Герметизирующие устройства для управления потоком высокого давления - RU2696167C1
Код документа: RU2696167C1
Чертежи
Описание
Предпосылки создания изобретения
Данное изобретение относится в основном к герметизирующим проходам для потока текучей среды внутри устройств управления потоком, таких как те, которые в частности приспособлены для использования в системах добычи и обработки нефти и газа под высоким давлением.
Одним таким типом устройства контроля потока является трубопроводная арматура. В целом трубопроводная арматура образует проход для потока и содержит избирательно управляемый закрывающий элемент для открывания или закрывания прохода для потока для управления потоком текучей среды, проходящим через трубопроводную арматуру. Целостность герметизации трубопроводной арматуры высокого давления должна не только выдерживать высокие рабочие давления текучих сред, составляющие примерно 15000 фунтов на квадратный дюйм и выше, но также и обеспечивать такой режим работы при управлении потоком коррозионных и/или абразивных текучих сред, которые известны в нефтяной и газовой промышленности как разрушающие внутренние компоненты трубопроводной арматуры.
Приведенные в данном документе в качестве примера варианты осуществления относятся к пробковой трубопроводной арматуре, однако предполагаемые варианты осуществления не ограничены этим признаком. В пробковой трубопроводной арматуре проход для потока обычно содержит корпус трубопроводной арматуры, находящийся в жидкостном сообщении с двумя или более отверстиями, как правило, впускным отверстием и выпускным отверстием, образующими проход для потока через корпус трубопроводной арматуры. Пробка трубопроводной арматуры и сегменты вкладышей, т.е. тот тип закрывающего элемента трубопроводной арматуры, который описан в данном документе, расположены в корпусе трубопроводной арматуры между впускным и выпускным отверстиями, где выполняется герметизация между пробкой, вкладышем и каналом. Пробка трубопроводной арматуры определяет сквозное отверстие и является избирательно вращаемой в открытое положение, при котором сквозное отверстие совмещено с проходом для потока для пропускания потока текучей среды через трубопроводную арматуру (от впускного отверстия до выпускного отверстия), или в закрытое положение, в котором сквозное отверстие не совмещено с проходом для потока для предотвращения прохождения потока текучей среды через трубопроводную арматуру. Эксплуатация трубопроводной арматуры в суровых условиях нефтяных месторождений может привести к эрозии канала корпуса трубопроводной арматуры в местах, где герметизирующий элемент во вкладыше истирается об канал, что часто приводит к протеканию в короткие сроки. Ремонт корпуса трубопроводной арматуры на нефтяном месторождении, такой как путем наращивания сварного шва и механической обработки, представляет собой трудоемкий и разрушительный ремонт.
Приведенные в качестве примера варианты осуществления данного изобретения, относящегося к пробковым трубопроводным арматурам, никаким образом не ограничивают предполагаемые варианты осуществления данного изобретения. Специалист в данной области техники понимает, что в альтернативных вариантах осуществления данное изобретение может быть применено для других типов трубопроводной арматуры, имеющих по-другому устроенные закрывающие элементы. Однако перечисление всех различных типов трубопроводной арматуры, которые являются пригодными для использования данного изобретения, не является необходимым для специалиста в данной области техники, чтобы понять охват заявленного объекта изобретения, вследствие чего такое перечисление не требуется.
Помимо трубопроводной арматуры, для применения данного изобретения также подходят другие устройства управления потоком высокого давления. Например, гидравлическая часть используется в нефтяной и газовой промышленности во многих системах обслуживания скважин для вмещения находящихся под высоким давлением жидкостей для разрыва, часто коррозионных и/или абразивных. Гидравлическая часть обычно содержит корпус распределителя и множество компонентов, установленных и герметизированных в корпусе, таких как приемная и нагнетательная пробки, седла приемной и нагнетательной трубопроводных арматур, сальниковое устройство, нагнетательный фланец, распределитель всасывания; причем данные компоненты предусмотрены либо по отдельности, либо в соединении, как иллюстративно описано в данном документе. Как и в случае трубопроводной арматуры, эксплуатация гидравлической части в суровых условиях нефтяных месторождений может привести к эрозии корпуса, приводящей к протеканию в короткие сроки. Ремонт корпуса на нефтяном месторождении также является трудоемким и разрушительным.
Необходимы усовершенствования во внутренней герметизации устройств управления потоком высокого давления для увеличения срока эксплуатации совместно с понижением времени простоя и стоимости эксплуатации. Необходимо решение, которое перенаправляет эрозию (коррозию и истирание) от корпуса устройства обработки текучей среды под высоким давлением к компоненту, герметизированному корпусом. Для этих усовершенствований предусмотрены варианты осуществления данного изобретения, как описано в приведенных в качестве примера вариантах осуществления и предусмотрено в объеме формулы изобретения.
Краткое описание изобретения
Некоторые варианты осуществления данного изобретения предусматривают устройство управления потоком высокого давления, содержащее корпус, определяющий канал корпуса и определяющий вырез в корпусе, пересекающий канал корпуса. Закрывающий элемент присоединен к корпусу и образует поверхность герметизации. Герметизирующий элемент установлен в корпусе в вырезе и выполнен с возможностью выступать из выреза за пределы канала корпуса с герметичным прилеганием к поверхности герметизации, образованной закрывающим элементом.
Некоторые варианты осуществления данного изобретения предусматривают трубопроводную арматуру, содержащую корпус трубопроводной арматуры, определяющий канал корпуса трубопроводной арматуры и определяющий вырез, пересекающий канал корпуса трубопроводной арматуры. Проход для потока проходит через корпус трубопроводной арматуры. Пробка трубопроводной арматуры содержит шейку, поддерживаемую корпусом трубопроводной арматуры, делающую возможной избирательное вращение пробки трубопроводной арматуры в проходе для потока. Вкладыш трубопроводной арматуры расположен между пробкой трубопроводной арматуры и корпусом трубопроводной арматуры. Герметизирующий элемент установлен в корпусе трубопроводной арматуры в вырезе и выполнен с возможностью выступать из выреза за пределы канала корпуса трубопроводной арматуры для герметичного прилегания к поверхности герметизации, образованной вкладышем трубопроводной арматуры.
