Клапан с перепадом давления на седле - RU2773850C1
Код документа: RU2773850C1
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к усовершенствованной конструкции клапана, в котором используется асимметричное давление, прикладываемое к механизму втулки и уплотнения для обеспечения улучшенных характеристик уплотнения и снижения требований к техническому обслуживанию. Хотя при описании клапана чаще всего подразумевают пробковый клапан, такое описание может быть в равной степени применимо и к клапанам других типов, включая, без ограничений, шаровой клапан или клапан с задвижкой.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Клапаны, как правило, содержат корпус клапана с внутренним каналом для прохождения текучей среды и средство для закупоривания внутреннего канала для остановки потока текучей среды. Клапаны некоторых типов, такие как пробковые клапаны или шаровые краны, включают в себя пробку или шар, выполненные с возможностью поворота между открытым положением, в котором текучая среда может протекать через внутренний канал, и закрытым положением, в котором пробка или шар блокирует поток текучей среды через внутренний канал. Клапаны других типов, такие как клапаны с задвижкой, содержат задвижку, которая опускается в вертикальном направлении для перекрытия потока текучей среды через внутренний канал. Клапаны, относящиеся ко всем указанным типам, часто используют при добыче углеводородов, таких как сырая нефть или природный газ.
[0003] Клапан согласно настоящему изобретению будет описан в основном в контексте варианта осуществления, в котором используется пробковый клапан, но он также может быть использован в шаровых клапанах, клапанах с задвижкой или клапанах других типов. В некоторых вариантах применения может быть предпочтительнее использовать шаровой клапан, а не пробковый клапан, в котором контактное давление вокруг седла распределено более равномерно. В любом случае в контексте использования настоящего изобретения применение конкретного типа клапана не является критическим и формулу настоящего изобретения не следует интерпретировать как ограниченную каким-либо конкретным типом барьера для потока, используемого в клапане. Для специалиста в данной области техники будет очевидно, как настоящее изобретение может быть реализовано в клапане другого типа, отличном от пробкового клапана.
[0004] Для пробковых клапанов требуется такая уплотняющая поверхность, чтобы в закрытом положении пробка сдерживала давление текучей среды во внутреннем канале клапана. Во многих вариантах применения, таких как добыча углеводородов, внутреннее давление может быть чрезвычайно высоким, порядка 15000 фунтов на квадратный дюйм или выше. Кроме того, текучая среда во внутреннем канале может вызвать коррозию или иным образом потенциально повредить уплотнения. Соответственно, целостность и надежность уплотняющей поверхности имеют первостепенное значение при проектировании пробкового клапана.
[0005] Одним из основных видов неисправности большинства клапанов является повреждение уплотняющих поверхностей. Одной из причин этого является использование эластомерных или прорезиненных уплотнений в опасных средах, которые встречаются при добыче углеводородов, таких как сырая нефть или природный газ. Использование эластомерных или прорезиненных компонентов может обуславливать повышенный риск нарушения функционирования и выхода из строя клапана и увеличения затрат на техническое обслуживание из-за расположения поврежденных уплотнений или компонентов клапана, и может привести к прерыванию работ по добыче.
[0006] Другая проблема существующих конструкций пробковых клапанов состоит в том, что в них традиционно уплотнена только одна сторона клапана, как правило, сторона выпуска для типового направления потока текучей среды через клапан. Эта конструкция склонна к выходу из строя из-за загрязнения уплотняющих поверхностей, поскольку уплотняющие поверхности вступают во взаимодействие только тогда, когда клапан закрыт. Когда клапан открыт, между уплотняющими поверхностями имеется зазор. Вследствие отсутствия постоянного взаимодействия химические вещества и/или твердые частицы, имеющиеся в потоке текучей среды, разрушают уплотняющие поверхности до такой степени, что они больше не обеспечивают уплотнение. Например, песок или другие твердые частицы могут вызвать истирание уплотняющей поверхности, особенно, если уплотнение выполнено из эластомерного материала. Помимо риска истирания, твердые частицы, такие как песок, могут оставаться в зазоре между уплотняющими поверхностями, когда оператор пытается открыть или закрыть клапан, и могут физически препятствовать созданию сплошного уплотнения и/или могут усложнять поворот клапана в открытое или закрытое положение, или из него.
[0007] Зазор между уплотняющими поверхностями в типовом пробковом клапане также создает проблемы, поскольку для работы клапанов обычно требуется смазка; без смазки или некоторых других лубрикантов в корпусе клапана пробка или шар не смогут повернуться в закрытое положение. Благодаря наличию зазора между уплотняющими поверхностями смазка, как правило, может перемещаться из внутренней части корпуса клапана в поток текучей среды. Такое перемещение смазки приводит к ее потере, что может привести к невозможности поворота пробки в открытое (или закрытое) положение.
[0008] Хотя существуют и другие конструкции клапанов с двойными уплотнениями, например, в патенте США №5,624,101 эти конструкции главным образом основаны на применении двойных уплотнений для создания механизма с двумя уплотнениями и использовании функции блокировки и стравливания для нормализации давления на уплотнениях. Эта функция блокировки и стравливания может привести к возникновению проблем с уплотнением, аналогичных описанным выше.
[0009] Другая проблема, связанная с некоторыми пробковыми клапанами из предшествующего уровня техники, заключается в том, что в закрытом положении пробка и корпус клапана могут заклиниваться под высоким давлением. Если ниже или выше по потоку относительно пробкового клапана существует высокое рабочее давление текучей среды, пробка не может сдвинуться из своего положения уплотнения из-за воздействия на клапан усилий высокого давления и застревает на месте. Вероятность такого явления повышается при недостатке смазки в корпусе клапана и эта проблема уже обсуждалась выше. Такие среды с высоким давлением могут быть опасными и могут обуславливать проблемы с обслуживанием пробкового клапана, а также с потенциальный отказ самого пробкового клапана при работе с такими высокими давлениями. В то же время стандартная конструкция также может быть подвержена утечкам при низком давлении, поскольку такая конструкция предназначена для работы под высоким давлением для обеспечения взаимодействия с уплотняющими поверхностями, когда клапан закрыт. Вышеупомянутая проблема потери смазки также может усугубить проблему утечки при низком давлении, поскольку смазка часто обеспечивает уплотнение при низком давлении в существующих конструкциях клапанов.
