КОНЦЕВОЙ ВЫСТУПАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ И КОМБИНИРОВАННАЯ ЕМКОСТЬ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
PROTRUDING END ELEMENT AND COMBINED HIGH-PRESSURE CAPACITY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к комбинированным емкостям высокого давления для хранения сжатого природного газа или других текучих сред. Более конкретно изобретение относится к концевому выступающему элементу, который является концевым наконечником для использования в емкостях упомянутого типа и комбинированных емкостях высокого давления, снабженных таким концевым выступающим элементом.
Описание предшествующего уровня техники
2
2
В последние годы использование комбинированных емкостей высокого давления для хранения углеводородов под высоким давлением стало более общепринятым. Такие емкости предпочтительно могли бы быть более используемыми для широкого спектра углеводородов: от сухого, сжатого природного газа, так называемого СПГ (CNG), до необработанных текучих сред (флюидов) скважин при производстве нефти. Текучие среды скважин являются обычно текучими средами высокого давления на углеводородной основе, содержащими сжатый газ также, как загрязнения в виде воды, песка, HS, CO и т.д. Чтобы оптимально использовать производственные помещения для хранения емкостей высокого давления, сухой газ хранят при низких температурах, поскольку это повышает сжимаемость газа, тогда как текучие среды в скважинах обычно будут иметь высокую температуру из месторождения. Является предпочтительным поддерживать высокую температуру для текучих сред из скважин, чтобы избежать проблем с образованием гидратов внутри емкостей высокого давления и систем соединительных трубопроводов. Чтобы оптимально использовать объемы для хранения, встроенные в емкость, является предпочтительным использовать широкие емкости, обычно цилиндрические емкости с диаметром больше чем 2 метра и высотой или длиной больше чем 10 метров.
Комбинированные емкости высокого давления содержат внутренний вкладыш, изготовленный из термопластика, такого как полиэтилен высокой плотности, ПЭВП, или из упрочненных полимерных материалов, например, эпоксидного типа. Внутренний вкладыш действует как барьер для газа/жидкой среды в емкости. Снаружи внутреннего вкладыша существует комбинированный (композитный) слой, поддерживающий давление внутри емкости, которую обычно изготавливают из волокон стекловолокна или углеродного волокна, намотанных с предварительным натяжением на внутренний вкладыш емкостей и утопленных в полимерном материале, например, эпоксидного типа. На одном конце или с обоих концов комбинированной емкости высокого давления имеется концевой выступающий элемент, обычно из металла, который удерживается на месте с помощью комбинированной (композитной) конструкции. Металлический концевой выступающий элемент упрощает размещение выводов для загрузки и разгрузки емкости и обеспечивает вход в емкость. Для емкостей с более широкой сферой применения, как указано выше, конструкция и соединение концевого выступающего элемента является значительно более сложной задачей. Металлический концевой выступающий элемент имеет значительно более низкий коэффициент термического расширения, чем полимерные и комбинированные материалы, что приводит к проблемам при продолжительном использовании при наличии больших изменений температуры и давления. При высокой температуре внутренний пластмассовый вкладыш будет расширяться больше, чем металлический концевой выступающий элемент, приводя в результате к напряжению, создаваемому на поверхности контакта между внутренним вкладышем и концевым выступающим элементом. За счет вязкоупругих свойств полимерных материалов продолжительное использование при высокой температуре будет приводить к ослаблению напряжения с течением времени. Когда давление и температура позднее уменьшатся, внутренний вкладыш сожмется больше, чем концевой выступающий элемент, приводя в результате к тому, что с течением времени создается зазор на поверхности контакта между внутренним полимерным вкладышем и концевым выступающим элементом.
В патентных публикациях WO 2005/093313, US 5938209, WO 94/23240 и US 5287988 описаны различные конструкции концевых выступающих элементов и комбинированных емкостей высокого давления. Описаны уплотнительные кольца из упругих полимерных материалов, конструкции с уплотнительными кольцами круглого сечения для герметизации, а также конструкции, в которых внутренний полимерный вкладыш отлит по форме вокруг и до концевого выступающего элемента, имеющего шероховатую поверхность. Нет описания конструкций, в которой внутренний вкладыш прижат к внутренней металлической рабочей поверхности, удерживаемой с помощью предварительно натянутого устройства, размещенного снаружи внутреннего полимерного вкладыша. Также как нет описания устройства предварительного натяжения, которое может быть легко отрегулировано, если это может потребоваться после продолжительного использования.
