2.4 Запорные устройства фонтанной арматуры.

Запорные устройства фонтанной арматуры изготавливаются трех типов:

• пробковые краны со смазкой по ТУ 26-14-24-77;

• задвижки прямоточные со смазкой типа ЗМ и ЗМС с однопластинчатым шибером по ТУ 26-16-45-77;

• задвижки прямоточные со смазкой ЗМАД с двухпластинчатым шибером по ТУ 26-02-728-76 «Оборудование устья нефтяных и газовых скважин на рабочее давление 70 МПа».

Задвижки типов ЗМС и ЗМАД имеют модификации с ручным и пневмоприводом [8].

По условиям эксплуатации в зависимости от состава скважинной среды запорные устройства изготавливаются в трех исполнениях:

• для нефти, газа и газоконденсата с содержанием Н₂S и СО₂ до 0,003% по объему каждого;

• Н₂S и СО₂ до 6% по объему каждого;

• СО₂ до 6% по объему.

Задвижки и краны применяются в стволовой и отводящей части фонтанной арматуры. Перед манометрами устанавливаются вентили.

Пробковые краны со смазкой выгодно отличаются от задвижки (рис. 2.11. [1]). Для его открывания или закрывания достаточно повернуть пробку 2 на 90^о. Уплотнительные поверхности крана покрыты смазкой и не омываются потоком среды.

Техническая характеристика кранов КППС-6514 и КППС-6514ХЛ:

Условный проход, мм 65

Рабочее давление, МПа 14

Габаритные размеры, мм:

длина 350

ширина 205

высота 420

Масса в собранном виде, кг 53

Рис. 2.11. Кран конический пробковый типа КППС-65ХМ:

1 — корпус; 2 — рукоятка; 3 — толкатель; 4 и 11 — грундбуксы; 5 — шпиндель; 6 — втулка; 7 — кулачковая муфта; 8 — коническая пробка; 9 — крышка; 10 — манже­ты; 12 — регулировочный винт

Краны работают следующим образом: рукояткой 2 через кулачки муфты 7 поворачивают пробку 8 в необходимое положение. Проседание пробки в корпусе 1 регулируется на заводе-изготовителе винтом 12, закрепленным в крышке 9 так, чтобы между пробкой и корпусом был зазор. Вся полость крана заполнена специальной смазкой. Вращением толкателя 3 через клапан с пружинной из шпинделя может быть подана дополнительная порция смазки. Необходимо следить за наличием смазки в полости крана и через три-пять операций закрывания и открывания добавлять смазку, чтобы избежать закливания пробки. Заклиненную пробку можно отжать толкателем 3 через детали 5 и 6, отвернув предварительно винт 12, уплотненный манжетой 11.

Наибольшее усилие среды, действующее на пробку крана,

Qср = р · Fупл где р – рабочее давление.

Площадь уплотнительной поверхности Fупл  Dк · Н,

где Н – высота рабочей части пробки (рис. 2.8.) , Dк – средний диаметр пробки крана.

Если D₁ – максимальный, а D₂ – минимальный диаметр пробки в уплотнении, то

Dк  0,5 (D₁ + D₂).

Усилие среды прижимает пробку к корпусу и создает силу трения

Т_к = f_к · Qср , где f_{к –} коэффициент трения пробки о корпус, равный 0,1.

Момент, необходимый для поворота пробки крана,

М_к = М_п + М_с .

Здесь М_п – момент трения пробки в корпусе, М_п = 0,5Т_к Dк = 0,5 f_к · Qср Dк .

Момент трения в сальнике М_с может быть определен по формуле

М_с = 0,5 р  d²_c h_м 

где h_м – высота манжеты;  - коэффициент трения манжеты о шпиндель,   (0,05 + 0,08).

Задвижки прямоточные со смазкой типа ЗМ и ЗМС с однопластинчатым шибером.

Задвижка типа ЗМ-65×21 имеет следующие технические характеристики:

Условный проход, мм 65

Рабочее давление, МПа 21

Габаритные размеры, мм 350×320×650

Управление Ручное

Масса в собранном виде, кг 64

Уплотнение шпинделя осуществляется при помощи сальникового узла, в который для повышения его надежности предусмотрено нагнетание уплотнительной смазки. В задвижке предусмотрена возможность подачи защитной смазки в корпус через нагнетательный клапан.

Задвижки типов ЗМС и ЗМС1 (рис. 2.12. [8]) с ручным приводом, диаметром условного прохода 65, 80, 100 и 150 мм на давление 21 и 35 МПа, условного прохода 50 и 100 мм на давление 70 МПа состоят из корпуса 8, входного седла 11, шпинделя 4, маховика 13, ходовой гайки 5, крышки подшипников 2, нажимной гайки 3, узла сальника 6, крышки 1, тарельчатых пружин 12, нагнетательного клапана 10, выходного седла 9 и шибера 7. Герметичность затвора улучшает уплотнительная смазка ЛЗ-162 или «Арматол-238», подаваемая через нагнетательный клапан. Рекомендуемая температура применения смазки от –40 до +120^оС. Применяются также прямоточные задвижки с уплотнением эластичными элементами из графитофторпласта АФГ-80ВС.