[0010] По вышеуказанным и другим причинам существующие стандартные конструкции клапанов часто ненадежны. Ненадежность этих клапанов часто побуждает пользователей последовательно размещать множество клапанов для гарантированной остановки потока текучей среды.
[0011] Задачей настоящего изобретения является удовлетворение потребности в клапане, который может быть установлен в опасных средах, средах с высоким давлением, в котором легче заменить детали и/или который автоматически создает перепад давления на седлах в зависимости от геометрических характеристик компонентов, используемых для обеспечения уплотняющей поверхности для пробки.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Один аспект настоящего изобретения состоит в создании клапана с седлом и такой конфигурацией втулки седла, что седло поддерживается в уплотняющем контакте с корпусом пробки независимо от того, находится ли клапан в открытом или закрытом положении.
[0013] В примере осуществления седло и втулка седла расположены в выемке корпуса клапана и выполнены таким образом, что, когда клапан находится в открытом положении, обеспечивается уплотняющее взаимодействие седла с барьером для потока как со стороны, расположенной выше по потоку, так и со стороны, расположенной ниже по потоку, клапана.
[0014] Седло, как правило, имеет кольцевую форму с двумя радиальными областями поверхности. Когда клапан находится в открытом положении, текучая среда во внутреннем канале оказывает давление на обе области поверхности седла, но из-за разницы в площадях указанных двух поверхностей результирующее положительное усилие, как правило, подталкивает седло с обеспечением уплотняющего взаимодействия с барьером для потока. Кроме того, текучая среда также оказывает давление на область радиальной поверхности втулки седла, расположенную ближе всего к барьеру для потока, стремясь оттолкнуть втулку седла в направлении от барьера для потока. Однако противоположная сторона втулки седла, радиальная поверхность, наиболее удаленная от барьера для потока, вступает в контакт с буртиком корпуса клапана, а не с седлом. Соответственно, давление, оказываемое на втулку седла, не препятствует обеспечению уплотнения между седлом и барьером для потока.
[0015] Когда клапан находится в закрытом положении, первичное уплотнение поддерживается со стороны, расположенной выше по потоку, аналогично тому, когда клапан находится в открытом положении, в то время как вторичное уплотнение также поддерживается со стороны, расположенной ниже по потоку, клапана.
[0016] В одном примере осуществления в дополнение к усовершенствованному механизму уплотнения седло и втулка седла выполнены из нержавеющей стали или другого металла, а не представляют собой резиновые или эластомерные уплотнения, как правило, встречающиеся в пробковых клапанах из предшествующего уровня техники. Это обеспечивает повышенную долговечность, более длительный срок эксплуатации до следующего требуемого технического обслуживания и более надежное уплотнение металл-металл.
[0017] В одном примере осуществления в дополнение к усовершенствованному механизму уплотнения втулка седла и седло содержат соответствующие участки со шпонками, которые позволяют легко снимать седло для технического обслуживания во время простоя или для проверки. Поворот втулки седла относительно седла может приводить к зацеплению участков со шпонками таким образом, что втулка седла позволяет снять седло с корпуса клапана, или может приводить к расцеплению участков со шпонками, чтобы втулку седла можно было отделить от седла. Это обеспечивает сокращение времени технического обслуживания и снижение затрат на техническое обслуживание.
[0018] Ссылки во всем описании на «расположенный выше по потоку» и «расположенный ниже по потоку» не следует интерпретировать как ограничение в отношении того, какой термин может быть использован в отношении конкретной части изобретения. Для специалистов в данной области техники будет очевидно, что то, какой участок клапана находится выше или ниже по потоку, зависит от того, в каком направлении протекает текучая среда, и, следовательно, не имеет отношения к конструкции самого устройства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0019] Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения описаны ниже со ссылкой на фигуры, прилагаемые к данной заявке. Объем настоящего изобретения не ограничивается фигурами.
[0020] На ФИГ. 1 представлен вид в перспективе варианта осуществления пробкового клапана, который изготовлен с фланцами, готовыми к установке.
[0021] На ФИГ. 2 представлен вид сбоку внутренней части варианта осуществления, показанного на ФИГ. 1.
[0022] На ФИГ. 3 представлен увеличенный вид седла и втулки седла по отношению к пробке и корпусу клапана, когда вариант осуществления клапана, показанный на ФИГ. 1, находится в открытом положении.
[0023] На ФИГ. 4 представлен тот же вид, что и на ФИГ. 3, со ссылками, указывающими давление, оказываемое текучей средой, когда клапан находится в открытом положении.
[0024] На ФИГ. 5 представлен тот же вид, что и на ФИГ. 4, когда клапан находится в закрытом положении.
[0025] На ФИГ. 6 представлен вид сбоку внутренней части варианта осуществления корпуса клапана для альтернативного варианта осуществления клапана с задвижкой.
[0026] На ФИГ. 7 представлен увеличенный вид седла и втулки седла по отношению к задвижке и корпусу клапана, когда альтернативный вариант осуществления клапана с задвижкой, показанный на ФИГ. 7, находится в закрытом положении.
[0027] На ФИГ. 8 представлен увеличенный вид сбоку альтернативного варианта осуществления клапана с задвижкой, показанного на ФИГ. 7, с клапаном в открытом положении и ссылками, указывающими давление, оказываемое текучей средой, когда альтернативный вариант осуществления клапана с задвижкой находится в указанном положении.
