся с впуском текучей среды и выполненный с возможностью перемещения в ответ на превышение давлением текучей среды на впуске заданного порога для соединения впуска текучей среды с выпуском текучей среды и посредством этого сброса давления текучей среды; и

первичный демпфер, выполненный с возможностью демпфирования перемещения поршня, причем первичный демпфер содержит:

первую камеру, содержащую текучую среду, образованную частично поршнем и сообщающуюся по текучей среде с демпфирующим дроссельным клапаном; и

вторую камеру, содержащую текучую среду, сообщающуюся с демпфирующим дроссельным клапаном и образованную отдельным от корпуса кожухом.

2. Клапан по п.1, в котором поршень содержит шток, соединенный с соединительным средством, выполненным с возможностью предотвращения перемещения поршня до превышения давлением текучей среды на впуске заданного порога.

3. Клапан по п.2, содержащий корпус, имеющий канал, в котором перемещается поршень, при этом первая камера, содержащая текучую среду, образована частично между наружной поверхностью штока и внутренней поверхностью канала.

4. Клапан по п.3, содержащий уплотнение между штоком и корпусом и проем для текучей среды, выполненный в корпусе для соединения с демпфирующим дроссельным клапаном, причем проем для текучей среды расположен смежно с уплотнением.

5. Клапан по п.1, в котором демпфирующий дроссельный клапан расположен в кожухе.

6. Клапан по п.5, в котором на вторую камеру, содержащую текучую среду, воздействует смещающее давление.

7. Клапан по п.6, в котором кожух содержит емкость сжатого газа, выполненную с возможностью приложения смещающего давления ко второй камере, содержащей текучую среду.

8. Клапан по п.2, содержащий вспомогательный демпфер, выполненный с возможностью ограничения перемещения соединительного средства.

9. Клапан по п.1, содержащий вспомогательный демпфер, выполненный с возможностью демпфирования перемещения поршня после начала сброса поршнем давления текучей среды.

10. Клапан по п.9, в котором вспомогательный демпфер содержит регулируемый поршень.

11. Клапан по п.10, в котором регулируемый поршень перемещается в третичной камере под воздействием смещающего давления.

12. Способ управления клапаном для сброса давления текучей среды по п.1, содержащего впуск текучей среды, выпуск текучей среды и поршень, сообщающийся с впуском текучей среды, причем способ включает в себя этапы, на которых:

инициируют перемещение поршня в ответ на превышение давления текучей среды на впуске заданного порога, и затем

осуществляют демпфирование перемещения поршня.