ПОДВОДНЫЙ КЛАПАН И СПОСОБ ЗАЩИТЫ ПОДВОДНОГО КЛАПАНА
UNDERWATER VALVE AND METHOD OF ITS PROTECTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе подводного клапана, обеспечивающей в условиях подводной среды более высокие потребительские свойства, чем свойства обычного клапана.
Уровень техники
В большинстве подводных прикладных задач для управления работой оборудования, например, технологическими клапанами (закрывание и открывание) и исполнительными механизмами используются электрогидравлические клапаны. Такие клапаны могут приводиться в действие либо электроэнергией, передаваемой непосредственно с поверхности по отдельным электрическим проводам, либо электричеством, подаваемым по проводам от местной подводной системы управления. Клапаны могут быть установлены внутри подводного резервуара (оболочки) вместе с подводной системой управления или на некотором расстоянии от системы управления, обычно в специализированном резервуаре. Основное назначение резервуара - обеспечить благоприятную среду для корпусов клапанов, и поэтому резервуар обычно заполняют текучей средой, обладающей электроизоляционными и антикоррозийными свойствами, в типичном случае, гидравлической жидкостью или силиконовым маслом.
Текучая среда внутри резервуара обычно поддерживают при таком же давлении, что и наружное давление, создаваемое высотой водяного столба. Типично, под водой на глубине 3000 м статическое наружное давление составляет около 300 бар. Тогда давление внутри резервуара обычно поддерживают также приблизительно равным 300 бар, используя устройства компенсации давления. Компенсаторы давления обычно представляют собой эластичные камеры, которые могут раздуваться или сжиматься, чтобы компенсировать незначительные изменения объема жидкости внутри резервуара, вызванные изменениями температуры или абсолютного давления.
С увеличением глубины внешнее сверхдавление снаружи корпуса клапана будет возрастать. Если текучая среда, которой управляет клапан, требуется поддерживать при низком давлении, то разность между давлением жидкости, которой клапан управляет, и наружным давлением, окружающим корпус клапана, будет нарастать. Например, на глубине 5000 м наружное давление может составлять около 500 бар, и если давление жидкости составляет, к примеру, 100 бар, то перепад давления, при котором клапану придется работать, составит 400 бар. Такой перепад давления для существующих, аттестованных клапанов может оказаться критическим.
Системы подводных трубопроводов принято испытывать давлением на отсутствие утечек, и при этом часто используется испытательное давление порядка 700 бар. Это испытательное давление прикладывается дополнительно к статическому давлению на глубине. На очень больших глубинах абсолютное давление в процессе испытаний может быть очень высоким - в типичном случае 1000 бар на глубине 3000 м.
Электрогидравлические клапаны иногда используются для управления текучей средой, служащей в качестве барьера, которая используется внутри оборудования, обычно такого, как электрические двигатели. Текучую среду, используемую в качестве барьера, поддерживают при испытательном давлении плюс небольшой запас, обеспечивающий положительное превышение давления, обычно 20-30 бар над испытательным давлением.
Это означает, что, например, на глубине 3000 м при испытательном давлении 700 бар текучая среда, которой будет управлять электрогидравлический клапан, будет поддерживаться под давлением 700+300+30=1030 бар на впускном/выпускном отверстиях.
Если электрогидравлический клапан используется в таком случае и устанавливается внутри камеры, где давление уравновешено относительно наружного давления воды на глубине, то перепад давления между наружным корпусом клапана и текучей средой, которой клапан управляет, может быть очень высоким, в типичном случае 1030-300=730 бар. Столь высокий перепад давления для существующих, аттестованных клапанов может оказаться критическим.
В патентной публикации США 2004/0173268 описаны система, устройство и способ построения системы линии гидравлического управления. Система может включать в себя гидравлический управляющий клапан, съемный монтажный модуль и монтажный узел. Гидравлический управляющий клапан может включать в себя корпус, при этом корпус содержит функциональный канал, питающий канал, обеспечивающий подачу жидкости в функциональный канал, и отводящий канал, обеспечивающий отвод жидкости из функционального канала.