Уплотнение шпинделя осуществляется манжетами из материала АНГ. Для защиты корпуса задвижки от загрязнения и коррозии в него через нагнетательный клапан подается защитная смазка. Предусмотрена также подача смазки в узел уплотнения шпинделя и штока.

Рис. 2.12. Задвижка типов ЗМС и ЗМС1

Задвижка прямоточные со смазкой ЗМАД с двухпластинчатым шибером

ЗМАД-80×70 имеет следующие технические характеристики:

Условный проход, мм 65

Рабочее давление, МПа 70

Габаритные размеры, мм 650×500×1170

Управление Ручное

Масса в собранном виде, кг 328

Задвижка типа ЗМАД (рис. 2.13. [8]) с ручным приводом состоит из корпуса 1, двух седел (щек) 11, шибера, выполненного в виде двух плашек 10, шпинделя 2, уравновешивающего штока 13, корпуса сальника 9, ходовой гайки 4 с трапециидальной резьбой, упорных подшипников 8, маховика 5, верхнего и нижнего 14 кожухов.

Уплотнение шпинделя и уравновешивающего штока – с помощью сальника, представляющего собой набор манжет шевронного типа из материала АНГ. Для повышения герметизирующей способности сальника предусмотрена подача уплотнительной смазки через обратный клапан.

Отличительной особенностью задвижки является наличие системы автоматической подачи смазки в затвор.

Рис. 2.13.Задвижка типа ЗМАД

Задвижки типов ЗМС, ЗМС1 и ЗМАДП с пневмоприводом состоят из тех же улов и деталей, что и задвижки с ручным управлением за исключением того, что наряду с ручным приводом имеют пневмопривод. Задвижки типа ЗМС1 имеют диаметры условного прохода 65, 80 и 100 мм на давление 21 и 35 МПа, а типов ЗМС и ЗМАДП – диаметры условного прохода 50, 80 и 100 мм на давление 70 МПа.

Усилия и моменты в прямоточных задвижках.

Прямоточная задвижка (рис. 2.14. [1]) работает на принципе самоуплотнения. Шпиндель 1 задвижки имеет опору качения и поэтому М₂  0 .

Два шибера 3 скользят по направляющим корпуса и первоначальное их прижатие осуществляются пружинами 4. Среда воздействует на поршни 2, подающие в канавки шиберов 3 уплотнительную смазку. Объем полостей под поршнями 2 рассчитан более чем на 100 срабатываний задвижки. Перекрытие прохода задвижки осуществляется при опускании шиберов, поджимаемых давлением среды. Рабочим является один шибер. При выходе его из строя задвижку достаточно повернуть на 180^о и включить в работу второй шибер. Проход задвижки герметизируется втулкой 5 (из полимера). Корпус 6 задвижки

Рис. 2.14. Схема прямоточной задвижки

выполняется сварным или цельнокованым. При открытой задвижке среда проходит через нее с минимальными потерями, не меняя направления, и не изнашивая уплотнительные поверхности.

Если уплотняемая среда находится слева, то левый шибер не нагружен, усилие Q₁ на шпиндель передается лишь через правый шибер. С учетом выталкивающей силы Р_о усилие

Q_{1 =} Q_ср f + Р_о

где f – коэффициент трения, равный 0,1

Q_ср = 0,25  Dк² р

Р_о = 0,25  р d_с²

где Dк – средний диаметр уплотнения, Dк = 0,5(D_в + D_н), D_в – диаметр уплотнения внутренний, D_н – диаметр уплотнения наружный

d_с – диаметр шпинделя.

Момент для открывания и закрывания задвижки определяют

М_кр = М₁ + М₂ + М₃

где М₁ – момент трения в резьбе гайки;

М₁ = 0,5 Q₁ d_ср tg ( + )

где d_ср – средний диаметр резьбы;  - угол трения в резьбе, равный arctg f₁, (f₁ -коэффициент трения в резьбе, f₁  0,15);

 - угол подъема резьбы,  = arctg (в/ d_ср), ( в – шаг резьбы)

М₂ -  0

М₃ – момент трения в сальнике. Для манжетного сальника, независимо от числа манжет.

М₃ = 0,5  р d_с² h_м 

где h_м – высота манжеты;  - коэффициент трения манжеты о шпиндель,   (0,05 + 0,08).

Для уменьшения осевых сил, действующих на шпиндель задвижки, применяется разгрузочный шток. У задвижек обоих типов есть общий недостаток – для открытия и закрытия необходимо сделать несколько поворотов маховика, прилагая усилие.

Вентили используют на вспомогательных линиях.