[0028] На ФИГ. 9 представлен тот же вид, что и на ФИГ. 8, когда клапан находится в закрытом положении.
[0029] На ФИГ. 9A-9B представлен увеличенный вид сбоку седла и втулки седла по отношению к задвижке и корпусу клапана дополнительных альтернативных вариантов осуществления клапана с задвижкой, включая смещающий элемент.
[0030] На ФИГ. 10 представлен вид сбоку внутренней части корпуса альтернативного варианта осуществления клапана с задвижкой, содержащего втулку корпуса.
[0031] На ФИГ. 11 представлен увеличенный вид седла, втулки корпуса и втулки седла по отношению к задвижке и корпусу клапана, когда вариант осуществления клапана, показанный на ФИГ. 10, находится в открытом положении.
[0032] На ФИГ. 12 представлен тот же вид, что и на ФИГ. 11, со ссылками, указывающими давление, оказываемое текучей средой, когда клапан находится в открытом положении.
[0033] На ФИГ. 12A-12B представлен увеличенный вид сбоку седла, втулки корпуса и втулки седла по отношению к задвижке и корпусу клапана дополнительных альтернативных вариантов осуществления клапана с задвижкой, включая смещающий элемент.
[0034] На ФИГ. 13 представлен тот же вид, что и на ФИГ. 12, когда клапан находится в закрытом положении.
[0035] На ФИГ. 14 изображены участки со шпонками втулки седла и седла альтернативного варианта осуществления клапана.
[0036] На ФИГ. 15 изображена втулка седла, смещающаяся относительно корпуса клапана для зацепления участков со шпонками втулки седла с участками со шпонками седла для более легкого извлечения седла из корпуса клапана.
[0037] На ФИГ. 15А изображено седло, показанное на ФИГ. 15, снимаемое с корпуса клапана с использованием зацепления участков со шпонками седла и втулки седла.
[0038] На ФИГ. 16 изображены участки со шпонками втулки седла и седла в расцепленном положении, в котором их можно отделить друг от друга.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0039] Как показано на ФИГ. 1, клапан 100 включает в себя фланцевое соединение, предназначенное для установки в зоне добычи нефти и газа или для аналогичных вариантов применения. Текучая среда входит в клапан через фланцевое соединение 10, расположенное выше по потоку, может проходить через корпус 20 клапана и выходит из фланцевого соединения 30, расположенного ниже по потоку. Клапан выполнен с возможностью управления с помощью штока клапана, который соединен с пробкой и выполнен с возможностью поворота пробки из открытого в закрытое положение. Работой клапана можно управлять с помощью гидравлического исполнительного механизма 40. Могут быть использованы исполнительные механизмы других типов, в том числе электронные.
[0040] На ФИГ. 2 показан пример осуществления клапана 100. Между фланцевым соединением 10, расположенным выше по потоку, и фланцевым соединением 30, расположенным ниже по потоку, проходит внутренний канал 110.
[0041] Внутри корпуса 20 клапана расположены пробка 120, седло 130 и втулка 140 седла. Седло 130 и втулка 140 седла обычно имеют кольцевую форму и расположены внутри выемки 150, образованной в корпусе клапана. Как седло 130, так и втулка 140 седла могут быть выполнены из металла, например, из нержавеющей стали. Полость 106 образована внутри корпуса 20 клапана, а пробка 120 поворачивается внутри полости 106. Текучая среда может протекать через внутренний канал 110 в направлении, указанном стрелкой F, но, как отмечено выше, текучая среда также может протекать в противоположном направлении, и клапан будет по-прежнему работать, как описано ниже.
[0042] Как показано на ФИГ. 3, сторона седла 130, расположенная ниже по потоку, содержит поверхность 200. Поверхность 200 примыкает к корпусу 20 клапана на поверхности 300 раздела. Сторона седла 130, расположенная выше по потоку, содержит поверхность 210. Поверхность 210 примыкает к пробке 120 на поверхности 310 раздела. Как показано на фигуре, седло 130 может иметь в целом «L-образную» конфигурацию, так что поверхность 200 больше, чем поверхность 210. Кроме того, на промежуточном участке седла 130 образован выступающий в радиальном направлении буртик 215. Таким образом, наружная поверхность седла 130 содержит два отдельных участка: поверхность 212 на стороне, расположенной выше по потоку, и поверхность 214 на стороне, расположенной ниже по потоку.
[0043] Сторона, расположенная ниже по потоку, втулки 140 седла содержит поверхность 220. Как показано на ФИГ. 3, выемка 150 имеет ступенчатую конфигурацию, которая образует выступающий в радиальном направлении буртик 230. На поверхности 320 раздела буртик 230 контактирует с участком поверхности 220 на втулке 140 седла. Остальная часть поверхности 220 на втулке 140 седла не вступает в контакт с каким-либо другим участком клапана 100. Вместо этого имеется камера 340, образованная участками поверхности 220, буртиком 215, поверхностью 212 и буртиком 230. Камера 340 обычно будет охватывать область с относительно низким давлением по сравнению с другими участками клапана 100. Сторона, расположенная выше по потоку, втулки 140 седла содержит поверхность 240. Поверхность 240 не контактирует ни с каким другим участком клапана 100. Втулка 140 седла также имеет нижнюю поверхность 250, которая контактирует с поверхностью 212. Седло 130 и втулка 140 седла контактируют друг с другом на поверхности раздела между поверхностью 250 и поверхностью 212.
[0044] Во время работы, когда клапан 100 находится в открытом положении, текучая среда во внутреннем канале 110 и полости 106, как правило, находится под одинаковым давлением. Текучая среда, как правило, оказывает давление P1 на поверхность 200 седла 130 на поверхности 300 раздела. Это давление будет прикладываться в осевом направлении, как показано стрелками на ФИГ. 4. Давление P2 также будет прикладываться в противоположном осевом направлении к поверхности 210 седла 130 на поверхности 310 раздела. Давление P3 также будет прикладываться в том же осевом направлении, что и давление P2, к поверхности 240 втулки 140 седла.
