2. Запорные и регулирующие устройства фонтанной арматуры и манифольда. Виды, схемы, преимущества и недостатки. Расчет клиновой задвижки с выдвижным шпинделем.

К запорным устройствам относятся задвижки и краны для пе­рекрытия или открывания каналов арматуры и манифольда, к регулирующим — сменные штуцеры и вентили для изменения дросселированием расхода пластовой жидкости или газа.

Аналогичные запорные устройства используются в арма­туре газлифтных и нагнетательных скважин.

Запорные устройства — задвижки и краны применяемых в фонтанной арматуре типов широко используются в оборудо­вании почти для всех технологических процессов и операций при добыче нефти и газа, а в несколько измененном виде и при бурении скважин. В частности, они используются в противо- выбросном оборудовании, в манифольде буровых насосов,в оборудовании для гидроразрыва пласта, для кислотной обра­ботки и вообще во всех промывочных агрегатах, нефтегазопро­мысловых коммуникациях и сооружениях для сбора, разделе­ния, транспорта пластовой жидкости, нефти и газа, для за­качки воды и газа в пласт.

Э ффект уплотнения клиньевой задвижки обеспечивается за счет распорного усилия клина — шибера, прижимаемого^ к гнездам каналов задвижки. Однако задвижкам этого типа свойствен ряд серьезных недостатков: непрямоточность потока жидкости или газа, возникновение завихрений, омывание ши­бера в открытом положении жидкостью. Недостаток задвижек — сложность обеспечения герметичности контакта по­верхностей клин — гнездо как при изготовлении, так и при ре­монте, вследствие чего их производство резко сократилось, од­нако парк их до сих пор весьма большой.

1Корпус 2 седло на входе,3шпиндель4 крышка 5 нагнетательный клапан 6 маховик 7 регултровочный винт 8 ходовая гайка 9 крышка подш 10 манжеты 11тарельч пружина 12 седло на вых 13 шибер

Более совершенна плос­кошиберная задвижка, в которой уплотнение кон­такта шибер-гнездо дости­гается различными спосо­бами, но во всех случаях конструкция их исключает омывание герметизирую­щих поверхностей шибера в открытом положении жидкостью или газом.

К роме задвижек, в качестве запорных устройств использу­ются краны с различными по форме пробками: цилиндрической шаровой, конической. Кран обеспечивает прямоточность по­тока жидкости или газа.

В качестве регулирующих устройств применяются вентили и втулочные сменные штуцеры. Использование вентилей, на­зываемых часто регулируемыми штуцерами, в фонтанной ар­матуре позволило плавно менять площадь сечения канала и обеспечить бесступенчатое регулирование. Втулочные сменные штуцеры рассчитаны на ступенчатое регулирование, за счет использования набора деталей, представляющих собой дроссели с каналами разных диаметров.

Для обеспечения управления задвижками, а также для обеспечения возможного телеуправления они снабжаются гидроприводом или пневмоприводом. На рис. IV.14 показана схема пневмоприводной задвижки на рабочее давление 70 МПа с условным проходным отверстием 50 мм..

В пробковом кране с конической пробкой (рис. IV. 15) гер­метичность уплотнения обеспечивается точностью изготовления

Для установки, включения-отключения манометров и для снижения давления используются вентили. Вентили, применя­емые на фонтанных арматурах, рассчитаны на рабочее давле­ние до 70,0 МПа, имеют проходное отверстие 5 мм и массу 3—4 кг.

Регулируемые штуцеры аналогичны по конст­рукции вентилю. Они позволяют бесступенчато регулировать давление на выкиде фонтанной скважины за счет осевого пе­ремещения шпинделя штуцера с насадкой, входящей в гнездо.

Для облегчения управления штуцерами и для возможности телеуправления они оснащаются приводом.

Смена обычного втулочного штуцера трудоемка и дли­тельна. Штуцер рассчитан на рабочее давление 70 МПа.

