Результат интеллектуальной деятельности: КЛАПАН ПЕРЕПУСКНОЙ С МАГНИТНОЙ ФИКСАЦИЕЙ И АВАРИЙНЫМ СБРОСОМ

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано в качестве перепускного клапана для жидкой или газообразной рабочих сред, в частности в устройствах для измерения дебита скважин в нефтедобывающей промышленности.

Известен магнитоуправляемый клапан, содержащий седло, якорь с золотником, размещенный в разделительной трубке, выполненный из магнитомягкого материала, и постоянный магнит, размещенный между двумя дисками из магнитомягкого материала, неподвижно установленными на разделительной трубке, и заключенный в обойму из магнитомягкого материала, выполненную с возможностью осевого перемещения (SU, авторское свидетельство №406483 от 25.02.72, F16K 31/08).

Недостатками известного магнитоуправляемого клапана являются:

- отсутствие возможности регулирования величин: усилия пружины и магнитного потока с целью настройки магнитоуправляемого клапана на заранее заданный перепад давления рабочей среды на его запорном органе, что сужает область применения клапана по перепаду давления;

- отсутствие возможности экстренного сброса рабочей среды в случае аварийного роста ее давления, что может привести, например, к разрушению оборудования, оснащенного клапаном.

Известен клапан, содержащий корпус, подпружиненный запорный орган со штоком, седло, дроссель, пружину, снабженный шайбой из магнитного материала, установленной на штоке и расположенной между двумя кольцевыми магнитами, размещенными в двух магнитопроводах, жестко прикрепленных к корпусу, и поочередно взаимодействующими с шайбой в крайних ее положениях при ее перемещении со штоком, при этом одноступенчатый дроссель в виде дросселирующего диска установлен в проходном сечении патрубка седла клапана и жестко закреплен на запорном органе (RU, патент №2199662 С2 на изобретение от 29.05.2001, Е21В 47/10).

Недостатками известного клапана являются:

- отсутствие возможности регулирования величин: усилия пружины и удерживающей магнитной силы магнитной цепи, образованной из кольцевого магнита, магнитопровода и шайбы, с целью настройки клапана на заранее заданные величины перепада давления рабочей среды на нем в моменты начала открытия и начала закрытия его, что сужает область применения клапана по перепаду давления;

- отсутствие возможности экстренного сброса рабочей среды при аварийном росте ее давления, что может привести к перегрузке и разрушению оборудования, оснащенного клапаном;

- вероятность разрушения кольцевых постоянных магнитов в результате ударного соприкосновения с ними шайбы при ее перемещениях в крайние положения, обусловленного хрупкостью материала магнитов;

- нерациональность формы магнитопроводов, приводящая к рассеиванию магнитного потока в кольцевых магнитах и, как следствие этого, к снижению потенциальной величины магнитной удерживающей силы.

Известен клапан перепускной с магнитной фиксацией, содержащий корпус с крышкой на резьбе, подпружиненный запорный орган со штоком, седло в виде патрубка с уплотнительной манжетой на торце, сопрягаемое с запорным органом, дросселирующий диск, жестко скрепленный с запорным органом, установленный в проходном канале патрубка с заданным радиальным зазором и образующий в сопряжении с проходным каналом гидравлическое сопротивление, пружину, установленную в распор между крышкой и запорным органом, направляющую втулку, магнитную систему из двух кольцевых постоянных магнитов, закрепленных в кольцевых магнитопроводах с сечением П-образной формы и посаженных в гильзу из немагнитного материала, сопрягаемую с корпусом с возможностью перемещения, магнитопровод, включающий магнитопроводную шайбу, закрепленную на втулке, посаженной во внутреннюю цилиндрическую поверхность кольцевых магнитопроводов и на соосный ей шток, с возможностью перемещения, ограниченного в одну сторону магнитным элементом, на конце штока, и нагруженного дополнительной пружиной относительно штока, поперечную перегородку корпуса (Патент на полезную модель RU №53747 U1, F16K 31/08, F16K 17/04 от 27.05.2006).