[0045] Из-за разницы в площади поверхности между поверхностью 200 и поверхностью 210 общее усилие (давление, умноженное на площадь поверхности), создаваемое давлением P1, превышает полное усилие, создаваемое давлением P2. Эта разница в усилии, как правило, обуславливает подталкивание седла 130 с обеспечением уплотняющего взаимодействия с пробкой 120 на поверхности 310 раздела. Кроме того, хотя давление P3 прикладывается в направлении, противоположном направлению для давления P1, оно не мешает обеспечению уплотняющего взаимодействия седла 130, поскольку комбинация буртика 230 и камеры 340 предотвращает приведение в контакт поверхности 220 втулки 140 седла с седлом 130. Вместо этого давлению P3 противодействует усилие реакции на буртике 230. Соответственно, разность усилий, возникающих в результате приложения давления P1 по сравнению с давлением P2, является достаточной для обеспечения надежного уплотнения металл-металл на поверхности 310 раздела. Кроме того, как отмечалось выше, по мере повышения давления во внутреннем канале 110 разница в усилии, оказываемом давлениями P1 и P2, также будет увеличиваться и, таким образом, характеристики уплотнения и, таким образом, клапана будут улучшаться по мере повышения внутреннего давления. Вышеприведенное описание работы клапана 100 в открытом положении в равной степени применимо к стороне, расположенной выше по потоку, и к стороне, расположенной ниже по потоку, пробки 120.
[0046] В некоторых ситуациях давление текучей среды в полости 106 может быть выше, чем давление текучей среды в канале 110. Это может произойти, например, после полного сброса давления в канале 110, и предыдущее рабочее давление, иногда достигающее 15000 фунтов на квадратный дюйм, может поддерживаться в полости 106. Такой перепад давления может быть опасным для персонала, работающего вблизи клапана, включая, например, обслуживающий персонал, который пытается обслуживать клапан, когда в полости 106 возникло высокое давление. Для решения проблемы в такой ситуации седло 130 может иметь поверхность 216 с меньшим диаметром, чем поверхность 212, которая выполняет функцию элемента для сброса давления в полости 106. Как показано на ФИГ. 4, поверхность 212 может иметь форму скошенного угла. В этом варианте осуществления давление в полости 106 вызовет приложение усилия P5 к поверхности 216 с некоторой составляющей усилия, действующей в осевом направлении по направлению от пробки 120. Когда давление в канале 110 достаточно мало, так что усилие P1 меньше усилия P5, седло 130 будет перемещаться по направлению от пробки 100, благодаря чему давление в полости 106 будет сброшено в канал 110 по поверхности 210.
[0047] Когда клапан 100 находится в закрытом положении, корпус 20 клапана, пробка 120, седло 130 и втулка 140 седла со стороны, расположенной выше по потоку, пробки 120 функционируют по существу так же, как описано выше. Таким образом, работа со стороны, расположенной выше по потоку, не зависит от того, находится ли клапан в открытом или закрытом положении.
[0048] Когда клапан 100 находится в закрытом положении, уплотнение обеспечивается со стороны, расположенной ниже по потоку, пробки 120, но, возможно, за счет действия другого механизма. Если давление уравновешено таким образом, что давление остается приблизительно одинаковым как со стороны, расположенной выше по потоку, так и со стороны, расположенной ниже по потоку, пробки 120, то механизм уплотнения будет по существу таким же, как описано выше, когда клапан 100 находится в открытом положении. Однако, если давление не уравновешено, причем давление выше по потоку превышает давление ниже по потоку, как показано на ФИГ. 5, давление P4 создается пробкой 120 в осевом направлении, а давление, действующее в направлении, противоположном направлению давления P4, отсутствует (или является меньшим). Соответственно, давление P4 будет, как правило, подталкивать пробку 120 в седло 130 на поверхности 310 раздела. Таким образом, когда клапан 100 находится в закрытом положении, уплотнение обеспечивается как со стороны, расположенной выше по потоку, так и со стороны, расположенной ниже по потоку, пробки 120, независимо от относительного давления с обеих сторон пробки.
[0049] Кроме того, как показано на ФИГ. 3 и 4, дополнительные уплотнения могут быть размещены на поверхностях раздела между поверхностью 250 втулки 140 седла и поверхностью 212 седла 130, на поверхности раздела между поверхностью 214 седла 130 и корпусом 20 клапана и/или на поверхности раздела между верхней поверхностью втулки 140 седла и корпусом 20 клапана. Такие уплотнения могут быть эластомерными, такими как, например, уплотнительные кольца.
[0050] На ФИГ. 6 показан альтернативный вариант осуществления с использованием клапана 400 с задвижкой, а не клапана, в котором происходит поворот, например, пробкового или шарового клапана. Хотя ориентация компонентов отличается от варианта осуществления, показанного на ФИГ. 1-5, основная концепция является такой же. Между расположенным выше по потоку фланцевым соединением 410 и расположенным ниже по потоку фланцевым соединением 430 проходит внутренний канал 510.
[0051] Внутри корпуса 420 клапана расположена задвижка 520, седло 530 и втулка 540 седла. Седло 530 и втулка 540 седла обычно имеют кольцевую форму и расположены внутри выемки 550, образованной в корпусе клапана. Полость 406 образована внутри корпуса 420 клапана, а задвижка 520 перемещается внутри полости 406. Как показано на ФИГ. 7, сторона седла 530, расположенная ниже по потоку, содержит поверхность 600. Поверхность 600 примыкает к корпусу 420 клапана на поверхности 700 раздела. Сторона седла 530, расположенная выше по потоку, содержит поверхность 610. Поверхность 610 примыкает к задвижке 520 на поверхности 710 раздела. Как показано на фигуре, седло 530 может иметь в целом «L-образную» конфигурацию, так что поверхность 600 больше, чем поверхность 610. Кроме того, на промежуточном участке седла 530 образован выступающий в радиальном направлении буртик 615. Таким образом, наружная поверхность седла 530 содержит два отдельных участка: поверхность 612 на стороне, расположенной выше по потоку, и поверхность 614 на стороне, расположенной ниже по потоку.