Некоторые варианты осуществления данного изобретения предусматривают устройство управления потоком текучей среды, содержащее корпус, определяющий проход для потока, закрывающий элемент, установленный в корпусе в проходе для потока, и средства для герметизации между корпусом и закрывающим элементом.
Некоторые варианты осуществления данного изобретения подразумевают пробковую трубопроводную арматуру, содержащую корпус трубопроводной арматуры, определяющий канал корпуса трубопроводной арматуры, и герметизирующий элемент, установленный в корпусе трубопроводной арматуры, примыкающий к каналу корпуса трубопроводной арматуры. Пробка трубопроводной арматуры поддерживается корпусом трубопроводной арматуры, и вкладыш трубопроводной арматуры расположен между пробкой трубопроводной арматуры и каналом корпуса трубопроводной арматуры, определяющим поверхность герметизации для герметизирующего элемента.
Краткое описание графических материалов
Детали различных вариантов осуществления настоящего изобретения описаны в связи с сопутствующими графическими материалами, которые содержат подобные ссылочные обозначения.
Фиг. 1 представляет собой изображение в разрезе пробковой трубопроводной арматуры, выполненной в соответствии с предпринятыми ранее решениями.
Фиг. 2 представляет собой изображение в разрезе другой пробковой трубопроводной арматуры, выполненной в соответствии с другими предпринятыми ранее решениями.
На фиг. 3 изображены увеличенные части пробковой трубопроводной арматуры, изображенной на фиг. 1.
На фиг. 4 изображены увеличенные части, подобные изображенным на фиг. 3, но для пробковой трубопроводной арматуры, выполненной в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения.
На фиг. 5 изображены дополнительные детали пробковой трубопроводной арматуры, изображенной на фиг. 4.
Фиг. 6 представляет собой изображение в разрезе другой пробковой трубопроводной арматуры, выполненной в соответствии с данным изобретением.
Фиг. 7 представляет собой изометрическое изображение вкладыша трубопроводной арматуры пробковой трубопроводной арматуры, изображенной на фиг. 1.
Фиг. 8 подобен фиг. 7, но представляет собой изображение в другом разрезе через пробковую трубопроводную арматуру.
Фиг. 9 представляет собой изометрическое изображение гидравлической части, выполненной в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения.
Фиг. 10 представляет собой увеличенное изображение части гидравлической части, изображенной на фиг. 9.
Фиг. 11 представляет собой изображение в разрезе с пространственным разделением деталей гидравлической части, выполненной в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения.
Фиг. 12 и 13 представляют собой увеличенные изображения частей гидравлической части, изображенной на фиг. 11.
Фиг. 14 представляет собой изображение в разрезе другой гидравлической части, выполненной в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения.
Фиг. 15 и 16 представляют собой увеличенные изображения частей гидравлической части, изображенной на фиг. 14.
Фиг. 17 представляет собой изображение части корпуса, изображенного на фиг. 11, выполненной с возможностью крепления нагнетательного фланца.
Описание
Изначально данное описание приведено исключительно в качестве примера, а не для ограничения. Использование или применение приведенных в качестве примера конструкций и связанных с ними способов, раскрытых в данном документе, не ограничивается герметизацией каких-либо конкретных агрегатов или в каких-либо конкретных условиях. Таким образом, раскрытое изобретение не ограничено применением в герметизирующих трубопроводных арматурах и гидравлических частях, как описано в приведенных в качестве примера вариантах осуществления. Таким образом, хотя средства, описанные в данном документе, приведены для удобства объяснения, показанного и описанного в отношении приведенных в качестве примера вариантов осуществления, специалист в данной области техники понимает, что принципы, изложенные в данном документе, могут быть в равной степени применены для герметизации других типов устройств управления потоком высокого давления.
Фиг. 1 представляет собой изображение в разрезе пробковой трубопроводной арматуры 100, выполненной в соответствии с предпринятыми ранее решениями. Пробковая трубопроводная арматура 100 имеет кованый корпус 102 трубопроводной арматуры, образующий конический внутренний канал 104. Вкладыши 106а, 106b в этих приведенных в качестве примера вариантах осуществления представляют собой сегменты открытого полого конуса. Хотя изображены два вкладыша 106а, 106b, предполагаемые варианты осуществления не ограничены этим, поскольку альтернативно их может быть больше, чем два. Каждый вкладыш 106а, 106b имеет внешнюю коническую поверхность 108а, 108b, образующую совпадающий конус для вхождения в канал 104 с тесной стыковкой.
Цилиндрическая пробка 110 имеет поверхность 112 внешнего диаметра, имеющую размеры для заполнения пространства между вкладышами 106 при стыковке с поверхностью 114а, 114b внутреннего диаметра соответствующих вкладышей 106. Пробка 110 имеет верхнюю шейку 118, характеризующуюся возможностью вращения в стопорной гайке 120. Сальник 122 герметично прилегает к шейке 118 для удержания текучей среды под высоким давлением внутри трубопроводной арматуры 100, при этом позволяя внешней силе вращать шейку 118 и, в свою очередь, пробку 110. В этих приведенных в качестве примера вариантах осуществления рукоять 124 соединена с шейкой 118, чтобы позволить пользователю вручную вращать пробку 110. В не изображенных альтернативных вариантах осуществления шейка 118 может вращаться снабженным энергией приводом. Пробка 110 также имеет нижнюю шейку 126, которая вращается в корпусе 102 и герметизирована сальником 128.