Недостатками известного клапана являются:

- отсутствие возможности плавного регулирования величины удерживающей магнитной силы магнитной цепи, образованной нижним кольцевым постоянным магнитом, кольцевым магнитопроводом и магнитопроводной шайбой, с целью настройки клапана на заранее заданный перепад давления рабочей среды на нем в момент начала его закрытия. Настройку можно осуществить только подбором кольцевого постоянного магнита из имеющегося ассортимента магнитов различной магнитной силы;

- недостаточное увеличение пропускной способности клапана для аварийного сброса рабочей среды при экстренном росте ее давления, что приводит к увеличению времени сброса. Это поясняется следующим образом: пропускная способность клапана определяется не только перепадом давления на нем, но и суммой величин гидравлического сопротивления сопряжения дросселирующего диска с проходным каналом патрубка и гидравлического сопротивления кольцевой щели между седлом и поднятым над ним запорным органом. При любой величине подъема запорного органа над седлом дросселирующий диск не выходит из сопряжения с проходным каналом и величина гидравлического сопротивления сопряжения не меняется. При нормальном перепаде давления запорный орган поднимается над седлом до тех пор, пока магнитопроводная шайба не коснется магнитопровода нижнего постоянного магнита. В этом случае сумма величин гидравлических сопротивлений определяет нормальную пропускную способность клапана. При экстренном росте давления рабочей среды запорный орган поднимается еще больше, шток, сжимая обе пружины, скользит во втулке магнитопровода, обеспечивая дальнейший подъем запорного органа. Величина щели между седлом и запорным органом выросла, величина гидравлического сопротивления щели уменьшилась, что привело к снижению суммы величин гидравлических сопротивлений и росту пропускной способности клапана сверх нормы. Этим обеспечивается аварийный сброс рабочей среды. Но этого недостаточно, поскольку гидравлическое сопротивление сопряжения дросселирующего диска проходного канала патрубка не меняется, остается по величине лимитирующим, в конечном счете, определяющим сумму величин гидравлических сопротивлений, проходной канал патрубка не открывается, остается загроможденным дросселирующим диском, что значительно увеличивает время аварийного сброса и может усугубить ситуацию, вызванную экстренным ростом давления рабочей среды;

- нерациональность формы кольцевых магнитопроводов, приводящая к рассеиванию магнитного потока в кольцевых постоянных магнитах и, как следствие этого, к снижению потенциальной величины магнитной удерживающей силы.

Известный клапан наиболее близок к изобретению по технической сути и достигаемым техническим результатам.

Технической задачей изобретения является клапан перепускной с магнитной фиксацией и аварийным сбросом, конструкция которого позволяет плавно регулировать удерживающую магнитную силу, фиксирующую запорный орган в крайних положениях: «Открыто», «Закрыто»; значительно, во много раз, увеличить пропускную способность клапана при аварийном сбросе рабочей среды, вызванном экстренным ростом ее давления, предотвращать удары о кольцевые постоянные магниты замыкающего магнитную цепь звена при перемещении запорного органа в крайние положения и не допустить рассеивания магнитного потока в магнитах.

Техническая задача по клапану перепускному с магнитной фиксацией и аварийным сбросом, содержащему корпус с крышкой на резьбе, подпружиненный запорный орган со штоком, седло в виде патрубка с уплотнительной манжетой на торце, сопрягаемое с запорным органом, дросселирующий диск, жестко скрепленный с запорным органом, установленный в проходном канале патрубка с радиальным зазором и образующий в сопряжении с ним гидравлическое сопротивление, пружину, установленную в распор между крышкой и запорным органом, направляющую втулку из немагнитного материала, гильзу из немагнитного материала, поперечную перегородку корпуса, магнитную систему из двух кольцевых постоянных магнитов, закрепленных в кольцевых магнитопроводах с сечением П-образной формы, магнитный элемент, магнитопровод, включающий магнитопроводную шайбу, закрепленную на втулке, посаженной во внутреннюю цилиндрическую поверхность кольцевого магнитопровода, и на соосный ей шток, с возможностью перемещения, ограниченного в одну сторону упором на конце штока и нагруженного дополнительной пружиной с другой стороны относительно штока, решается согласно изобретению тем, что кольцевые постоянные магниты, между которыми расположена магнитопроводная шайба, закреплены посредством втулок из немагнитного материала в кольцевых магнитопроводах, внутренние цилиндрические части которых имеют конические проточки, нижний кольцевой магнитопровод с направляющей втулкой из немагнитного материала, запрессованной в его внутреннюю цилиндрическую поверхность и посаженной со скольжением на втулку магнитопровода, установлен в корпус с возможностью осевого перемещения и поджат пружиной к крышке через гильзу из немагнитного материала, верхний кольцевой магнитопровод образован крышкой и регулятором, ввернутым на резьбе в крышку, магнитный элемент посажен на резьбе на втулку магнитопровода, дросселирующий диск установлен на таком расстоянии от запорного органа, что, при посадке запорного органа на седло, расстояние S₀ от торца патрубка до верхнего торца дросселирующего диска будет составлять величину, равную ходу S₁ магнитопроводной шайбы до верхнего кольцевого магнитопровода, причем возможный полный ход запорного органа S₂>>S₀+S₃; где S₃ - толщина дросселирующего диска, при этом регулируемое расстояние между верхними торцами магнитного элемента и магнитопроводной шайбы меньше, чем расстояние между нижними торцами кольцевых магнитопроводов, на величину Δ=(0,05÷0,1) мм, равную минимальной, реально достижимой, величине смещения магнитного элемента по резьбе втулки магнитопровода при регулировании.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен продольный разрез клапана.

