CN102272508B

CN102272508B - 用于提供可控制的压力降低的器件

Info

Publication number: CN102272508B
Application number: CN2010800040206A
Authority: CN
Inventors: S.K.坎斯塔德; T.兰格达尔
Original assignee: Framo Engineering AS
Current assignee: Framo Engineering AS
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2010-01-07
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2030-01-07
Also published as: AU2010203858A1; CN102272508A; US20110315249A1; EP2386041B1; BRPI1006122A2; NO20090074L; WO2010080037A1; NO329468B1; EP2386041A1

Abstract

本发明涉及一种器件，所述器件用于在第一流体传导管（1）与第二流体传导管（2）之间提供可控制的压力降低。该器件（10)包括与第一流体传导管（1）流体连通的流体入口（11）以及与第二流体传导管（2）流体连通的流体出口（12）。S形、螺旋形、正弦形或类似形状的流体连通压力降低通道（14）设置在流体入口（11）与流体出口（12）之间。

Description

用于提供可控制的压力降低的器件

技术领域

本发明涉及一种器件,该器件用于在第一流体传导管与第二流体传导管之间提供可控制的压力降低。

背景技术

喷嘴通常被用作压力降低器件以提供流体中的压力降低。然而，关于这种技术具有若干技术难题。首先，穿过一个喷嘴的最大的压力降低应当受到限制，以便防止喷嘴喉部中出现不可接受的速度，除了其他方面所述不可接受的速度可导致噪音、振动、腐蚀以及气蚀的问题。此外，使用喷嘴的另一个主要缺点是，文献中找到的损失系数取决于雷诺数(层流／湍流)。受限的和有些不太确定的数据可在较低的雷诺数(湍流)下出现。随着雷诺数进入雷诺数的瞬态和层流范围，喷嘴损失系数与雷诺数的对应关系不能被充分理解并且变得越来越不确定。

如果需要大的压力降低，那么若干个喷嘴必须被串联连接。在每个喷嘴之间必须有确定的距离以避免喷嘴相互影响，进而影响与估计压降相对的实际压降。也就是说，在相邻的喷嘴之间必须有足够的距离以使主要流体部分中的流体喷射的能量消散并且在流体到达串联排列的下一个喷嘴之前重新建立充分发展的流动，以便损失系数与雷诺数的对应关系是有效的。因此，如果需要大的压降，那么压力降低器件的总长度可能非常长。

压力降低器件例如用于降低在烃类(油/气)生产期间使用的流体-例如来自油和/或气井的流体液流、控制流体、注水流体等的压力。所述流体可包括会阻塞流体液流的颗粒、碎片等。因为维护和维修操作昂贵并且复杂，所以在海底的装置中设备可靠并且不会被阻塞或堵塞是重要的。

此外，喷嘴的操作应当是可预测和可控制的。然而，在低雷诺数下喷嘴运转情况不能很好地被特征化，此时流体会在所谓的湍流与所谓的层流之间改变。因此，在这种操作条件下这种压力降低器件的输出压力并不总是可控制的，这在某些应用中是不期望的或不可接受的。

本发明的目的是提供一种器件，所述器件用于提供可控制的压力降低，该器件避免了上述缺陷。

发明内容

本发明涉及一种器件，该器件用于在第一流体传导管与第二流体传导管之间提供可控制的压力降低,其特征在于所述器件包括：

与所述第一流体传导管流体连通的流体入口；

与所述第二流体传导管流体连通的流体出口；

设置在所述流体入口与所述流体出口之间的连续的流体连通压力降低通道，其中所述压力降低通道由于通道中的流体与通道壁之间的摩擦损失而使流体的压力降低。

在本发明的一个方面，压力降低通道设置在主体中，所述主体固定在第一流体传导管的端部与第二流体传导管的端部之间。

在本发明的一个方面，压力降低通道设置在插入体中，所述插入体插入到主体的开口内。

在本发明的一个方面，插入体包括第一部分和第二部分，其中压力降低通道设置成第一部分中的凹槽。

在本发明的一个方面，插入体是柱状的。

在本发明的一个方面，第一部分和第二部分具有半圆形截面形状。

在本发明的一个方面，压力降低通道的长度比器件的长度长。

在本发明的一个方面，压力降低通道是S形、螺旋形、正弦形等。

在本发明的一个方面，所述器件还包括连接器，所述连接器用于流体入口和流体出口分别至第一和第二流体传导管的相应端部的压力安全连接。

在本发明的一个方面，连接器包括用于封装元件的凹槽。

在本发明的一个方面，所述器件包括螺纹开口，所述螺纹开口用于通过螺栓固定至管的相应端部。

在本发明的一个方面，通道长度L与边长s之间的比例或通道长度L与通道的直径d之间的比例应当较大-例如200甚至更大。

在本发明的一个方面，通道长度L与边长s之间的比例或通道长度L与通道的直径d之间的比例在600-1200的范围内。

在本发明的一个方面，通道长度L与边长s之间的比例或通道长度L与通道的直径d之间的比例大约是1200。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的实施方式和方面，附图中：