В патенте США 3933338 описана система отказоустойчивого клапана с уравновешенным штоком, в которой отказоустойчивый клапан с уравновешенным штоком управляет потоками жидкостей через подводный трубопровод. Закрытая подводная гидравлическая система приводит клапан в действие или обеспечивает питание клапана.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является усовершенствование существующих систем или снижение остроты проблем, связанных с существующими системами. Другая задача состоит в создании системы клапана, которая может быть использована на больших глубинах со стандартными клапанами.
Указанные задачи решаются посредством соответствующей изобретению системы клапана, которая определена в независимом пункте прилагаемой формулы изобретения. Другие аспекты изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения и в описании изобретения.
Согласно изобретению предлагается система подводного клапана, содержащая клапан; подающую жидкостную магистраль, которая выполнена с возможностью присоединения к удаленному источнику текучей среды и при этом присоединена к впускному отверстию клапана; выпускное отверстие клапана, выполненное с возможностью присоединения к выпускной жидкостной магистрали. Система также содержит герметичный корпус, по меньшей мере, частично окружающий клапан. Согласно изобретению подающая жидкостная магистраль содержит выпускное отверстие внутри герметичного корпуса. За счет указанного выпускного отверстия, открывающегося из подающей жидкостной магистрали, в корпусе можно установить давление, по существу равное давлению текучей среды во впускном отверстии клапана. Благодаря этому работа клапана осуществляется при более низком перепаде давления между текучей средой в клапане и текучей средой, которая окружает клапан.
Согласно одному аспекту герметичный корпус может полностью окружать клапан. Тогда герметичный корпус может представлять собой стандартный не проницаемый для текучей среды корпус с отверстиями для присоединения подающей жидкостной магистрали, которая ведет в клапан, и выпускной магистрали, которая выводит из клапана. Также могут присутствовать и прочие кабели управления, которые подходят к клапану внутри корпуса. Корпус может также содержать и другие клапаны, управляющие устройства и иное оборудование.
Согласно другому аспекту удаленный источник текучей среды может быть расположен над водной поверхностью, в то время как система клапана погружена в воду. В этом случае подающая жидкостная магистраль будет проходить от указанного надводного источника к системе подводного клапана. В другом варианте осуществления удаленный источник текучей среды также может быть погружен в воду, но находится на некотором расстоянии от системы клапана и возможно на аналогичной или другой глубине, нежели глубина расположения системы клапана.
Согласно еще одному аспекту указанный клапан может являться электрогидравлическим клапаном.
Согласно следующему аспекту корпус может содержать, по меньшей мере, один основной клапан и, по меньшей мере, один вспомогательный клапан для управления указанным, по меньшей мере, одним основным клапаном, причем подающая жидкостная магистраль присоединена как к основному клапану, так и к вспомогательному клапану. Также может существовать одна общая или две раздельных подающих жидкостных магистрали, присоединенных к двум основным клапанам, причем в этом случае только в одной из подающих жидкостных магистралей требуется одно выпускное отверстие, соединяющее магистраль с полостью корпуса, для установления давления внутри корпуса более близким к давлению внутри клапана по сравнению с наружным давлением в месте установки системы клапана.
Согласно другому аспекту изобретения корпус может быть установлен внутри внешнего резервуара, давление внутри которого, в общем, поддерживается равным текущему наружному давлению в месте установки системы клапана. В другом варианте осуществления система клапана присоединена к погруженной в воду насосной системе, которая расположена внутри погруженного в воду резервуара.
Согласно еще одному аспекту выпускное отверстие подающей жидкостной магистрали внутри корпуса ведет в систему компенсации давления, выполненную внутри корпуса. Данная система компенсации давления может, например, представлять собой сильфонную систему, причем за счет указанной системы компенсации давления давление текучей среды, находящейся внутри жидкостной подающей магистрали, передается текучей среде, находящейся внутри корпуса, но без смешения указанных двух текучих сред. При этом вокруг клапанов можно поддерживать благоприятную в функциональном отношении текучую среду и в то же самое время создавать в этой среде давление, близкое давлению текучей среды на входе в клапан.
Настоящее изобретение также предлагает способ защиты системы подводного клапана, в котором клапан с его впускным отверстием и выпускным отверстием, по меньшей мере, частично располагают внутри герметичного корпуса. Способ содержит этапы, на которых подающую жидкостную магистраль соединяют с впускным отверстием клапана и с удаленным источником текучей среды, предусматривают выпускное отверстие в подающей жидкостной магистрали внутри герметичного корпуса, обеспечивают подачу текучей среды в подающую жидкостную магистраль, тем самым добавляют подаваемую текучую среду внутрь корпуса, и устанавливают давление текучей среды внутри корпуса по существу близким давлению текучей среды во впускном отверстии клапана, которое создается текучей средой, поступающей через подающую жидкостную магистраль.
