ТРОЙНИК С ПРОБКОЙ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ВРЕЗКИ
TEE-PIECE WITH PLUG, WHICH IS INTENDED FOR HOT TAPPING

Настоящее изобретение относится к Т-образной трубе или тройнику, предназначенному для переноса текучих сред под высоким давлением через главный канал, при этом ответвление тройника находится в резервном состоянии с целью возможного использования в будущем и отверстие указанного ответвления герметично закрыто материалом, являющимся продолжением главного канала, при этом в указанном ответвлении может быть образовано отверстие и создан поток текучей среды, когда главный канал находится в эксплуатации и остается при полном давлении.
Кроме того, как упоминалось выше, изобретение относится к устройству для открытия ответвления тройника.
Кроме того, изобретение относится к способу управляемого открытия ответвления тройника, по которому через главный канал переносится текучая среда под высоким давлением и в котором отверстие ответвления герметично закрыто материалом, являющимся продолжением главного канала, при этом ответвление до открытия остается в резервном состоянии с возможностью использования в будущем и в нем создают отверстие и поток текучей среды, когда главный канал находится в эксплуатации и остается при полном давлении, при этом указанное уплотнение отверстия образовано более тонкой металлической диафрагмой, которая находится в контакте с текучей средой, протекающей по главному каналу, и поддерживается пробкой, вставленной в ответвление тройника, при этом первый этап открытия заключается в установке на ответвление тройника клапанного узла, второй этап заключается в установке инструмента на клапанный узел, при этом клапан открывают и давление в полости клапана повышают таким образом, что перепад давления между тройником и указанной полостью уравновешивается.
Часто подобные тройники вваривают в трубопроводы, проложенные по морскому дну. Прежде всего, они предназначены для использования в будущем в качестве точек соединения для ответвлений трубопроводов. Одним из примеров подобного используемого в будущем соединения труб является новая, подготовленная к эксплуатации скважина, пробуренная на том же участке с возможным присоединением к существующему трубопроводу. Чтобы иметь возможность присоединения и врезки через трубопровод при полной нагрузке, такие тройники устанавливают на трубопровод с равномерными промежутками.
Трубопроводы этого типа зачастую имеют наружный диаметр от 25 до 45 дюймов (от 635 до 1143 мм) и работают при давлении до 350 бар (350 МПа) и даже больше. Зачастую ответвления трубопроводов имеют наружный диаметр от 6 до 16 дюймов (от 152 до 406 мм) и работают при том же давлении, когда они вводятся в эксплуатацию.
В настоящее время такие тройники производятся с глухим отверстием в ответвлении, проходящем от главного канала. Глухое отверстие выполнено таким образом, что "дно" канала, смежное с главным каналом, выполнено за одно целое с тройником и имеет такую же толщину, как стенка главного канала. Это "дно" представляет собой пластину, ограниченную внутренним диаметром ответвления тройника.
В случае необходимости использования тройники и подсоединения ответвления трубопровода, указанную пластину нужно прорезать с использованием сверлильного бура. Эту операцию необходимо выполнять при работающем трубопроводе и при полном давлении, поэтому среди специалистов она называется "горячей врезкой" или ремонтными работами без прекращения эксплуатации. До прорезания пластина способна выдерживать внутреннее давление главного канала.
Однако было показано, что в действительности такие операции являются сложными и связаны с определенным риском, поскольку работа проводится под водой. Следовательно, опускание и одновременный поворот режущего инструмента внутри находящейся под давлением полости представляет собой достаточно трудную задачу с большей степенью риска совершения ошибки. Существует также риск того, что вырезанный участок трубы, то есть пластина, может упасть в главный канал и последовать за основным производственным потоком к выходу участка назначения, представляя собой опасность повреждения оборудования.
Использующиеся сверлильный бур или прорезная пила сами по себе также представляют собой опасность в случае, если от лезвия пилы отломается целый зубец. Разумеется, при резании образуется металлическая стружка разного размера, которая также может привести к повреждению и другим проблемам.
Если при врезке на середине процесса выходит из строя довольно сложный пильный инструмент, то это может означать невозможность обратного перемещения, вследствие того, что инструмент может застрять внутри или его невозможно поднять из отверстия ответвления тройника трубопровода. Такая ситуация может потребовать полной остановки главного трубопровода, что, соответственно, приведет к значительным экономическим последствиям.