Необходим концевой выступающий элемент для комбинированной емкости высокого давления с более предпочтительными качествами, чем были достигнуты ранее; а также комбинированная емкость высокого давления с подобным концевым выступающим элементом.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение предназначено для вышеперечисленных нужд, так как оно обеспечивает концевой выступающий элемент и комбинированную емкость высокого давления.
Более конкретно предусмотрен концевой выступающий элемент, размещенный в отверстии комбинированной емкости высокого давления, содержащей внутренний непроницаемый для текучей среды вкладыш и наружный усиленный полимерный слой, при этом концевой выступающий элемент содержит короткую трубную секцию и крышку, крышка размещена на верхнем конце трубной секции, который продолжается наружу из емкости, трубная секция размещена через отверстие емкости и продолжается до нижнего конца, где фланец, продолжающийся наружу, на трубной секции размещен между наружным усиленным полимерным слоем и внутренним вкладышем в емкости. Концевой выступающий элемент отличается тем, что:
внутренний вкладыш продолжается наружу через отверстие трубной секции до упомянутой крышки;
внутри внутреннего вкладыша на расстоянии, самом близком к крышке, размещена уплотнительная поверхность, при этом уплотнительная поверхность прилегает к внутреннему вкладышу и имеет, по меньшей мере, одно газонепроницаемое уплотнение, граничащее с внутренним вкладышем, поскольку уплотнительная поверхность выполнена заодно целое (интегрирована) с крышкой или является втулкой или трубной секцией, которая герметично прикреплена к крышке, и
снаружи внутреннего вкладыша, в канавке, самой ближней к крышке и трубной секции, вокруг верхнего конца трубной секции, размещено устройство предварительного натяжения, которое независимо от давления в емкости прижимает внутренний вкладыш к упомянутой уплотнительной поверхности и, по меньшей мере, одному газонепроницаемому уплотнению.
Изобретение также предусмотрено для комбинированной емкости высокого давления с размещенной концевой втулкой вышеупомянутого типа, при этом комбинированная емкость высокого давления имеет конструкцию и отличие, как они описаны в пункте 9 формулы изобретения.
Термин «непроницаемый для текучей среды вкладыш» относится к перегородке для текучей среды, такой как газ и жидкость, например из полиэтилена или другого, главным образом, непроницаемого для текучей среды материала.
Термин «трубная секция» и «втулка» относится не только к цилиндрическим версиям подобных элементов, но также и к коническим элементам, постепенно сужающимся элементам или другим образом нецилиндрическим элементам с формой, регулируемой согласно значению.
Канавка для устройства предварительного натяжения имеет глубину, достаточно большую для внутреннего вкладыша, чтобы всегда быть размещенной герметично между уплотнительной поверхностью и устройством предварительного натяжения, для всего диапазона использования емкости в отношении давления и температуры. Следовательно, внутренний вкладыш всегда будет зажат вместе между уплотнительной поверхностью изнутри внутреннего вкладыша и устройством предварительного натяжения снаружи внутреннего вкладыша; поскольку внутренний вкладыш никогда не будет сжиматься больше, чем он может, еще хорошо расширяться внутри, по меньшей мере, одного газонепроницаемого уплотнения и крышки. Внутренний вкладыш обычно не будет связан ни с концевым выступающим элементом, ни с наружным полимерным слоем, усиленным волокном; и при этом будет свободно сжиматься и расширяться таким образом, что конец внутреннего вкладыша всегда будет между крышкой и, по меньшей мере, одним газонепроницаемым уплотнением.