Корпус 102 также содержит отверстия 116а, 116b, пересекающие канал 104, обычно называемые впускным отверстием и выпускным отверстием. Для иллюстративных целей данного описания принято, что текучая среда течет через трубопроводную арматуру 100 слева направо, или в отверстие 116а и из отверстия 116b. Однако на практике любое из отверстий 116 может служить впускным отверстием, а другое отверстие 116 - выпускным отверстием.
Каждый вкладыш 106 содержит соответствующее отверстие 130а, 130b, и при этом вкладыши 106 установлены в трубопроводной арматуре 100 так, что отверстия 130 вкладышей совмещены с соответствующими отверстиями 116 корпуса трубопроводной арматуры. Пробка 110 имеет отверстие 132, позволяющее пользователю избирательно совмещать отверстие 132 с отверстиями 116. На фиг. 1 изображено закрытое положение трубопроводной арматуры 100, в котором пробка 110 повернута таким образом, что сквозное отверстие 132 не совмещено с отверстиями 116.
То есть в закрытом положении трубопроводной арматуры 100, изображенном на фиг. 1, текучая среда под давлением, соединенная с отверстием 116а (впускным отверстием), ударяется о закрытую пробку 110 с герметизирующим уплотнением задней стороны пробки за счет герметизации типа металл к металлу относительно вкладыша 106b, а также с герметизирующим уплотнением между герметизирующим элементом 140, установленным во вкладыше 106b, между ним и каналом 104 корпуса трубопроводной арматуры. Таким образом, в закрытом положении текучая среда под давлением не имеет возможности протечь через трубопроводную арматуру 100. Путем приведения пробки 110 в открытое положение (не показано) путем вращения, ее сквозное отверстие 132 совмещается с отверстиями 116, позволяя текучей среде под давлением течь через трубопроводную арматуру 100 по проходу для потока, образованному совместно отверстиями 116 в корпусе трубопроводной арматуры, отверстиями 130 вкладышей, и сквозным отверстием 132 пробки трубопроводной арматуры.
Фиг. 2 подобен фиг. 1, но представляет собой пробковую трубопроводную арматуру 100' с доступом сверху, выполненную в соответствии с другими предпринятыми ранее решениями. Пробковая трубопроводная арматура 100' содержит вкладыши 106а', 106b' которые выполнены в виде сегментов открытого полого цилиндра вместо вкладышей 106а, 106b, изображенных на фиг. 1, которые являются сегментами открытого полого конуса. Другими словами конические поверхности, изображенные на фиг. 1, заменены здесь цилиндрическими поверхностями. В контексте настоящего описания специалист в данной области техники понимает, что детали конструкции и применение данного изобретения относятся в равной степени к обоим типам этой трубопроводной арматуры, так же как и к другим типам трубопроводной арматуры, применяющейся для управления текучей средой под высоким давлением. Таким образом, специалист в данной области техники понимает объем пунктов формулы изобретения из сравнения данного описания с подробностями конструкции только одного из предпринятых ранее решений.
В продолжение ранее начавшегося описания, для сравнения с предпринятыми ранее решениями, изображенными на фиг. 1, на фиг. 3 изображен увеличенный вид более подробного изображения того, как текучая среда под высоким давлением размещена внутри трубопроводной арматуры 100 частично за счет герметизирующего элемента 140, сжатого между внешней конической поверхностью 108b вкладыша 106b и каналом 104 корпуса трубопроводной арматуры.
Вкладыш 106b имеет поверхность 139, определяющую вырез 144, пересекающий внешнюю коническую поверхность 108b. Термин «пересекающий» в контексте настоящего описания и значения формулы изобретения означает, что вырез 144 образует выемку во внешней поверхности 108b вкладыша 106b. Эта конструкция выреза 144, пересекающаяся с поверхностью 108b делает возможной установку закрепленного конца 141 герметизирующего элемента 140 в вырезе 144, и задание таких размеров герметизирующего элемента 140, что дальний конец 143 выступает из выреза 144 за пределы внешней конической поверхности 108b для герметичного прилегания к каналу 104 корпуса трубопроводной арматуры. Важно отметить, что это требует того, чтобы канал 104 определял поверхность герметизации, к которой герметизирующий элемент 140, расположенный во вкладыше 106b, прижимается для обеспечения герметичного контакта вкладыша 106b с каналом 104. Коррозионная и/или абразивная текучая среда может застрять между герметизирующим элементом 140 (установленным во вкладыше 106b) и каналом 104, вызывая эрозию канала 104. Герметизирующий элемент 140 в этих вариантах осуществления называется осевым герметизирующим элементом, так как сжимающие силы со стороны поверхности 108b с одной стороны и со стороны канала 104 с другой стороны действуют в осевом направлении относительно кольцевидного герметизирующего элемента 140.
Хотя в вариантах осуществления, изображенных на фиг. 3, изображен только один кольцевидный герметизирующий элемент 140, окружающий выпускное отверстие 116b, ранее предпринятые решения не ограничены этим. Специалист в данной области техники понимает, что в альтернативных конструкциях могут быть использованы несколько герметизирующих элементов, для обеспечения дублирования. Герметизирующий элемент 140 может быть эластомерным герметизирующим элементом, а в других вариантах осуществления могут быть использованы другие типы герметизирующих элементов, такие как металлические герметизирующие элементы, пружинные герметизирующие элементы и тому подобное.
