МОДУЛЬ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОДВОДНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ
PRESSURE SENSOR MODULE FOR SUB-SEA APPLICATIONS

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0001] Передатчик данных процесса обычно включает в себя преобразователь или датчик, который отвечает на технологический параметр. Технологический параметр обычно относится к физическому или химическому состоянию вещества или преобразования энергии. Примеры технологических параметров включают в себя давление, температуру, поток, проводимость, pH и другие свойства. Давление рассматривают в качестве основного технологического параметра, который может быть использован для измерения потока, уровня и даже температуры.
[0002] Датчики давления обычно используются в промышленных процессах для измерения и контроля давлений в различных промышленных технологических текучих средах, таких как суспензии, жидкости, пары или газы, химических, целлюлозных, нефтяных, газовых, фармацевтических, пищевых и других технологических установках жидкостного типа. Датчики дифференциального давления обычно включает в себя два ввода давления технологической жидкой среды, которые выполнены с возможностью соединения с датчиком дифференциального давления (внутри передатчика), который отвечает на разницу давления между двумя вводами. Передатчики дифференциального давления обычно включают в себя две вентиль-диафрагмы (перегородки), которые расположены во входных отверстиях технологических текучих сред и изолируют датчик дифференциального давления от жестких технологических текучих сред, которые обнаруживают. Давление передается от технологической текучей среды к датчику дифференциального давления по существу через несжимаемую заполняющую текучую среду, переносимую через перепускной порт, продолжающийся от каждой вентиль-диафрагмы к датчику дифференциального давления.
[0003] Существуют обычно два типа модулей датчика дифференциального давления. Первый тип модуля датчика дифференциального давления называется бипланарный модуль датчика. В таком модуле датчика дифференциального давления две вентиль-диафрагмы расположены в разных плоскостях и часто коаксиально центрированы друг с другом. Фиг. 1 представляет собой схематичное изображение известного бипланарного модуля датчика (проиллюстрирован внутри прямоугольника 12), который применяется в передатчике 10 дифференциального давления, который тарифицирован до 15000 фунтов на квадратный дюйм (103400 кПа) давления в линии. Передатчики дифференциального давления, в которых используются бипланарные модули датчика для давлений в линии больше чем 6000 фунтов на квадратный дюйм (41370 кПа), часто бывают очень большими и сложными. Обычно это обусловлено фланцами и болтами, которые требуются, чтобы сдерживать такое высокое давление в линии. Такие большие узлы обычно не являются идеальными для применений, которые требуют погружения в морскую воду, потому что они требуют больших дорогостоящих оболочек для защиты модуля датчика и от коррозии в морской воде, и от потенциально высокого давления, являющегося результатом глубоководного подводного использования.
Например, такой передатчик 10 дифференциального давления может иметь высоту более 8,5 дюймов (21,59 см) и ширину более 6 дюймов (15,24 см).
[0004] Второй тип модуля датчика дифференциального давления известен как копланарный модуль датчика. В копланарном модуле датчика вентиль-диафрагмы обычно расположены в одной и той же плоскости как одна, так и другая.
[0005] Даже будучи сконфигурированным для высоких давлений в линии, передатчик 10 (показанный на фиг.1) не подходит для постоянного погружения в морскую воду. Соответственно, если передатчик должен быть использован в применениях, которые требуют его погружения в морскую воду, такую как в устье скважины нефтяной скважины, то требуются значительные модификации. На фиг. 2 проиллюстрирован бипланарный модуль 14 датчика дифференциального давления по фиг. 1, где модуль 14 датчика был подготовлен для подводного использования. Узел 20, содержащий модуль 14 датчика и оболочку 16, является достаточно большим, что обусловлено необходимостью создания оболочки 16 вокруг всего модуля 14 датчика. Например, один такой узел 20 имеет высоту приблизительно 16 дюймов (40,64 см) и диаметр приблизительно 8 дюймов (20,32 см). Кроме того, поскольку используемые в конструкции оболочки 16 материалы являются дорогостоящими, одна оболочка 16 может сделать весь узел 20 достаточно дорогим.
