CN102563281B - 用于安装管传感器的装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于安装管传感器(30)的装置。该装置包括管(10)和传感器(30)。管(10)具有管壁(12)，其具有移除的部分，移除的部分限定穿过管壁(12)的通道(14)。具有箍(38)的传感器(30)被设置在通道(14)中，且暴露于管(10)的内部(16)。在一个实施例中，传感器(30)可被焊接至管壁(12)。在另一个实施例中，插入件(20)可被设置于传感器(30)和管壁(12)之间的通道(14)中，而锁紧螺母(40)与插入件(20)接合且压靠在箍(38)上以将传感器(30)紧固至插入件(20)。

Description

用于安装管传感器的装置
技术领域
在文中公开的主题涉及管传感器，且具体地，涉及用于探测管内部的特性的管安装的传感器。
背景技术
传感器可被用于判定管和管道系统内的特性，例如压力、流量、流率、温度、湿气和湿度以及流体浓度及其它。传感器在提供对管中的流体的测量和控制中以及在维持有效且精确的操作中是总体必需的。在商业行业中，有效的控制和操作可在维护人类安全、环境安全和成本效率方面是必不可少的。
在例如石油工业的行业中，使用工业标准的管接头将传感器安装至管，管接头常为管的长度的末端上的大凸缘。这些凸缘在结合或接合处被螺栓或螺钉连接在一起。传感器附接至凸缘，而凸缘在被连接的管的末端处连接到另一个凸缘上，使得传感器暴露于管的内域。由于用于连接传感器的管接头也被用于连接其它标准管设备(例如管)，管接头(例如凸缘)相对于传感器是非常大的。在具有相对严酷的操作环境的例如海底石油行业或其它行业的一些行业中，这些操作环境使得必需许多或严格的规章和/或更强或更耐用的管接头，这些管接头可能特别大或另外是沉重的。
由于管和其它管设备相对于传感器可以是非常大的，将小的传感器连接至管占用了相对大量的空间。固定由大凸缘附接的传感器的空间可变得非常拥挤、或太小，限制了可在给定区域中使用的传感器的数量，且限制管道系统的控制和操作。在管道系统的原始设计后增加传感器或再定位传感器可以是非常困难且昂贵的。此外，更大的管接头需要更大量的昂贵材料。
将传感器附接在管内而没有使用笨重的管接头的限制将是有利的。
发明内容
提供了一种用于将传感器安装在管内的装置，该装置避免了使用笨重的管接头。
在一个实施例中，用于安装管传感器的装置包括管、插入件、传感器和锁紧螺母。管具有管壁。管壁具有移除的部分，该移除的部分限定了穿过管壁的通道。插入件被设置在通道中且被紧固并密封至管壁。插入件的内表面限定了插入件中的腔。内表面具有渐缩的部分。具有箍的传感器被设置在插入件的腔中，被紧固且密封至插入件，且暴露于管的内部。锁紧螺母与插入件接合且被压在箍上以将传感器紧固且密封至插入件。
在另一个实施例中，用于安装管传感器的装置包括管和传感器。管具有管壁，管壁具有移除的部分，该移除的部分限定了穿过管壁的通道。传感器被设置在通道中且暴露于管的内部。传感器具有箍，其被焊接至管壁以在箍和管壁之间形成流体不可渗透的密封。
附图说明
为了本发明的特征可被理解的方式，本发明的详细说明可参考某些实施例，其中的一些被图示在附图中。然而应该指出的是附图仅仅图示了本发明的某些实施例，且由于本发明的范围包括了其它等同有效的实施例，因而不被认为限制其范围。附图不一定按比例画出，总体强调图示本发明的某些实施例的特征。因而，为了进一步理解本发明，可参考以下详细说明，联系附图阅读，其中：
图1是在使用插入件和锁紧螺母的本发明的一个示例性实施例中管的被截开的管壁的分解侧视图，且传感器可被嵌入在管壁中。
图2是在对应于图1的本发明的一个示例性实施例中管的被截开的管壁的侧视图，且传感器被嵌入在管壁中。
图3是在本发明的另一个示例性实施例中管的被截开的管壁的分解侧视图，且传感器可被嵌入在管壁中。
图4是在对应于图3的一个实施例中管壁的被部分截开的侧视图，且传感器被嵌入在管壁中。
零部件列表
10管
11孔口平面
12管壁
13第一通道部分
14通道
15第二通道部分
16管内部
17肩部
18管的内表面
19管的外表面
20插入件
21插入件的渐缩部分
22插入件的外表面
23插入件的内表面
25腔
26插入件的内螺纹部分
28插入件的径向向内朝向的表面
30传感器
33传感器末端
36线
38箍
39传感器的渐缩表面