Металлическая втулка имеет предпочтительно устройство предварительного натяжения, имеющее регулируемое предварительное натяжение; предварительное натяжение может быть наиболее предпочтительно отрегулировано снаружи емкости. Устройство предварительного натяжения предпочтительно содержит наружное клинообразное металлическое кольцо, размещенное так, что клин обращен к крышке, и внутреннее противоположно направленное клинообразное полимерное кольцо, размещенное между наружным металлическим кольцом и внутренним вкладышем; поскольку наружное металлическое кольцо прикреплено к болтам, проходящим через крышку таким образом, что предварительное натяжение может быть отрегулировано путем затягивания болтов; за счет этого наружное металлическое кольцо приближается ближе к крышке и прижимает полимерное кольцо к внутреннему вкладышу. В предпочтительном варианте осуществления устройство предварительного натяжения содержит полимерное кольцо, которое выше, чем канавка, так что, когда крышка закрывается герметично, полимерное кольцо прижимается к внутреннему вкладышу. Полимерное кольцо может быть выбрано из множества полимеров и эластомеров, и в предпочтительном варианте осуществления изобретения оно выполнено из того же материала, что и внутренний вкладыш, например, из полиэтилена высокого давления (ПЭВД), который является особенно предпочтительным для внутреннего вкладыша с высоким коэффициентом удлинения при разрыве, означающим больше 20% удлинения при разрыве. Для внутреннего вкладыша с низким коэффициентом удлинения при разрыве, значение ниже 20% при разрыве, устройство предварительного натяжения, содержащее клинья, будет работать лучше.
Устройство предварительного натяжения может иметь много различных конструкций. Можно использовать клинообразные кольца, пружины, эластомеры и устройства регулировки во многих различных конфигурациях, конструкциях и материале при условии, что обеспечивается функция устройства предварительного натяжения. В одном варианте осуществления внутреннее клинообразное полимерное кольцо неподвижно закреплено снаружи внутреннего вкладыша, при этом эластомерный слой расположен между внутренним полимерным кольцом и наружным металлическим кольцом. В альтернативном варианте имеются два клинообразных кольца в устройстве предварительного натяжения, повернутых относительно вышеупомянутого таким образом, что наружное кольцо может быть прижато вниз от крышки посредством регулировочных винтов для того, чтобы отрегулировать предварительное натяжение. В других вариантах осуществления устройство предварительного натяжения содержит одну или несколько пружин, пружинящее действие которых может быть отрегулировано непосредственно с помощью регулирующих винтов; или опосредованно посредством клинообразного наружного кольца. В других вариантах осуществления используются широкое эластомерное О-образное уплотнительное кольцо или V-образное кольцо внутри наружного клинообразного кольца или кольцеобразной пружины.
Крышка концевого выступающего элемента предпочтительно выполнена из металла, при этом уплотнительная поверхность является предпочтительно наружной поверхностью металлической втулки, которая герметично прикреплена к крышке. В одном варианте осуществления крышка и уплотнительная поверхность выполнены из композитного материала и изготовлены как единая деталь. В альтернативном варианте крышка выполнена из металла, при этом уплотнительная поверхность выполнена из полимера или композитной структуры.
По меньшей мере, два газонепроницаемых уплотнения предпочтительно расположены в поверхности контакта у внутреннего вкладыша, предпочтительно в виде уплотнительных кромок, но в принципе все типы газонепроницаемых уплотнений, позволяющих некоторое перемещение между уплотнениями и внутренним вкладышем, например С-образные кольца или О-кольца, могут быть использованы.
Уплотнительная поверхность изнутри внутреннего вкладыша является преимущественно кольцеобразной и является предпочтительно наружной поверхностью металлического кольца, которое герметично прикреплено к крышке, например, с помощью болтов или сварки. Металлическое кольцо имеет предпочтительно слегка конический нижний конец, ниже поверхности уплотнения, для более легкого соединения и крепления крышки.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение проиллюстрировано двумя чертежами, на которых:
на фиг.1 показана наиболее предпочтительная форма выполнения концевого выступающего элемента и комбинированной емкости высокого давления в соответствии с настоящим изобретением; для внутреннего вкладыша с низким коэффициентом относительного удлинения при разрыве; и
на фиг.2 показано другое выполнение концевого выступающего элемента и комбинированной емкости высокого давления в соответствии с настоящим изобретением, особенно предпочтительное для внутреннего вкладыша с высоким коэффициентом относительного удлинения при разрыве.