[0006] Выполнение передатчика дифференциального давления для высокого давления в линии, который более легко приспособляем к подводной среде, не требует обширной модификации или расходов, будет облегчать более широкое использование модулей датчиков дифференциального давления и измерения связанных параметров, таких как поток, давление и уровень в подводной окружающей среде.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] В одном варианте осуществления настоящего изобретения предложен копланарный модуль датчика дифференциального давления.
Модуль включает в себя основание с двумя углублениями. Выполнены также два цоколя, где каждый цоколь расположен в соответствующем углублении и соединен с соответствующей вентиль-диафрагмой. Датчик дифференциального давления имеет измерительную диафрагму и два порта считывания давления. Каждый порт датчика дифференциального давления соединен по текучей среде с соответствующей изоляционной диафрагмой посредством заполняющей текучей среды. Модуль также включает в себя схему, соединенную с датчиком дифференциального давления, для измерения электрической характеристики датчика, которая изменяется с изменением дифференциального давления. Основание сконструировано из материала, который подходит для погружения в морскую воду. Предложен также способ сооружения копланарного модуля датчика дифференциального давления. В другом варианте осуществления настоящего изобретения предложен модуль датчика давления. Модуль датчика давления включает в себя основание с углублением. Цоколь расположен в углублении и соединен с изоляционной диафрагмой. Датчик давления имеет измерительную диафрагму, при этом порт считывания давления соединен по текучей среде с изоляционной диафрагмой с помощью заполняющей текучей среды. Схема соединена с датчиком давления для измерения электрической характеристики датчика, которая изменяется с изменением давления. Основание выполнено из материала, который подходит для погружения в морскую воду.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Фиг. 1 представляет собой схематичное изображение известного бипланарного модуля датчика.
[0009] На фиг. 2 проиллюстрирован бипланарный модуль датчика дифференциального давления по фиг. 1, подготовленный для подводного использования.
[0010] Фиг. 3 представляет собой схематичное изображение копланарного модуля датчика дифференциального давления в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0011] Фиг. 4 представляет собой схематичный вид копланарного модуля датчика дифференциального давления, проиллюстрированного на фиг. 3 и выполненного с возможностью прямого погружения в морскую воду.
[0012] Фиг. 5 представляет собой схематичный вид в разрезе копланарного модуля датчика дифференциального давления в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0013] Фиг. 6 представляет собой блок-схему способа сооружения копланарного модуля датчика дифференциального давления в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0014] Фиг. 7 представляет собой блок-схему способа адаптации копланарного модуля датчика дифференциального давления для погружения в морскую воду в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ, ПРИВЕДЕННЫХ В КАЧЕСТВЕ ПРИМЕРОВ
[0015] Варианты осуществления настоящего изобретения в целом могут быть использованы в копланарном модуле датчика дифференциального давления, который имеет две копланарные изоляционные диафрагмы и цельносварную конструкцию. Дополнительно, по меньшей мере некоторые варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают защиту всех сварных швов, удерживающих критичное давление в линии, от морской воды, чтобы уменьшить возможность повреждения шва, обусловленного коррозией. Кроме того, используются соответствующие материалы, чтобы упростить подготовку копланарного модуля датчика дифференциального давления для подводных применений.
В альтернативном варианте, варианты осуществления настоящего изобретения могут быть использованы в передатчике давления, который не обнаруживает дифференциальное давление, но вместо этого обнаруживает давление одной технологической текучей среды, таком как передатчик абсолютного или манометрического давления.
[0016] Фиг. 3 представляет собой схематичный вид копланарного модуля 100 датчика дифференциального давления в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Модуль 100 датчика похож на модули датчика по предшествующему уровню техники в том, что он выполнен с возможностью соединения с оболочкой 102 электронной аппаратуры и может измерять дифференциальное давление, введенное на двух вводах 104, 106 давления технологической текучей среды. Однако участок 108 основания модуля 100 датчика дифференциального давления сконструирован из материала, который подходит для постоянного погружения в соленую воду. «Подходит для постоянного погружения в соленую воду» означает, что материал не будет корродировать или другим путем будет недопустимым образом разрушаться в присутствии соленой воды в течение срока службы жизнеспособного изделия. Примеры материалов, которые подходят для постоянного погружения в соленую воду, включают в себя Сплав С276, производимый Haynes International Inc., Кокомо, Штат Индиана под торговым обозначением Hasteloy C276; сплав Инконель 686, производимый The Special Metal Family of Companies, New Hartford, Нью-Йорк и сплав С-22, производимый Haynes International Inc. Особый интерес представляет собой сплав С276, который имеет следующий химический состав (вес. %): молибден 15,0-17,0; хром 14,5-16,5; железо 4,0-7,0; вольфрам 3,0-4,5; кобальт 2,5 максимум; марганец 1,0 максимум; ванадий 0,35 максимум; углерод 0,01 максимум; фосфор 0,04 максимум; сера 0,03 максимум; кремний 0,08 максимум; и остаток никель.
