CN102197253B - 包括多密封件压强调节系统的高压流体旋转装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压旋转装置(1)，其包括能够相对于彼此绕轴(6)旋转的环状内壁(3)和环状外壁(4)，该内壁和外壁限定环形腔室(7)，轴向间隙(11)在内壁与外壁之间从腔室延伸至外部(12，12’)，向外部的方向观察，该间隙包括：位于间隙中且邻近腔室的隔离密封件(13)，在隔离密封件下游延伸的隔离间隙部(13’)，位于间隙中的初级密封件(14)，位于初级密封件(14)下游的初级间隙部(14’)，以及位于初级密封件(14)下游的二级密封件(15)。
Description
本发明涉及一种高压旋转装置，其包括可相对于彼此绕轴旋转的环状内壁和环状外壁，该内壁和外壁限定环形腔室，轴向间隙在内壁与外壁之间从腔室延伸至外部，向外部的方向观察，该间隙包括：
-隔离密封件(seal)，位于间隙中且邻近腔室，
-隔离间隙部，在隔离密封件下游延伸，
-初级密封件，位于间隙中，
-初级间隙部，位于初级密封件下游，以及
-二级密封件，位于初级密封件下游。
从第4,647,076号美国专利可知在100至400巴压强下所使用的高压旋转装置。
这种具有多个流动路径的旋转装置使用同轴且环形的连接件将流体从基本固定的部件运送至旋转的部件。通常，这些旋转装置被用于在风向标的、船形的浮动生产系统上生产碳氢化合物，在浮动生产系统上，流动管线在浮动单元与海床之间转移流体。为了避免流动管线随着船舶风向标而缠绕，流动管线被连接至转台(船舶绕其旋转)。旋转装置设置在固定的转台与旋转的船舶之间的流动路径中。
为了允许旋转装置旋转，支承件和密封件被使用。这些旋转装置中的密封件常常由通常在平滑的、密切加工的、硬质金属表面上滑动的合成的弹性的或塑料的低摩擦材料制成。这些密封件的性质以及它们对形成于固定的旋转装置部件与旋转的旋转装置部件之间的间隙进行密封的能力是公知的。旋转装置的设计注意到这些被称为“挤压间隙”的旋转装置间隙停留在用于该设计的特定类型的密封件的经证明的限制内。对于密封件材料，已知这些挤压间隙的限制会随着温度和压强变化。
离岸浮动生产已经逐渐进入更深的水域，那里，大量油仍待发现。由于深度的原因，这些更深水域所发现的储藏常常具有更高的压强和温度，诸如600巴和130C，这些压强和温度开始超越已知密封材料对能够在这些旋转装置中实现的挤压间隙进行密封的能力。本发明的目的是提供一种装置，通过该装置，目前和未来的密封技术能够被扩展以密封具有更高压强和温度的流体。
本发明的另一个目的是提供一种能够工作在较高压强和温度下的可靠的旋转装置密封件。根据本发明的旋转装置包括第一压强控制单元，连接至腔室并连接至增压装置的第一压强控制单元连接至隔离间隙部，以当腔室中的压强升高时将流体从增压装置供给至隔离间隙部，并且当腔室中的压强下降时从隔离间隙部排放流体，从而将隔离间隙部中的压强保持在高于腔室压强的基本恒定的压强下。
通过调节初级间隙部的压强，以及通过用压强控制单元将压强限制在特定的界限内，能够增加初级密封件的寿命。通过将压强分级(step)到附加的二级密封件上，能够进一步实现对初级密封件受到的压强的调节。
通过将压强分级到多个密封件上而达到更高压强的方法已经大体上是已知的，因为该方法在第4,647,076号美国专利中已经被公开，其全部内容通过引用并入本文。
US 4,647,076公开了具有平衡的压强隔离系统的高压面密封旋转装置。依靠平衡的压力隔离意味着在隔离系统上的压力为零或者是平衡的。在该设计中，隔离密封件用作产品与隔离流体之间的屏障。该隔离在液体和固体的情况下工作良好，然而经验显示，气体穿过该隔离密封件导致隔离液体的损失并且使压强(初级)密封件工作在气体中，这将使其劣化。为了解决该气体问题，设计了一种过压隔离系统。这种过压阻止气体穿过密封件，并使压强(初级)密封件保持与隔离流体的接触并延长其寿命。
