CN102057206A - 圆柱形通道的可验证的封闭和锁定系统 - Google Patents

Abstract

根据本发明的方法使用一组阀、一系列压力检查、以及物理停止，以验证圆柱形通道的锁定系统的封闭。该方法还可使用均衡管道。阀将开孔机、管道、以及均衡管道彼此隔离，使得产物不能从一个流至另一个。然后，当执行完一系列压力检查时，打开这些阀。然后，将整体塞降至通道中，直到塞停留在通道内为止，并确定其方向，使得塞的锁定环处于完全伸展的位置中。然后，通过提升塞直到其向上的运动被限制来确认此伸展位置。然后，释放塞，并将塞上方的压力减小至0psi表压。

Description

圆柱形通道的可验证的封闭和锁定系统

背景技术

通常，必须永久地或半永久地封住管状件中的开口，即，需要封住不需要或不希望的阀门处的开口。当通过连接至管道或容器的装置对管道或容器进行带压开孔(hot tap)时，出现半永久性封闭的一个实例。在如石油工业中使用的带压开孔(hot tapping)应用中，将装置焊接到具有在压力下流动的气体或液体的管的外部上。该装置在其出口连接处包括凸缘，并且，将开孔机(tapping machine)固定至该凸缘。通过使用高度专业化的设备，然后在气体或液体继续流过管道的同时，可穿过管壁钻出孔，以提供对管道内部的接触，例如，为了在对管进行维修时插入设备以暂时阻止通过管的流动。在完成维修之后，去除设备，但是需要封住提供对管道内部的连通的开口。优选地，以使得在将来的某一天能够通过该装置再次接触到管的内部这样的方式形成该封闭。

由于管状件处于压力之下，在将封闭件(closure member)暴露至大气压力之前，封闭件必须处于适当锁定的位置中。不适当锁定的封闭件会脱离(blow out)，导致操作者或附近的其它人的严重伤害。因此，操作者确定封闭件已适当地锁定非常重要。也就是说，操作者能够确信地验证，通向开口的圆柱形通道内的塞件处于其适当的位置中，并且，在将封闭件上方的区域暴露至大气压力之前，锁定环或定位簧片(是一个可径向膨胀的环或簧片或是一对枢转的锁定环或簧片)处于其在圆柱形通道的圆周凹槽内的适当且固定的位置中。

发明内容

用于封住通向承载有液体或气体的管道的圆柱形通道的锁定系统典型地包括整体塞件(completion plug member)的使用，该整体塞件具有位于塞件顶面上的一个或多个锁定环或簧片。簧片能够从塞件的中心线向外伸展。该塞件包括圆柱形塞本体和塞支架。塞支架连接至开孔机的镗杆。镗杆使塞件降到通道中，通道通常是装配凸缘，簧片向外伸展以接合通道的内部并将塞本体保持在适当的位置中。然而，重要的是，在从镗杆释放塞本体之前，塞本体处于其在通道内的适当的锁定位置中。否则，塞本体会脱离并严重地伤害或杀害操作者。

用于验证锁定系统的封闭的方法包括一组阀和管系统，该管系统与管道和开孔机连通。夹心阀将开孔机的下端连接至通道。均衡管道将排液阀(tapping valve)的上部连接至第二圆柱形通道，第二圆柱形通道连接至管道并位于开孔机的下游。均衡管道在最接近管道的一端具有排液阀，在另一端具有均衡阀，并具有位于这两个阀之间的压力计。开孔机具有放液阀和压力计。夹心阀包含内部旁通阀。

通过关闭排液阀、均衡阀、内部旁通阀、以及夹心阀，管道、开孔机、以及均衡管道彼此隔离，以防止产物(product)从一个流至另一个。然后，通过打开排液阀、内部旁通阀，并通过从开孔机清除空气，使开孔机压力与管道压力相等。在已经清除空气之后，关闭放液阀。如果压力检查确认开孔机压力与管道压力是相等的，那么依次打开均衡阀和夹心阀。