В любом случае тройник, выполненный с возможностью "горячей врезки", выполняется с канавками и уплотнительными поверхностями для обеспечения установки пробки. Преимуществом считается то, что для открытия/закрытия тройника необходим только один инструмент. Обычно требуется два типа инструментов: одна пила для горячей врезки и один перекрывающий поток инструмент. Согласно новой концепции выбор инструмента зависит только от перекрывающего инструмента. К тому же это снижает риск возникновения неисправностей во всей системе.
В соответствии с настоящим изобретением предложен описанный во вступительной части тройник, отличающийся тем, что указанное уплотнение отверстия образовано металлической диафрагмой, которая находится в контакте с текучей средой, протекающей в главном канале, выполнена более тонкой, чем стенка тройника, и поддерживается пробкой, вставленной в ответвление тройника.
Таким образом, достигается очень хорошо управляемое удаление металлической диафрагмы при открытии ответвления тройника. Эта тонкостенная металлическая диафрагма вместе с опорной пробкой заменяет ранее описанную пластину.
Предпочтительно металлическая диафрагма может иметь толщину от 1/20 до 1/2 толщины стенки тройника.
Предпочтительно металлическая диафрагма имеет разрывную бороздку, разрывающуюся при извлечении пробки.
Металлическая диафрагма может быть свободно прикреплена к пробке и извлекается вместе с ней, когда извлекается пробка.
Кроме того, пробка может содержать внутренние средства активации, которыми можно управлять с помощью инструмента.
В свою очередь средства активации могут содержать конический сердечник, обеспечивающий возможность расширения запорного кольца.
В соответствии с настоящим изобретением также предложен инструмент для открытия ответвления тройника, определенного в пп.1-3 формулы изобретения. Это открытие осуществляется при условии полного управления с полным производственным давлением и при наличии текучей среды. Инструмент используется совместно с клапанным узлом, который вначале герметично устанавливается на ответвление тройника. В нижнем конце инструмент имеет соединение для взаимодействия с пробкой. Это может быть байонетное соединение, резьбовое соединение или защелкивающееся соединение.
В соответствии с настоящим изобретением также предложен описанный во вступительной части способ, отличающийся тем, что инструментом является перекрывающий инструмент, который опускают через клапанный узел и который устанавливает механическое соединение с пробкой, при этом перекрывающий инструмент извлекают вместе с пробкой и металлической диафрагмой при отделении диафрагмы от тройника, при этом перекрывающий инструмент, пробка и диафрагма находятся в перекрывающем модуле, причем клапанный узел закрывают и изолируют тройник от окружающей среды, а перекрывающий модуль отсоединяют от клапанного узла и удаляют, при этом теперь указанный клапанный узел готов к подсоединению трубопровода.
Предпочтительно металлическую диафрагму отделяют от тройника по предварительно изготовленным бороздкам.
Другие и дополнительные цели, признаки и преимущества будут ясны из последующего описания предпочтительных вариантов выполнения изобретения, приведенных с целью описания в контексте с приложенными чертежами, на которых:
Фиг.1 изображает обычный тройник,
Фиг.2 изображает обычный шаровой клапан, установленный на обычном тройнике,
Фиг.3 изображает обычный инструмент, установленный на обычном шаровом клапане,
Фиг.4 иллюстрирует в действии инструмент в виде пилы для горячей врезки, предназначенный для прорезания пластины,
Фиг.5 изображает инструмент в извлеченном положении с извлеченной пластиной,
Фиг.6 также изображает тройник и шаровой клапан, готовый для установки на ответвление тройника,
Фиг.7 изображает предложенный тройник, выполненный в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг.8 изображает обычный шаровой клапан, установленный на указанном предложенном тройнике,
Фиг.9 изображает модифицированный инструмент, установленный на обычный шаровой клапан в соответствии с Фиг.8,
Фиг.10 изображает в действии модифицированный инструмент, показанный в виде извлекающего инструмента, для извлечения опорной пробки и металлической диафрагмы,
Фиг.11 изображает модифицированный инструмент в положении извлечения, удерживающий пробку и металлическую диафрагму,
Фиг.12 также изображает указанный предложенный тройник и обычный шаровой клапан, готовые к установке на ответвление тройника,
Фиг.13 изображает опорную пробку и ее конструкцию в деталях, Фиг.14 изображает модифицированный инструмент в соответствии с изобретением,
Фиг.15 изображает вариант выполнения металлической диафрагмы до установки пробки,
Фиг.16 изображает то же, что и Фиг.15, но с установленной пробкой,
Фиг.17 изображает пробку и диафрагму, отсоединенные от тройника,
и Фиг.18А и 18В изображают другой вариант выполнения изобретения.