对于这种隔离系统设计，存在多种选择，主要的一个是静态系统和动态系统。静态系统通过具有恒定的压力供给装置在隔离腔中简单地产生大于设计压强的恒定压强。当旋转装置由于压强或温度改变而膨胀和收缩时，隔离油被简单地从该腔供给或排放。当通过隔离和初级密封件关闭隔离腔时，隔离流体如果不被排放的话，将在腔的体积由于产品流中的压强降低而减小时产生大的过压。为了避免这种类型的过压，常常通过另一个压强控制装置来对隔离腔进行排放，该压强控制装置简单地将隔离液体倾倒至污水容器。虽然可以允许该流体返回供给装置，然而随着时间过去，隔离腔中可能存在杂质，故回收这些液体是不明智的。动态隔离系统具有调节压强的注入阀，该注入阀会将产品压强与隔离系统之间的过压差持续保持在某一最小值。该系统还具有调节压强的排放阀，该排放阀常常在大于产品压强与隔离系统的最大压差下排放隔离液体。在任何一个阀都不会打开的情况下，注入阀和排放阀的设置之间存在压差。对于具有通过多个密封件共同分担的产品压强的旋转装置，静态隔离系统将不会被使用。
当存在共同分担整个旋转装置产品压强的某一部分的多个压强密封件时，产生于初级密封件与二级密封件之间的体积需要被调节，从而将其内的一些液体保持在正确的压强下。由于液体自身的物理性质，其体积将由于压强和温度而发生改变。旋转装置的内部体积也将由于压强和温度而发生改变。初级密封件处的压强将由动态隔离系统(如果使用)的压强或直接由旋转装置的环形腔室中的压强来确定。压强感测阀(可以如US 4,647,076中提到而简单地为止回阀)可用来限制初级密封件的压强并将过压提供至二级密封件。初级密封件与二级密封件之间的腔将随后达到二级密封压强。当旋转装置中的压强降低时，二级腔体积将减小并且该液体压强将因此增加，除非其能够通过压强感测阀排放至旋转装置外部，或穿过初级密封件的后面流入隔离腔(如果使用)或流入产品路径。不期望具有压强和流过压强密封件的后面，而可以使用止回阀用来对该二级腔进行排放。
已知旋转装置和密封区常常具有小的碎片颗粒，这些小的碎片颗粒或者是在它们的制造期间留下的，或者是从密封件磨损且在旋转装置密封腔内结块的颗粒。能够工作在这些旋转装置中的压强下的阀常常具有小而易碎的底座，这些底座在受到碎片侵害时发生泄漏。为了避免这类侵害，良好的过滤器被引入这些阀的前面以防止这种侵害。为了使这些阀和过滤器能够得到维护，它们被放入易接近的位置，在这些位置处，它们能够由阀隔开以满足它们的移除以更换或维护。
该想法通过放置与单个密封件串联的另一个密封件以承受过压而将单个密封件的压强限制为等于或小于已知极限。第一或初级密封件随后工作在较高压强环境中但被限制在其耐受的压差下。已知密封件耐压能力主要通过压差而不是其周围的压强决定。
递增地共同分担旋转装置中的流动流体的总压强的两个或更多个密封件的压强调节必须处理导致复杂化的大量问题。宽泛地讲，这些问题由污染物和被密封流体的压强变化导致。
通常通过在流体与初级压强密封件之间设置过压的、密封的液体隔离系统来处理污染物。如附图所示，这种隔离系统包含在隔离密封件与初级密封件之间。初级密封件因此将经受被调节的隔离系统的压强，尽管其工作在现有旋转装置中。
使用两个密封件来递增地承受压强将需要位于初级和二级密封件的压强使初级密封件压强保持在设计极限之下。形成于这些密封件之间的腔或体积的压强通过压强感测装置来调节，压强感测装置打开和关闭阀以使密封件可兼容的流体流入和流出，从而将初级密封件压差保持在设定值之下。
比如，在如图4所示的完好的高压旋转装置中，当环形体(toroid)压强Pf增加时，旋转装置主体将发生变形，从而增加所有旋转装置腔的体积。初级和二级之间的腔的体积因此将增加，导致这里压强的减小，除非感测装置向更高外部压强装置发送信号以将更高压强的流体泵送至该腔。还需要设定感测装置以识别何时停止泵送，从而不使隔离腔的压强产生过压，并且不使二级密封件的压强过大。
在减小环形体压强Pf的实例中，旋转装置腔的体积将减小并且初级密封件与二级密封件之间的流体需要被排放，从而不使二级密封件承受过压。为了完成该排放，需要一种可用的第二感测系统以允许该排放进行而不将压强减小至使初级密封件压强超过其设计压强Pd的水平。这通常通过使排放系统工作在高于填充系统压强的某一δP下来完成。
2.在一个实施方式中，第二压强控制单元连接至增压装置并连接至初级间隙部以
-当腔室中的压强低于预定阈值时：当腔室中的压强升高时将流体供给至初级间隙部并且当腔室中的压强下降时进行排放，以及
-当腔室中的压强高于预定阈值时：使初级间隙部中的压强保持基本恒定。
