RU2752503C1

RU2752503C1 - Ball check valve

Info

Publication number: RU2752503C1
Application number: RU2021101779A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Владимирович Леонов
Original assignee: ООО "Оклэс Технолоджиз"
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2021-07-28

Abstract

FIELD: valves.SUBSTANCE: invention relates to shut-off valves, in particular to check ball valves, used, for example, with sucker rod pumps or electric centrifugal pumps, designed primarily for pumping liquids with a high content of mechanical impurities. A ball check valve, consisting of a body, inside which a valve pair, consisting of a seat and a ball, and a ball travel stop, made in the form of a cage with through holes, are installed, and characterized in that it contains a dynamic sealing system, implemented using a cuff located between the cage and the saddle and representing a ring, the opening of which is formed by two conical surfaces, from the side of the cage on the cuff between its end and the conical surfaces, an internal groove is made, while the minimum the inner diameter of the cuff is less than the diameter of the ball; when the ball fits into the seat, the center of the ball is located between the seat and the point of contact of the cuff with the ball.EFFECT: invention provides increased reliability of operation and value of the working pressure of the ball check valve due to the use of a dynamic sealing system implemented using a cuff.10 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к запорной арматуре, в частности к обратным шариковым клапанам, применяемым, например, со штанговыми глубинными или электроцентробежными насосами, предназначенными преимущественно для перекачивания жидкостей с высоким содержанием механических примесей.The invention relates to shut-off valves, in particular to ball check valves, used, for example, with sucker rod pumps or electric centrifugal pumps, designed primarily for pumping liquids with a high content of mechanical impurities.

Известны клапаны обратные по патентам RU2296885 F04B 53/10, F16K 5/02; RU2247865 F04B 53/10, F16K 5/02; RU75227 F04B 53/10, F16K 5/02. Данные клапаны имеют схожую конструкцию, состоящую из корпуса, внутри которого размещен запорный орган со штоком и выполнено седло. Последнее выполнено из набора подвижных в радиальном направлении и уплотненных эластичными элементами колец. Посадочные поверхности колец смещены эксцентрично относительно друг друга и подпружинены в осевом направлении.Known check valves according to patents RU2296885 F04B 53/10, F16K 5/02; RU2247865 F04B 53/10, F16K 5/02; RU75227 F04B 53/10, F16K 5/02. These valves have a similar design, consisting of a body, inside of which there is a shut-off element with a stem and a seat. The latter is made of a set of rings movable in the radial direction and sealed with elastic elements. The seating surfaces of the rings are offset eccentrically relative to each other and are spring-loaded in the axial direction.

Недостатком этих устройств является недостаточная надежность работы. Для обеспечения герметичности необходим полный контакт всей цилиндрической поверхности запорного органа с седлом. Из-за смещения относительно друг друга колец седла между ним образуются канавки, в которых скапливаются механические примеси, препятствующие прохождению запорного органа. В результате не обеспечивается полное закрытие клапана, что приводит к его негерметичности. Также, следует отметить, сложную нетехнологичная конструкция запорного узла, требующую высокой точности изготовления и точного позиционирования колец седла при сборке.The disadvantage of these devices is the lack of operational reliability. To ensure tightness, full contact of the entire cylindrical surface of the shut-off element with the seat is required. Due to the displacement of the seat rings relative to each other, grooves are formed between them, in which mechanical impurities accumulate, which impede the passage of the shut-off element. As a result, the complete closure of the valve is not ensured, which leads to its leakage. Also, it should be noted, the complex non-technological design of the locking assembly, which requires high manufacturing accuracy and accurate positioning of the seat rings during assembly.

Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является клапан обратный, который содержит полый цилиндрический корпус с внутренним кольцевым выступом, установленную в корпусе клапанную пару в виде кольцевого седла и шарикового запорного элемента, ограничитель хода запорного элемента в виде клетки со сквозными отверстиями для протока жидкости. Между седлом и клеткой установлен кольцевой упругий элемент, внутренний диаметр которого не превышает диаметр шарикового запорного элемента. По варианту исполнения кольцевой упругий элемент в продольном сечении может иметь полукруглую или коническую форму (по патенту RU2653142 E21B34/06, F16K15/04 опубл. 07.05.18).The closest in technical essence to the invention is a check valve, which contains a hollow cylindrical body with an inner annular protrusion, a valve pair installed in the body in the form of an annular seat and a ball valve, a stop valve in the form of a cage with through holes for the fluid flow. An annular elastic element is installed between the saddle and the cage, the inner diameter of which does not exceed the diameter of the ball locking element. According to an embodiment, the annular elastic element in the longitudinal section can have a semicircular or conical shape (according to patent RU2653142 E21B34 / 06, F16K15 / 04 publ. 07.05.18).

Описанная геометрия кольцевого упругого элемента позволяет выполнять только одну функцию, направленную на прижатие шарика к седлу. Также при такой форме кольцо недостаточно прочно закреплено в корпусе клапана, что может привести к выдавливанию кольца. Все это снижает надежность работы клапана.The described geometry of the annular elastic element allows performing only one function aimed at pressing the ball against the seat. Also, with this shape, the ring is not firmly fixed in the valve body, which can lead to the extrusion of the ring. All this reduces the reliability of the valve.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение заключается в повышении надежности работы и величины рабочего давления клапана обратного шарикового за счет применения динамической системы уплотнения, реализованной с помощью манжеты.The technical result, to which the invention is directed, is to increase the reliability of operation and the value of the operating pressure of the ball check valve through the use of a dynamic sealing system implemented with the help of a cuff.

Указанный технический результат достигается тем, что клапан обратный шариковый состоит из корпуса, внутри которого установлены клапанная пара, состоящая из седла и шарика, и ограничитель хода шарика, выполненный в виде клетки со сквозными отверстиями, и отличается тем, что содержит динамическую систему уплотнения, реализованную при помощи манжеты, расположенной между клеткой и седлом и представляющей собой кольцо, отверстие которого образовано двумя коническими поверхностями, со стороны клетки на манжете между ее торцом и коническими поверхностями выполнена внутренняя канавка, при этом минимальный внутренний диаметр манжеты меньше диаметра шарика, при посадке шарика в седло центр шарика располагается между седлом и местом контакта манжеты с шариком.The specified technical result is achieved in that the ball check valve consists of a body, inside of which a valve pair consisting of a seat and a ball is installed, and a ball travel stop made in the form of a cage with through holes, and is characterized in that it contains a dynamic sealing system implemented with the help of a cuff located between the cage and the saddle and representing a ring, the opening of which is formed by two conical surfaces, from the side of the cage on the cuff between its end and the conical surfaces, an internal groove is made, while the minimum inner diameter of the cuff is less than the diameter of the ball, when the ball fits into saddle The center of the ball is located between the saddle and the point of contact of the cuff with the ball.

Кроме того, на клетке может быть выполнен выступ, а на манжете ответный уступ, на котором выполнена внутренняя канавка.In addition, a projection can be made on the cage, and a counter-ledge on the cuff, on which an internal groove is made.

Кроме того, на корпусе может быть выполнен выступ, а на торце манжеты ответный уступ, выполненный с противоположенной стороны от внутренней канавки.In addition, a protrusion can be made on the body, and a counter ledge made on the opposite side from the inner groove at the end of the cuff.

Кроме того, конические поверхности манжеты могут образовывать острую кромку.In addition, the tapered surfaces of the cuff can form a sharp edge.

Кроме того, конические поверхности манжеты могут образовывать полукруглую кромку.In addition, the tapered surfaces of the cuff may form a semicircular lip.

Кроме того, предпочтительно угол конических поверхностей манжеты может быть выполнен в диапазоне от 30° до 60°.In addition, it is preferable that the angle of the tapered surfaces of the cuff can be made in the range from 30 ° to 60 °.