Обычный способ выполнения "горячей врезки" (работ без прекращения эксплуатации) ниже проиллюстрирован со ссылкой на Фиг.1-6. Фиг.1 представляет собой обычный тройник, подготовленный для прокладывания по морскому дну вместе с трубопроводом (не показан) во время обычной работы по прокладке трубопровода. Как отмечалось выше, трубопроводы такого типа имеют наружный диаметр от 25 до 45 дюймов (от 635 до 1143 мм) и при эксплуатации находятся при давлении до 350 бар (350 МПа) и больше. Обычно ответвления в тройниках имеют наружный диаметр от 6 до 16 дюймов (от 152 до 406 мм) и работают при том же давлении, когда они вводятся в эксплуатацию.
Тройник 10 готов для указанной "горячей врезки", когда толстостенная стальная пластина 11 формирует "дно" в ответвлении 10b тройника и, таким образом, создает одновременно барьер для текучей среды и барьер для давления от главного канала 10а. Обычная толщина пластины 11 составляет 50 мм при описанных во вступительной части условиях. Пластина 11 формирует необходимый барьер от окружающей среды.
Кроме того, верхняя часть ответвления 10b тройника 10 выполнена с фланцем 14 и с возможностью будущего механического соединения. Обычно для установления такого механического соединения может использоваться зажимной соединитель. До установления такого соединения место соединения предохраняется колпаком или крышкой (не показаны).
При необходимости в использовании тройника в верхней части ответвления 10b тройника 10 устанавливают шаровой клапан, как показано на Фиг.2. В качестве общего названия соединитель, шаровой клапан и опорная рама для обеих частей называется термином клапанный модуль 15. На нижнем конце клапанного модуля расположен фланец 16, который соответствует фланцу 14 ответвления 10b. Соединение осуществляют поверх фланцев 14, 16 с помощью механического соединителя (не показан), такого как упомянутый зажимной соединитель. Кроме того, в верхней части клапанного модуля 15 имеется соединительный фланец 17, который, как и тройник 10, предназначен для механического соединения (не показано), которое осуществляется поверх соединительных фланцев. При этом механическим соединителем может быть зажимной соединитель.
Как показано на Фиг.3, в верхней части клапанного модуля 15 установлен инструментальный узел 20. Узел 20 содержит устройство 21 горячей врезки, предназначенное для прорезания насквозь толстой стальной пластины 11. Узел 20 установлен на модуле 15 посредством другого механического соединителя, осуществляющего соединение поверх нижнего фланца 22 инструментального узла и фланца 17 клапанного модуля 15.
При выполнении технологической операции сквозного прорезания сначала открывают шаровой клапан 18. Затем в полости 19 модуля 15 и в режущем инструменте 20 повышают давление таким образом, что перепад давления между трубопроводом и полостью 19 уравновешивается.
Затем устройство 21 опускают через шаровой клапан 18 вниз к стальной пластине 11, расположенной в дне ответвления 10а тройника 10, как показано на Фиг.4. Дополнительно, устройство 21 содержит центровое сверло 23 с кромками. Когда стальная пластина 11 просверливается насквозь, высверленная часть пластины 11 повисает на центровом сверле 23.
После того как отверстие просверлено, устройство 21 вытаскивают наверх через шаровой клапан 18, причем вырезанная стальная пластина 11 прочно прикреплена и вытаскивается вместе с ним. См. Фиг.5. Затем шаровой клапан 18 закрывают, герметично закрывая трубу от окружающей среды. После этого весь инструмент 20 отсоединяют от модуля 15 и поднимают на поверхность. См. Фиг.6. Теперь тройник 10 готов к соединению с другим ответвлением трубопровода (не показан).
Ниже описан новый способ выполнения "горячей врезки" (работ без прекращения эксплуатации) в соответствии с настоящим изобретением и со ссылкой на Фиг.7-12. Части, элементы и модули на Фиг.7-12, одинаковые с показанными на Фиг.1-6, имеют одинаковые номера позиций. Фиг.7 представляет собой новый тройник 1, подготовленный для прокладывания вместе с трубопроводом (не показан) во время обычной работы по прокладке трубопровода. Как отмечалось выше, трубопроводы такого типа имеют наружный диаметр от 25 до 45 дюймов (от 635 до 1143 мм) и при эксплуатации находятся при давлении до 350 бар (350 МПа) и больше. Обычно ответвления трубопроводов имеют наружный диаметр от 6 до 16 дюймов (от 152 до 406 мм) и работают при том же давлением, когда они вводятся в эксплуатацию.