Клапан перепускной с магнитной фиксацией и аварийным сбросом, в дальнейшем тексте «клапан», содержит корпус 1, крышку 2, ввернутую в корпус 1 на резьбе, запорный орган 3 со штоком 4, седло 5 в виде патрубка 5а с уплотнительной манжетой 5б из эластомера на торце, сопрягаемое с запорным органом 3, дросселирующий диск 6, жестко скрепленный с запорным органом 3 и образующий в сопряжении с проходным каналом патрубка 5а гидравлическое сопротивление, магнитную систему 7 из двух кольцевых постоянных магнитов 7а, посаженных в разрезные втулки 8, 9 из немагнитного материала и закрепленных в двух кольцевых магнитопроводах, с сечением П-образной формы: верхнем 10 и нижнем 11; путем запрессовки и склеивания. Верхний кольцевой магнитопровод 10 образован крышкой 2 и регулятором 12, ввернутым на резьбе в крышку 2. Внутренние цилиндрические части кольцевых магнитопроводов 10, 11 имеют конические проточки 10а и 11а, которые вместе с разрезными втулками 8, 9 служат для предотвращения рассеивания магнитных потоков в кольцевых постоянных магнитах 7а. Это объясняется следующим образом: при плотном примыкании к боковой поверхности кольцевых постоянных магнитов 7а деталей из магнитного материала часть магнитного потока между полюсами магнитов 7а замыкается через эти детали, то есть рассеивается из общего потока через заданную магнитную цепь и не участвует в осуществлении потенциальной удерживающей магнитной силы. Нижний кольцевой магнитопровод 11 установлен в корпус 1 с возможностью осевого перемещения и прижат к крышке 2 через гильзу 13 пружиной 14. Гильза 13 из немагнитного материала посажена в корпус 1 с возможностью осевого перемещения. Пружина 14 другим концом опирается о шайбу 15 на штоке 4. Шайба может перемещаться по штоку 4 для регулировки усилия пружины 14 и фиксируется штифтом 16 в выбранном месте. В нижний кольцевой магнитопровод 11 запрессована направляющая втулка 17 из немагнитного материала, которая, как и гильза 13 из немагнитного материала, способствует предотвращению рассеивания магнитных потоков. Центральное отверстие в поперечной перегородке 18 служит направляющей для нижнего конца штока 4, на который напрессована втулка 19 из антифрикционного материала. В направляющую втулку 17 и на шток 4 с возможностью перемещения посажена втулка 20 магнитопровода 21, включающего магнитопроводную шайбу 22 и магнитный элемент 23, укрепленные на втулке 20. Магнитопровод 21 прижат к упору 24 на конце штока 4 дополнительной пружиной 25, которая опирается одним концом на магнитный элемент 23, другим - на шайбу 26, посаженную на шток 4, с возможностью перемещения для регулирования усилия дополнительной пружины 25 и фиксируемую штифтом 16 в нужном месте. Магнитопроводная шайба 22 расположена между двумя кольцевыми постоянными магнитами 7а. Магнитный элемент 23 навернут по резьбе на втулку 20, что дает возможность регулировать расстояние между ним и магнитопроводной шайбой 22. Клапан установлен в устройство 27 и закреплен коническим фланцевым соединением 28. Зазоры между сопрягаемыми деталями клапана уплотнены уплотнительными кольцами из эластомера. Дросселирующий диск 6 закреплен на штоке 4 на расстоянии S₀ от торца патрубка 5а, измеряемом при посадке запорного органа 3 на седло 5. Ход магнитопроводной шайбы 22 до верхнего кольцевого магнитопровода 10 равен S₁. Эти две величины связаны соотношением: S₀≈S₁. Ход магнитного элемента 23 равен S₄ и связан с ходом магнитопроводной шайбы 22, равным S₁, соотношением: S₄=S₁-Δ, где Δ - минимальная, реально достижимая, величина смещения магнитного элемента 23 по резьбе втулки 20 при настройке расстояния между верхними торцами магнитного элемента 23 и магнитопроводной шайбой 22. Это обеспечивается тем, что расстояние между верхними торцами магнитного элемента 23 и магнитопроводной шайбы 22 меньше, чем расстояние между нижними торцами магнитопроводов 10 и 11 на величину Δ. Реально величина Δ равна (0,05÷0,1) мм. После настройки магнитный элемент 23 фиксируется контргайкой 29.