Кроме того, манжета может быть выполнена из бутадиен-нитрильного каучука, в том числи гидрированного с антифрикционными добавками.In addition, the cuff can be made of nitrile butadiene rubber, including hydrogenated with antifriction additives.

Изобретение поясняется фигурами, на которых изображено:The invention is illustrated by the figures, which depict:

фиг. 1 – клапан обратный шариковый с манжетой динамической системы уплотнения, продольный разрез;fig. 1 - ball check valve with a cuff of a dynamic sealing system, longitudinal section;

фиг. 2 – манжета динамической системы уплотнения клапана обратного шарикового, продольный разрез;fig. 2 - cuff of the dynamic sealing system of the ball check valve, longitudinal section;

фиг. 3 – манжета динамической системы уплотнения клапана обратного шарикового, вариант исполнения с уступами, продольный разрез;fig. 3 - collar of the dynamic sealing system of the ball check valve, version with ledges, longitudinal section;

фиг. 4 – клапан обратный шариковый в открытом положении;fig. 4 - ball check valve in open position;

фиг. 5 – реализация функции гидроцилиндр динамической системы уплотнения;fig. 5 - implementation of the function of the hydraulic cylinder of the dynamic compaction system;

фиг. 6 – реализация функции грязесъемник динамической системы уплотнения;fig. 6 - implementation of the wiper function of the dynamic compaction system;

фиг. 7 – реализация функции успокоитель динамической системы уплотнения;fig. 7 - implementation of the function of the damper of the dynamic sealing system;

фиг. 8 – реализация функции герметик динамической системы уплотнения.fig. 8 - Implementation of the sealant function of the dynamic sealing system.

Клапан обратный шариковый (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором установлена клапанная пара, состоящая из седла 2 и шарика 3. Ограничитель хода шарика 3 выполнен в виде закрепленной в корпусе 1 клетки 4 со сквозными отверстиями 5 для протока жидкости. Между клеткой 4 и седлом 2 установлена манжета 6. На клетке 4 выполнен выступ 7, а на корпусе 1 – выступ 8. Минимальный диаметр отверстия манжеты 6 подбирается так, чтобы он был меньше диаметра шарика 3 для обеспечения гарантированного контакта манжеты 6 с поверхностью шарика 3. При этом манжета 6 устанавливается таким образом, что при посадке шарика 3 в седло 2 центр шарика 3 располагался между седлом 2 и местом контакта манжеты 6 с шариком 3.The ball check valve (Fig. 1) contains a housing 1, in which a valve pair is installed, consisting of a seat 2 and a ball 3. The travel stop of the ball 3 is made in the form of a cage 4 fixed in the housing 1 with through holes 5 for the fluid flow. A cuff 6 is installed between the cage 4 and the seat 2. On the cage 4 there is a protrusion 7, and on the body 1 - a protrusion 8. The minimum diameter of the cuff hole 6 is selected so that it is less than the diameter of the ball 3 to ensure guaranteed contact of the cuff 6 with the surface of the ball 3 In this case, the cuff 6 is installed in such a way that when the ball 3 fits into the saddle 2, the center of the ball 3 is located between the saddle 2 and the point of contact of the cuff 6 with the ball 3.

Манжета 6 динамической системы уплотнения клапана обратного шарикового (фиг. 2) представляет собой кольцо, отверстие которого образовано двумя коническими поверхностями 9 и 10 с образованием кромки 11. На чертеже показан вариант с острой кромкой 11. С одной стороны манжеты 6 выполнена внутренняя канавка 12. Угол конических поверхностей α выполнен в диапазоне от 30° до 60°.The collar 6 of the dynamic sealing system of the ball check valve (Fig. 2) is a ring, the opening of which is formed by two conical surfaces 9 and 10 with the formation of an edge 11. The drawing shows a variant with a sharp edge 11. On one side of the collar 6, an internal groove 12 is made. The angle of the conical surfaces α is made in the range from 30 ° to 60 °.