Для окружения пробки 110 трубопроводной арматуры и поддержки шейки 118, стопорная гайка 120 прикручена к корпусу 102 трубопроводной арматуры. Стопорная гайка 120 герметично прилегает к каналу 104 корпуса трубопроводной арматуры посредством другого герметизирующего элемента 146. Подобно вкладышу 106b, стопорная гайка 120 имеет поверхность 147, определяющую вырез (иногда называемый «сальниковая коробка») 148, пересекающий поверхность внешнего диаметра 121 стопорной гайки 120. Герметизирующий элемент 146 поддерживается в вырезе 148 и имеет такой размер, чтобы выступать за пределы внешней поверхности 121 для герметичного прилегания к поверхности герметизации, образованной каналом 104 корпуса трубопроводной арматуры. Герметизирующий элемент 146 в этих вариантах осуществления называется радиальным герметизирующим элементом, так как сжимающие силы со стороны поверхности крышки 121 с одной стороны и со стороны канала 104 с другой стороны действуют в радиальном направлении относительно кольцевидного герметизирующего элемента 146. Хотя изображен радиальный герметизирующий элемент, в альтернативных вариантах осуществления вместо радиального герметизирующего элемента или в дополнение к нему может быть использован осевой герметизирующий элемент или деформируемый герметизирующий элемент и тому подобное.
Для сравнения, фиг. 4 подобна фиг. 3, но на ней изображена часть трубопроводной арматуры 150, выполненная в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения. Здесь вкладыш 151 в некоторых аспектах такой же, но не содержит герметизирующий элемент, установленный в него, как вкладыш 106b (фиг. 3). В частности, вкладыш 151 содержит внешнюю коническую поверхность 153 сегмента, которая не содержит вырез для установки герметизирующего элемента. В поверхности 153, где проходит вырез для установки герметизирующего элемента, выемка отсутствует. Вместо этого корпус 152 трубопроводной арматуры определяет канал 154 корпуса трубопроводной арматуры, и также имеет поверхность 155, определяющую вырез 156, пересекающий канал 154. Опять же, термин «пересекающий» в контексте настоящего описания и значения формулы изобретения означает, что вырез 156 содержит выемку в канале 154. В частности, закрепленный конец 157 герметизирующего элемента 158 установлен в вырезе 156, и поскольку вырез 156 пересекает канал 154, герметизирующий элемент 158 может иметь такой размер, чтобы выступать из выреза 156 за пределы канала 154, так что дальний конец 159 герметизирующего элемента 158 герметично прилегает к поверхности герметизации, образованной вкладышем 151. Коррозионная и/или абразивная текучая среда может застрять между герметизирующим элементом 158 (установленным в корпусе 152) и вкладышем 151, вызывая эрозию внешней цилиндрической поверхности вкладыша 151. Важно отметить, что по сравнению с ранее предпринятыми решениями конструкция, изображенная на фиг. 4, преимущественно перенаправляет эрозионное изнашивание от канала 154 (корпуса 152) к вкладышу 151. Когда эрозия развивается до такой степени, что появляется протекание, ремонт или замена вкладыша 151 является значительно менее сложным и менее дорогостоящим, чем ремонт корпуса 152.
Корпус 152 также имеет поверхность 161, образующую другой вырез 160, который пересекает канал 154 корпуса трубопроводной арматуры. Герметизирующий элемент 162 установлен в корпусе 152 в вырезе 160. Опять же, из-за пересекающей конструкции выреза 160 и канала 154, герметизирующий элемент 162 может иметь такой размер, чтобы выступать за пределы канала 154 для герметичного прилегания к поверхности герметизации, образованной стопорной гайкой 164. В отличие от стопорной гайки 120, изображенной на фиг. 3, стопорная гайка 164 не содержит герметизирующего элемента, установленного в ней. Вместо этого герметизирующий элемент 162 установлен в корпусе 152 трубопроводной арматуры и имеет такой размер, чтобы выступать из выреза 160 для герметичного прилегания к поверхности 166 внешнего диаметра стопорной гайки 164. Таким же образом, как было описано ранее, данное изобретение перенаправляет эрозионное изнашивание от корпуса 152 к менее сложному и менее дорогостоящему сопряженному элементу, в данном случае - к стопорной гайке 164.
Фиг. 5 представляет собой упрощенное изображение трубопроводной арматуры 150, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. Специалист в данной области техники понимает, что модификации конструкции заключены в предполагаемых вариантах осуществления данного изобретения, представленных в приведенных в качестве примера вариантах осуществления. Например, на фиг. 6 изображена другая трубопроводная арматура 170, выполненная в соответствии с данным изобретением, так как каждый из герметизирующих элементов 172, 174, 176 установлен в соответствующем вырезе, образованном в корпусе 184 трубопроводной арматуры и пересекающем канал 178 корпуса трубопроводной арматуры. Герметизирующие элементы 172, 174, 176 выполнены с возможностью выступать наружу из соответствующих вырезов для герметичного прилегания к поверхностям герметизации вкладышей 180 и стопорной гайки 182 соответственно. В отличие от ранее предпринятых решений, эта конструкция ликвидирует эрозию, вызванную установкой герметизирующего элемента в сопряженный элемент, который герметично прилегает к каналу 178 корпуса трубопроводной арматуры.
Фиг. 7 представляет собой изометрическое изображение вкладыша 106 для предшествующей конструкции трубопроводной арматуры, изображенной на фиг. 1. В этих вариантах осуществления вкладыш 106 определяет пазы 170, пересекающие внешнюю коническую поверхность 108 вкладыша 106. Пружина 172 установлена во вкладыше 106 в каждом пазу 170 и выступает из паза 170 для приведения в контакт с каналом 104 корпуса трубопроводной арматуры (фиг. 1). Как было описано выше, та конструкция ранее предпринятых решений своим исполнением делает канал 104 корпуса трубопроводной арматуры тем элементом, который подвергается какой-либо эрозии, вызванной пружинами 172.
На фиг. 8 изображена часть трубопроводной арматуры 150 (в соответствии с данным изобретением), изображенного на фиг. 5, но в другом разрезе, который проходит через вырез 170', определенный поверхностью 190, образованной корпусом 152' трубопроводной арматуры. Вырез 170' пересекает канал 154' корпуса трубопроводной арматуры, так что пружина 172' может быть установлена в вырезе 170' закрепленным концом и имеет такой размер, чтобы выступать из выреза 170' для прижимного контакта с внешней конической поверхностью 108' вкладыша 106'. Как было описано выше, данное изобретение перенаправляет изнашивание от канала 154' корпуса трубопроводной арматуры к менее сложному и менее дорогостоящему вкладышу 106'.