Клапан работает следующим образом: запорный орган 3 из положения «Закрыто» поднимается под воздействием заданного перепада давления рабочей среды на клапане, преодолевая усилие пружины 14 и магнитную удерживающую силу магнитной цепи: магнитопроводная шайба 22, как замыкающее звено цепи, кольцевой постоянный магнит 7а и нижний кольцевой магнитопровод 11; которая по величине меньше, чем усилие дополнительной пружины 25. Удерживающая магнитная сила резко падает по величине до нуля. Открывается проход для перепуска рабочей среды из проходного канала патрубка 5а седла 5. Усилие, создаваемое перепадом давления потока на постоянном по величине гидравлическом сопротивлении сопряжения проходного канала патрубка 5а и дросселирующего диска 6, приложенное к последнему, и на постепенно уменьшающемся по величине гидравлическом сопротивлении щели между седлом 5 и поднятым запорным органом 3, воздействующее на последний, преодолевая усилие пружины 14, поднимает запорный орган 3 до положения «Открыто». Магнитопровод 21, прижатый к упору 24 на конце штока 4, поднимается вместе со штоком 4. Магнитный элемент 23 входит с ударом в контакт с нижним торцом нижнего кольцевого магнитопровода 11 и притягивается его магнитным полем. Магнитопроводная шайба 22 на величину зазора «Δ» не доходит до нижнего торца верхнего кольцевого магнитопровода 11, тем самым предотвращается удар ее о кольцевой постоянный магнит 7а, чреватый разрушением последнего из-за хрупкости, и замыкает магнитную цепь: магнитопроводная шайба 22, кольцевой постоянный магнит 7а и верхний кольцевой магнитопровод 10: крышка 2 и регулятор 12. Ослабление удерживающей магнитной силы, действующей на магнитопроводную шайбу 22 со стороны верхнего кольцевого магнитопровода 10 с кольцевым постоянным магнитом 7а из-за зазора «Δ», компенсируется удерживающей магнитной силой, действующей на магнитный элемент 23 со стороны нижнего торца кольцевого магнитопровода 11. Возникающая удерживающая магнитная сила магнитной системы 7 и воздействие перепада давления потока рабочей среды, вытекающей из патрубка 5а на дросселирующий диск 6 и запорный орган 3 в сумме, по величине превышают усилие пружины 14. Запорный орган 3 фиксируется в положении «Открыто». Дальнейшему перемещению запорного органа 3 препятствует усилие дополнительной пружины 25. Перепад давления рабочей среды на клапане по мере перепуска ее падает, и снижается сила воздействия перепада давления потока рабочей среды на запорный орган 3 и дросселирующий диск 6 до тех пор, пока при расчетном перепаде давления сумма силы воздействия потока рабочей среды и магнитной удерживающей силы не станет меньше силы пружины 14. Усилие пружины 14 отрывает магнитопровод 21 от магнитной системы 7, удерживающая магнитная сила резко падает до нуля, запорный орган 3 расфиксируется из положения «Открыто» и под воздействием усилия пружины 14 устремляется к седлу 5. Запорный орган 3 садится на седло 5, усилие пружины 14 превышает усилие воздействия потока. Магнитопроводная шайба 22 замыкает магнитную цепь: нижний кольцевой магнитопровод 11, кольцевой постоянный магнит 7а, магнитопроводная шайба 22. Возникающая удерживающая магнитная сила фиксирует запорный орган 3 в положении «Закрыто». Посадка запорного органа 3 на седло 5 амортизируется упругостью уплотнительной манжеты 5б и потоком рабочей среды, поэтому контакт магнитопроводной шайбы 22 и нижнего кольцевого магнитопровода 11 осуществляется без удара. В случае экстренного роста давления рабочей среды перепад давления на клапане будет превышать расчетный, запорный орган 3 после расфиксации положения «Закрыто» поднимается до положения «Открыто», при этом верхний торец дросселирующего диска 6 совпадает с торцом патрубка 5а, магнитопровод 21 стыкуется с магнитной системой 7 в положении, соответствующем положению рабочего органа «Открыто», затем, преодолевая усилия пружин 14 и 25 и перемещаясь штоком 4 во втулке 20 магнитопровода 21, продолжает подниматься далее, причем дросселирующий диск 6 выводится из сопряжения с проходным каналом патрубка 5а и поднимается над торцем патрубка 5а, открывая незагроможденный проходной канал для потока рабочей среды, который оказывает воздействие на дросселирующий диск 6 и запорный орган 3. Величина гидравлического сопротивления снижается до минимально возможного уровня. Величина подъема дросселирующего диска 6 в аварийной ситуации над патрубком 5а, измеряемая как щель между нижним торцом дросселирующего диска 6 и торцом патрубка 5а, определяется интенсивностью нарастания и величиной давления рабочей среды в аварийном случае и может достигать величины, определяемой конструктивной возможностью подъема запорного органа 3: Н=S₂-S₀-S₃;