然后，镗杆将塞本体——塞本体的处于收回位置的簧片——降至夹心阀中并通过夹心阀，并降至通道中，然而，在塞本体在通道内完全停止之前停止。如果管道压力与开孔机压力保持相等，那么镗杆进一步降低塞本体，直到其在通道内完全停止为止。在塞本体完全停止之后，在顺时针方向上转动开孔机的蜗杆轴，从而使镗杆和塞支架旋转。当塞支架旋转时，塞本体的簧片从塞本体的中心线向外伸展，并进入位于通道的内表面上的凹槽中。在簧片完全伸展之后，顺时针旋转进给螺杆，以提升塞支架，并通过遇到阻力来确定簧片处于其在凹槽内的伸展位置中。

然后，通过逆时针旋转量杆，从镗杆释放塞支架，这允许联锁以将其本身定位在簧片之间并防止簧片回到其收回位置。关闭排液阀并打开放液阀，以将塞本体上方的压力减小至0psi表压(gauge)，收回镗杆并且去除开孔机和夹心阀。如果塞本体上方的压力不能减小至0psi表压，这表示，联锁不在其封闭位置中，并且，簧片未在其伸展位置中锁定。

结合附图，从以下对优选实施例和各权利要求的描述中，将能更好地理解本发明。

附图说明

图1是实施根据本发明的方法的环境的视图。包含液体或气体的管道装配有第一和第二管道夹具，每个夹具具有装配凸缘。第一管道夹具连接至夹心阀，并且，连接至夹心阀的开孔机在管道中切出开口。因此，第一装配凸缘产生通向管道的内部的圆柱形通道。管道填塞物(未示出)通过通道并进入管道的内部，以阻止产物流过管道。然后，在管道中切出第二开口，以产生通过第二装配凸缘进入管道的第二圆柱形通道。在第二管道夹具与开孔机之间安装均衡管道；

图2是插入管中的圆柱形开口或者从管中的圆柱形开口去除的整体塞件的等距视图。该塞件包括圆柱形塞本体和塞支架；

图3是塞件的分解图，其示出了塞的位于其打开和解锁位置中的第一定位簧片和第二定位簧片；

图4是塞本体的等距视图，其示出了当塞件处于其在圆柱形开口内的封闭和锁定位置中时出现的第一和第二定位簧片径向地向外伸展；

图5A是塞支架的分解图。塞支架旋转地容纳致动器；

图5B是塞本体的分解图，簧片处于其打开和解锁位置中；

图6是处于其在圆柱形开口内的打开和解锁位置中的塞件的横截面图，并示出了减压系统的细节；

图7是沿着图6的剖面线7-7剖开的处于其打开和解锁位置中的塞件的视图；

图8是处于其在圆柱形开口内的其封闭和锁定位置中的塞件的横截面图；

图9是沿着图8的剖面线9-9剖开的塞件的视图；以及

图10A和图10B是用于验证圆柱形通道中的塞件的封闭和锁定的方法的流程图。

具体实施方式

将理解，现在将描述的发明不将其申请内容限制于附图所示的细节。本发明能够具有其它实施方式，并能够以多种方式实践或执行。这里使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不是为了限制的。图中所示的元件用