На мгновение вернемся к фиг. 5, на которой изображена пробковая трубопроводная арматура 150, выполненная в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения. Специалист в данной области техники при прочтении данного описания понимает, что данное изобретение перенаправляет эрозионное изнашивание от канала корпуса 152 к внешней конической поверхности вкладыша 151. Как было описано, протекание может возникнуть из-за того, что свободный конец герметизирующего элемента 158 истирает внешнюю коническую поверхность вкладыша 151. В некоторых приведенных в качестве примера вариантах осуществления процедура ремонта может включать восстановление покрытия вкладыша 151 для обеспечения новой поверхности герметизации для герметизирующего элемента 158, установленного в корпусе 152. Альтернативно вкладыш 151 может быть просто заменен на новый.
В других вариантах осуществления одноразовый изнашивающийся элемент может быть предусмотрен между внешней конической поверхностью вкладыша 151 и каналом корпуса 152. В контексте настоящего описания и формулы изобретения одноразовый изнашивающийся элемент может быть одноразовой прокладкой (не изображена) с одной стороной, обращенной к каналу корпуса 152, чтобы эффективно функционировать таким же образом, как внешняя коническая поверхность вкладыша 151. В некоторых вариантах осуществления противоположная внутренняя поверхность прокладки может сочетаться непосредственно с внешней конической поверхностью вкладыша 151. Альтернативно герметизирующий элемент может быть предусмотрен между внутренней поверхностью прокладки и внешней конической поверхностью вкладыша. Этот герметизирующий элемент может быть установлен во вкладыше и выступать с герметичным прилеганием к поверхности герметизации, образованной прокладкой (как например с использованием вкладыша 106, изображенного на фиг. 1), или герметизирующий элемент может быть установлен во внутренней поверхности прокладки и выступать с герметичным прилеганием к поверхности герметизации, образованной внешней поверхностью вкладыша.
Перейдем к другому типу устройства управления потоком, которое хорошо подходит для применения данного изобретения; фиг. 9 представляет собой упрощенное изометрическое изображение в разрезе гидравлической части 200 для жидкости для разрыва, выполненной в соответствии с предпринятыми ранее решениями. Гидравлическая часть 200 в целом представляет собой распределитель, используемый для доставки коррозионных и/или абразивных жидкостей под высоким давлением, обычно используемых в процессах гидравлического разрыва в нефтяной и газовой промышленности. Существуют области герметизации в гидравлической части 200, которые испытывают разновидность негативных эрозионных воздействий, описанных выше для пробковой трубопроводной арматуры. Как и в традиционной пробковой трубопроводной арматуре 100, изображенной на фиг. 1, определенное количество компонентов герметично прилегают к корпусу 201 распределителя. Здесь, опять же, элементом, страдающим от эрозии согласно конструкции является корпус 201, а не менее сложный и менее дорогостоящий сопряженный элемент.
Например, корпус 201 определяет нагнетательное отверстие 202, которое в этих изображенных вариантах осуществления герметично закрыто путем вставки нагнетательной пробки 204 и закрепления ее путем продвижения стопорной гайки 206 в корпус 201. Нагнетательная пробка 204 поддерживает герметизирующий элемент 208, который герметично прилегает к каналу, определяющему нагнетательное отверстие 202. Фиг. 10 представляет собой упрощенное изображение в разрезе нагнетательной пробки 204, которая имеет поверхность 205, определяющую вырез 207, в который герметизирующий элемент 208 вставлен стороной внутренней радиальной поверхности 211 радиального герметизирующего элемента 208.
В этих приведенных в качестве примера вариантах осуществления вырез 207 является прямоугольным, но предполагаемые варианты осуществления не ограничены этим. Специалист в данной области техники понимает, что конфигурация выреза 207 по большей части определяется тем, какая форма нужна для установки выбранного типа герметизирующего элемента. Вырез 207 пересекает внешнюю поверхность 215 нагнетательной пробки 204, позволяя задать такие размеры герметизирующего элемента 208, что часть, не закрепленная в вырезе 207, выступает за пределы внешней поверхности 215 для прижимного контакта с каналом 209, определяющим нагнетательное отверстие 202. В этой конструкции коррозионная и/или абразивная текучая среда под высоким давлением может быть агрессивной текучей средой, которая может быть внедрена между герметизирующим элементом 208 и каналом 209, вызывая эрозию поверхности герметизирующего элемента, образованной каналом 209. Данное изобретение перенаправляет это эрозионное изнашивание от канала 209 корпуса к менее сложной и менее дорогостоящей нагнетательной пробке 204.
Корпуса гидравлических частей традиционно изготавливают из закаленной углеродистой стали, вследствие чего не является редкостью поломка корпуса 201 до того как какая-либо убыточная эрозия корпуса достигает стадии возникновения протекания между нагнетательной пробкой 204 и каналом 209. Однако прогресс изобретения предоставил конструкции корпуса из нержавеющей стали, что привело к значительно более длительному сроку эксплуатации. В результате эта эрозия больше не является пренебрегаемой, напротив, разработки в современном конструировании гидравлических частей направлены на снижение эрозии. Одним основным источником эрозии канала 209 в традиционных гидравлических частях является герметизирующий элемент 208, установленный в нагнетательной пробке 204 и выступающий из нее для герметичного прилегания к поверхности герметизации, образованной корпусом 201.