图1示出第一实施方式的侧面剖视图；

图2示出图1中的第一实施方式的正面剖视图（沿图1中的线A-A的截面)；

图3示出图1所示实施方式的主视图；

图4示出插入体的侧面剖视图；

图5示出图4中的插入体的正面剖视图（沿图4中的线B-B的截面)；

图6示出图4中的插入体的主视图；

图7示出连接器的侧面剖视图；

图8示出图7中的连接器的立体图；

图9示出主体13；

图10示出图9所示主体13的一端的放大图；

图11示出压力降低器件的测试图；

图12示出设置在插入体中的通道的备选实施方式；

图13示出设置在插入体中的通道的备选实施方式；

图14示出设置在插入体中的通道的备选实施方式；

图15示出设置在插入体的外表面上的通道的备选实施方式。

具体实施方式

现在参阅图1和图2。一种用于提供可控制的压力降低的器件10设置在第一流体传导管1与第二流体传导管2之间。第一流体传导器件1和第二流体传导器件2分别包括端部1a、2a以便于器件10固定至管1、2。端部1a、2a可以是端凸缘等。

应当指出，术语“可控制的”在此被用于表达压力降低的“保持控制”，即压力降低对于所有雷诺数都应是可预测的。对于高雷诺数已经实现了可控制的或可预测的压力降低。此外，同样对于低雷诺数，其中流体会在所谓的湍流、所谓的过渡流或瞬变流以及所谓的层流之间改变。因此，如在此使用的，术语“可控制的”不意味着“可调节的”。

器件10包括与第一流体传导管1流体连通的流体入口11以及与第二流体传导管2流体连通的流体出口12。流体连通的压力降低通道14设置在流体入口11与流体出口12之间。因此，流体可以从管1流入流体入口11，进一步穿过通道14并经由流体出口12流出至管2。

流体连通的压力降低通道14由于通道中的流体与通道14的壁之间的摩擦损失而降低流体中的压力。这将会在下面详细阐述。

器件10可包括主体13。主体13固定在第一流体传导管1的端部1a与第二流体传导管的端部2a之间。压力降低通道14可设置在主体13中。

如附图所示，主体可具有筒状外形，然而根据应用等其他形状也可能是可行的。

此外，该器件可包括固定装置，所述固定装置用于固定至如图1和图3所示的相应端部1a、2a。例如螺纹开口19可设置在主体13中以使用螺栓3固定至管1、2的相应端部1a、2a。应当指出，器件10的设计可根据应用领域而改变。例如，因为输入流体与输出流体之间的压力差以及输入流体/输出流体与周围环境之间的压力差可能较大，所以必须确保以压力密封的方式设计器件10以免流体溢出至周围环境。

在图1和图2所示的实施方式中，主体13包括中心开口25（图9）。插入体15适于安装在主体13的开口的内部。压力降低通道14设置在插入到主体13的开口内的插入体15中。因此，主体13用作环绕在插入体15周围的压力屏障，并且用作用于保持和固定插入体15至管端部1a、2a的夹具。

现在将参照附图4、5和6描述插入体15。插入体15包括第一部分15a和第二部分15b。在本实施方式中，插入体15是柱状的，并且如图5和图6所示每个部分15a、15b都具有半圆形截面形状。压力降低通道14可在第一部分15a中设置成凹槽。更具体地说，当插入体15插入至主体13时，压力降低通道14可设置在第一部分15a中作为第一部分15a的接触表面30中的凹槽，所述接触表面30与第二部分15b的对应接触表面31接触。