以下标号表示：

10方法          112均衡阀          270引导螺栓

12-50方法的步骤 114压力计          272凸轮表面槽

52管道          116排液阀          274第一塞支架螺栓槽

54产物流        136开口            276第二塞支架螺栓槽

56管道夹具      162开口            278塞支架

58第二管道夹具  234圆柱形导向件    280凸缘部分

60凸缘        236减小的开口        282螺栓

70圆周凸耳    238底面              284螺纹凹入部

76圆周凹槽    240截锥开口          286开口

80圆柱形表面  242圆柱形下开口      288管状支架

82圆柱形表面  244阀杆              290下端

84圆周凸耳    248阀头              292可旋转致动部分

86塞本体      250密封表面          294开口

90顶面        252凹槽              296轴承

92圆周凹槽    254密封件            298板

94O形环       255弹簧              299螺钉

100开孔机     258第一簧片          300凸出部分

102压力计     260第二簧片          302半圆形凹入部

104放液阀     262半圆形外围边缘    304中心开口

106夹心阀     264笔直的内边缘      306杆

108内部旁通阀 266枢转销            308垫圈

110均衡管道   268导槽

在压力下给管道开孔的实践经常称做“带压开孔”。在典型的带压开孔操作中，容纳有流体或气体的管道装配有夹具，该夹具具有弹性密封件、分支出口、以及装配凸缘。一旦将夹具固定至管道，便将具有内部旁通阀的夹心阀连接至装配凸缘。此夹具是本领域中众所周知的类型，并环绕管道而密封；同样是本领域中众所周知的类型的夹心阀提供控制出口，一旦在管道中切出孔便隔绝压力。

然后，将开孔机附接至夹心阀。开孔机是本领域中众所周知的类型，通常由包括旋转镗杆的细长、管状本体形成。本体的下端设置有诸如凸缘的装置，通过该装置将其固定至夹心阀。将齿轮箱或驱动机构附接至开孔机本体的上端，并提供用于旋转镗杆的装置。镗杆的下端装配成容纳刀具及其它工具和设备，包括可拆除的封闭件，例如本文所描述的封闭件。为了在管道中切出孔，打开夹心阀，以允许刀具接触并穿透管道。一旦穿透管道，开孔机便填充有管道产物，并通过放液阀从开孔机清除空气。在切出孔之后，使刀具通过夹心阀收回，并将管道填塞物(未示出)插入管道的内部，使得能够进行管道维修操作。装配凸缘提供进入管道内部的圆柱形通道。

一旦完成维修操作并去除管道填塞物，必须封住管道中的开口，优选地用可移除的封闭设备来封闭，使得能以安全的方式去除开孔机和夹心阀。此类型的封闭设备在本领域中是众所周知的。在Wilson等人的WO02/18835，摩根，美国专利No.6,286,553和Wilson的美国专利No.5,975,142中发现了一种特别好地适于在这里描述的方法中使用的封闭设备。典型的封闭设备包括具有一个或多个锁定环或定位簧片的塞本体。簧片与装配凸缘的内部接合，因此，通常用圆周凸耳或凹槽将塞件保持在适当的位置中。然而，重要的是，塞本体处于其与装配凸缘的适当的锁定位置中，并且，施加在塞本体上的任何管道压力都减小。否则，塞本体会脱离开口并严重地伤害或杀害操作者。

如图1所示，在根据本发明的方法的一个优选实施例中，具有压力计102和放液阀104的开孔机100连接至具有内部旁通阀108的夹心阀106。夹心阀106又连接至具有弹性密封件和装配凸缘60的第一管道夹具56。均衡管道110将开孔机100的上部连接至第二管道夹具58，该第二管道夹具相对于产物流54位于开孔机100的下游。均衡管道110具有位于最接近开孔机100的一端的均衡阀112和位于相对端的排液阀116。均衡管道110还具有位于排液阀116与均衡阀112之间的压力计114。

为了提供可移除的封闭，将具有塞支架278和圆柱形塞本体86的密封件(见图2)附接至开孔机100的镗杆(未示出)，并将其降至装配凸缘60的圆柱形开口中。塞本体86具有顶面90和圆柱形壁部，该圆柱形壁部由第一外圆柱形表面80和稍微大些的外表面82限定。圆柱形表面80和82的直径的差异产生圆周凸耳84。圆柱形表面80中的外圆周凹槽92容纳较大的O形环94。定位在塞本体86上的共同的平面中的是第一簧片258和第二簧片260。