40锁紧螺母
42锁紧螺母的外螺纹部分
50结合处
60外壳
具体实施方式
图1是在使用插入件20和锁紧螺母40的本发明的一个示例性实施例中管10的被截开的管壁12的分解的侧视图，且传感器30可被嵌入在管壁12中。传感器30可以是各种传感器中的一种。一些此类装置包括压力传感器、流速计、流量计、温度计、湿气和湿度测量计、砂或泥探测器、以及流体浓度计。可根据此方法安装的传感器的一个示例包括具有压阻式换能器的压阻式压力传感器。传感器的另一个示例包括谐振装置，例如凹刻蚀谐振式压力传感器(“TERPS”)。这些传感器可不同地成形。在一个实施例中，传感器末端33的直径或宽度是大约0.5英寸(12.7mm)。传感器末端33可暴露于管10的内部16。传感器30可具有箍38，或箍38可被紧固至传感器30，例如通过将箍38焊接至传感器30和/或在传感器30周围。传感器30可具有在箍38和传感器末端33之间的渐缩的表面39。传感器30可具有或可被附接至电线36，以从传感器30传送电信号。
管壁12可由适合用于特定应用的材料制成。在海底石油行业中，例如，可使用钢、超合金或另一种高性能合金(例如奥氏体镍铬基超合金)。也可使用适合于应用和行业的其它材料。管壁12可具有各种厚度。在海底石油钻井应用的一个示例中，管壁12可以是在0.25英寸(6.35mm)和0.375英寸(9.525mm)之间的厚度。管壁12的一部可被移除，例如通过穿过管壁12钻孔，以产生穿过管壁12从管壁12的外表面19至管壁12的内表面18的通道14。
插入件20可在外侧尺寸设置并成形成以安装进在通道14中的管壁12。例如，如果通道14是圆柱形的，则插入件20的外表面22也可成形成圆柱形，且尺寸设置成使得插入件20可紧贴地安装进通道14。备选地，管壁12的通道14可成形成且尺寸设置成接纳插入件20。
插入件20可被成形且尺寸设置成适于接收传感器30。插入件20可具有腔25，传感器30可被插入进腔25中。腔25可由插入件20的内表面23限定。内表面23可包括内螺纹部分26和渐缩部分21。螺纹部分26可沿着在插入件40的末端处的内表面23从管10的中央轴线径向向外定位，而渐缩部分21可沿着在插入件40的末端处的内表面23从螺纹部分26朝向管10的中央轴线径向向内定位。插入件40沿管10的径向方向的长度可长于管壁12的厚度，以确保用于螺纹部分26和渐缩部分21的足够的空间，且当插入件20被插入且被紧固在管壁12中时在固定传感器30方面提供额外支承。插入件20在内表面23和外表面22之间的厚度可在最薄的部分处足以容纳螺纹部分26且提供结构强度(例如减小应力、弯曲或破坏等)。因此，插入件20可在其最大直径或最宽点处仅稍稍大于传感器30，从而使用了更少的材料且在管10周围留下了更多的空间以如果需要的话定位其它传感器30。以这种方式，传感器30可被定位在周向围绕管10的多个位置处，或在沿着管10的经线的多个位置处，以三维地映像管、流体和/或流特性。
图2是在对应于图1的本发明的一个示例性实施例中管10的被截开的管壁12的侧视图，且传感器30被嵌入在管壁12中。
插入件20可被插入管壁12的通道14中，使得径向向内朝向的表面28与管壁12的内表面18大致平齐，或延伸超过管壁12的内表面18或凹入管壁12中。如图所示，将插入件20的径向向内朝向的表面28定位成与管壁12的内表面18大致平齐能够降低插入件20对在管10中流动的流体的任何影响。将插入件20的径向向内朝向的表面28定位成使得插入件20延伸进管10中超过管壁12的内表面18，或使得插入件20凹入管壁12中，可容纳接合管10、插入件20、传感器30和锁紧螺母40的物理约束，或可容纳传感器30的任何限制。一旦定位，插入件20可被通过焊接或适合于结构要求和管10及插入件20的材料的其它已知的方法而固定在管壁12中。焊接可包括但不限于钨极氩弧焊接和电弧焊。固定可在插入件20和管壁10之间产生流体密封，其能够承受高达或超过10000psi(68947573Pa)、15000psi(103421359Pa)、或20000psi(137895146Pa)的高压。
传感器30可被插入进插入件20中，使得传感器末端33暴露于管10的内部和管10中的任何流体。与插入件20相同，取决于希望用于传感器30的设计偏好和操作状况，传感器末端33可与管壁12的内表面大致平齐，凹入管壁12或延伸超出管壁12的内表面。将插入件20和传感器30定位成与管壁12的内直径平齐可减少对管10中的流体的流动状况的影响。