Вариант осуществления изобретения
Ссылаясь на фиг.1, показан металлический концевой выступающий элемент 2, 9 (металлическая втулка), расположенный в отверстии комбинированной емкости высокого давления, содержащей внутренний непроницаемый для текучей среды вкладыш 3 и наружный полимерный слой 1, усиленный волокном. Металлическая втулка содержит короткую трубную секцию 2 и крышку 9, в том, что крышка расположена на верхнем конце трубной секции 2, которая проходит из емкости. Трубная секция 2 расположена в отверстии емкости и продолжается до нижнего конца, где фланец, проходящий наружу, на трубной секции расположен между наружным полимерным слоем 1, усиленным волокном, и внутренним вкладышем 3 в емкости таким образом, что трубная секция остается прикрепленной к емкости. Внутренний вкладыш 3 проходит вверх через отверстие трубной секции к упомянутой крышке. Внутри внутреннего вкладыша, на расстоянии, самом близком к крышке, расположена уплотняющая поверхность 7 в виде металлической поверхности 7, смежной, сопряженной с внутренним вкладышем. В канавке на металлической поверхности 7 два газонепроницаемых уплотнения 6 размещены на поверхности контакта с внутренним вкладышем. Металлическая поверхность выполнена как единое целое с крышкой или является металлической втулкой, металлическим кольцом или трубной секцией, которая герметично прикреплена к крышке. Снаружи внутреннего вкладыша, на расстоянии, самом близком к крышке, в канавке на верхнем конце трубной секции, непосредственно снаружи и вокруг внутреннего вкладыша, размещено устройство 4, 8, 10 предварительного натяжения, при этом устройство прижимает внутренний вкладыш 3 к упомянутой металлической поверхности и упомянутым газонепроницаемым уплотнениям 6.
Часть фланца трубной секции втулки удерживается сама по себе на месте между внутренним вкладышем 3 емкости и наружным полимерным слоем 1, усиленным волокном. Трубная секция закрыта крышкой 9, которая удерживается на месте с помощью болтов 11. Внутренний вкладыш 3 расположен внутри комбинированной конструкции 1, при этом комбинированное кольцо 12 вокруг окружности части фланца создает равномерный переход для вкладыша 3 изнутри комбинированной конструкции 1 внутрь трубной секции 2. Вкладыш 3 не прикреплен ни к комбинированной конструкции 1, ни к трубной секции 2. Промежуточный слой 15 эластомера расположен наверху конструкции фланца, чтобы избежать концентрации напряжения в полимерном слое 1, когда емкость находится под давлением. Трубка 13 проведена через крышку 9 емкости наверху трубной секции 2 для наполнения и опустошения емкости. Металлическая поверхность 7 выполнена в виде металлического кольца 7, которое проходит на расстоянии в отверстие трубной секции и герметично прикреплено к крышке 9. Чтобы обеспечить герметичность газа или текучих сред для давления в емкости, необходимо хорошее уплотнение между внутренним вкладышем 3 и металлической втулкой. Уплотнение выполнено между металлической поверхностью 7 и вкладышем 3. Две натянутые пружинами уплотнительные кромки 6 размещены в канавке в металлической поверхности 7. Уплотнительные кромки 6 обеспечивают длительное постоянное газонепроницаемое уплотнение между вкладышем 3 и металлической поверхностью 7 и позволяют относительное перемещение между вкладышем 3 и металлической поверхностью 7 во время работ при больших изменениях в давлении и температуре внутри емкости высокого давления. Уплотнение между вкладышем 3 и металлическим кольцом 7 предварительно натянуто или приведено в действие посредством специального устройства предварительного натяжения в виде клинообразных колец или кольцевых сегментов. Клинообразные кольца состоят из полимерного кольца 8 в форме клина и металлического кольца 4 в форме клина; где металлическое кольцо имеет клин, направленный вверх к крышке 9, при этом полимерное кольцо имеет клин вниз по направлению к вкладышу емкости. Промежуточный слой каучука 5 может быть предпочтительно размещен между упомянутыми кольцами; при этом болты 10 прикреплены к металлическому кольцу 4 и проходят через крышку 9. Затягивание болтов 10 приводит в действие уплотнительное устройство. Когда болты затянуты, клинообразное металлическое кольцо 4 прижато к крышке. Это прижимает клинообразное полимерное кольцо 8 к внутреннему вкладышу таким образом, что внутренний вкладыш 3 удерживается прижатым к металлическому кольцу 7 и уплотнениям 6. Цель использования клинообразного полимерного кольца 8 в том, что оно будет иметь коэффициент температурного расширения, эквивалентный коэффициенту внутреннего полимерного вкладыша 3. Клинообразное полимерное кольцо поэтому будет повторять температурные деформации внутреннего вкладыша, что является предпочтительным для большой рабочей области внутреннего вкладыша в отношении температуры и давления. Каучуковый промежуточный слой 5, расположенный между клинообразным кольцом 4 из металла и клинообразным кольцом 8 из полимерного материала, функционирует как пружинный механизм в уплотнении и обеспечивает, чтобы давление от двух клинообразных колец на внутренний вкладыш 3 было бы почти постоянно независимым от температуры для внутреннего вкладыша 3. Пространство вокруг клинообразных колец вентилируется 14, чтобы избежать концентрации давления газа, путем возможной диффузии газа через две уплотнительные кромки 6.