[0052] Сторона, расположенная ниже по потоку, втулки 540 седла содержит поверхность 620. Как показано на ФИГ. 7, выемка 550 имеет ступенчатую конфигурацию, которая образует выступающий в радиальном направлении буртик 630. На поверхности 720 раздела буртик 630 контактирует с участком поверхности 620 на втулке 540 седла. Остальная часть поверхности 620 на втулке 540 седла не вступает в контакт с каким-либо другим участком клапана 400. Вместо этого имеется камера 740, образованная участками поверхности 620, буртиком 615, поверхностью 612 и буртиком 630. Камера 740 обычно будет охватывать область с относительно низким давлением по сравнению с другими участками клапана 400. Сторона, расположенная выше по потоку, втулки 540 седла содержит поверхность 640. Поверхность 640 не контактирует ни с каким другим участком клапана 400. Втулка 540 седла также имеет нижнюю поверхность 650, которая контактирует с поверхностью 612. Седло 530 и втулка 540 седла контактируют друг с другом на поверхности раздела между поверхностью 650 и поверхностью 612.
[0053] Во время работы, когда клапан 400 находится в открытом положении, текучая среда внутри внутреннего канала 510, как правило, оказывает давление P5 на поверхность 600 седла 530 на поверхности 700 раздела. Это давление будет прикладываться в осевом направлении, как показано стрелками на ФИГ. 8. Давление P6 также будет прикладываться в противоположном осевом направлении к поверхности 610 седла 530 на поверхности 710 раздела. Давление P7 также будет прикладываться в том же осевом направлении, что и давление P6, к поверхности 640 втулки 540 седла.
[0054] Из-за разницы в площади поверхности между поверхностью 600 и поверхностью 610 общее усилие (давление, умноженное на площадь поверхности), создаваемое давлением P5, превышает полное усилие, создаваемое давлением P6. Эта разница в усилии, как правило, обуславливает подталкивание седла 530 с обеспечением уплотняющего взаимодействия с задвижкой 520 на поверхности 710 раздела. Кроме того, хотя давление P7 прикладывается в направлении, противоположном направлению для давления P5, оно не мешает обеспечению уплотняющего взаимодействия седла 530, поскольку комбинация буртика 630 и камеры 740 предотвращает приведение в контакт поверхности 620 втулки 540 седла с седлом 530. Вместо этого давлению P7 противодействует усилие реакции на буртике 630. Соответственно, разность усилий, возникающих в результате приложения давления P5 по сравнению с давлением P6, является достаточной для обеспечения надежного уплотнения металл-металл на поверхности 710 раздела. Кроме того, как отмечалось выше, по мере повышения давления во внутреннем канале 510 разница в усилии, оказываемом давлениями P5 и P6, также будет увеличиваться и, таким образом, характеристики уплотнения и, таким образом, клапана будут улучшаться по мере повышения внутреннего давления. Вышеприведенное описание работы клапана 400 в открытом положении в равной степени применимо к стороне, расположенной выше по потоку, и к стороне, расположенной ниже по потоку, задвижки 520.
[0055] Когда клапан 400 находится в закрытом положении, корпус 420 клапана, задвижка 520, седло 530 и втулка 540 седла со стороны, расположенной выше по потоку, задвижки 520 функционируют по существу так же, как описано выше. Таким образом, работа со стороны, расположенной выше по потоку, не зависит от того, находится ли клапан в открытом или закрытом положении.
[0056] Для специалистов в данной области техники будет очевидно, что седло 530 может включать в себя элемент для сброса давления, аналогичный элементу, описанному выше в связи с седлом 130, так что в клапане 400 не будет возникать чрезмерных перепадов давления между полостью 406 и каналом 510.
[0057] Когда клапан 400 находится в закрытом положении, уплотнение обеспечивается со стороны, расположенной ниже по потоку, задвижки 520, но, возможно, за счет действия другого механизма. Если давление уравновешено таким образом, что давление остается приблизительно одинаковым как со стороны, расположенной выше по потоку, так и со стороны, расположенной ниже по потоку, задвижки 520, то механизм уплотнения будет по существу таким же, как описано выше, когда клапан 400 находится в открытом положении. Однако, если давление не уравновешено, причем давление выше по потоку превышает давление ниже по потоку, как показано на ФИГ. 9, давление P8 создается задвижкой 520 в осевом направлении, а давление, действующее в направлении, противоположном направлению давления P8, отсутствует (или является меньшим). Соответственно, давление P8 будет, как правило, подталкивать задвижку 520 в седло 530 на поверхности 710 раздела. Таким образом, когда клапан 400 находится в закрытом положении, уплотнение обеспечивается как со стороны, расположенной выше по потоку, так и со стороны, расположенной ниже по потоку, задвижки 520, независимо от относительного давления с обеих сторон задвижки.
[0058] На ФИГ. 9A показан альтернативный вариант осуществления клапана 400. Опора 760 может быть прикреплена к седлу 530 и проходить, как правило, в радиальном направлении, при этом смещающий элемент 750 проходит в осевом направлении между опорой 760 и корпусом 420 клапана. Смещающий элемент 750 может представлять собой пружину, тарельчатую шайбу Бельвилля или любое другое подходящее устройство, которое смещается, оказывая осевое давление на опору 760 в направлении задвижки 520. Опора 760 может представлять собой стойку, рычаг, спицу или любую проходящую в радиальном направлении конструкцию, выполненную с возможностью передачи осевого усилия, создаваемого смещающим элементом 750. Благодаря его прикреплению между седлом 530 и опорой 760 осевое усилие, создаваемое смещающим элементом 750, способствует поддержанию уплотнения между седлом 530 и задвижкой 520, в частности, в условиях работы под низким давлением. Как показано на ФИГ. 9B, смещающий элемент 750 может вместо этого проходить в осевом направлении между опорой 760 и втулкой 540 седла.
