CN106461113B - 用于流体线的高完整性压力保护系统(hipps) - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高完整性压力保护系统(HIPPS 1)，其中HIPPS具有开/关阀(2)，开/关阀具有壳体(10)和导管(13)，其中壳体具有入口(11)和出口(12)，导管用于使流体从入口流动到出口，并且开/关阀具有关闭构件(14)，HIPPS具有液压致动器(3)、可切换的液压供给单元(4)、传感器和逻辑解算器，液压致动器具有运动学地固定到关闭构件的控制元件(23)，可切换的液压供给单元(4)在激活状态下向控制元件(23)的控制面(25)供应控制压力，并且在不活动状态下从控制面(25)释放控制压力，传感器在出口(12)下游测量流体的压力，逻辑解算器将压力与临界值进行比较，每当压力低于临界值时，其将液压供给单元切换到激活状态，以允许关闭构件保持在打开位置，并且每当压力超过临界值时，将液压供给单元切换到不活动状态，以允许关闭构件移动到或保持在关闭位置。本发明提出，控制元件的与控制面相对的相对面暴露于流体的下游压力，使得流体的下游压力将关闭构件推到关闭位置。
Description
技术领域
本发明总体上涉及高完整性压力保护系统(HIPPS)，特别是涉及这样的HIPPS，其中HIPPS具有开/关阀，开/关阀具有壳体和导管，其中壳体具有入口和出口，导管用于使流体从入口流动到出口，并且开/关阀具有关闭构件，关闭构件可以沿从入口向出口的方向从打开位置轴向移动到关闭位置，其中在打开位置，关闭构件打开管道以允许流动，在关闭位置，关闭构件关闭管道以阻止流动，HIPPS具有液压致动器、可切换的液压供给单元、传感器和逻辑解算器，液压致动器具有运动学地固定到关闭构件的控制元件，可切换的液压供给单元在激活状态下向控制元件的控制面供应控制压力，在不活动状态下从控制面释放控制压力，传感器在出口下游测量流体的下游压力，逻辑解算器将下游压力与临界值进行比较，每当下游压力低于临界值时，其将液压供给单元切换到激活状态，以允许关闭构件保持在打开位置，并且每当下游压力超过临界值时，将液压供给单元切换到不活动状态，以允许关闭构件移动到或保持在关闭位置。出于安全原因，HIPPS系统始终需要手动操作来打开。
背景技术
高完整性压力保护系统(HIPPS)是用于防止由管线中的下游压力升高引起的不安全状况的公知的安全仪表系统(SIS)。HIPPS阀需要高可靠性数据，并且应设计为在需要时在任何条件下关闭管线。当感测到临界下游压力时，最终元件(阀)关闭，以防止下游管线的进一步增压。已知的HIPPS阀具有外部致动器，这些致动器经常使用弹簧/液压并且非常大以确保足够的安全性，以能够在任何条件下关闭阀。这些外部致动器可能失效，从而导致致动力的损失。
在本发明的技术背景中，DE 2517730A1提出了通过上游压力关闭的开/关阀。然而，由于管线中典型的高压力水平的增强，这种已知的阀不可能在没有实质性修改的情况下包含在HIPPS中，特别是对于阀座和密封元件。
本发明的目的是提供一种阀，其中当阀必须关闭时致动力固有地存在。
发明内容
本发明提出，控制元件的与控制面相对的相对面暴露于流体的下游压力，使得流体的下游压力将关闭构件推到关闭位置。在根据本发明的HIPPS中，流体本身的升高的下游压力是关闭开/关阀的作用装置。
在根据本发明的优选HIPPS中，致动器布置在壳体内部。在这样的HIPPS中，致动器被保护免受压力和来自环境的其它冲击的影响，特别是在海底和海床应用中。可替代地，例如，在球心阀中，致动器可以布置在壳体外部。
在这样的HIPPS中，导管优选地围绕致动器。在导管围绕致动器的情况下，在内壳体内部，开/关阀基本上是压力平衡的。可替代地，导管可以沿着致动器形成，以避免内壳体的磨损。
在根据本发明的另一优选的HIPPS中，控制元件是液压致动器的活塞。这样的HIPPS特别优选用于大直径。
在根据本发明的可替代的优选HIPPS中，控制元件是液压致动器的缸筒。这样的HIPPS特别优选用于较小直径。
在根据本发明的另一优选HIPPS中，弹簧将关闭构件推到关闭位置。这样的附加弹簧由HIPPS的共同标准提出，以辅助阀的关闭。
在根据本发明的另一优选HIPPS中，至少一个传感器识别关闭构件的位置。将传感器包括在开/关阀中提供了用于监测HIPPS的状态。
在根据本发明的另一优选的HIPPS中，关闭构件具有孔，使流体从出口通过关闭构件到达控制元件的背面。形成在关闭构件中的孔提供从阀的出口到内壳体的内部的最简单的连接。
本发明还提出一种用于在流体线中操作这样的HIPPS的方法，其中，控制元件的与控制面相对的相对面暴露于压力，使得流体的下游压力将关闭构件推到关闭位置。根据本发明的方法可以使用上述HIPPS来执行，并且具有相同的优点。
