СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ С ВЫНЕСЕННЫМ УПЛОТНЕНИЕМ ДЛЯ МОРСКОГО ПОДВОДНОГО ПРИМЕНЕНИЯ
SYSTEM FOR PRESSURE MEASUREMENT WITH REMOTE SEAL FOR SEA UNDERWATER USE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для контроля и управления промышленными процессами, используемыми для производства или перемещения текучих субстанций или чего-либо подобного, применяются системы управления промышленными процессами. В таких системах обычно важно измерять "переменные процесса", такие как температуры, давления, скорости потоков и другие. Чтобы измерять такие переменные процесса и передавать информацию, связанную с измеренной переменной процесса назад в центральный пункт, такой как центральная диспетчерская, используются контрольные передатчики процесса.
Одним типом передатчика переменных процесса является передатчик давления, который измеряет давление текучей субстанции процесса и обеспечивает выход, связанный с измеренным давлением. Этим выходом может быть давление, скорость потока, уровень текучей субстанции процесса или другая переменная процесса, которую можно "извлечь" из измеренного давления. Передатчик давления сконфигурирован, чтобы передавать информацию, связанную с измеренным давлением, назад в центральную диспетчерскую. Передача обычно производится по двухпроводному контуру управления процессом, однако иногда могут использоваться и другие техники связи, включая технику беспроводной связи.
Давление должно быть связано с передатчиком переменной процесса посредством определенного типа "сопряжения процесса". В некоторых приложениях измерения давления процесса передатчик давления расположен "вынесенно" относительно находящейся под давлением текучей субстанции процесса, и давление физически передается от текучей субстанции процесса к передатчику давления через жидкостную связь с использованием устройства, называемого "вынесенным уплотнением". Вынесенным уплотнением является вторичная система, которая заполнена по существу несжимаемой текучей субстанцией, которая передает давление от текучей субстанции процесса передатчику давления. Вынесенные уплотнения обычно используются в таких приложениях, в которых текучая субстанция процесса имеет высокую температуру, является коррозионной или имеет какие-либо иные экстремальные приложения или характеристики, которые могли бы повредить или разрушить передатчик давления, если бы этот передатчик давления был расположен слишком близко к текучей субстанции процесса.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предложен узел вынесенного уплотнения для подводных приложений. Этот узел включает в себя верхний корпус, имеющий соединение текучей субстанции для подсоединения вынесенного уплотнения к устройству измерения давления текучей субстанции процесса. Нижний корпус подсоединен к верхнему корпусу и имеет поверхность раздела, которая сконфигурирована для крепления к резервуару давления. Кроме того, нижний корпус имеет вход текучей субстанции процесса. Между верхним и нижним корпусами расположена изоляционная диафрагма. По меньшей мере одно из верхнего корпуса, нижнего корпуса и изоляционной диафрагмы выполнено из материала, пригодного для погружения в морскую воду. В некоторых вариантах выполнения нижний корпус имеет заплечик, расположенный вокруг входа текучей субстанции процесса, и множество самоуплотняющихся уплотнений, сконфигурированных для подсоединения этого узла к корпусу расходомера Вентури. Кроме того, предложена подводная система измерения потока текучей субстанции процесса, которая включает в себя передатчик давления и по меньшей мере один подводный узел вынесенного уплотнения.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:
Фиг. 1 - схематичный вид подводной системы измерения текучей субстанции процесса в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 2 - схематичный вид сечения, показывающий вынесенное уплотнение, прикрепленное к корпусу расходомера Вентури в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 3 - увеличенный вид вынесенного уплотнения, прикрепленного к корпусу расходомера Вентури в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 4 - схематичный вид в перспективе вынесенного уплотнения в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 5 - схематичный вид сечения вынесенного уплотнения в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
Одним из особенно сложных вариантов реализации измерения давления являются подводные приложения. В таких приложениях статическое давление, которому подвержено оборудование процесса, может быть очень высоким. Кроме того, для многих металлов соленая вода может быть коррозионной. Обеспечение системы вынесенного уплотнения, способной противостоять агрессивным условиям подводной работы при одновременном уменьшении или минимизации затрат, связанных с подводной адаптацией оборудования процесса, было бы благоприятно для приложений, связанных с управлением подводными процессами.