第一部分15a和第二部分15b可在插入体插入至主体13之前彼此焊接或通过其他方式彼此固定。

如图4和图6所示，插入体15每端都可具有大体上为圆形的端面17。

在下面将阐述用于摩擦损失的计算模型。总的摩擦压力损失通过下述公式给出：

其中：

f是穆迪摩擦因数

l是管/软管的长度

d_h是液力直径

ρ是密度

u是速度

液力直径定义为：

其中：

A是截面面积

P是润湿周长

摩擦因数f取决于雷诺数，所述雷诺数定义为：

如果雷诺数低于2000那么流动为层流，如果雷诺数在2000与4000之间那么流动在临界区域，并且如果雷诺数高于4000那么流动为湍流。

对于湍流，摩擦因数f可用Colebrook-White公式估算：

其中：

k是绝对粗糙度（在此使用的数值为0.05mm，然而这将根据粗糙率而改变）

Re是雷诺数

对于层流，摩擦因数取决于实际几何形状。有效直径方法被用于非圆形管道。以下关系式适用于圆形管道和非圆形管道：

圆形管道：

非圆形管道（矩形）：

对于具有高度/宽度比率从0至1的的矩形，层流摩擦系数可以通过以下曲线拟合来获得：

在此，a和b是矩形的宽度和高度。所述曲线拟合基于损失系数的表格，即由Philip M.Gerhart和Richard J.Gross所著的《流体力学基础》1985（ISBN 0-201-1410-0)中的表格7.6。

有效直径通过下述公式给出：

并且在压降计算中使用的摩擦因数通过下述公式给出：

建议在临界区域中使用层流摩擦因数与湍流摩擦因数之间的线性插值。也就是说，湍流摩擦因数假定Re_h等于4000，并且假定雷诺数2000来估算层流摩擦因数。之后有效摩擦因数通过下述公式估算：

压力降低通道14可具有方形、半圆形或矩形截面形状，或其他适当的截面形状。根据所需压降、流体粘度、流体粒度，截面面积通常可以是0.2-5mm²，优选地可以是1-3mm²以避免阻塞等。

在图4、5和6所示的实施方式中，通道的截面区域为边长1×1mm的正方形。

压力降低通道14的所需长度应当基于上面的计算和假设来执行。在如图4所示实施方式中，压力降低通道14的所需长度计算成约为1.2m。

如图所示，压力降低通道14比器件10的长度长。因此，压力降低器件的尺寸可以进一步减小。

如图4所示，插入体的中央区域中的压力降低通道14大体上为S形。因此，通道14的长度大约是器件10的长度的两倍。如图1所示的器件10的主体13具有大约为60cm的长度。

应当指出，如果对应的压力降低器件使用串联连接的喷嘴设置以用于与本发明相同的应用领域，那么该压力降低器件会明显更长。

器件10还可包括连接器18，所述连接器18用于流体入口11和流体出口12分别至第一和第二流体传导管1、2的相应端部1a、2a的压力安全连接。连接器18的实施方式在图7和图8中详细示出。

连接器18大体上为筒状，并且包括沿所述连接器18本身的纵向方向的中心流体连通通道40。如图1所示，流体连通通道40在插入体15的端部与管1、2之间分别提供流体连通。连接器在两端都包括大体上圆形的端表面41，并且其中一个端部设置成用于与插入体15的端表面17接触，而另一个端部设置成用于分别与端部1a或2a的端凸缘的对应表面接触。

连接器18还包括凹槽42、43，所述凹槽42、43适于封装元件（未示出）-例如O形环等作为压力屏障。封装元件可设置在凹槽42中作为主体13与连接器18之间的压力屏障，并且封装元件可设置在凹槽43中作为端部1a、2a的相应端凸缘与连接器18之间的压力屏障。

图9和图10示出了主体13。如附图标记26所示，在此示出了主体13中的适于接收插入体15的中心开口25在主体的端部附近具有略大的直径。中心开口25的所述部分26适于接收连接器18的一个端部。因此，插入体15具有比主体13短的长度。

现在参看图11，图中示出沿水平轴线表示流率以及沿竖向轴线表示压差的曲线。黑实线代表通过基于理论来数学计算的点的趋势线。

大正方形代表测试图1所示实施方式时在不同流率下测得的压降。如图所示，所述测试表明器件10根据理论进行工作。

对于压力降低通道14的设计，长度与直径之间的比例尤其是关注重点。下面的表格示出一些相关值的比例：

如表格所示，比例L/s（s是正方形通道的边长）或比例L/d（d是圆形通道情形下的直径）应当比较大-例如200或更多。在其他实施方式中，这些比例L/s或L/d甚至可能更大-例如在600-1200的范围内。