Расчет запорных устройств фонтанной арматуры

Расчет задвижки с выдвйжным шпинделем. (Опре­деление осевого усилия и крутящего момента на шпинделе). Наи­большее осевое усилие на шпинделе возникает в момент закрытия задвижки, когда на клин со: стороны входа среды действуют сле­дующие силы (рис. 7.6):

Cила гидростатического давления среды

где р —условное давление; D„ — внутренний диаметр уплотни­тельного кольца; b — ширина уплотнительного кольца; ре­акция Ni уплотнительной поверхности корпуса со сто­роны входа среды, которую рассчитывают по обеспечи­вающей герметичность удель­ной нагрузке q= (0,25-0,50)р на уплотнительной поверхно­сти:

Где Dn —наружный диаметр уплотнительного кольца;

сила трения

где f — коэффициент трения на уплотнительной поверхно­сти (можно принять f=0,15).

В момент закрытия клин прижимается к уплотнительной по­верхности со стороны входа среды под действием сил Р, N1, F1 и на уплотнительной поверхности со стороны выхода среды воз­никают реакция N₂ и сила трения F₂=N₂f, действующие на клин. На клин также действуют сила давления шпинделя Q и сила тя­жести G, направленные по оси у—у.

Из условия равенства нулю суммы проекций на ось х—х всех сил, действующих на клин,

можно определить силу

Принимают а=5°, поэтому, учитывая малую величину sin а, полагают

Усилие Q_K, которое нужно приложить к оси шпинделя для преодоления сил, действующих на клин, определяют из условия равенства нулю суммы проекций на ось у—у всех сил, действую­щих на клин:

Используя равенства (7.27) и (7.29) и учитывая, что F₂=N₂f из (7.30), получаем

или при a=5° f=0,15

Усилие на шпинделе, необходимое для преодоления трения в сальниках, равно

Q_c = nd_m0,4hfp, (7.33)

где d_m —диаметр шпинделя; h —высота сальника;f=0,1 —ко­эффициент трения.

Усилие на шпинделе от внутреннего давления на торец, шпин­деля

Следовательно, суммарное осевое усилие, сжимающее шпин­дель,

Момент трения, возникающий в резьбе,

где rс —средний радиус резьбы; a1 - угол подъема нарезки; фи= 6° — угол трения.

Шпиндель рассчитывают на сжатие и кручение под действием силы Q и крутящего момента М₁,а также проверяют на продоль­ный изгиб при закрытом положении задвижки.

Определение момента на маховике. Крутящий момент М, который необходимо приложить к маховику, чтобы закрыть задвижку, складывается из момента трения в резьбе М, и момента трения в подшипнике втулки шпинделя М₂:

М=М₁ + М₂. (7.37)

Момент трения в подшипнике втулки

M_t = QfR_c, (7.38)

где R_c — средний радиус опорного заплечика втулки или радиус; до центра шариков подшипника (рис. 7.7); f — коэффициент тре­ния (f = 0,1—0,15 для опоры скольжения и f=0,01 для опоры ка­чения).

Проверка уплотнительного кольца на давле­ние (см.рис.7.6).Уплотнительные кольца клина и корпуса рас­считывают на удельное давление. Наибольшая сила прижатия на уплотнительных поверхностях N2 возникает со стороны выхода среды. Давление на уплотнительных поверхностях

где Dв и D_H — внутренний и наружный диаметры уплотнитель­ного кольца. :

Для колец из коррозионностойкой стали удельное давление не должно превышать 40—60 МПа, для колец из бронзы — 16 МПа, для колец, наплавленных твердым сплавом,-60 МПа.

Усилие закрытия у прямоточной задвижки. Расчет осевых усилий, действующих на шпиндель в прямоточ­ных задвижках, выполняется с учетом принципиально тех же усилий, что и у клиновой задвижки. При шибере прямоточной задвижки, половинки которого разжимаются пружинами (рис. 7.8), усилие закрытия будет равно

где N_np —усилие распирающих пружин; Р_ус — усилие от давле­ния среды, определенное по наружному диаметру подводящих смазку канавок ,у поверхностей уплотнения; Q₀ — давление на шпиндель, определяемое по (7.34); G — сила тяжести шибера.

Остальные детали прямоточной задвижки рассчитывают так же, как у клиновой задвижки.