[0059] На ФИГ. 10 показан альтернативный вариант осуществления клапана 800. Аналогично клапану 100, показанному на ФИГ. 2, между расположенным выше по потоку фланцевым соединением 810 и расположенным ниже по потоку фланцевым соединением 830 проходит внутренний канал 805.
[0060] Внутри корпуса 820 клапана расположены задвижка 920, седло 930, втулка 940 седла и втулка 945 корпуса. Седло 930, втулка 940 седла и втулка 945 корпуса обычно имеют кольцевую форму и расположены внутри выемки 950, образованной в корпусе клапана. Седло 930, втулка 940 седла и втулка 945 корпуса могут быть выполнены из металла, например, из нержавеющей стали. Альтернативно седло 930 может быть выполнено из материала, отличного от материала втулки 940 седла и/или втулки 945 корпуса, для обеспечения большей устойчивости к воздействию усилий, действующих на седло 930 в результате его уплотняющего взаимодействия с задвижкой 920. Полость 806 образована внутри корпуса 820 клапана, а задвижка 920 перемещается внутри полости 806. Текучая среда может протекать через внутренний канал 805 в направлении, указанном стрелкой F, но, как отмечено выше в отношении другого раскрытого варианта осуществления, текучая среда также может протекать в противоположном направлении, и клапан будет по-прежнему работать, как описано ниже.
[0061] Как показано на ФИГ. 11, расположенная ниже по потоку сторона втулки 945 корпуса содержит поверхность 1000. Поверхность 1000 примыкает к корпусу 820 клапана на поверхности 1100 раздела. Сторона, расположенная выше по потоку, втулки 945 корпуса содержит поверхность 1120. Сторона, расположенная ниже по потоку, седла 930 содержит поверхность 1130. Поверхность 1120 втулки 945 корпуса примыкает к поверхности 1130 седла 930 на поверхности 1140 раздела. Как показано на ФИГ. 11, площадь поверхности 1120 и площадь поверхности 1130 предпочтительно по существу эквивалентны.
[0062] Сторона седла 930, расположенная выше по потоку, содержит поверхность 1010. Поверхность 1010 примыкает к задвижке 920 на поверхности 1110 раздела. Как показано на фигуре, седло 930 может иметь в целом «L-образную» конфигурацию, так что поверхность 1010 меньше, чем поверхность 1130. Аналогичным образом, поверхность 1000 втулки 945 корпуса также может быть меньше поверхности 1120. Кроме того, на промежуточном участке седла 930 образован выступающий в радиальном направлении буртик 1015. Таким образом, наружная поверхность седла 930 содержит два отдельных участка: поверхность 1012 на стороне, расположенной выше по потоку, и поверхность 1014 на стороне, расположенной ниже по потоку.
[0063] Сторона, расположенная ниже по потоку, втулки 940 седла содержит поверхность 1020. Как показано на ФИГ. 11, втулка 945 корпуса имеет ступенчатую конфигурацию, которая образует выступающий в радиальном направлении буртик 1030. На поверхности 1025 раздела буртик 1030 втулки 945 корпуса контактирует с участком поверхности 1020 на втулке 940 седла. Остальная часть поверхности 1020 на втулке 940 седла не вступает в контакт с каким-либо другим участком клапана 800. Вместо этого имеется камера 1170, образованная участками поверхности 1020, буртиком 1015, поверхностью 1012 и буртиком 1030. Камера 1170 обычно будет охватывать область с относительно низким давлением по сравнению с другими участками клапана 800. Сторона, расположенная выше по потоку, втулки 940 седла содержит поверхность 1040. Поверхность 1040 не контактирует ни с каким другим участком клапана 800. Втулка 940 седла также имеет нижнюю поверхность 1050, которая контактирует с поверхностью 1012. Седло 930 и втулка 940 седла контактируют друг с другом на поверхности раздела между поверхностью 1050 и поверхностью 1012.
[0064] Во время работы, когда клапан 800 находится в открытом положении, текучая среда во внутреннем канале 805 и полости 806, как правило, находится под одинаковым давлением. Текучая среда, как правило, оказывает давление P10 на поверхность 1130 седла 930 на поверхности 1140 раздела. Это давление будет прикладываться в осевом направлении, как показано стрелками на ФИГ. 12.
[0065] Давление P11 также будет прикладываться в противоположном осевом направлении к поверхности 1010 седла 930 на поверхности 1110 раздела. Давление P12 также будет прикладываться в том же осевом направлении, что и давление P11, к поверхности 1040 втулки 940 седла.
[0066] Из-за разницы в площади поверхности между поверхностью 1130 и поверхностью 1010 общее усилие (давление, умноженное на площадь поверхности), создаваемое давлением P10, превышает полное усилие, создаваемое давлением P11. Эта разница в усилии, как правило, обуславливает подталкивание седла 930 с обеспечением уплотняющего взаимодействия с задвижкой 920 на поверхности 1110 раздела. Кроме того, хотя давление P12 прикладывается в направлении, противоположном направлению для давления P10, оно не мешает обеспечению уплотняющего взаимодействия седла 930, поскольку комбинация буртика 1030 втулки 945 корпуса и камеры 1170 предотвращает приведение в контакт поверхности 1020 втулки 940 седла с седлом 930. Вместо этого давление P12 передается на втулку 945 корпуса за счет усилия P13 реакции на буртике 1030, в результате чего втулка 945 корпуса взаимодействует в осевом направлении с корпусом 820 клапана на поверхности 1100 раздела. Соответственно, разность усилий, возникающих в результате приложения давления P10 по сравнению с давлением P11, является достаточной для обеспечения надежного уплотнения металл-металл на поверхности 1110 раздела. Кроме того, как отмечалось выше, по мере повышения давления во внутреннем канале 805 разница в усилии, оказываемом давлениями P10 и P11, также будет увеличиваться и, таким образом, характеристики уплотнения и, таким образом, клапана будут улучшаться по мере повышения внутреннего давления.