通过限制二级密封件处的主要压强，能够延长其寿命。第二压强控制单元适于当腔室中的压强低于预定阈值时：当腔室中的压强升高时将流体供给至初级间隙部并且当腔室中的压强下降时进行排放。当腔室中的压强高于预定阈值时，第二压强控制单元使初级间隙部中的压强保持基本恒定。通过这种方法，初级和二级密封件上的压差(differential pressure)被限制在该阈值压强，比如，对于800-1000巴的腔室压强，该阈值压强可以位于400-500巴的范围内。
下面将参照附图并通过非限制性实施例来对高压旋转装置的某些实施方式进行详细讨论。在附图中：
图1示出根据本发明的具有压强控制装置的高压旋转装置的示意图；
图2示出腔室、隔离间隙部和初级间隙部中的压强的曲线图；
图3示出在隔离密封件、初级密封件和二级密封件处的压差的曲线图；
图4示出本发明的具有完好的初级密封件和二级密封件的高压旋转装置的工作压强的示意性指示；
图5示出本发明的具有受损的初级密封件的高压旋转装置的工作压强的示意性指示；以及
图6示出本发明的具有受损的二级密封件的高压旋转装置的工作压强的示意性指示。
图1示出具有内环状壁3和外环状壁4的高压旋转装置1。外壁通过支承结构可旋转地支撑在内壁上，该支承结构在5处示意性指示，并且可以是轴向-径向支承件。外壁4和内壁3是以中心轴6共轴的，外壁可绕中心轴6旋转。环形腔室7被限定在壁3、4之间并具有进入管8，流体、特别是高压高温的碳氢化合物(例如在超过100巴的压强下并超过90℃的油)通过进入管8从延伸至海底碳氢化合物井的对地静止的立管供给至腔室7。碳氢化合物从环形腔室7供给至与储存或处理设备连接的管道(在容器(vessel)上的9处示意性地指示)。
在壁3、4的接触面处，轴向间隙11从环形腔室7延伸至旋转装置1的外表面12、12’。外表面12、12’可例如处于大气压下。间隙11中设置有隔离密封件13、初级密封件14、二级密封件15和三级密封件16。位于隔离密封件13下游的隔离间隙部(gap section)13’通过常开阀18连接至管道19，管道19通过过滤器20连接至第一压强控制单元21。压强控制单元21包括压强调节器22，压强调节器22通过输入管道23连接至高压源24。压强调节器22的控制输入25通过压强管道30和阀26连接至腔室7。压强调节器22的输出管道27连接至隔离间隙部13’的管道19。隔离间隙部13’的压强管道19还与第一压强控制单元21的卸压阀29的输入28相连接。卸压阀29的输出管道32连接至泄漏收集罐(tank)33。卸压阀29的控制输入34连接至压强管道30。
间隙11的位于初级密封件14下游的初级间隙部14’通过常开阀40连接至管道41。管道41通过过滤器43连接至第二压强控制单元42。控制单元42包括压强调节器44，压强调节器44通过其输出45连接至管道41，以及通过压强输入46与压强调节器22的输出管道27相连接。压强调节器44的排放管道49连接至泄漏收集罐33。
腔室7中的压强可以例如约为830巴，而高压源24的压强为870巴。压强调节器22被调整为相对于腔室7中的压强提供基本恒定的约20-25巴的正压差，从而在隔离间隙部13’处，隔离密封件13处于约855巴的压强下。比如将卸压阀29的阈值水平设定为30巴，从而当隔离间隙部13’处的压强升高到比腔室7中的压强高30巴(例如，升高到860巴，比如由温度或压强波动引起的旋转装置变形导致)时，流体从隔离间隙部13’通过输出管道32被排放至泄漏收集罐33。
对初级密封件14在初级间隙部14’处的压强进行控制的第二压强控制单元42的压强调节器44被设定在比如450巴的压强水平。压强调节器44的控制输入47连接至初级间隙部14’。初级间隙部14’处的压强随着腔室7的压强而增加，直至430巴的阈值压强，在该阈值压强下，调节器44关闭，并且在腔室7中的压强进一步增加时初级间隙部14’保持在该阈值压强。
图2中示出腔室7在隔离间隙部13’处与初级间隙部14’处的压强。隔离间隙部13’的压强以25巴的恒定正压差跟随腔室7中的压强而变化。初级间隙部14’的压强跟随腔室7中的压强而变化直至430巴的阈值压强，并在腔室的压强进一步增加时保持在430巴。
图3中示出在隔离密封件13、初级密封件14和二级密封件15上相对于环形腔室7中压强的压差。压强控制系统21、42将在初级密封件14和二级密封件15上的压差限制为最大430巴。