Фиг. 1 - схематичный вид подводной системы измерения текучей субстанции процесса в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения. Система 10 включает в себя патрубок 12 с током типа трубки Вентури, имеющий два отверстия 14 и 16, которые подсоединяются к трубе системы процесса. Корпус 12 расходомера Вентури имеет в себе область суженной горловины (см. фиг. 2). Давление, измеренное вдоль пути тока в области горловины корпуса 12 расходомера Вентури, может обеспечить индикацию тока текучей субстанции процесса. Для того чтобы измерить давление во множестве точек вдоль всего потока тока внутри корпуса 12 расходомера, используются два вынесенных уплотнения 18, 20. Каждое вынесенное уплотнение 18, 20 передает давление текучей субстанции процесса в каждой соответствующей точке вынесенного уплотнения или вдоль пути тока в устройство измерения давления, такое как дифференциальный передатчик 22 давления. Это давление "переходит" из вынесенных уплотнений 18, 20 в дифференциальный передатчик 22 давления соответственно через линии 24, 26. Дифференциальный передатчик 22 давления может быть известным дифференциальным передатчиком давления, который обеспечивает индикацию разности двух давлений, обеспеченных или иным образом переданных вынесенными уплотнениями 18, 20 в соответствии с известными способами. Как можно понять из фиг. 1, если, для того чтобы противостоять давлениям подводных приложений, необходимо, чтобы вынесенные уплотнения 18, 20 были определенного размера, их размер, вообще говоря, должен изменяться в соответствии с корпусом 12 расходомера Вентури, на который они установлены. Соответственно желательно минимизировать размер вынесенных уплотнений 18, 20 таким образом, чтобы получилась сборка меньшего размера. Кроме того, по мере роста размера вынесенных уплотнений требуется необходимость использования все большего и большего количества болтов, чтобы надежно прикреплять вынесенное уплотнение к корпусу расходомера Вентури. Как показано на фиг. 1, некоторые варианты выполнения настоящего изобретения позволяют крепить вынесенные уплотнения 18, 20 к корпусу 12 расходомера Вентури всего четырьмя болтами.
Фиг. 2 представляет собой схематичный вид сечения, показывающий вынесенное уплотнение 18, прикрепленное к корпусу 12 расходомера Вентури в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. Корпус 12 расходомера Вентури имеет горловину 30, имеющую диаметр, который сужен относительно диаметров отверстий 14, 16. Дополнительно корпус 12 расходомера Вентури имеет множество отводов 32 давления, расположенных внутри горловины 30 вдоль пути тока текучей субстанции. Вынесенное уплотнение 18 прикреплено рядом с одним из отводов 32 текучей субстанции и имеет прогибаемую изолирующую диафрагму, которая контактирует с текучей субстанцией процесса, содержащейся в отводе 32. Прогибание изолирующей диафрагмы в ответ на давление текучей субстанции процесса в отводе 32 передает давление во вторичную систему, заполненную текучей субстанцией, которая передает это давление по линии 24 через дифференциальный датчик давления или иной подходящий датчик давления. Таким образом, давление в отводе 32, к которому прикреплено вынесенное уплотнение 18, может быть безопасно измерено, даже если температура и/или давление для передатчика 22 давления, который должен быть установлен на этот или ближайший отвод 32, могут быть слишком высокими.
2
В соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения вынесенные уплотнения 18, 20 построены таким образом, что могут противостоять линейному давлению более 15,000 фт/кв. дюйм (1,150 кг/см) в подводных условиях при минимизации размеров уплотнений 18, 20 и площади крепления корпуса, используемого для измерения потока подводного расходомера Вентури. Как более подробно будет изложено далее, вынесенные уплотнения 18, 20 предпочтительно используют специальные механизмы крепления для того, чтобы минимизировать диаметр, к которому приложено линейное давление более 15,000 фт/кв. дюйм. Далее вынесенные уплотнения в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения предпочтительно полностью выполнены из сплава С276 и характеризуются сварной конструкцией, чтобы противостоять линейному давлению в 15,000 фт/кв. дюйм. Сплав С276 представляет собой пример материала, пригодного для погружения в соленую воду. Сплав С276 продается компанией Haynes International Inc. of Kokomo, шт. Индиана, под торговым наименованием Hastelloy С276. Сплав С276 имеет следующий химический состав (в весовых процентах): молибден 15,0-17,0; хром 14,5-16,5; железо 4,0-7,0; вольфрам 3,0-4,5; кобальт - максимально 2,5; марганец - максимально 1,0; ванадий - максимально 0,35; углерод - максимально 0,01; фосфор - максимально 0,04; сера - максимально 0,03; кремний - максимально 0,08, а остальное - никель. Сплав С276 обеспечивает прекрасное коррозионное сопротивление и очень высокую прочность.