[0017] Как проиллюстрировано на фиг. 3, участок 108 основания может быть спроектирован более маленьким, чем модуль датчика дифференциального давления, проиллюстрированный на фиг. 1 и 2. Специально в этом примере, участок 108 основания имеет диаметр, равный 3,5 дюймам (8,89 см). Даже будучи присоединенным к оболочке 102 электронной аппаратуры, полная высота собранного передатчика в этом примере составляет только 8,25 дюймов (20,95 см). Модуль 100 датчика также включает в себя боковую стенку 110, соединенную с участком основания 108, который соединяет эту боковую стенку 110 с крышкой 112. Электрический переходник 114 выполнен с возможностью соединения с оболочкой 102 электронной аппаратуры и включает в себя проводники для обеспечения подачи энергии к модулю 100, а также двунаправленного сообщения. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения модуль 100 может сообщаться по тем же проводникам, по которым подается к нему питание.
[0018] Фиг. 4 представляет собой схематичный вид копланарного модуля 100 датчика дифференциального давления (фиг. 3), выполненного с возможностью постоянного погружения в морскую воду. Конкретно, верхний участок копланарного модуля 100 датчика дифференциального давления, проксимальная точка 115 электрического соединения закрыты торцевой крышкой 200 тяжело нагруженного подшипника, которая изготовлена из материала, который подходит для постоянного погружения в морскую воду. Кроме того, высокие давления, связанные с воздействием морской воды на предельной глубине, испытывает торцевая крышка 200, которая удерживает свою форму и целостность во время такого воздействия. Кроме того, торцевая крышка 200 предпочтительно сконструирована из того же материала, что и нижний участок 108 копланарного модуля 100 датчика дифференциального давления. Например, если нижний участок 108 модуля 100 сконструирован из Сплава С276, является предпочтительным, чтобы торцевая крышка 200 была сконструирована также из сплава С276. Однако в вариантах осуществления настоящего изобретения, где они сконструированы не из одних и тех же материалов, торцевая крышка 200 должна быть сконструирована из материала, который подходит для приваривания к участку 108 модуля 100. Это означает, что металлургические свойства двух материалов должны быть достаточно совместимы для сваривания, и/или что точки плавления двух материалов должны быть достаточно близкими друг к другу. Дополнительное требование для сварки разных металлов заключается в том, что металлургическое свойство результирующего сварного шва (которое отличается от металлургического свойства исходного материала) должно быть также коррозионно-стойким. Как может быть понятно из фиг. 4, копланарный модуль 100 датчика дифференциального давления может быть выполнен с возможностью относительно легкого постоянного погружения в морскую воду путем простого приваривания торцевой крышки 200 непосредственно к нижнему участку 108 на поверхности контакта 202. Кроме того, весь узел в данном примере является еще относительно маленьким, с диаметром около 3,5 дюймов (8,89 см) и высотой только 6,7 дюймов (17,02 см). Точка 115 электрического соединения через торцевую крышку 200 может быть выполнена любым подходящим образом. Например, стеклянное основание корпуса высокого давления может быть использовано для пропускания проводников через торцевую крышку 200, для того чтобы подсоединить к точке 115 соединения.