Комбинированная емкость высокого давления с концевой втулкой в соответствии с настоящим изобретением будет пригодна для большого диапазона применений в отношении давления и температуры. Использование клинообразного кольца 8 из полимерного материала обеспечивает уплотнение с похожей деформацией в направлении кольца, как и для внутреннего вкладыша 3 из полимерного материала. Это обеспечивает особенно эффективный механизм уплотнения в широком диапазоне температур. Проиллюстрированное устройство предварительного натяжения упруго натянуто и позволяет внутреннему вкладышу 3 расширяться и сжиматься, когда он подвержен изменениям температуры. Промежуточный слой 5 из каучука между клинообразным металлическим кольцом и клинообразным полимерным кольцом способствует упомянутому эффекту, но подобный эффект может быть также достигнут за счет использования болтов с пружинами или с лежащими внизу подвешенными дисками в кольцеобразном устройстве болтов, которые могут быть затянуты путем регулирования действия предварительного натяжения. В альтернативном варианте или в дополнительном варианте эластомерные уплотнительные О-образные кольца могут быть размещены в канавках в клинообразных кольцах или широком уплотнительном О-кольце; или может быть размещена кольцеобразная пружина, которая может иметь регулируемое натяжение, например, с помощью подачи болтов через крышку.
Комбинированное кольцо 12 является кольцом из стекловолокна, которое обеспечивает равномерный переход для внутреннего вкладыша 3 изнутри металлической втулки 2 к наружному полимерному слою 1, усиленному волокном. Это предотвращает концентрацию напряжения. Эквивалентное устройство для предотвращения концентрации напряжения путем обеспечения равномерного перехода от внутреннего вкладыша может быть изготовлено из другого материала нежели стекловолокно. Важным признаком настоящего изобретения является то, что устройство предварительного натяжения, которое позволяет большое изменение температуры и давления для внутреннего вкладыша 3, не зависит от давления в емкости. Давление, которое воздействует на крышку 9, поглощается большими болтами 11, завинченными в трубную секцию 2. Проиллюстрированный вариант осуществления изобретения может быть, однако, рассмотрен, как имеющий определенный саморегулирующий эффект в отношении предварительного натяжения в том, что возможная деформация крышки, обусловленная высоким давлением в емкости, могла бы привести к дополнительному затягиванию предварительного натяжения, поскольку болты затянуты на крышке 9.
На фиг.2 проиллюстрирован второй вариант осуществления концевого выступающего элемента и комбинированной емкости высокого давления в соответствии с настоящим изобретением; особенно предпочтительным для внутренних вкладышей с высоким коэффициентом удлинения при разрыве. Устройство предварительного натяжения содержит полимерное кольцо 16, которое выше, чем канавка, например на 0,5-5% выше, чем канавка, так, что крышка, которая плотно завинчена, будет прижимать устройство предварительного натяжения к внутреннему вкладышу. Полимерное кольцо 16 преимущественно имеет такой же или подобный коэффициент термического расширения, что и внутренний вкладыш; более предпочтительными являются полимерное кольцо и внутренний вкладыш из того же самого материала.