附图说明
随后参考附图中所示的优选实施例，更详细地描述根据本发明的设备和相关方法。
图1示意性地示出了根据本发明的第一HIPPS，
图2示意性地示出了该HIPPS的开/关阀，以及
图3a/b示意性地示出了该开/关阀处于打开和关闭位置，
图4a/b示出了在这些位置中的根据本发明的第二HIPPS的开/关阀，以及
图5示出了该开/关阀的工程细节，
图6a/b示出了在这些位置中的根据本发明的第三HIPPS的开/关阀，以及
图7示出了该开/关阀的工程细节。
具体实施方式
图1中示出了根据本发明的第一HIPPS。第一HIPPS 1具有应用到流体线中的开/关阀2，集成到开/关阀2中的液压致动器3以及液压供给单元4。未示出第一HIPPS 1的其它公知元件，即测量流过开/关阀2的流体的下游压力的传感器以及用于解释来自传感器的数据的逻辑解算器。
液压供给单元4具有用于液压流体的低压存储器5和高压存储器6、用于低压存储器5和高压存储器6之间的液压流体的泵7以及经由液压线9将低压存储器5或高压存储器6连接到液压致动器3的3/2阀8。3/2阀8由逻辑解算器驱动。
在图2中详细地示出的开/关阀2具有壳体10和导管13，壳体10具有入口11和出口12，导管用于使流体从入口11通到出口12。
开/关阀2具有杯形关闭构件14，其可沿从入口11到出口12的方向从打开位置轴向移动到关闭位置。关闭构件14形成壳体10内部的内壳体15的一部分，并且由导管13围绕，内壳体包围液压致动器3。
关闭构件14的柱形侧壁16被动态地密封到内壳体15和壳体10中的座17上。关闭构件14的基部18具有孔9，该孔使流体从出口12通过关闭构件14流到控制元件的背面20。
液压致动器3的缸筒21固定到内壳体15，而在缸筒21内部的、形成控制元件23的可移动活塞22通过连接杆24连接到关闭构件14。控制元件23具有面向液压致动器3的缸盖26的控制面25。
开/关阀2还具有支撑在液压致动器3的缸盖26和关闭构件14之间的弹簧27。
在液压供给单元4的激活状态下，液压致动器3的内部供应有控制压力，该控制压力在控制面25上产生控制力，将关闭构件14拉到打开位置，如图3a所示：导管13从入口11向出口12打开，从而允许流体通过流体线。
在内壳体15内部，出口12下游的流体的下游压力产生关闭力到控制元件23的背面20。更精确地，从出口12观察，在可移动部件(即控制元件23和关闭构件)的可见面上从入口11观察，关闭力与可移动部件的可见面的过量面积(excess area)成比例。
每当该关闭力加上弹簧力超过控制力时，它将关闭构件推到关闭位置，如图3b所示：控制元件23关闭导管13，并且阻止流体通过流体线。
因此，当液压供给单元4处于不活动状态时，关闭构件14被推到关闭位置，控制压力从控制面25释放。此外，当下游压力超过由液压供给单元4的控制压力限定的紧急关闭水平时，控制面在控制压力下，并且通过弹簧力，关闭构件14也被推到关闭位置。
图4a和4b示出了根据本发明的另一HIPPS的第二开/关阀28。第二开/关阀28基本上具有上述第一开/关阀2的所有特征，并且具有尺寸为48英寸的凸缘。关闭构件30的基部29形成辐条轮并且拧到柱形侧壁31。图4a示出了处于打开位置的第二开/关阀28，图4b示出了处于关闭位置的第二开/关阀28。图5详细地示出了液压致动器32和第二开/关阀28的关闭构件30。
图6a和6b示出了根据本发明的又一HIPPS的第三开/关阀33。第三开/关阀33原则上类似于第二开/关阀28，但是仅具有尺寸为6英寸的凸缘。根据本发明的其它HIPPS当然可以具有带这两个极值之间的任何尺寸的凸缘的开/关阀。图6a示出了处于打开位置的第三开/关阀33，图6b示出了处于关闭位置的第三开/关阀33。图7详细地示出了液压致动器34和第三开/关阀33的关闭构件35：
在第三开/关阀33中，液压致动器34的活塞36固定到内壳体37，液压线38由此集成到活塞杆39中。形成控制元件41的缸筒40是可移动的，并且拧到关闭构件35的柱形侧壁42。弹簧43支撑在活塞杆39和关闭构件35之间。
第三开/关阀33还具有附接到关闭构件35的永磁体44以及用于检测永磁体44和由此的关闭构件35的位置的两个感测头部45。
附图被简化，特别是未示出密封件。
在附图中：
1 HIPPS
2 开/关阀
3 液压致动器
4 液压供给单元
5 低压存储器
6 高压存储器
7 泵
8 3/2阀
9 液压线
10 壳体
11 入口
12 出口
13 导管
14 关闭构件
15 内壳体
16 侧壁
17 座
18 基部
19 孔
20 背面
21 缸筒
22 活塞
23 控制元件
24 连接杆
25 控制面
26 缸盖
27 弹簧
28 开/关阀
29 基部
30 关闭构件
31 侧壁
32 液压致动器
33 开/关阀