[0067] Для специалистов в данной области техники будет очевидно, что седло 930 может включать в себя элемент для сброса давления, аналогичный элементу, описанному выше в связи с седлом 130, так что в клапане 800 не будет возникать чрезмерных перепадов давления между полостью 806 и каналом 805.
[0068] Вышеприведенное описание работы клапана 800 в открытом положении в равной степени применимо к стороне, расположенной выше по потоку, и к стороне, расположенной ниже по потоку, задвижки 920. Когда клапан 800 находится в закрытом положении, корпус 820 клапана, задвижка 920, седло 930, втулка 940 седла и втулка 945 корпуса со стороны, расположенной выше по потоку, задвижки 920 функционируют по существу так же, как описано выше. Таким образом, работа со стороны, расположенной выше по потоку, не зависит от того, находится ли клапан в открытом или закрытом положении.
[0069] Когда клапан 800 находится в закрытом положении, уплотнение обеспечивается со стороны, расположенной ниже по потоку, задвижки 920, но, возможно, за счет действия другого механизма. Если давление уравновешено таким образом, что давление остается приблизительно одинаковым как со стороны, расположенной выше по потоку, так и со стороны, расположенной ниже по потоку, задвижки 920, то механизм уплотнения будет по существу таким же, как описано выше, когда клапан 800 находится в открытом положении. Однако, если давление не уравновешено, причем давление выше по потоку превышает давление ниже по потоку, как показано на ФИГ. 13, давление P14 создается задвижкой 920 в осевом направлении, а давление, действующее в направлении, противоположном направлению давления P14, отсутствует (или является меньшим). Соответственно, давление P14 будет, как правило, подталкивать задвижку 920 в седло 930 на поверхности 1110 раздела. Седло 930 будет оказывать давление P15 на втулку 945 седла за счет контакта между поверхностью 1120 втулки 945 корпуса и поверхностью 1130 седла 930 на поверхности 1140 раздела. Таким образом, когда клапан 800 находится в закрытом положении, уплотнение обеспечивается как со стороны, расположенной выше по потоку, так и со стороны, расположенной ниже по потоку, задвижки 920, независимо от относительного давления с обеих сторон пробки.
[0070] Кроме того, как показано на ФИГ. 10-13, дополнительные уплотнения могут быть размещены на различных поверхностях раздела между поверхностями седла 930, втулки 940 седла и втулки 945 корпуса. Хотя эти уплотнения могут быть эластомерными, подобно уплотнениям, описанным выше в отношении других вариантов осуществления, вариант осуществления, показанный на ФИГ. 10-13 обеспечивает по меньшей мере одно дополнительное преимущество. Поскольку седло 930 непосредственно не контактирует с корпусом 820 клапана, отсутствует необходимость в размещении каких-либо уплотнений в выемке, образованной путем удаления материала из седла 930 или корпуса 820 клапана. Как показано на ФИГ. 10-13, все уплотнения могут быть размещены в канавках, образованных во втулке 940 седла или втулке 945 корпуса, что позволяет упростить изготовление и способствует долговечности всей конструкции клапана 800.
[0071] Кроме того, как показано на ФИГ. 10-13, смещающий элемент 1150 может быть расположен между кольцевым буртиком 1160 втулки 945 корпуса и корпусом 820 клапана. Смещающий элемент 1150 может представлять собой пружину, тарельчатую шайбу Бельвилля или любое другое подходящее устройство, которое смещается, оказывая осевое давление на кольцевой буртик 1160 в направлении задвижки 920. В результате контакта между поверхностью 1120 втулки 945 корпуса и поверхностью 1130 седла 930 на поверхности 1140 раздела осевое усилие, создаваемое смещающим элементом 1150, способствует поддержанию уплотнения между седлом 930 и задвижкой 920, в частности, в условиях работы под низким давлением.
[0072] Кроме того, как показано на ФИГ. 10-13, втулка 940 седла и втулка 945 корпуса могут быть соединены с помощью крепежного элемента 1180. Крепежный элемент 1180 может представлять собой винт, штифт или любое другое подходящее устройство для жесткого соединения втулки 940 седла и втулки 945 корпуса, с обеспечением того, что поверхность 1040 втулки 940 седла не контактирует с задвижкой 920.
[0073] Добавление втулки 945 корпуса имеет несколько потенциальных преимуществ по сравнению с вариантом осуществления, показанным на ФИГ. 1-9. Использование втулки 945 корпуса позволяет использовать седло 930, которое значительно меньше седла 130. Седло, как правило, представляет собой компонент клапана такого типа, который необходимо заменять чаще всего, и его часто изготавливают из более дорогих материалов, чем материалы, используемые для изготовления других компонентов. Соответственно, использование меньшего седла обеспечивает большую экономичность всей конструкции клапана. Кроме того, как отмечено выше, использование втулки 945 корпуса позволяет избежать потенциальных проблем, связанных с размещением уплотняющих элементов внутри канавок, образованных либо в седле 930, либо в корпусе 820 клапана. Кроме того, использование втулки 945 корпуса облегчает использование смещающего элемента 1150 для облегчения обеспечения уплотнения при низком давлении.