在附图所示的实施方式中，比例L/s是大约1200。当然，如表格所示，这些比例L/s或L/d甚至可能更大。

在上面的描述中，压力降低通道14在流体入口11与流体出口12之间设置为一个且仅有的一个连续通道。因此，因为一个压力降低通道14的直径小于第一流体传导管和第二流体传导管的直径，所以当流经压力降低通道时流体将提高液流速度。在某些操作条件下，这可能导致液流从层流或过渡状态转变至湍流状态。

本发明具有几个备选实施方式。例如，压力降低通道14可设置在第二部分15b中作为凹槽，或设置在插入体15的第一和第二部分15a、15b两者中作为凹槽。

此外，压力降低通道可具有除上述S形形式外的其他形状。如图12所示，在备选实施方式中，通道14可能是正弦形的。

如图13所示，在又一备选实施方式中，通道可包括两个串联的S形通道。

如图14所示，在又一备选实施方式中，通道可包括定位在彼此上方的两个S形通道。

在又一备选实施方式中，插入体可以是圆柱状（没有分成两个子部分），其中通道14可在其外表面中设置成凹槽。在这种实施方式中，通道可以是如图15所示的类似螺旋形。在此，通道设置在插入体中的凹槽与主体13的内部开口25之间。可选地，通道14可以通过类似的方式设置在主体的开口26的内表面中-即像步枪枪管的螺旋槽。在此，插入体可以是没有任何凹槽或沟槽的圆柱体。

应当指出，压力降低通道14可具有除矩形、正方形或圆形以外的其他形式-例如，其可以是三角形或多边形。

根据本发明，获得了一种用于在第一流体传导管与第二流体传导管之间提供可控制的压力降低的器件-即所述器件以可控制或可预测的方式操作，从而所述器件也可用于为具有低雷诺数的流体实现预定压降。

Claims

1.用于在第一流体传导管（1）与第二流体传导管（2）之间提供可控制的压力降低的器件，其中所述器件（10）包括：

与所述第一流体传导管（1）流体连通的流体入口（11）；

与所述第二流体传导管（2）流体连通的流体出口（12）；

设置在所述流体入口（11）与所述流体出口（12）之间的一个连续的流体联通压力降低通道（14），其中所述压力降低通道（14）由于所述压力降低通道（14）中的流体与所述压力降低通道（14）的壁之间的摩擦损失而使流体的压力降低，其中所述压力降低通道（14）设置在主体（13）中，所述主体（13）固定在所述第一流体传导管（1）的端部（1a）与所述第二流体传导管（2）的端部（2a）之间；并且其中所述压力降低通道（14）设置在插入体（15）中，所述插入体（15）插入到所述主体（13）开口内，

其特征在于，所述插入体（15）包括第一部分（15a）和第二部分（15b），其中所述压力降低通道（14）设置成所述第一部分（15a）的接触表面（30）中的凹槽，所述接触表面（30）与所述第二部分（15b）的对应接触表面（31）相接触。

2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述插入体（15）为柱状。

3.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于，所述第一部分（15a）和第二部分（15b）具有半圆形截面形状。

4.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述压力降低通道（14）的长度比所述器件（10）的长度长。

5.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述压力降低通道是S形、螺旋形或正弦形。

6.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述器件（10）还包括连接器（18），所述连接器（18）用于所述流体入口（11）和流体出口（12）分别至所述第一和第二流体传导管（1、2）的相应端部（1a、2a）的压力安全连接。

7.如权利要求6所述的器件，其特征在于，所述连接器（18）包括用于封装元件的凹槽（42、43）。

8.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述器件（10）包括螺纹开口（19），所述螺纹开口（19）用于通过螺栓（3）固定至管（1、2）的相应端部（1a、2a）。

9.如上述权利要求1-2、4-8中任一项所述的器件，其特征在于，压力降低通道的长度L与压力降低通道的边长s之间的比例或压力降低通道的长度L与压力降低通道（14）的直径d之间的比例为200或更大。

10.如权利要求1-2、4-8中任一项所述的器件，其特征在于，压力降低通道的长度L与压力降低通道的边长s之间的比例或压力降低通道的长度L与压力降低通道（14）的直径d之间的比例在600-1200的范围内。

11.如权利要求1-2、4-8中任一项所述的器件，其特征在于，压力降低通道的长度L与压力降低通道的边长s之间的比例或压力降低通道的长度L与压力降低通道（14）的直径d之间的比例大约是1200。