Фиг. 11 представляет собой изображение в разрезе с пространственным разделением деталей гидравлической части 230, выполненной в соответствии с данным изобретением для перенаправления во множестве мест эрозионного изнашивания от корпуса к менее сложному и менее дорогостоящему компоненту, который герметично прилегает к корпусу. Корпус 232 распределителя образует множество пересекающихся каналов, включая нагнетательный канал 234, образующий нагнетательное отверстие 235, которое подобно нагнетательному отверстию 202 в традиционной гидравлической части 200, изображенной на фиг. 9. Термин «нагнетательный канал» в контексте настоящего описания обозначает поверхность, определяющую нагнетательное отверстие 235, в котором установлены нагнетательная пробка 236 и стопорная гайка 238. Для ясности, хотя на фиг. 11 изображен нагнетательный канал 234 как определяющий верхний конец нагнетательного отверстия 235, где прикреплена стопорная гайка 238, нагнетательный канал 234 также относится к нижним участкам нагнетательного отверстия 235, где нагнетательная пробка 236 герметично прилегает к корпусу 232 и где седло трубопроводной арматуры (не изображено) герметично прилегает к корпусу 232. В целом, в контексте настоящего описания нагнетательный канал 234 образует многоразмерные диаметры в различных продольных областях нагнетательного отверстия.
Нагнетательное отверстие 235 герметично закрыто путем вставки нагнетательной пробки 236 в нагнетательное отверстие и закрепления ее на месте путем продвижения стопорной гайки 238. Однако, в отличие от традиционной пробки 204, изображенной на фиг. 9, пробка 236 не содержит установленного в ней герметизирующего элемента, который герметично прилегает к каналу 234. Вместо этого пробка 236 определяет поверхность 237 герметизации для герметизирующего элемента (не изображенного на фиг. 11), который установлен в вырезе, образованном поверхностью 239 корпуса 232.
Фиг. 12 представляет собой увеличенное упрощенное изображение в разрезе этой конструкции герметизирующего элемента. Корпус 232 имеет поверхность 239, образующую вырез 240, пересекающий нагнетательный канал 234. Герметизирующий элемент 242 в этих приведенных в качестве примера вариантах осуществления установлен в вырезе 240 для заключения внешней радиальной поверхности, и, таким образом, поддерживается корпусом 232. Как было описано выше, форма выреза 240 в виде прямоугольной канавки является сугубо иллюстративной и не ограничивающей предполагаемые варианты осуществления. Предусмотрена любая форма, необходимая для надлежащей установки желаемого герметизирующего элемента, что относится и к эластомерному, и к пружинному, и к металлическому герметизирующему элементу и т.п. Как было описано выше, вырез 240 пересекает канал 234, позволяя задать размер герметизирующего элемента 242 таким, что часть герметизирующего элемента 242, не помещающаяся в вырезе 240, выступает за пределы выреза 240 и за пределы канала 234 для прижимного герметичного прилегания к поверхности 237 герметизации (фиг. 11), определенной нагнетательной пробкой 236.
Эта конструкция герметизирующего элемента, изображенная на фиг. 12, переадресовывает эрозионное изнашивание от корпуса к нагнетательной пробке. Это значительно улучшает эксплуатационные характеристики гидравлической части, поскольку ремонтные работы в отношении нагнетательной пробки 236 являются значительно менее сложными и менее дорогостоящими, чем ремонтные работы в отношении корпуса 232, которые обычно включают ремонт с помощью сварки. Более того, ремонт с помощью сварки корпуса 232 делает его склонным к преждевременному усталостному растрескиванию в области ремонта. Более того, может быть достигнут еще более долгий срок эксплуатации за счет применения эрозионностойкой обработки поверхности в отношении пробки 236, такой как высокоскоростная газопламенная (HVOF, High Velocity Oxygen Fuel) обработка, покрытие карбидом вольфрама, науглероживание материала и тому подобное. Замена вместо ремонта подвергшейся эрозии нагнетательной пробки 236 обычно является допустимой, позволяя преимущественно отремонтировать протекающую трубопроводную арматуру, выполненную в соответствии с данным изобретением, в производственных условиях и, таким образом, значительно сократить время простоя.
Вернемся к фиг. 11, на которой видно, что корпус 232 имеет поверхность 241, определяющую вырез, пересекающий канал 234 и выполненный с возможностью установки герметизирующего элемента (не изображен), который выступает из выреза с герметичным прилеганием к поверхности герметизации, образованной седлом нагнетательной трубопроводной арматуры (не изображено). Таким же образом, корпус 232 имеет поверхность 243, содержащую другой вырез, пересекающий канал 234 и выполненный с возможностью установки другого герметизирующего элемента (не изображен), который имеет такой размер, чтобы выступать из выреза для герметичного прилегания к поверхности герметизации, образованной седлом приемной трубопроводной арматуры (не изображено). Множественные ссылки на один и тот же канал 234 сделаны для простоты описания и не ограничивают предполагаемые варианты осуществления данного изобретения. Независимо от того, образованы вырезы 241, 243 в одном и том же канале или в разных каналах, это не изменяет объем предполагаемых вариантов осуществления, характеризуемых наличием выреза для установки герметизирующего элемента в корпусе, и при этом герметизирующий элемент установлен в вырезе и оттуда герметично прилегает к поверхности герметизации компонента с образованием герметичного контакта между ними.
Таким же образом приемный канал 247 герметично закрыт путем вставки приемной пробки 244, определяющей поверхность 245 герметизации, и закрепления ее на месте путем продвижения стопорной гайки 246 в корпус 232. Опять же, корпус 232 в этих приведенных в качестве примера вариантах осуществления имеет поверхность 248, образующую вырез, пересекающий канал 247 и выполненный с возможностью установки герметизирующего элемента (не изображен), выступающего из выреза и герметично прилегающего к поверхности 245 герметизации приемной пробки 244. Это перенаправляет изнашивание от корпуса 232 к приемной пробке 244 в отличие от предпринятых ранее решений и в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения.