簧片258、260由相等尺寸的平板制成，其提供较大的表面以在塞本体86的平面顶面90上滑动(见图3和图4)。这基本上减少了在其它结构的簧片中会出现的翘曲或扭曲的任何问题。每个簧片258、260还具有基本上半圆形的外围边缘262，并且，每个都具有基本上笔直的内边缘264。螺栓282将塞本体86连接至塞支架278。

塞支架278具有凸缘部分280，其具有用于每个螺栓282的开口286。凸缘280进一步具有用于每个开口286的一体的管状支架288。支架288具有位于塞本体顶面90上的下端290(见图5A)，使得塞支架278的主凸缘部分280保持在簧片258、260的上方。塞支架278包括容纳在凸缘部分280中的开口294中的可旋转致动部分292。轴承296提供致动部分292的轻松旋转。附接至致动部分292的下端的是板298，通过螺钉299将板298保持在适当的位置中，使得致动部分292保持可旋转地固定至凸缘部分280。O形环垫圈308提供凸缘部分280与板298之间的密封。从板298向下延伸的是两个相对的凸出部分300。杆306贯穿致动部分的中心开口304。

参考图3和图4，簧片258、260能在塞本体顶面90上枢转，每个簧片围绕枢转销266枢转。枢转销266是贯穿簧片258、260中的开口的螺栓。形成于每个簧片258、260中的是弓形导槽268、第一塞支架螺栓槽274、第二塞支架螺栓槽276以及凸轮表面槽272。每个槽268相对于枢转销266形成为弓形。引导螺栓270贯穿槽268，并进入塞本体86的顶面90中的螺纹开口284中(见图5B)。螺栓270的头部将簧片258、260保持为与塞本体顶面90滑动接触。第一塞支架螺栓槽274关于枢转销266是弓形的。第二塞支架螺栓槽276与簧片258、260的笔直的内边缘264连接。槽274、276容纳螺栓282，并且，螺栓282螺接入塞本体86的顶面90中的螺纹凹入部284。凸轮表面槽272相对于每个簧片258、260的枢转轴是偏心的——即，相对于枢转销266——并相对于塞支架278的致动部分292的旋转轴线。塞支架278的凸出部分300接合凸轮表面槽272，并且，凸出部分300与凸轮表面槽272的相互作用使簧片258和260在它们的收回(collapsed)与伸展(expanded)位置之间移动。以此方式，用直接的机械连接使簧片258、260移动。

图3示出了处于其收回位置中的簧片258、260；它们相应的圆周边缘262收回在塞本体86的外圆周表面82的界限内。在收回状态中，可将封闭件插入或移出例如由凸缘60形成的圆柱形开口。图4示出了处于其伸展位置中的簧片258、260；它们相应的圆周边缘262伸出塞本体86的外圆周表面82。当将封闭件定位在凸缘60内时，簧片258、260延伸入圆周凹槽76中(见图6和图8)，从而将封闭件锁定在凸缘60内的适当位置中。在将塞本体86插入凸缘60(或待被封住的任何其它圆柱形通道)之后，并且在将簧片258和260移动至其伸展位置之后(如图9所示)，可通过使四个螺栓282松脱来去除塞支架278，从而允许在凸缘60的上方放置盖。

如前所述，出于安全考虑，重要的是，在努力将封闭件从其在圆柱形开口内部的封闭位置释放之前，应减小封闭件下方的任何压力，并使封闭件上方和下方的压力相等。图6和图8示出了减压系统的一个实施例。塞本体86具有直径减小的开口236，其朝着塞本体86的底面238向下延伸。使减小的开口236展开成为与圆柱形下开口242连接的截锥开口240。塞本体86还具有更大直径的开口162，其包括圆柱形导向件234。圆柱形导向件234直接插设在簧片258、260的笔直边缘264之间。为了容纳圆柱形导向件234，每个簧片258、260的笔直内边缘264中具有浅深度的半圆形凹入部302，基本上与簧片258、260的厚度相等(见图3和图4)。由于圆柱形导向件234的原因，不打开通道236以减小塞本体86上的任何压力，就无法将簧片258、260收回至其收回位置中。