По варианту исполнения манжета 6 (фиг. 3) может иметь уступ 13, на котором будет выполнена канавка 12, и уступ 14 с противоположенной от канавки 12 стороны. На чертеже показан вариант исполнения с полукруглой кромкой 11.According to an embodiment, the collar 6 (Fig. 3) may have a shoulder 13, on which the groove 12 will be made, and a shoulder 14 on the side opposite to the groove 12. The drawing shows a version with a semicircular edge 11.

Применение.Application.

Использование в шариковом обратном клапане описанной манжеты позволяет реализовать динамическую систему уплотнения и, тем самым, повысить надежность его работы и рабочее давление. The use of the described cuff in a ball check valve makes it possible to realize a dynamic sealing system and, thereby, to increase the reliability of its operation and working pressure.

Принцип работы манжеты в составе шарикового обратного клапана применяемого в составе установки погружного насоса для добычи нефти из скважины показан на фиг. 4-8. Клапан 15 устанавливается на выходе насоса (на фиг. не показан). После включения насоса под шариком 3 создается давление, он поднимается из седла 2, преодолевая упругие силы от манжеты 6, и перемещается вверх по клетке 4, открывая клапан для прохода перекачиваемой жидкости (фиг. 4).The principle of operation of the cuff as part of a ball check valve used as part of a submersible pump installation for oil production from a well is shown in Fig. 4-8. The valve 15 is installed at the pump outlet (not shown in the figure). After turning on the pump, pressure is created under the ball 3, it rises from the seat 2, overcoming the elastic forces from the cuff 6, and moves up the cage 4, opening the valve for the passage of the pumped liquid (Fig. 4).

После выключения насоса, подача жидкости через клапан 15 прекращается. Шарик 3 начинает опускаться в седло 2. В этот момент начинает работать динамическая система уплотнения, реализованная с помощью манжеты 6. Работа системы можно разделить на этапы, в ходе которых манжета выполняет следующие функции:After turning off the pump, the supply of liquid through the valve 15 stops. The ball 3 begins to descend into the saddle 2. At this moment, the dynamic sealing system, implemented using the cuff 6, begins to work. The system can be divided into stages, during which the cuff performs the following functions:

1) Гидроцилиндр – манжета 6 составляет этот элемент вместе с шариком 3 в момент соприкосновения с ним. Благодаря манжете 6 шарик 3 при посадке в седло 2 работает как поршень (фиг. 5). На шарик 3 (поршень) в момент прохождения через манжету 6 ещё до его посадки в седло 2 давит столб жидкости с усилием P равным давлению столба жидкости над клапаном, умноженным на диаметр шарика D и превышающим усилие посадки шарика 3 в седло 2. Это обеспечивает точную посадку шарика 3 в седло 2 и вытеснению мехпримесей, откладывающихся на седле 2. В обычных клапанах столб жидкости начинает действовать на шарик только после его посадки в седло.1) Hydraulic cylinder - the cuff 6 constitutes this element together with the ball 3 at the moment of contact with it. Thanks to the cuff 6, the ball 3, when seated in the seat 2, works like a piston (Fig. 5). The ball 3 (piston) at the moment of passing through the cuff 6, even before it lands in the seat 2, is pressed by a column of liquid with a force P equal to the pressure of the liquid column above the valve, multiplied by the diameter of the ball D and exceeding the force of the ball 3 in the seat 2. This ensures accurate the landing of the ball 3 in the seat 2 and the displacement of mechanical impurities deposited on the seat 2. In conventional valves, the liquid column begins to act on the ball only after it is seated in the seat.

2) Грязесъемник – при прохождении шариком 3 манжеты 6 происходит его очищение от мехпримесей (фиг. 6), которые могут налипать на шарик 3. Особенно это актуально при периодической работе скважины в режиме автоматического повторного включения (АПВ) и им подобным.2) Wiper - when the ball 3 passes the cuff 6, it is cleared of mechanical impurities (Fig. 6), which can stick to the ball 3. This is especially important when the well is periodically operating in the automatic reclosing mode (AR) and the like.