Корпус 232 также образует плунжерное отверстие 250, имеющее такой размер, чтобы принять втулку 254 сальникового устройства, которая герметизируется на месте путем продвижения стопорной гайки 256. Отверстие 250 образовано частично каналом 252, имеющим поверхность 258, определяющую вырез, пересекающий канал 252, в котором установлен герметизирующий элемент (не изображен) в этих приведенных в качестве примера вариантах осуществления. Хотя в этих приведенных в качестве примера вариантах осуществления использован радиальный герметизирующий элемент, предполагаемые варианты осуществления не ограничены этим. В альтернативных вариантах осуществления предполагается использование согласно данному изобретению других типов конструкций с применением осевых герметизирующих элементов, деформируемых герметизирующих элементов и тому подобного.
Фиг. 13 представляет собой упрощенное изображение в разрезе корпуса 232, имеющего поверхность 257, образующую вырез 258. Опять же, вырез 258 пересекает канал 252 корпуса, делая возможной установку части, содержащей внешнюю радиальную поверхность радиального герметизирующего элемента 260, в вырезе 258. Другая часть герметизирующего элемента 260, не установленная в вырезе 258, выступает из выреза 258 для прижимного герметичного прилегания к поверхности 259 герметизации втулки 254. Хотя в этих изображенных вариантах осуществления используется радиальный герметизирующий элемент, предполагаемые варианты осуществления не ограничены этим признаком. Специалист в данной области техники легко понимает, что другие типы герметизирующих элементов могли бы быть использованы вместо или в дополнение к изображенному радиальному герметизирующему элементу, например, осевые герметизирующие элементы, деформируемые герметизирующие элементы, и тому подобное.
На фиг. 14 изображено множество дополнительных вырезов в корпусе 232 для установки различных герметичных элементов для перенаправления изнашивания от корпуса 232 к сопряженному компоненту в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения. Например, корпус 232 имеет поверхность 266, определяющую вырез, пересекающий канал корпуса, который определяет нагнетательное отверстие 235. В соответствии со всем настоящим описанием это позволяет установить осевой герметизирующий элемент (не изображенный на фиг. 14, см. фиг. 15) в вырезе, причем герметизирующий элемент выполнен с возможностью выступания из выреза с герметичным прилеганием к ведущей плоскости нагнетательной пробки 236 (фиг. 11). Фиг. 15 представляет собой увеличенное упрощенное изображение корпуса 232, имеющего поверхность 267, определяющую вырез 273, в котором установлен осевой герметизирующий элемент 268. В этих приведенных в качестве примера вариантах осуществления герметизирующий элемент 268 выполнен с возможностью выступать за пределы канала корпуса, определяющего нагнетательное отверстие 235 для герметичного прилегания к нагнетательной пробке 236, когда она доведена вниз путем продвижения стопорной гайки 238 (фиг. 11). Важно отметить, что упрощенная конструкция герметизирующего элемента, изображенного на фиг. 15 и в других местах, никоим образом не ограничивает предполагаемые варианты осуществления и объем заявленного изобретения. В альтернативных вариантах осуществления радиальный герметизирующий элемент или деформируемый герметизирующий элемент и тому подобное могут быть использованы для перенаправления эрозионного изнашивания от корпуса 232 к сопряженному элементу. Деформируемый герметизирующий элемент относится к конструкции герметизирующего элемента, которая действует по меньшей мере частично как в аксиальном направлении, так и в радиальном.
Вернемся к фиг. 14, на котором видно, что корпус 232 может иметь другие поверхности, образующие вырезы для установки различных герметизирующих элементов. Например, поверхность 270 образует вырез для установки герметизирующего элемента, приспособленного для герметичного прилегания к поверхности герметизации приемной пробки (не изображена), как изображенного на фиг. 15. Таким же образом, корпус 232 может иметь поверхности 272, 274, 276, образующие вырезы для установки герметизирующих элементов, выполненных с возможностью герметичного прилегания к поверхностям герметизации втулки 254 сальникового устройства (фиг. 11), седла нагнетательной трубопроводной арматуры (не изображено) и седла приемной трубопроводной арматуры (не изображено), соответственно. Таким же образом, корпус 232 может иметь поверхность 278, образующую вырез для установки герметизирующего элемента, выполненного с возможностью герметичного прилегания к приемному распределителю (не изображен). Общим для всех случаев является то, что конструкция герметизирующего элемента согласно данному изобретению перенаправляет изнашивание герметизирующего элемента от корпуса 232 к менее сложному и менее дорогостоящему сопряженному элементу, прикрепленному к корпусу 232.
На фиг. 16 изображена втулка 254 сальникового устройства (фиг. 11), вставленная в плунжерное отверстие 235 так, что герметизирующий элемент 270, установленный в вырезе, образованном поверхностью 258, выступает из этого выреза и герметично прилегает к поверхности 259 герметизации, определенной втулкой сальникового устройства 254. Когда втулка 254 сальникового устройства вставлена в такое положение, в пространстве, определенном в зазоре между внешним диаметром втулки 254 сальникового устройства и каналом корпуса, определяющего плунжерное отверстие 235, и между герметизирующим элементом 270 и герметизирующим элементом 272 на противоположной стороне втулки 254 сальникового устройства возникает давление воздуха. Давление воздуха прикладывает усилие, толкающее втулку 254 сальникового устройства из плунжерного отверстия 235, усложняя производство и ухудшая целостность герметизации на нижнем конце втулки 254 сальникового устройства. Отверстие 274 сапуна может быть образовано между этим пространством и окружающим пространством над втулкой 254 сальникового устройства для отвода давления воздуха.