在初级密封件14也发生故障的情况下，管道41中的过压通过止回阀50、51卸放。
图4-6示出样本VHP(极高压)旋转装置。所示旋转装置具有隔离密封件和3个压强密封件。普通的旋转装置通常仅具有2个压强密封件。由于VHP旋转装置具有两个压强密封件之上的压强，故它将不能安全地工作，因为任一密封件的故障将引起另一密封件故障并将导致破坏和损害。为了使旋转装置安全，增加了第3个三级密封件，从而将确保一个密封件的压强损失不会引起旋转装置的密闭度的损失。
图2和3示出VHP旋转装置在初级密封件和二级密封件中任何一个失效时的情况。当这些情况发生时，感测系统将对这些故障作出反应并改变腔填充和排放系统来使旋转装置应对这些图中所示的情况。通过在排放系统中使用流动保险来关闭任何不正常的流动以避免产生外流，从而防止这些感测系统的失灵。
Claims (13)
1.一种高压旋转装置(1)，其包括能够相对于彼此绕轴(6)旋转的环状内壁(3)和环状外壁(4)，所述内壁和所述外壁限定环形腔室(7)，轴向间隙(11)在所述内壁与所述外壁之间从所述腔室延伸至外部(12，12’)，向所述外部的方向观察，所述间隙包括：
-隔离密封件(13)，位于所述间隙中且邻近所述腔室，
-隔离间隙部(13’)，在所述隔离密封件下游延伸，
-初级密封件(14)，位于所述间隙中，
-初级间隙部(14’)，位于所述初级密封件(14)下游，以及
-二级密封件(15)，位于所述初级密封件(14)下游，
连接至所述腔室(7)并连接至增压装置的第一压强控制单元(21)连接至所述隔离间隙部(13’)，以当所述腔室(7)中的压强升高时将流体从所述增压装置供给至所述隔离间隙部，并且当所述腔室中的压强下降时从所述隔离间隙部排放流体，从而将所述隔离间隙部(13’)中的压强保持在高于腔室压强的基本恒定的值。
2.根据权利要求1所述的高压旋转装置(1)，其中，第二压强控制单元(42)连接至所述增压装置并连接至所述初级间隙部(14’)以
-当所述腔室(7)中的压强低于预定阈值时：
当所述腔室(7)中的压强升高时将流体供给至所述初级间隙部(14’)并且当所述腔室中的压强下降时进行排放，以及
-当所述腔室中的压强高于预定阈值时：
使所述初级间隙部(14’)中的压强保持基本恒定。
3.根据权利要求1或2所述的高压旋转装置，其中，所述间隙(11)中包括三级密封件(16)，所述三级密封件(16)位于所述二级密封件(15)下游。
4.根据权利要求1所述的高压旋转装置，其中，所述隔离间隙部(13’)处的压强比所述腔室压强高10至100巴。
5.根据权利要求4所述的高压旋转装置，其中，所述隔离间隙部(13’)处的压强比所述腔室压强约高50巴。
6.根据权利要求4所述的高压旋转装置，其中，所述隔离间隙部(13’)处的压强比所述腔室压强约高25巴。
7.根据权利要求2所述的高压旋转装置，其中，阈值压强为所述腔室压强的0.25至0.75倍。
8.根据权利要求7所述的高压旋转装置，其中，所述阈值压强约为所述腔室压强的一半。
9.根据权利要求1所述的高压旋转装置，其中，所述腔室压强为500巴至5000巴。
10.根据权利要求9所述的高压旋转装置，其中，所述腔室压强约为1000巴。
11.根据权利要求1所述的高压旋转装置，其中，所述第一压强控制单元(21)包括压强调节器(22)，所述第一压强控制单元(21)的压强调节器(22)通过控制输入(25)连接至所述腔室(7)并且通过供给输入(23)连接至所述增压装置，所述压强调节器(22)的输出(27)连接至所述隔离间隙部(13’)。
12.根据权利要求1所述的高压旋转装置，所述第一压强控制单元(21)还包括卸压阀(29)，所述卸压阀(29)具有连接至所述腔室(7)的控制输入(34)、连接至所述隔离间隙部(13’)的输入(28)以及连接至流体收集单元(33)的输出。
13.根据权利要求2所述的高压旋转装置，所述第二压强控制单元(42)包括压强调节器(44)，所述第二压强控制单元(42)的压强调节器(44)通过输入(46)连接至所述隔离间隙部(13’)，通过输出(45)连接至所述初级间隙部(14’)，并且通过控制输入(47)连接至所述初级间隙部。
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