Результат интеллектуальной деятельности: ТЕРМОСТОЙКАЯ ШИБЕРНАЯ ЗАДВИЖКА

Изобретение относится к области арматуростроения и предназначено для устьевой арматуры, преимущественно для паронагнетательных скважин нефтяных месторождений.

Известна шиберная задвижка (см. пат. РФ №2.378547, МПК F16K 3/02, опубл. 10.01.2010 г.), содержащая корпус с проходным отверстием, установленный в корпусе шибер с приводом, уплотнительные седла, втулки с обоих концов шибера, установленные с возможностью поджима седел к торцовой поверхности шибера.

Недостатки конструкции:

- такое конструктивное исполнение задвижки не позволит использовать ее в случае прокачки через нее высокотемпературной среды, например, горячей нефти, воды или пара, поскольку существует разность температур между деталями, установленными внутри корпуса, и самим корпусом.

При этом произойдет термическое удлинение втулки и седла, а также увеличатся поперечные размеры шибера. Это приведет к резкому увеличению контактных напряжений на границе седло - торцовая поверхность шибера, что может привести к его заклиниванию.

Связь штока с шибером через резьбу, требует высокой точности изготовления сопрягаемых деталей и может при сборке повлечь неравномерность создания контактных напряжений на границе седло - шибер и возникновение изгибающего момента на штоке.

Герметизация кольцевых зазоров между втулкой, седлом и корпусом, с применением высокоэластичных уплотнительных колец ограничивает область применения таких задвижек температурой до Т=100°С.

Известна шиберная задвижка (см. пат. РФ №2208731, МПК⁷ F16K 41/04, опубл. 20.07.2003 г.).

Конструкция задвижки включает корпус с крышкой, шибер, связанный со штоком, седлами с торцовыми и радиальными уплотнениями, уплотнениями штока.

Недостатки конструкции:

- применение уплотнений радиальных и торцовых, устанавливаемых на седлах, подразумевает их исполнение из эластомерных материалов, например резины, что упрощает конструкцию уплотнительного узла, но одновременно и сужает область применения при необходимости герметизации высокотемпературной среды;

- поджим седла к торцу шибера тарельчатыми пружинами.

Известна задвижка шиберная (см. пат. РФ №2128308, МПК⁶ F16K 3/20, опубл. 27.03.1999 г.), принятая авторами в качестве прототипа.

Задвижка шиберная содержит корпус с проходными отверстиями. Внутри корпуса расположен шибер, подвижные седла с уплотнительным элементом и независимые опорные втулки, каждая из которых образует с соответствующим подвижным седлом кольцевой зазор. Уплотнительный элемент подвижного седла со стороны, обращенной к шиберу, выполнен по радиусу для повышения надежности и долговечности работы. Седла прижаты к шиберу пружинами, расположенными в гнездах по периметру.

Недостатки конструкции:

- сложность конструкции, необходима высокая точность изготовления сопрягаемых деталей седел и их взаимодействие с шибером;

- согласно текста заявки, седла поджимаются к шиберу пружинами, но на рисунке (см. фиг.2) кольца, поджимающие уплотнитель, связаны с седлом болтовым соединением, а значит, установка пружин возможна только в отверстиях с торцовой части, обращенной к внутренней поверхности корпуса.

Получить достаточное осевое усилие от пружин, чтобы обеспечить герметизацию зазора между седлом и шибером, можно при достаточно больших габаритных размерах конструкции:

- Основное осевое усилие, направленное на поджим уплотнения седла с поверхности шибера, создается восприятием перепада давления, действующего на торец седла, со стороны установки радиальных уплотнительных колец, которые, судя по рисунку, имеют больший диаметр, чем диаметр уплотнительных колец на торце седел.

- Обеспечение герметичного контакта на границе торец шибера - торец опорной втулки более чем проблематично, поскольку он создается за счет восприятия давления уплотняемой среды на торец седла, имеющего значительно меньший диаметр, чем диаметр опорной втулки. Т.е., удельное контактное напряжение на границе взаимодействия шибер - опорное кольцо будет значительно меньше необходимого для обеспечения герметизации уплотняемой среды.

Из рисунков, приложенных к патенту, абсолютно неясно, каким образом обеспечивается монтаж седел и опорных колец внутри корпуса.

- Применение упругих уплотнительных элементов как на торце седел, так и радиальных ограничивает область применения таких задвижек по температуре герметизируемой среды, т.е. область применения этой конструкции напрямую зависит от термической стойкости упругих уплотнителей.

Анализ технических решений показал, что известна шиберная задвижка (см. пат. РФ №2244862, Мкл. F16 41/07, опубл. 20.01.2005 г.), являющаяся наиболее близким техническим решением.