[0019] Фиг. 5 представляет собой схематичный вид в разрезе копланарного модуля 100 датчика дифференциального давления в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Модуль 100 включает в себя нижний участок 108, который сконструирован из материала, который походит для постоянного погружения в морскую воду. Фактически все компоненты ниже линии 204 выполнены с возможностью воздействия на них морской воды. Хотя некоторое число жизнеспособных материалов может подходить для погружения в морскую воду, особенно подходящим примером является упомянутый выше сплав С276. Нижний участок 108 соединен с боковой стенкой 110 и крышкой 112 для создания внутри камеры 206. Датчик 208 дифференциального давления расположен в камере 206 и имеет два ввода 210, 212 датчика дифференциального давления, которые передают технологическое давление на отклоняемую диафрагму 214, которая имеет электрическую характеристику, такую как емкостное сопротивление, которое изменяется с отклонением диафрагмы. Электрическую характеристику измеряют или она иным путем передается схемой 216 на имеющийся проксимальный датчик 208. Схема 216 также определяет измерение емкостного сопротивления для передачи через точку 115 электрического соединения.
[0020] Как отмечено выше, все компоненты, расположенные ниже линии 214, могут быть подвержены непосредственному воздействию морской воды. Таким образом, компоненты должны быть не только коррозионно-стойкими в таких средах, они должны быть выполнены с возможностью выдерживать высокое линейное давление, такое как 15000 фунтов на квадратный дюйм (103400 кПа). Участок 108 основания включает в себя два углубления 217, 219, причем каждое углубление имеет соответствующий цоколь 218, 220. Вентиль-диафрагма 222 соединена с каждым цоколем 218, 220 и проводит соответствующее давление технологической текучей среды через заполняющую текучую среду, расположенную в соответствующих перепускных портах 224, 226. Таким образом, два давления технологической текучей среды передаются на датчик 208 дифференциального давления, не позволяя технологической текучей среде контактировать с датчиком 208 дифференциального давления.
[0021] Другой важный аспект модуля 100 заключается в разделении между компонентами с нагрузкой от высокого линейного давления (до 15000 фунтов на квадратный дюйм (103400 кПа)) и компонентами с нагрузкой от высоких давлений окружающей среды («только» 5000 фунтов на квадратный дюйм (34470 кПа)) в подводной среде. Это разделение, обозначенное ссылочной позицией 235, является важным по нескольким причинам. Глубина в море не влияет на считывание дифференциального давления. Высокое линейное давление не является статическим, приводя к давлению усталостной нагрузки на датчик 208, технологические соединители 230, 232 и цоколи 218, 220. Поскольку компоненты корпуса изолированы от линейного давления, компоненты корпуса не должны быть спроектированы под усталость, а только под постоянное давление окружающей среды.
[0022] Как проиллюстрировано на фиг. 5, каждый порт 104,106 давления технологической текучей среды предпочтительно включает в себя соответствующий интегрированный технологический соединитель 230, 232, который приварен к нижнему участку 108, для того чтобы обеспечить коррозионно-стойкое выдерживающее высокое давление соединение. Каждый шов продолжается по всей окружности каждой муфты таким образом, что шов не только прочно монтирует муфту на участке 108, но также скрепляет муфту с участком 108. Шов определяет только взаимодействие между компонентами, нагруженными давлением окружающей среды, и компонентами, нагруженными линейным давлением. Каждая интегрированная технологическая муфта 230, 232 включает в себя принимающую давление технологической текучей среды прорезь 236, которая выполнена с возможностью воздействия технологической текучей среды под давлением до 15000 фунтов на квадратный дюйм (103400 кПа). Дополнительно, каждый цоколь 218, 220 также предпочтительно приварен к своей соответствующей технологической муфте 230, 232, перед тем как технологические муфты 230, 232 приварены к участку 108. Таким образом, швы, удерживающие критическое технологическое давление, защищены внутри модуля от коррозионных воздействий морской воды. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения технологические муфты 230, 232 могут быть подготовлены и для сварных, и для автоклавированных соединений.