Фиг. 3 - увеличенный вид вынесенного уплотнения 18, прикрепленного к корпусу 12 расходомера Вентури в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения. Вынесенное уплотнение 18 состоит из верхнего корпуса 34 и нижнего корпуса 36, которые при изготовлении вынесенного уплотнения 18 сварены вместе. Сварка верхнего корпуса 34 и нижнего корпуса 36 предпочтительно выполнена электронным лучом. Дополнительно между верхним корпусом 34 и нижним корпусом 36 расположена прогибаемая диафрагма (показана на фиг. 5). Эта диафрагма предпочтительно приварена к верхнему корпусу 34 посредством дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа. Для того чтобы прочно прикрепить вынесенное уплотнение 18 к корпусу 12, предпочтительно используется множество с-образных колец. Первое кольцо расположено около заплечика 38, что показано позицией 40. Второе кольцо проложено между конечной поверхностью заплечика 38 и расположенной напротив поверхностью корпуса 12 расходомера, что показано позицией 42. С-образное кольцо часто является взаимозаменяемым с О-образным кольцом, но под давлением оно является самоуплотняющимся. Соответственно использование двух с-образных колец для плотного крепления вынесенного уплотнения 18 к корпусу 12 обеспечивает под давлением избыточное самоуплотнение.
Как показано на фиг. 3, отвод 32 давления обычно имеет наклон по отношению к пути тока текучей субстанции. Этот наклон выполнен таким образом, что, когда корпус расходомера Вентури расположен вертикально, наклон занимает направление вниз. В соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения нижний корпус 36 имеет ввод 38, который соединен с отводом 32 давления, где ввод давления также имеет наклон. Таким образом, если во вводе 38 давления нижнего корпуса 36 образуются какие-либо гидраты или другие нежелательные вещества, то они с помощью силы тяжести будут просто вымыты в и через корпус 12 расходомера Вентури. Этот наклонный конструктивный признак предпочтительно выполнен при обработке таким образом, чтобы он проходил из корпуса 12 расходомера Вентури в диафрагму 41 под таким углом, который обеспечивает, что все возможные гидраты в случае выключения потока или другого гидратообразующего сценария будут вымыты. Это важно, потому что при образовании гидратов полости и трубы могут стать заблокированными или же они могут создавать локализованные "наросты" давления, приводящие к потенциально катастрофическим повреждениям системы вынесенного уплотнения.
Фиг. 4 - схематичный вид в перспективе вынесенного уплотнения 100 в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения. Вынесенное уплотнение 100 включает в себя верхний корпус 102 и нижний корпус 104, которые сварены один с другим, предпочтительно используя электронно-лучевую сварку (пучком электронов) по поверхности раздела 106. Электронно-лучевая сварка представляет собой процесс сварки плавлением, в котором на подлежащие соединению материалы воздействует пучок высокоскоростных электронов. Как показано на фиг. 4, верхний корпус 102 включает в себя множество (предпочтительно 4) болтовых отверстий 108, которые облегчают крепление вынесенного уплотнения 100 к резервуару под давлением, такому как корпус 12 расходомера Вентури (показан на фиг. 1). Кроме того, верхний корпус 102 включает в себя отверстие 110 канала связи текучей субстанции, которое подсоединяет его к гидравлическим линиям, таким как показанные на фиг. 1 линии 24, 26. Соединительное отверстие 110 является стандартным сварным 13-миллиметровым соединением. Это 13-миллиметровое соединение в отверстии 110 верхнего корпуса 102 позволяет осуществлять стандартное соединение, используя известную гарнитуру, капиллярную и загрузочную трубку для заполнения маслом, и передатчик дифференциального давления.
Нижний корпус 104 предпочтительно включает в себя множество регулировочных элементов 112, 114, которые выступают из поверхности 116 нижнего корпуса 104 таким образом, что они получены в этом находящимся под давлением резервуаре, таком как корпус 12 расходомера Вентури. Таким образом в процессе установки вынесенного уплотнения процесса по месту может быть достигнута прецизионная регулировка нижнего корпуса 104 относительно резервуара под давлением. Важно обеспечить, чтобы с-образные кольца были сжаты посредством по существу чисто осевого перемещения, поскольку проворот уплотнения процесса во время сжатия мог бы повредить с-образные кольца. Регулировочные элементы 112, 114 предпочтительно выполнены в виде запрессованных шпилек, которые вставлены в поверхность 116 нижнего корпуса 104. Регулировочные элементы 112, 114 позволяют производить правильную установку в корпусе 12 расходомера Вентури. Хотя предпочтительной является запрессовка элементов 112, 114, они могут быть сформированы любым соответствующим образом в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения.