Краткое описание чертежей
Вариант выполнения настоящего изобретения будет подробнее описан ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, из которых:
фиг.1 представляет собой эскиз, демонстрирующий возможное применение системы подводного клапана;
фиг.2 изображает возможный вариант осуществления системы клапана в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение касается системы подводного клапана, который погружен в воду и располагается ниже водной поверхности 1 моря: в некоторых случаях на дне моря, а в некоторых случаях - на некотором расстоянии от морского дна, например, вблизи подводной установки или образуя часть подводной установки, например, оборудования устья скважины, технологической установки и т.п. Система клапана снабжается текучей средой, подводимой из удаленной точки. На фиг.1 такая точка показана в виде сооружения 2, находящегося над морской водной поверхностью 1. На сооружении 2 расположен резервуар 3 с текучей средой, соединенный с подающей жидкостной магистралью 10. В подающей жидкостной магистрали 10 также установлен клапан 4 одностороннего действия и насос 5 для увеличения давления текучей среды в магистрали 10 до такого уровня, с каким требуется доставлять текучую среду к системе клапана. Для выравнивания давления и ограничения пульсаций давления в подающей жидкостной магистрали с двух сторон управляющего клапана 7 также установлены первый аккумулятор 6, дроссель 8 и второй аккумулятор 9. Подающая жидкостная магистраль 10 может доставлять текучую среду к одному или нескольким погруженным в воду резервуарам 16.
Как показано на фиг.2, в погруженном в воду резервуаре 16 может быть установлено различное оборудование, среди которого имеется корпус 11, который, согласно изобретению, окружает первый клапан 12, при этом подающая жидкостная магистраль 10 присоединена к впускному отверстию 13 первого клапана 12. Первый клапан 12 также содержит выпускное отверстие 14, ведущее к выпускной магистрали 15. Показано, что данная выпускная магистраль выходит из корпуса 11 и идет к системе, в которой имеется аккумулятор 19, мотор 17, соединенный с насосом 18, и т.п. В соответствии с изобретением в корпусе 11 предусмотрено выпускное отверстие 101, которое открывается из подающей жидкостной магистрали 10. Корпус 11 через данное выпускное отверстие 101 будет заполняться текучей средой, поступающей из подающей жидкостной магистрали 10, под давлением, близким к давлению во впускном отверстии 13 первого клапана 12. В представленном варианте осуществления предусмотрен второй клапан 20, у которого имеется впускное отверстие 21, соединенное с подающей жидкостной магистралью 10, и выпускное отверстие 22, соединенное с выпускной магистралью 15.
Когда выпускное отверстие 22 клапана закрыто и наружное давление внутри корпуса 11 возрастает, объем внутри линии 301 между выпускным отверстием 22 и обратным клапаном 201 может оказаться запертым при пониженном давлении. Чтобы исключить этот эффект, в линии между выпускным отверстием 22 клапана и обратным клапаном 201 установлен разгрузочный клапан 302, который пропускает текучую среду в магистраль при определенном избыточном давлении (в типичном случае - 345 бар, причем эта величина указана для примера; могут использоваться и другие значения). Обратный клапан 301 препятствует поступлению жидкости из линии 303 в корпус 11.
Хотя настоящее изобретение было описано на примере одного предпочтительного варианта, для специалистов в данной области будет понятно, что в форму и детали осуществления изобретения могут быть внесены изменения, не выходящие за границы идеи и объема изобретения, который определяется прилагаемой формулой изобретения. Можно устроить так, чтобы выпускное отверстие 101, предусмотренное в корпусе 11, вело в сильфонную систему (не показана) внутри корпуса 11, посредством которой осуществлялась бы компенсация давления во внутреннем, заполненном текучей средой пространстве корпуса 11 в зависимости от давления текучей среды в подающей жидкостной магистрали 10. Корпус может быть размещен непосредственно в воде без внешнего резервуара 16. Внутри корпуса может быть размещено и другое оборудование. В корпусе может быть установлен только один клапан.