[0023] Фиг.6 представляет собой блок-схему способа создания копланарного датчика дифференциального давления в соответствие с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Способ 300 начинается в блоке 302, где получают копланарный модуль датчика дифференциального давления с двумя копланарными углублениями. Затем в блоке 304 выполняют два цоколя. Каждый цоколь имеет изоляционную диафрагму, приваренную к цоколю. В блоке 306 выполняют две технологические муфты. В блоке 308 первый цоколь приваривают к первой технологической муфте. Как упомянуто выше, такой сварной шов является непрерывным по окружности первой технологической муфты, для того чтобы полностью скрепить первую технологическую муфту с первым цоколем. В блоке 310 второй цоколь приварен ко второй технологической муфте. И снова такой сварной шов является непрерывным по всей окружности второй технологической муфты, для того чтобы полностью скрепить вторую технологическую муфту со вторым цоколем. В блоке 312 первый цоколь вставляют в одно из углублений, при этом первую технологическую муфту приваривают к копланарному модулю датчика дифференциального давления. Сварной шов является непрерывным сварным швом по окружности первой технологической муфты, для того чтобы скрепить первую технологическую муфту с копланарным модулем датчика дифференциального давления. В блоке 314 второй цоколь вставляют в другое из двух углублений и вторую технологическую муфту приваривают к копланарному модулю датчика дифференциального давления. Сварной шов предпочтительно является непрерывным сварным швом по окружности второй технологической муфты, для того чтобы скрепить вторую технологическую муфту с копланарным модулем датчика дифференциального давления. Как описано выше, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения участок модуля дифференциального датчика давления, а также первая и вторая технологические муфты сконструированы из материала, который подходит для полного погружения в морскую воду, такого как сплав С276.
[0024] Фиг. 7 представляет собой блок-схему способа адаптации копланарного модуля датчика дифференциального давления для погружения в морскую воду в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Способ 320 начинается в блоке 322, где выполняют узел коррозионно-стойкой и выдерживающей давление крышки. Эта крышка может быть крышкой, проиллюстрированной под ссылочной позицией 200 на фиг. 4, или любой другой подходящей крышкой. Эта крышка предпочтительно выполнена из Сплава С276 и может быть сконструирована с помощью сварки цилиндрической секции с секцией крышки, как показано пунктирным блоком 324. В альтернативном варианте весь узел крышки может быть изготовлен как единая деталь путем отливки или штамповки, как проиллюстрировано в блоке 326. В блоке 328 узел коррозионно-стойкой крышки приваривают к участку основания копланарного модуля датчика дифференциального давления. Сварной шов предпочтительно является непрерывным, так что узел крышки прикреплен к копланарному модулю датчика дифференциального давления. Будучи выполненными таким образом, в вариантах осуществления настоящего изобретения может быть получен модуль датчика дифференциального давления, тарифицированного для таких высоких линейных давлений, как 15000 фунтов на квадратный дюйм (103400 кПа), когда он погружен в морскую воду на годы. Кроме того, полагают, что варианты осуществления настоящего изобретения могут обеспечивать измерения дифференциального давления в таких применениях по существу с меньшими затратами, чем конструкции по предшествующему уровню техники.
[0025] В вариантах осуществления настоящего изобретения в целом предложен копланарный модуль датчика дифференциального давления, имеющий по меньшей мере участок, который изготовлен из материала, который выбран за счет своей стойкости к коррозии в морской воде. Одним примером такого материала является сплав С276. Дополнительно в вариантах осуществления настоящего изобретения обычно использован подход цельносварной конструкции, чтобы устранить потребность в больших соединенных болтами фланцах, за счет этого уменьшая размер и потенциально устраняя щели, где легко может начаться коррозия. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения важные сварные швы, выдерживающие технологическое давление, располагают внутри модуля, для того чтобы защитить сварные швы от коррозии морской водой. Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения модуль датчика давления включает в себя основание с единственным углублением и цоколем в углублении, который соединен с изоляционной диафрагмой. Датчик давления, такой как датчик абсолютного давления или датчик манометрического давления, включает в себя измерительную диафрагму и измерительный порт давления, соединенные по текучей среде с изоляционной диафрагмой с помощью заполняющей текучей среды. Схема модуля датчика давления соединена с датчиком давления для измерения электрической характеристики датчика, которая изменяется с изменением давления. Основание модуля датчика давления выполнено из материала, который подходит для погружения в морскую воду.
[0026] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что в виде и деталях могут быть произведены изменения, не выходя за рамки замысла и объема изобретения. Например, хотя варианты осуществления настоящего изобретения в целом направлены на копланарный модуль дифференциального датчика давления, который может быть выполнен с возможностью подводного использования в морской воде, варианты осуществления настоящего изобретения могут быть также применимы в других высококоррозионных средах.