Как уже отмечалось, тройник 1 подготовлен для "горячей врезки". Это сделано таким образом, что вместо обычной толстостенной стальной пластины на дне ответвления 1b тройника 1 выполнена металлическая диафрагма (или мембрана) 2. См. Фиг.7. Металлическая диафрагма 2 выполнена, как и прежде, за одно целое с поверхностями тройника и создает барьер для текучей среды и барьер для давления от главного канала 1а. Однако диафрагма 2 имеет недостаточную толщину для того, чтобы во время работы выдерживать давление в тройнике 1, и она может взломана, если останется сама по себе. Таким образом, отсутствует соответствующий требованиям барьер для давления между главным каналом 1а и каналом 1b ответвления. Поэтому в канал 1b ответвления вставлена опорная пробка 3. Нижняя часть пробки 3 упирается в металлическую диафрагму 2, обеспечивая, таким образом, необходимую поддержку пробке и предотвращая выпадение диафрагмы. Обычная толщина диафрагмы 2 составляет от 5 до 10 мм при описанных во вступительной части описания условиях. Пробка 3 и диафрагма 2 совместно формируют необходимый барьер для текучей среды и барьер для давления от окружающей среды. Для усовершенствования контроля, в случае необходимости вскрытия ответвления 1b для соединения, предложен описанный выше способ.
Как уже отмечалось, верхняя часть тройника 1 выполнена с фланцем 4 и с возможностью будущего механического соединения с помощью такого устройства, как зажимной соединитель. До установления такого соединения место соединения предохраняется колпаком или крышкой (не показаны).
При необходимости в использовании нового тройника 1 в верхней части ответвления 1b тройника устанавливают обычный клапанный модуль 15, как показано на Фиг.8, в полном соответствии с описанием к Фиг.2. Как уже упоминалось, соединение осуществляется с помощью механического соединителя (не показан) поверх фланца 4 и нижнего фланца 16 на клапанном модуле 15. В верхней части клапанного модуля 15 имеется верхний фланец 17, который, как и тройник 1, приспособлен к механическому соединителю.
Как уже упоминалось, в верхней части клапанного модуля 15 устанавливают инструментальный узел 5, как показано на Фиг.9, что соответствует показанному на Фиг.3. Этот инструмент 5 модифицирован и содержит извлекающий инструмент 6, выполненный с возможностью извлечения пробки 3 и извлечения металлической диафрагмы 2 за одну и ту операцию. Как уже упоминалось, инструмент 5 устанавливают на модуль 15 с помощью другого механического соединителя (не показан), действующего поверх верхнего фланца 17 клапанного модуля 15 и нижнего фланца 7 узла 5.
При выполнении операции по извлечению сначала открывают шаровой клапан 18. Давление в полости 19 модуля 15 шарового клапана и перекрывающем поток инструменте 5 повышают таким образом, что перепад давлений между трубопроводом и полостью 19 уравновешивается.
Как показано на Фиг.10, через шаровой клапан 18 опускают извлекающий пробку инструмент 6, который имеет механическое соединение для пробки 3. Механическое соединение может быть байонетным соединением, резьбовым соединением или защелкивающимся соединением. Затем инструмент 6 извлекают вместе с пробкой 3 и диафрагмой 2, которая отделяется от тройника, предпочтительно по предварительно выполненным бороздкам. Разрывная бороздка может иметь форму наружной метки или канавки, расположенной по окружности по внутренней периферии ответвления, внутри в сторону главного канала 1а, или же снаружи в сторону от ответвления 1b,
Когда инструмент 6, пробка 3 и диафрагма 2 находятся в инструменте 5, клапан 18 закрывают. См. Фиг.11. Это изолирует трубу от окружающей среды. Затем весь перекрывающий инструмент 5 отсоединяют от модуля 15 и поднимают на поверхность. См. Фиг.12. Таким образом, теперь тройник 1 готов к подсоединению нового ответвления трубопровода через модуль 15.