где Н - величина щели,

S₂ - максимальный конструктивно возможный ход запорного органа 3,

S₀ - расстояние от верхнего торца дросселирующего диска 6 до торца патрубка 5а, измеряемое при посаженном на седло 5 запорном органе 3,

S₃ - толщина дросселирующего диска 6. В положении запорного органа 3 «Открыто» дросселирующий диск еще находится в сопряжении с проходным каналом патрубка 5а на минимально возможную величину S₃, т.е. верхний торец дросселирующего диска 6 совпадает с торцом патрубка 5а. Это необходимо для обеспечения нормальной работы клапана в диапазоне положений запорного органа 3: «Закрыто»-«Открыто».

Подъем запорного органа 3, обеспечивающий подъем дросселирующего диска 6 над торцем патрубка 5а на величину Н, в аварийном случае, обеспечивает многократный рост пропускной способности клапана и, тем самым, быстротечный «аварийный сброс» рабочей среды через него и экстренное восстановление нормального давления рабочей среды перед ним. После восстановления нормального уровня перепада давления рабочей среды на клапане запорный орган 3 возвращается в положение «Открыто», и далее работа клапана осуществляется в нормальном режиме. Конструкция клапана предусматривает наряду с регулировкой усилия пружин 14, 25 регулирование величины удерживающей магнитной силы как в положении запорного органа 3 «Открыто», так и в положении «Закрыто». В первом случае для увеличения перепада давления рабочей среды на клапане, в момент расфиксации при его закрытии, уменьшают удерживающую магнитную силу магнитной цепи: магнитопроводная шайба 22, кольцевой постоянный магнит 7а, верхний кольцевой магнитопровод 10: крышка 2, регулятор 12; путем введения сопротивлений в магнитную цепь. Выворачивая по резьбе регулятор 12 из крышки 2, создают зазоры:

k₁ - между магнитопроводной шайбой 22 и регулятором 12;

k₂ - между торцем кольцевого постоянного магнита 7а и регулятором 12.

Во втором случае для уменьшения перепада давления рабочей среды на клапане, в момент расфиксации при его открытии, уменьшают удерживающую магнитную силу магнитной цепи: магнитопроводная шайба 22, кольцевой постоянный магнит 7а, нижний кольцевой магнитопровод; путем введения в магнитную цепь сопротивления, вворачивая по резьбе крышку 2 в корпус 1, создают зазор k₃ - между магнитопроводной шайбой 22 и нижним кольцевым магнитопроводом 11. Регулировка усилия пружины 14 позволит настраивать клапан: в первом случае на уменьшение перепада давления в момент расфиксации клапана при его закрытии, увеличением усилия пружины 14, во втором случае на увеличение перепада давления на клапане в момент расфиксации при его открытии, также увеличением усилия пружины 14. Сочетанием различных способов регулировки удерживающей магнитной силы и усилия пружины можно изменять диапазон перепада давления, в котором работает клапан.

Использование изобретения на практике позволит создать клапан, наделенный возможностью плавно регулировать рабочий диапазон перепада давления рабочей среды и обеспечить эффективную защиту от аварийного роста давления рабочей среды перед клапаном, а также сократить наладочные и регулировочные работы, повысить точность, надежность, качество и эффективность его работы.