3) Успокоитель – при посадке шарика 3 в седло 2 на него продолжают действовать силы инерции, например сила Кориолиса, которая придаёт шарику 3 горизонтальное отклонение. Постоянный контакт шарика 3 с манжетой 6 в момент его посадки в седло 2 нейтрализует действие сил инерции и обеспечивает системе статическую стабильность и устойчивость (фиг. 7).3) Soother - when the ball 3 lands in the saddle 2, inertial forces continue to act on it, for example, the Coriolis force, which gives the ball 3 a horizontal deflection. The constant contact of the ball 3 with the cuff 6 at the moment of its landing in the saddle 2 neutralizes the effect of inertial forces and provides the system with static stability and stability (Fig. 7).

4) Герметик – при усиленной посадке шарика 3 в седло 2 происходит его герметизация манжетой 6 сверху (фиг. 8).4) Sealant - with the reinforced fit of the ball 3 into the saddle 2, it is sealed by the cuff 6 from above (Fig. 8).

Все эти функции, реализация которых стала возможна благодаря применению в конструкции клапана описанной манжеты, позволили повысить его надежность и рабочее давление.All these functions, the implementation of which became possible due to the use of the described cuff in the valve design, made it possible to increase its reliability and working pressure.

Выполнение выступа 7 на клетке 4 и выступа 8 на корпусе 1 и ответных уступов 13 и 14 на манжете 6 способствует удержанию и фиксации манжеты 6.The implementation of the protrusion 7 on the cage 4 and the protrusion 8 on the body 1 and the counter steps 13 and 14 on the cuff 6 helps to hold and fix the cuff 6.

Выполнение кромки 11 манжеты 6 острой повышают эффективность функции грязесъемник, что актуально для эксплуатации в среде с большим количеством мехпримесей.Making the edge 11 of the cuff 6 sharp increases the efficiency of the wiper function, which is important for operation in an environment with a large amount of mechanical impurities.

Выполнение кромки 11 манжеты 6 полукруглой повышают эффективность функции герметик, что актуально при высоком рабочем давлении.Making the edge 11 of the cuff 6 semicircular increases the efficiency of the sealant function, which is important at high operating pressure.

Выполнение конических поверхностей 9 и 10 с углом в диапазоне от 30° до 60° позволяют облегчить прохождение шарика 3 через манжету 6 и позволяют максимально эффективно обеспечивать все свои функции.The execution of tapered surfaces 9 and 10 with an angle in the range from 30 ° to 60 ° makes it easier for the ball 3 to pass through the collar 6 and allows you to maximize all its functions.

Выполнение манжеты 6 из бутадиен-нитрильного каучука обеспечивает надежную работу манжеты в жидких средах.The cuff 6 is made of nitrile butadiene rubber, which ensures reliable operation of the cuff in liquid media.

Выполнение манжеты 6 из гидрированного бутадиен-нитрильного каучука дополнительно обеспечивает атмосферостойкость манжеты.The cuff 6 is made of hydrogenated nitrile butadiene rubber, which additionally provides the weatherability of the cuff.

Антифрикционные добавки в материал манжеты способствуют более легкому прохождению шарика 3 через манжету 6, что уменьшает износ манжеты.Anti-friction additives in the cuff material facilitate easier passage of the ball 3 through the cuff 6, which reduces wear on the cuff.