Фиг.13 представляет собой более подробный вариант выполнения опорной пробки 3. Пробка 3 имеет нижний корпус 3а, имеющий нижнюю опорную поверхность 3f, которая поддерживает диафрагму 2 при установке опорной пробки 3 в ответвление 1b. Кроме того, пробка 3 имеет верхний корпус 3b или колпачок, который расположен на расстоянии от нижнего корпуса 3а пробки, но присоединен к нему болтами 3g. Между верхним и нижним корпусами 3a и 3b пробки расположено рабочее кольцо 3c, которое оказывает действие через периферийную поверхность 3c' на внутреннюю поверхность 3d' разрезного кольца 3d, или распорного кольца, которое ограничивает рабочее кольцо 3с. Более подробно это изложено ниже со ссылками на Фиг.15-17.
Пробка 3 является составной частью, выполненной с возможностью выполнения нескольких функций. Во-первых, пробка должна быть выполнена так, чтобы обеспечивать возможность ее зацепления и формирования опоры для диафрагмы 2, чтобы диафрагму не сорвало, также она образует отверстие в ответвлении 1b. Ответвление 1b выполнено с внутренними канавками или бороздками 1b', которые должны взаимодействовать с внешними канавками 3d'' или бороздками на разрезном кольце 3d, размещенном на пробке 3. Разрезное кольцо 3d приводится в действие с возможностью радиального расширения при помощи рабочего кольца 3c путем перемещения кольца 3c вниз. Это происходит потому, что на периферийной поверхности 3c' выполнены кулачковые поверхности, которые осуществляют контакт с соответствующими поверхностями 3d' разрезного кольца 3d. Таким образом, кольцо 3d действует как запорное кольцо, которое удерживает пробку 3 на своем месте в ответвлении 1b.
Во-вторых, необходимо, чтобы пробка 3 была выполнена с возможностью извлечения в будущем, чтобы открыть доступ потоку через ответвление 1b. Затем рабочее кольцо 3c нужно поднять из нижнего корпуса 3а пробки таким образом, чтобы высвободить и сжать разрезное кольцо 3d, что облегчает взаимодействие с внутренними канавками ответвления 1b. Затем пробку можно извлечь.
Чтобы извлечь пробку 3, инструмент 5 устанавливают на клапанный модуль 15, как показано на Фиг.9 и более подробно на Фиг.14, где инструмент показан с извлеченной пробкой 3 и удерживаемой частью 2' диафрагмы. Теперь инструмент 5 модифицирован и содержит извлекающий инструмент 6, выполненный с возможностью извлечения пробки 3 и диафрагмы 2 за одну и ту же операцию. Как уже упоминалось, инструмент 5 устанавливают посредством механического соединения (не показано), которое действует поверх верхнего фланца 17 клапанного модуля 15 и нижнего фланца 7 на инструменте 5.
На Фиг.15 показан возможный вариант выполнения диафрагмы 2 перед установкой пробки. Несколько пальцевых болтов 2а или аналогичных деталей выступают наружу из диафрагмы 2. Пробку устанавливают выше болтов 2а и закрепляют гайками 2b, как показано на Фиг.16. Блокировка происходит с разрезным кольцом 3d, что описано выше. Фиг.17 иллюстрирует последовательность действий, следующих за отделением и подъемом пробки 3, включая диафрагму 2, - без показа инструмента. Тем не менее, понятно, что применяется извлекающий инструмент 5, 6.
Фиг.18А представляет собой вариант выполнения с разрывными бороздками В в диафрагме 2, показанными более подробно на Фиг.18В. Части, элементы или модули, одинаковые с изображенными на Фиг.7-12, имеют одинаковые номера позиций. Как уже упоминалось, диафрагма 2 выполнена неразрывно с поверхностями тройника 1 и создает барьер для текучей среды и барьер для давления от главного канала 1а. Однако теперь диафрагма 2 имеет разрывную бороздку/разрушаемую бороздку В, проходящую по кругу рядом с внутренней стенкой ответвления 1b. Как уже упоминалось, нижняя часть пробки 3 опирается на диафрагму 2, обеспечивая, таким образом, необходимую поддержку и предотвращая разрушение диафрагмы. Обычная толщина диафрагмы 2 составляет от 5 до 10 мм при описанных во вступительной части описания условиях. Пробка 3 и диафрагма 2 совместно формируют необходимый барьер для текучей среды и барьер для давления от окружающей среды. Описанный выше способ предложен для усовершенствования управления в случае необходимости вскрытия ответвления 1b для соединения. Разрывная бороздка может находиться с обеих сторон или только на одной из сторон. Здесь показана бороздка на обеих сторонах.
Далее выполняют "горячую врезку", как описано выше со ссылками на Фиг.7-12, но отрывание металлической диафрагмы 2' осуществляется при более контролируемых условиях.