Нижний корпус 104, кроме того, включает в себя выступающий буртик 140, который вставлен в соответствующее отверстие вблизи отвода давления корпуса расходомера Вентури. Буртик 140 имеет внешнюю окружность, вокруг которой расположено с-образное кольцо. В одном варианте выполнения первое с-образное кольцо, которое расположено вокруг буртика 140, имеет диаметр, который приблизительно равен 0,854 дюйма (21,7 мм). Дополнительно буртик 140 имеет также концевую поверхность 142, которая сжимает меньшее, второе, кольцо между концевой поверхностью 142 и расположенной напротив поверхностью корпуса 12 расходомера Вентури. В одном варианте выполнения диаметр второго с-образного кольца равен около 0,578 дюйма (14,7 мм).
Использование двух с-образных колец между нижним корпусом 104 и корпусом 12 расходомера Вентури обеспечивает прочное самоуплотняющееся уплотнение очень высокой целостности. Это позволяет использовать всего четыре болта для создания адекватного усилия стягивания, чтобы прикрепить вынесенное уплотнение 100 к корпусу расходомера Вентури или к другому подходящему резервуару под давлением. Для сравнения типичное вынесенное уплотнение, предназначенное для достижения 15,000 фт/кв. дюйм, обычно имеет диаметр приблизительно в 7 дюймов (178 мм), толщину в 2Ѕ дюйма (63,5 мм) и требует от 12 до 16 болтов для установки на резервуар под давлением. Вынесенные уплотнения в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения могут быть небольшими, величиной до 5 дюймов (127 мм) автоматически в диаметре, толщиной 1,125 дюйма (28,6 мм) и могут быть привернуты к корпусу измерителя всего 4 болтами. Более того, посадочная площадь этого уплотнения на корпусе измерителя также значительно уменьшена, позволяя использовать корпус измерителя меньших размеров и более дешевый.
Фиг. 5 - схематичный вид вынесенного уплотнения 100 в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения. Фиг. 5 показывает многие из тех же компонентов, которые проиллюстрированы на фиг. 4, но посредством сечения показаны и многие внутренние элементы. Более конкретно заплечик 140 является частью входа 150 давления, который принимает текучую субстанцию процесса от резервуара давления. Текучая субстанция давления проходит через наклонный участок 152 и упирается в прогибаемую диафрагму 154. По мере прогиба диафрагмы текучая субстанция внутри канала 156 медленно движется и передает давление через отверстие 110 на соответствующее устройство измерения давления, такое как дифференциальный передатчик 22 давления (показан на фиг. 4). Прогибаемая диафрагма 154 предпочтительно приварена к верхнему корпусу 102. Эта сварка предпочтительно выполняется как сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа. Дополнительно после этого к верхнему корпусу 102 сваркой крепится нижний корпус 104. Сварка между верхним корпусом 102 и нижним корпусом 104 производится по линии соединения 158 и предпочтительно является электронно-лучевой сваркой. Предпочтительно также, чтобы прогибаемая диафрагма 154 была выполнена из того же самого материала, что и верхний корпус 102 и нижний корпус 104. Более предпочтительно, чтобы все элементы - верхний корпус 102, нижний корпус 104 и диафрагма 154 - были выполнены из сплава С276. Когда они выполнены таким образом, далее предпочтительно, чтобы диафрагма 154 имела толщину 0,003 дюйма (0,076 мм). Эта диафрагма соответствует требованиям противостояния давлению как во время рабочего процесса, так и в условиях повреждения. Кроме того, предпочтительно также, чтобы эта диафрагма 154 имела диаметр приблизительно в 1,9 дюйма (48,3 мм). При такой конфигурации диафрагма 154 сохраняет приемлемые характеристики во всех температурных диапазонах с соответствующей заполняющей текучей субстанцией, такой как силиконовое масло или другие подходящие заполняющие текучие субстанции. В то время как сплав С276 может быть более дорогостоящим, чем другие коррозионностойкие сплавы, уменьшение в физическом размере уплотнения процесса, используя различные признаки и варианты выполнения настоящего изобретения, наделяет все вынесенное уплотнение возможностью быть выполненным из сплава С276 эффективно по стоимости. Однако варианты выполнения настоящего изобретения могут быть реализованы и из других сплавов, если выполнены квалификационные этапы. Другие возможные материалы включают двухфазную нержавеющую сталь и сплав 625 или другие сплавы на основе никеля. Дополнительно, в то время как варианты выполнения настоящего изобретения обычно используют вынесенное уплотнение, которое прикреплено к корпусу расходомера Вентури болтами, варианты выполнения настоящего изобретения могут быть выполнены в таком виде, в котором вынесенное уплотнение непосредственно приварено к корпусу расходомера Вентури. В таких вариантах выполнения предпочтительной является его электронно-лучевая сварка с корпусом расходомера.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты выполнения, специалисты в данной области поймут, что в его форму и детали могут быть внесены изменения, не выходящие за рамки существа и объема изобретения.