阀元件具有杆部244，其同轴地附接至导向件234的底面。杆部244与阀头部248一体地连接，阀头部具有截锥阀密封表面250。容纳在截锥开口240中的是容纳密封件254的圆周凹槽252。杆306上的向下的力将阀杆244(并由此将阀头248)推动至下面的或阀打开状态。弹簧255将阀杆244(并由此将阀头248)推动至上面的或阀闭合状态。

当簧片258、260处于其伸展位置中时，通过塞本体86将弹簧加载的阀头248移动至封住通道236的封闭位置。阀头248和阀杆244的向上运动将圆柱形导向件234移动至如图9所示的向上的位置。在此向上的位置中，圆柱形导向件234定位在每个板258、260的内边缘264之间，从而防止板从其伸展位置移动至其收回位置。杆306上的向下的力下压中心导向件234，并由此下压上面具有阀头248的阀杆244，以打开用于使流体流过塞本体86中的开口236的通道。操作者将知道通过开口236的流动什么时候停止，从而表明已经减小凸缘60内的和塞本体86之上的压力。在压力相等之后，下压杆306以及下压圆柱形导向件234允许旋转可旋转部分278，以收回簧片258、260并允许去除塞本体86(见图7)。然后，操作者可从凸缘内去除封闭件，从而为了任何期望的目的通过凸缘将开口完全暴露。

然而，当插入并定向封闭件时，操作者需要一种方法，以验证封闭件处于其伸展位置中。参考图10A，在用于验证封闭件处于其伸展位置中的方法的优选实施例中，操作者首先建立一组前提条件12，其包括：将开孔机100安装在夹心阀106上，安装均衡管道110，在开孔机100上安装打孔接合器(未示出)，将整体塞本体86和塞支架278定位在开孔机100的镗杆(未示出)上，以及确保整体塞本体86的簧片258、260处于完全收回的位置中。一旦满足这些前提条件，便进入步骤14，在该步骤中，将均衡阀112、排液阀116、夹心阀106以及内部旁通阀108均关闭。然而，放液阀104保持打开。之后是一系列阀打开步骤16、18。步骤16打开内部旁通阀108并记录如压力计114所显示的管道压力P-1。步骤18打开排液阀116。然后，放液阀104从开孔机100清除空气。步骤20关闭放液阀104并记录如压力计102所显示的开孔机压力P-2。

然后，会进行一系列压力检查步骤22、28，以及相互关联的一系列阀打开步骤24、30。压力检查22确定压力P-1是否等于压力P-2。如果这两个压力P-1、P-2相等，那么，步骤24打开均衡阀112，并且，进行第二压力检查28。然而，如果压力检查22表明两个压力P-1、P-2不相等，那么，执行故障查找步骤26，以确定并校正不相等的压力P-1、P-2的原因。在已在步骤24中打开均衡阀112之后，进行第二压力检查28。如果两个压力P-1、P-2保持相等，那么，步骤30打开夹心阀106。如果两个压力P-1、P-2不相等，那么，夹心阀106保持关闭，并且，再次执行故障查找步骤26。

在夹心阀106处于完全打开位置中时，降低步骤32使塞本体86通过夹心阀106，并使其进入装配凸缘60的圆柱形开口中。在塞本体86在装配凸缘60内完全停止之前，执行第三次压力检查34，以确定两个压力P-1、P-2是否相等。如果压力P-1、P-2不相等，那么再次执行故障查找步骤26。如果两个压力P-1、P-2相等，那么，在步骤36中将塞本体86进一步下降，直到塞本体86在位于内表面凸缘60上的圆周凸耳70上完全停止为止(见图6)。