Задвижка содержит корпус с проходными каналами, шибер с проходным отверстием, подвижные втулочные седла, размещенные в гнездах корпуса, уплотнительные элементы, пружины, шпиндель с сальниковой набивкой, крышку и маховик.

Узел соединения штока с шибером выполнен в виде Т-образного паза в шибере, в который введен ответный Т-образный палец, что позволяет обеспечить ограниченное взаимное перемещение шибера относительно штока на величину технологического зазора, образованного при изготовлении и монтаже сопрягаемых деталей.

Недостатком этой конструкции являются значительные эксплуатационные расходы, связанные со сложностью конструкции.

Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения:

- возможность герметизации высокотемпературной среды, с сохранением целостности конструктивных элементов и уплотнителей при многократности циклов открытия - закрытия, нагрева и охлаждения шибера;

- возможность поддержания оптимальных контактных напряжений на границе: торцовое уплотнение седла - торцовая поверхность шибера при сохранении упругих свойств уплотнительных элементов, выполненных из термостойкого материала;

- возможность компенсации термического изменения размеров шибера и седел, с сохранением необходимых контактных напряжений на уплотняемой поверхности шибера;

- возможность обеспечения самоцентровки шибера между торцовыми поверхностями седел, с исключением передачи осевой нагрузки на шток.

Технический результат достигается тем, что термостойкая шиберная задвижка содержит корпус и шибер с проходными отверстиями, втулочные седла в гнездах корпуса, снабженные торцовыми и радиальными уплотнениями, шток, сальниковую набивку, крышку и маховик. При этом втулочные седла снабжены юбками, с радиальными уплотнениями на их наружной поверхности, установленными с возможностью торцового контакта с корпусом и втулочным седлом, причем втулочные седла установлены в гнездах корпуса, с образованием между ними и корпусом технологического зазора, размер которого принимается равным по величине термическому изменению поперечных размеров шибера и линейных размеров втулочных седел, а в шибере выполнена расточка, в которой установлена втулка, с возможностью образования зазора между штоком и шибером, кинематической связи с нижним концом штока, связанного с ней штифтом.

Конструкция термостойкой шиберной задвижки поясняется чертежами:

- на фиг.1 конструкция шиберной задвижки в разрезе, в открытом положении;

- на фиг.2 в разрезе конструкция узла соединения штока с шибером.

Шиберная задвижка состоит из корпуса 1, с проходными отверстиями 2 и гнездами 3 под втулочные седла 4, снабженными юбками 5.

Втулочные седла 4 установлены в гнездах корпуса 1, с образованием с ним зазора 6.

На наружной поверхности юбок 5 установлены пакеты термостойких радиальных уплотнений 7, поджимаемые торцовой поверхностью втулочных седел 4 к торцовой поверхности в гнездах корпуса 1.

На торцовой поверхности втулочных седел 4, обращенных к поверхности шибера 8, выполнены кольцевые канавки 9, в которых установлены торцовые уплотнения 10, входящие в торцовый контакт с уплотняемой поверхностью шибера 8.

В верхней части шибера 8, перпендикулярно к его торцовой поверхности, выполнена цилиндрическая расточка 11 (см. фиг.2), в которой установлена втулка 12 с резьбой 13, для связи с нижним концом штока 14 (см. фиг.2). Перпендикулярно к оси в штоке 14 выполнено отверстие, в которое пропущен штифт 15, жестко связанный со втулкой 12.

Между телом штока 14 и шибера 8, над местом расположения втулки 12, образован зазор 16 (см. фиг.2).

Тело штока 14, в верхней части, охватывается пакетом уплотнительных манжет 17, установленных в крышке 18 и поджатых снизу, через гайку 19, грундбуксой 20.

На наружной поверхности штока 14 выполнен бурт 21, которым он взаимодействует с грундбуксой 20 в крайнем верхнем положении.

Термостойкая шиберная задвижка работает следующим образом:

Пакет термостойких радиальных уплотнений 7 устанавливается на наружной поверхности каждой из юбок 5 втулочных седел 4, и при вводе шибера 8 в зазор между втулочными седлами 4 происходит предварительное сжатие материала термостойких радиальных уплотнений 7, с сохранением упругих свойств. При этом между телом втулочных седел 4, обращенных к корпусу 1, и внутренней поверхностью корпуса 1 образован зазор 6, размер которого определяется из условия его ликвидации, при термическом изменении поперечных размеров шибера 8 и линейных размеров втулочных седел 4, с замыканием осевой нагрузки на корпус 1. Технологический зазор, существующий при монтаже между юбкой 5 и корпусом 1 каждого из втулочных седел 4, определяется из условия сохранения его минимального значения, при термическом увеличении диаметральных размеров юбок 5, в случае применения термостойких шиберных задвижек для пропуска и герметизации высокотемпературной среды, например пара. Герметизация шибера 8 осуществляется путем поддержания контактных напряжений в торцовых уплотнениях 10, расположенных в кольцевых канавках 9 втулочных седел 4.