为了获得传感器30的合适定位，具有与插入件20的内螺纹部分26接合的外螺纹部分42的锁紧螺母40被径向向内拧紧以压在传感器30的箍38上且径向向内推动传感器30。传感器30的渐缩表面39冲击插入件20的渐缩部分21且被压靠在其上，形成密封且定位传感器30。该密封可承受高压，包括超过10000psi(68947573Pa)、15000psi(103421359Pa)、或20000psi(137895146Pa)或以上的压力。例如，如果传感器30失效，锁紧螺母40也可被松开和脱离，从而允许传感器30被轻易地移除和/或用另一个传感器30替代。
插入件20可由合适的材料制成，例如一种类型的钢、超合金或另一种高性能的合金(例如奥氏体镍铬基超合金)。插入件20可比传感器30硬，使得当传感器30的渐缩表面39冲击且对插入件20的渐缩部分21密封时，插入件20不太可能被损坏、弯曲或以其他方式被损坏。插入件20则可在移除和/或替换传感器30中重复使用。备选地，插入件20可比传感器30软，使得传感器30不太可能被损坏、弯曲或以其他方式被损坏。
外壳60可被置于传感器30、锁紧螺母40和插入件20上。外壳60可被固定至管10，使得外壳60保护传感器30和任何电子器件。外壳60可对水、其它流体、污染物或破坏性制剂密封。
图3是在本发明的另一个示例性实施例中管10的被截开的管壁12的分解的侧视图，且传感器30可被嵌入在管壁10中。管壁12的通道14可具有第一通道部分13和第二通道部分15。第一通道部分13可具有比第二通道部分15的直径或宽度小的直径或小的宽度。第一通道部分13可被尺寸设置成且成形成使得传感器30在箍38的径向向内侧上可安装在第一通道部分13中。例如，如果传感器30在箍38的径向向内侧上是圆柱形的，则第一通道部分在箍38的径向向内侧上也可为圆柱形，且尺寸设置成稍微大于传感器30。
第二通道部分15可被尺寸设置成且成形成使得箍38可安装在第二通道部分15中且邻接或倚靠肩部17，肩部17在第一通道部分13和第二通道部分15之间连接。箍38直径例如可大约为0.75英寸(19.05mm)或0.875英寸(22.225mm)。因而，肩部17的外径也可为大约0.75英寸(19.05mm)或0.875英寸(22.225mm)之间的直径，或稍微大足以允许箍安装在第二通道部分15中且允许将传感器30紧固就位的量。例如，如果传感器通过焊接被紧固至管10，则在箍38和限定第二通道部分15的表面之间的间隙应该被限制成对于焊接可接受的量。也可增加具有比第二通道部分15更大的直径的孔口平面11，以使得空间能够操作且紧固传感器30。例如，如果箍38具有大约0.75英寸(19.05mm)的直径，则孔口平面11可具有大约1.0英寸(25.4mm)的直径，其将产生孔口平面11的0.125英寸(3.175mm)宽的环形表面。
图4是在对应于图3的一个实施例中管壁12的被部分截开的侧视图，且传感器30被嵌入在管壁12中。箍38可被定位在传感器30上，而孔口平面17可被定位在管壁12的外表面19和内表面18之间，使得传感器末端33可被按需要地定位，或是与管壁12的内表面18平齐，或是延伸进入管10超出管壁12(例如，朝向管10的中央轴线)，或是凹入管壁12(例如，从管10的中央轴线径向向外)。将传感器末端33定位成与管壁12的内表面18大致平齐可减少或防止传感器30另外会对在管10中的流体的流状况具有的任何影响。
箍38也可与管壁12的外表面19大致平齐，或凹入管壁12(例如，朝向管10的中央轴线)或延伸超出管壁12(从管10的中央轴线径向向外)。一旦传感器30被定位，且箍38接触、倚靠或被压靠至肩部17，则箍可通过例如但不限于在结合处50在箍38和管壁10之间的焊接被紧固就位。焊接可包括但不限于电子束焊接和激光焊接。结合处50可形成密封，该密封可承受高压，包括超过10000psi(68947573Pa)、15000psi(103421359Pa)、或20000(137895146Pa)及以上的压力。将箍38定位成使得箍38大致平齐或稍微凹入允许更容易的焊接。
以该方式安装传感器而要求的总的管区域可仅稍微大于传感器30(例如大了0.5英寸(12.7mm))。因此，使用的材料更少，且管10周围可用的空间更多以如果需要安装其它传感器30。传感器30可被定位在周向围绕管10的多个位置处，或在沿着管10的经度的多个位置上，以三维地映像管、流体和/或流特性。