На фиг. 16 также изображена традиционная конструкция герметизирующего элемента 272, который установлен в вырезе, образованном втулкой 254 сальникового устройства, и выступает из этого выреза с герметичным прилеганием к каналу корпуса, определяющему плунжерное отверстие 235. Предполагаемые варианты осуществления могут включать комбинации традиционной конструкции и конструкции согласно данному изобретению, при этом другие аспекты начинают иметь значение. Например, без ограничения, может быть доступным использование втулки 254 сальникового устройства, изображенной на фиг. 16, если она может быть изготовлена или другим образом получена менее дорогостоящим путем, чем предоставление вместо этого выреза в корпусе 232, и если конкретное местоположение герметизирующего элемента не имеет особенно важного значения в общей конструкции для удержания текучей среды под высоким давлением в проходе для потока.
На фиг. 16 также изображено применение втулки 254 сальникового устройства в форме открытого цилиндра и закрепление ее на месте путем продвижения стопорной гайки 256 (фиг. 11). Такая конструкция приведена для примера и никоим образом не ограничивает предусмотренное изобретение. Другие конфигурации также могут быть использованы. Например, специалист в данной области техники понимает, что может быть использовано традиционное сальниковое устройство, которое объединяет втулку 254 сальникового устройства и стопорную гайку 256 неразъемно в один компонент, который содержит вырез для поддержания герметизирующего элемента, выполненного с возможностью герметичного прилегания к каналу корпуса, определяющему плунжерное отверстие 235. В других традиционных конструкциях сальниковое устройство без такого выреза применяется в сочетании с вкладышем, снабженным герметизирующим элементом, который стыкуется с сальниковым устройством и содержит вырез для установки герметизирующего элемента. В других предполагаемых вариантах осуществления втулка 254 сальникового устройства может быть модифицирована до конструкции, сочетающей по существу цилиндрическое сальниковое устройство с состыкованным с ним вкладышем с поверхностью герметизации, который предоставляет поверхность 259 герметизации (фиг. 11).
В данный момент вернемся к фиг. 11, на которой втулка 254 также защищает канал 252 от эрозии путем предоставления поверхности 264 внутреннего диаметра, к которой герметично прилегает сальник сальникового устройства (не изображен). Это, опять же, в силу конструкции переадресовывает изнашивание от корпуса 232 к менее сложной и менее дорогостоящей втулке 254.
Подводя итоги, данное изобретение предусматривает устройство управления потоком текучей среды под высоким давлением, состоящее из корпуса, определяющего проход для потока, закрывающего элемента, установленного в корпусе, и средств для герметичного соединения между корпусом и закрывающим элементом. В контексте настоящего описания и значения формулы изобретения термин «закрывающий элемент» означает компонент, который прикреплен или другим способом присоединен к корпусу для обеспечения герметизации текучей среды под высоким давлением между корпусом и закрывающим элементом. В некоторых вариантах осуществления, таких как описанные варианты осуществления трубопроводной арматуры, термин «закрывающий элемент» охватывает подвижный компонент, выполненный с возможностью избирательного позиционирования для управления потоком текучей среды через трубопроводную арматуру, такую как описанная пробка и другие компоненты, такие как, без ограничения, клин, захлопка, шар, сегмент и тому подобное. В некоторых вариантах осуществления, таких как описанные варианты осуществления гидравлической части, термин «закрывающий элемент» охватывает неподвижные компоненты, присоединенные к корпусу для герметизации отверстия, такие как, без ограничения, нагнетательная пробка, приемная пробка, седло нагнетательной трубопроводной арматуры, седло приемной трубопроводной арматуры, втулка сальникового устройства, нагнетательный фланец, приемный распределитель, и тому подобное. Термин «средства для герметизации» обозначает описанные структуры и их структурные эквиваленты, в которых герметизирующий элемент крепится к корпусу, а не к стыкующемуся закрывающему элементу для перенаправления изнашивания, в отличие от предпринятых ранее решений, от корпуса к закрывающему элементу. Термин «средства для герметизации» безоговорочно не охватывает предпринятые ранее решения, в которых герметизирующий элемент прикреплен к закрывающему элементу с выступанием из него и герметичным прилеганием к корпусу.
Различные признаки и альтернативные детали конструкции устройств, описанных в данном документе для применения настоящего изобретения, легко проявятся для специалиста в данной области техники в виду приведенного выше описания, и при этом следует понимать, что даже несмотря на то, что множество характеристик и преимуществ различных вариантов осуществления настоящей технологии были изложены в приведенном выше описании в совокупности с деталями структуры и функцией различных вариантов осуществления настоящей технологии, данное подробное описание является исключительно иллюстративным, и в деталях могут быть сделаны изменения, особенно в плане структуры и схем расположения частей в пределах принципов настоящей технологии, в полном объеме определенных широким общим значением терминов, в которых выражена заявленная формула изобретения.
Реферат
Предложена группа изобретений под названием «Герметизирующие устройства для управления потоком высокого давления». Группа изобретений относится к герметизирующим проходам для потока текучей среды внутри устройств управления потоком, таких как те, которые, в частности, приспособлены для использования в системах добычи и обработки нефти и газа под высоким давлением. Устройство управления потоком высокого давления содержит: корпус, определяющий канал корпуса и определяющий вырез в корпусе, пересекающий канал корпуса. Содержит закрывающий элемент, присоединенный к корпусу и образующий поверхность герметизации. Содержит герметизирующий элемент, установленный в корпусе в вырезе и выполненный с возможностью выступания из выреза за пределы канала корпуса с герметичным прилеганием к поверхности герметизации, образованной закрывающим элементом. Также содержит проход для потока в корпусе, причем закрывающий элемент выполнен с возможностью избирательного перемещения между открытым положением, позволяющим текучей среде течь по проходу для потока, и закрытым положением, препятствующим течению текучей среды по проходу для потока, причем герметизирующий элемент окружает проход для потока и является кольцевидным. Техническим результатом является увеличение срока эксплуатации совместно с понижением времени простоя и стоимости эксплуатации. 5 н. и 23 з.п. ф-лы, 17 ил.