Торцовые уплотнения 10 втулочных седел 4 выходят за пределы их торцовых поверхностей на расчетную величину, определяемую исходя из известных технологических свойств материала, из которого они изготовлены, а также из учета фактора термического изменения размеров сопрягаемых деталей, шибера 8 и втулочных седел 4.

Таким материалом, в нашем случае, определен материал ГРАФЛЕКС (см. Ильин Е.Т. «Российские высокоэффективные уплотнения ГРАФЛЕКС». Материалы отраслевого совещания главных механиков нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий России и СНГ. г.Кириши, 2002 г. С.59-266), а также Домашнев А.Д., Хмельникер В.П. «Сальниковые уплотнения арматуры АЭС». М., «Атомиздат», 1980 г., с.112 с.).

Из информационных материалов «Влияние применения уплотнений ГРАФЛЕКС на конструкции сальниковых узлов центробежных и поршневых насосов». Авдеев В.В., Ильин Е.Т., Уланов Г.А.), опубликованных на сайте (http://unichimtek.ru/publications/publications-herm 94.html), известно, что наряду с высокой температурной стойкостью ГРАФЛЕКС обладает низким коэффициентом трения К=0,02-0,12 и высокой теплопроводностью. При этом остаточная упругость этого материала составляет К_y=8-12% при хорошем показателе сжимаемости, который составляет К_с=20-60%. Исходя из этих данных, определяется высота торцового уплотнения 10 в кольцевых канавках 9 втулочных седел 4 и размер их выхода над их торцовыми поверхностями.

При известной глубине кольцевой канавки 9 высота торцового уплотнения 10 определится так

h_к.у=h_к·k_у,

где h_к.у - высота выхода торцового уплотнения 9 над торцовой поверхностью втулочных седел 4;

h_к - глубина кольцевой канавки 8, мм;

k_у - коэффициент остаточной упругости материала.

При подаче высокотемпературной среды через шиберную задвижку, под воздействием температуры происходит термическое изменение поперечных размеров шибера 8 и линейных размеров втулочных седел 4, что приводит к ликвидации зазора 6 и торцовому контакту втулочных седел 4 с корпусом 1.

Это решение направлено на то, чтобы защищать пакет термостойких радиальных уплотнений 7 от дополнительных сжимающих осевых нагрузок, которые могут превосходить допустимые для материала термостойкие уплотнения.

При перекрытии проходных отверстий 2 корпуса 1 телом шибера 8 последний, под действием перепада давления, прижимается к торцовой поверхности втулочного седла 4 и перемещает его до контакта с телом корпуса 1, без передачи осевой сжимающей нагрузки на пакет термостойких радиальных уплотнений 7 на юбке 5 втулочного седла 4, находящихся справа.

При этом пакет термостойких радиальных уплотнений 7 на юбке 5 втулочного седла 4, находящимся слева, под действием избыточного давления поджимает торцовое уплотнение 10 к поверхности шибера 8, с сохранением герметичного контакта.

Шибер 8 перемещается в направлении к торцовой поверхности втулочного седла 4, а его верхний конец при этом перемещается относительно нижнего конца штока 14, связанного резьбой со втулкой 12 на величину технологического зазора 16. Тем самым исключается передача изгибающего момента на шток 14 и неравномерная нагрузка на пакет уплотнительных манжет 17.

Специфика монтажа втулочных седел 4 с юбкой 5, на которой установлен пакет термостойких уплотнений 7 в гнезде 3 корпуса 1, заключается в том, что при монтаже втулочных седел 4 с пакетом термостойких уплотнений 7 на юбках 15 последние предварительно сжимаются осевой нагрузкой до образования герметичного контакта с внутренней поверхностью гнезда 3 корпуса 1 и передачей радиальной сжимающей нагрузки на внешнюю поверхность юбки 5. При этом толщина стенки юбки 5 определяется из условия обеспечения ее упругой деформации с сохранением целостности материала термостойких радиальных уплотнений 7 и поддержания необходимых контактных напряжений на поверхности юбки 5 и в гнезде 3 корпуса 1.

При термическом изменении диаметральных размеров юбки 5 происходит компенсация внутренних напряжений в материале термостойких радиальных уплотнений 7, с сохранением контактных напряжений на уплотняемых поверхностях в гнездах 3 корпуса 1 и юбок 5 втулочных седел 4, а также обеспечение сохранности и работоспособности термостойких радиальных уплотнений 7.