步骤38使塞本体86定向，以使簧片258、260处于其伸展位置中。在顺时针方向上旋转开孔机100的蜗杆轴(未示出)，从而旋转镗杆和塞支架278。当塞支架278旋转时，簧片258、260从塞本体86的中心线向外伸展，并进入装配凸缘60的圆周凹槽76中。步骤40收回镗杆，直到感到阻力为止，以确定簧片258、260处于其伸展位置中。如果簧片258、260处于其伸展位置中，那么，塞支架278的向上移动被限制。步骤42释放塞支架278，从而关闭联锁。

在已经释放塞支架278之后，步骤42通过关闭排液阀116和均衡阀112而将均衡管道110与管道52隔离。步骤46打开放液阀104，以清除容纳在开孔机100中的空气和管道产物，从而将压力P-2减小至0psi表压。步骤48将镗杆完全收回，以及步骤50去除开孔机100和夹心阀106。

权利要求书和说明书描述了所提出的发明，并且，权利要求书中使用的术语从这种术语在说明书中的使用得到其含义。在现有技术中使用的相同术语在含义上可能比本文具体使用的更宽泛。只要在现有技术中使用的这种术语的更宽泛的定义与本文的术语的更具体的使用之间存在问题，就意味着更具体的含义。

虽然已经以一定特殊程度地描述了本发明，显而易见的是，在不背离本公开的精神和范围的前提下，可对结构的细节和部件的布置进行许多改变。应理解，本发明不局限于本文阐述的出于例证目的的实施例，但是，将仅由所附权利要求或多个权利要求的范围限制，包括其每个元件的等同物的全部范围。

Claims (18)

1.一种用于验证圆柱形通道的锁定系统的封闭的方法，所述方法包括以下步骤：

将具有一个或多个锁定环的整体塞降低至管道的圆柱形通道中，直到所述整体塞的向下移动被限制为止；

将所述整体塞定向在所述通道内，以使所述锁定环处于完全伸展的位置中；以及

提升所述整体塞，直到其在所述通道内的向上移动被限制为止，并且

其中，所述通道经由夹心阀连接至开孔机，所述夹心阀具有内部旁通阀。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括释放所述整体塞以将所述锁定环保持在完全伸展位置中的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使开孔机压力与管道压力相等的步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述使压力相等的步骤包括使所述开孔机与所述管道隔离以防止产物从一个流至另一个的步骤。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述使压力相等的步骤进一步包括允许产物在所述管道与所述开孔机之间流动的步骤。

6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述使压力相等的步骤进一步包括基本上清除所述开孔机内的所有空气的步骤。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括减压步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述减压步骤包括以下步骤：

第二次将所述管道与所述开孔机彼此隔离，以防止产物从一个流至另一个；以及

第二次基本上清除所述开孔机内的所有空气，使得开孔机压力为0psi表压。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述开孔机经由均衡管道连接至第二圆柱形通道。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二圆柱形通道相对于所述管道的产物流位于所述开孔机的下游。

11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括使所述开孔机与所述均衡管道隔离以防止产物从一个流至另一个的步骤。

12.根据权利要求9所述的方法，进一步包括允许产物在所述均衡管道与所述开孔机之间流动的步骤。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述降低步骤包括以下步骤：

将整体塞附接至所述开孔机的镗杆；

打开所述夹心阀以进入所述圆柱形通道；以及

使所述整体塞通过所述夹心阀并穿入所述圆柱形通道的一部分。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述圆柱形通道包括圆周凸耳，所述圆周凸耳防止所述整体塞通过所述通道的继续向下的运动。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述定向步骤包括旋转所述整体塞以从所述整体塞的中心线向外伸展所述锁定环的步骤。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述锁定环伸入位于所述通道的内表面上的圆周凹槽中。

17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述提升步骤包括第二次旋转所述整体塞以使所述整体塞在所述通道内向上运动的步骤。

18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述锁定环是定位簧片。

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