34 液压致动器
35 关闭构件
36 活塞
37 内壳体
38 液压线
39 活塞杆
40 缸筒
41 控制元件
42 侧壁
43 弹簧
44 永磁体
45 感测头部
Claims (9)
1.用于流体线的高完整性压力保护系统，其中高完整性压力保护系统具有
a.开/关阀(2,28,33)，具有壳体(10)和导管(13)，其中所述壳体(10)具有入口(11)和出口(12)，所述导管用于使流体从所述入口(11)流动到所述出口(12)，并且开/关阀具有关闭构件(14，30，45)，所述关闭构件能够沿从入口向出口的方向从打开位置轴向移动到关闭位置，其中，在所述打开位置，所述关闭构件(14，30，45)打开所述导管(13)以允许流动，在所述关闭位置，所述关闭构件(14，30，45)关闭所述导管(13)以阻止流动，以及
b.液压致动器(3,32,34)，具有可移动地固定到所述关闭构件(14，30，45)的控制元件(23，41)，以及
c.可切换的液压供给单元(4)，其在激活状态下给所述控制元件(23，41)的控制面(25)供应控制压力，在不活动状态下从控制面(25)释放控制压力，
d.在所述出口(12)下游测量流体的下游压力的传感器，
e.逻辑解算器
i.将下游压力与临界值进行比较，
ii.每当所述下游压力低于所述临界值时，将液压供给单元(4)切换到激活状态，以允许所述关闭构件(14，30，45)移动到或保持在所述打开位置，以及
iii.每当所述下游压力超过所述临界值时，将液压供给单元(4)切换到不活动状态，以允许所述关闭构件(14，30，45)移动到或保持在关闭位置，
其特征在于，所述控制元件(23,41)的与所述控制面(25)相对的相对面暴露于流体的下游压力，使得流体的下游压力将所述关闭构件(14，30，45)推到所述关闭位置。
2.根据前述权利要求所述的高完整性压力保护系统，其特征在于，所述液压致动器布置在所述壳体(10)内部。
3.根据权利要求2所述的高完整性压力保护系统，其特征在于，所述导管(13)围绕所述液压致动器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的高完整性压力保护系统，其特征在于，所述控制元件(23)是所述液压致动器(3,32)的活塞(22)。
5.根据权利要求1到3中任一项所述的高完整性压力保护系统，其特征在于，所述控制元件(41)是所述液压致动器(3,32)的缸筒(40)。
6.根据权利要求1到3中任一项所述的高完整性压力保护系统，其特征在于将所述关闭构件(14，30，45)推到所述关闭位置的是弹簧(27,43)。
7.根据权利要求1到3中任一项所述的高完整性压力保护系统，其特征在于还包括用于识别所述关闭构件(14，30，45)的位置的至少一个传感器。
8.根据权利要求1到3中任一项所述的高完整性压力保护系统，其特征在于，所述关闭构件(14，30，45)具有孔(19)，使流体从所述出口(12)通过所述关闭构件(14，30，45)流到所述控制元件(23,41)的背面(20)。
9.用于在流体线中操作高完整性压力保护系统的方法，所述高完整性压力保护系统具有开/关阀(2,28,33)，所述开/关阀具有壳体(10)和导管(13)，其中所述壳体(10)具有入口(11)和出口(12)，所述导管用于使流体从所述入口(11)流动到所述出口(12)，并且开/关阀具有关闭构件(14，30，45)，所述关闭构件能够沿从入口向出口的方向从打开位置轴向移动到关闭位置，其中，在所述打开位置，所述关闭构件(14，30，45)打开所述导管(13)以允许流动，在所述关闭位置，所述关闭构件(14，30，45)关闭所述导管(13)以阻止流动，所述高完整性压力保护系统具有液压致动器(3,32,34)，该液压致动器具有可移动地固定到所述关闭构件(14，30，45)的控制元件(23，41)，所述方法包括以下步骤：
a.在激活状态下向所述控制元件(23，41)的控制面(25)供应控制压力，在不活动状态下从控制面(25)释放控制压力，
b.在所述出口(12)下游测量流体的下游压力，
c.将下游压力与临界值进行比较，
d.每当所述下游压力低于所述临界值时，将所述液压致动器(3,32,34)切换到激活状态，以将所述关闭构件(14，30，45)保持在所述打开位置，以及
e.每当所述下游压力超过所述临界值时，将所述液压致动器(3,32,34)切换到不活动状态，以将所述关闭构件(14，30，45)移动到或保持在关闭位置，
其特征在于，将所述控制元件(23,41)的与所述控制面(25)相对的相对面暴露于所述下游压力，使得所述流体的下游压力将所述关闭构件(14，30，45)推到所述关闭位置。
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