[0074] На ФИГ. 12A показан альтернативный вариант осуществления клапана 800. Опора 1170 может быть прикреплена к седлу 930 и проходить, как правило, в радиальном направлении, при этом смещающий элемент 1150 проходит в осевом направлении между опорой 1170 и втулкой 945 корпуса. Смещающий элемент 1150 может представлять собой пружину, тарельчатую шайбу Бельвилля или любое другое подходящее устройство, которое смещается, оказывая осевое давление на опору 1170 в направлении задвижки 920. Опора 1170 может представлять собой стойку, рычаг, спицу или любую проходящую в радиальном направлении конструкцию, выполненную с возможностью передачи осевого усилия, создаваемого смещающим элементом 1150. В результате крепления между седлом 930 и опорой 1170 осевое усилие, создаваемое смещающим элементом 1150, способствует поддержанию уплотнения между седлом 930 и задвижкой 920, особенно в условиях работы под низким давлением. Как показано на ФИГ. 12B, смещающий элемент 1150 может вместо этого проходить в осевом направлении между опорой 1170 и втулкой 940 седла.
[0075] На ФИГ. 14 показан альтернативный вариант осуществления клапана 400. Этот вариант осуществления иллюстрирует возможность использования втулки 940 седла и седла 931 со шпонкой относительно корпуса 420 клапана для облегчения снятия седла 931 с корпуса 420 клапана. Седло 931 может иметь участок со шпонкой в местоположении 1141, а втулка 940 седла может иметь участок со шпонкой в местоположении 1140. На ФИГ. 14 показаны участки со шпонками, когда втулка 940 седла и седло 931 установлены в корпус 420 клапана во время стандартной работы клапана 400. На ФИГ. 15 показана втулка 940 седла, частично снятая с корпуса 420 клапана, так что участок 1140 со шпонкой втулки 940 седла входит в зацепление с участком 1141 со шпонкой седла 931 в ходе разборки клапана 400. На ФИГ. 15A показана втулка 940 седла, на которой седло 931 снимают с корпуса 420 клапана с использованием участков 1140 и 1141 со шпонкой. На ФИГ. 16 показано расцепленное расположение участков 1140 и 1141 со шпонкой, позволяющее отделить втулку 940 седла и седло 931 друг от друга при повороте одного из них. Таким образом, функционирование клапана при использовании седла 931 и втулки 940 седла со шпонкой не будет ухудшено, а, скорее, будут снижены затраты на техническое обслуживание и уменьшено время простоя благодаря возможности более быстрой замены изношенного седла 931 в клапане 400. Понятно, что в вышеизложенное описание могут быть внесены изменения, не выходящие за рамки объема настоящего изобретения. В некоторых примерах осуществления элементы и идеи различных иллюстративных примеров осуществления могут быть объединены полностью или частично в некоторых или всех иллюстративных примерах осуществления. Кроме того, один или более элементов и идей различных иллюстративных примеров осуществления могут быть опущены, по меньшей мере частично, и/или объединены, по меньшей мере частично, с одним или более другими элементами и идеями различных иллюстративных вариантов осуществления.
[0076] Любые пространственные привязки, такие как, например, «верхний», «нижний», «выше», «ниже», «между», «снизу», «вертикальный», «горизонтальный», «угловой», «вверх», «вниз», «рядом», «слева направо», «справа налево», «сверху вниз», «снизу вверх», «сверху», «снизу», «низ-верх», «верх-вниз» и т.д. предназначены исключительно для целей иллюстрации и не ограничивают конкретную ориентацию или расположение конструкции, описанной выше.
[0077] Хотя в некоторых примерах осуществления различные этапы, процессы и процедуры описаны как проявляющиеся в виде отдельных действий, один или более этапов, один или более процессов и/или одна или более процедур также могут выполняться в разном порядке, одновременно и/или последовательно. В некоторых примерах осуществления этапы, процессы и/или процедуры могут быть объединены в один или более этапов, процессов и/или процедур.
[0078] В некоторых примерах осуществления один или более рабочих этапов в каждом варианте осуществления могут быть опущены. Кроме того, в некоторых случаях некоторые признаки настоящего изобретения могут быть использованы без соответствующего использования других признаков. Кроме того, один или более из описанных выше вариантов осуществления и/или изменений могут быть полностью или частично объединены с любым одним или более из других описанных выше вариантов осуществления и/или изменений.
[0079] Хотя выше были подробно описаны некоторые примеры осуществления, описанные варианты осуществления являются лишь примерами и не являются ограничивающими, и для специалистов в данной области техники будет очевидно, что в примерах осуществления возможны многие другие модификации, изменения и/или замены без существенного отклонения от новых идей и преимуществ настоящего изобретения. Соответственно, все такие модификации, изменения и/или замены включены в объем настоящего изобретения, который определяется нижеследующей формулой изобретения. В формуле изобретения любые пункты «средство плюс функция» предназначены для охвата конструкций, описанных в данном документе как выполняющих указанную функцию, и не только конструкционных эквивалентов, но также и эквивалентных конструкций. Кроме того, заявитель явно не намерен ссылаться на пункт 6, §112 статьи 35 Свода законов США для каких-либо ограничений любого из пунктов формулы изобретения в данном документе, за исключением тех пунктов, в отношении которых в формуле явным образом использовано слово «означает» вместе со связанной функцией.
Реферат
Предложен клапан для использования при добыче нефти и газа или аналогичных вариантах применения. Клапан включает в себя пробку или другой барьер для потока, расположенный в полости полого корпуса клапана, седло, имеющее в целом «L-образную» конфигурацию, содержащее три поверхности, расположенные по потоку, и втулку седла. Указанная втулка седла и седло расположены таким образом, что первая радиальная поверхность втулки седла не контактирует непосредственно с седлом, при этом между третьей радиальной поверхностью седла и первой радиальной поверхности втулки седла образуется камера. Изобретение позволяет улучшить уплотнение в клапане в средах с высоким давлением, а также повысить надежность клапана при циклическом использовании. 16 з.п. ф-лы, 21 ил.