外壳60可被置于传感器30之上且被附接至管10以保护传感器30和任何电子器件。外壳60可被紧固至管10而外壳60可对水、其它流体、污染物或破坏性制剂密封。
该书面描述使用示例公开了本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统，执行任何结合的方法。本发明可被授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例包括与权利要求的书面语言并非不同的结构元件或它们包括与权利要求的书面语言非实质不同的等同结构元件，则它们意图落在权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种用于安装到管上包括传感器(30)的装置，所述装置包括：
管(10)，其具有限定内部(16)的管壁(12)，所述管壁(12)具有外表面(19)、内表面(18)以及移除的部分，所述移除的部分限定从所述外表面(19)穿过所述内表面(18)至所述内部(16)的通道(14)；
插入件(20)，其设置在所述通道(14)中，所述插入件(20)具有外表面(22)和内表面(23)，所述插入件(20)的所述内表面(23)限定腔(25)，所述插入件(20)在所述插入件(20)的所述外表面(22)处被紧固且被密封至所述管壁(12)，所述插入件(20)的所述内表面(23)具有渐缩部分(21)；
传感器(30)，其具有箍(38)，所述传感器(30)和所述箍被设置在所述插入件(20)的所述腔(25)中，所述传感器(30)被紧固且密封至插入件(20)，所述传感器(30)暴露于所述管(10)的所述内部；以及
锁紧螺母(40)，其至少部分地设置在所述腔中且与所述插入件(20)接合以压靠在所述箍(38)上，以将所述传感器(30)紧固且密封至所述插入件(20)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述插入件(20)具有在所述内表面上的第一螺纹部分(26)，所述锁紧螺母(40)具有在所述锁紧螺母的外表面上的第二螺纹部分(42)，且所述第二螺纹部分(42)拧入所述第一螺纹部分(26)。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器(30)定位成与所述管壁(12)的所述内表面(18)平齐。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述锁紧螺母(40)将所述传感器(30)压靠在所述插入件(20)的所述渐缩部分(21)上以形成在所述传感器(30)和所述渐缩部分(21)之间的密封，所述密封能够承受流体压力。
5.一种用于安装到管上包括传感器(30)的装置，所述装置包括：
管(10)，其具有限定内部(16)的实心管壁(12)，所述实心管壁(12)具有外表面(19)、内表面(18)和移除的部分，所述移除的部分限定从所述外表面(19)穿过所述内表面(18)至所述内部(16)的通道(14)；所述通道包括形成在所述实心管壁内且靠近所述外表面的第一通道部分以及形成在所述实心管壁内且靠近所述内表面的第二通道部分，其中所述第二通道部分的直径小于所述第一通道部分的直径；以及
传感器(30)，其具有箍(38)，所述箍具有大于所述第二通道部分的直径且小于所述第一通道部分的直径的第三直径，所述传感器(30)与所述箍被设置在所述通道(14)中，所述箍(38)被焊接至靠近所述外表面的所述实心管壁(12)以在所述箍(38)和所述实心管壁(12)之间形成流体不可渗透的密封，所述传感器(30)暴露于所述管(10)的所述内部(16)。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述传感器(30)定位成与所述实心管壁(12)的所述内表面(18)平齐。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，进一步包括在所述第一通道部分和所述第二通道部分之间连接的肩部(17)，并且其中，所述箍(38)被压靠至所述肩部(17)。
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