Проведенные испытания клапанов обратных шариковых с динамической системой уплотнения в скважинах Южно-Приобского месторождения показали высокую эффективность данного решения по сравнению с обычными шариковыми обратными клапанами, которые применялись до этого. Глубина спуска клапанов превышала 3200 м. Причем до применения описанных клапанов с динамической системой уплотнения использовали компоновку с двумя последовательно установленными обычными клапанами. Но и это не обеспечивало их надежную работу и через месяц клапаны переставали держать столб жидкости, и после остановки насоса начинался ее слив. Клапаны с динамической системой уплотнения показали значительно большую наработку. Один клапан проработал 199 суток. После чего был поднят вместе с остальным оборудованием по причине перевода скважины в пьезометр. Клапан сохранял герметичность на протяжении всего срока эксплуатации за исключением небольшого периода (7 суток), когда по причине загрязнения была выявлена его негерметичность. Но в течение этого периода клапан самопромылся и опять стал выполнять свои функции. Способность к самопромывке, также является важным преимуществом клапана с динамической системой уплотнения по сравнению с обычными клапанами. Другой клапан на момент подачи заявки находится в работе и сохраняет свою герметичность на протяжении всего срока эксплуатации. Наработка этого клапана приближается к полутора годам.The tests of ball check valves with a dynamic sealing system in the wells of the Yuzhno-Priobskoye field showed the high efficiency of this solution compared to conventional ball check valves that were used before. The depth of the valves' lowering exceeded 3200 m. Moreover, prior to the application of the described valves with a dynamic sealing system, an arrangement with two conventional valves installed in series was used. But even this did not ensure their reliable operation, and after a month the valves ceased to hold the liquid column, and after the pump stopped, it began to drain. Valves with a dynamic sealing system have shown significantly higher operating times. One valve worked for 199 days. Then it was lifted along with the rest of the equipment due to the transfer of the well to the piezometer. The valve retained its tightness throughout its entire service life, except for a short period (7 days), when its leakage was revealed due to contamination. But during this period, the valve self-flushed and began to perform its functions again. The self-flushing ability is also an important advantage of the dynamic packing system over conventional valves. Another valve at the time of application is in operation and retains its tightness throughout the entire period of operation. The operating time of this valve is approaching one and a half years.

Надежная работа клапанов с динамической системой уплотнения позволила эффективно эксплуатировать скважины в режиме АПВ. Удельный расход электроэнергии в результате внедрения таких клапанов снизился более чем на 80%.Reliable operation of valves with a dynamic sealing system made it possible to efficiently operate wells in the automatic reclosing mode. The specific power consumption as a result of the introduction of such valves has decreased by more than 80%.

Таким образом, использование в клапане обратном шариковом динамической системы уплотнения, реализованной с помощью манжеты, позволяет повысить надежность его работы и величину рабочего давления, что способствует достижению технического результата.Thus, the use of a ball check valve with a dynamic sealing system, implemented with a cuff, makes it possible to increase the reliability of its operation and the value of the working pressure, which contributes to the achievement of the technical result.

Claims

1. Ball check valve, consisting of a body, inside which a valve pair, consisting of a seat and a ball, and a ball travel stop, made in the form of a cage with through holes, and characterized in that it contains a dynamic sealing system, implemented using a cuff, are installed, located between the cage and the saddle and representing a ring, the opening of which is formed by two conical surfaces, from the side of the cage on the cuff between its end face and the conical surfaces, an internal groove is made, while the minimum inner diameter of the cuff is less than the diameter of the ball, when the ball fits into the saddle, the center of the ball is located between the saddle and the point of contact of the cuff with the ball.

2. The valve according to claim. 1, characterized in that a projection is made on the cage, and a reciprocal ledge on the cuff, on which an internal groove is made.

3. The valve according to claim 1 or 2, characterized in that a projection is made on the body, and a reciprocal ledge is made on the end of the cuff, made on the opposite side from the inner groove.

4. A valve according to claim 1 or 2, characterized in that the tapered surfaces of the collar form a sharp edge.

5. A valve according to claim 1 or 2, characterized in that the conical surfaces of the collar form a semicircular edge.

6. The valve according to claim. 1 or 2, characterized in that the angle of the tapered surfaces of the cuff can be made in the range from 30 to 60 °.

7. The valve according to claim 1 or 2, characterized in that the collar is made of nitrile butadiene rubber.

8. The valve according to claim 1 or 2, characterized in that the collar is made of hydrogenated nitrile butadiene rubber.

9. The valve according to claim 1 or 2, characterized in that the collar is made of nitrile-butadiene rubber with antifriction additives.

10. The valve according to claim 1 or 2, characterized in that the collar is made of hydrogenated nitrile butadiene rubber with antifriction additives.