CN216304714U - 用于水下组件的水下围护结构装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于水下组件的水下围护结构装置，围护结构(16)包括：流体密封材料的壁(20)，每个壁终止于一个法兰(17)；用于封闭围护结构的盖(18)；在法兰(17)与盖(18)之间的弹性体密封结构(22)；将压缩力经由盖和法兰施加到弹性体密封结构的压缩构件(27)；将法兰连接至盖的支架(26)；在支架与法兰之间的焊接密封结构(32)；在支架与盖之间的焊接密封结构(31)。

Description

用于水下组件的水下围护结构装置

技术领域

本实用新型涉及一种水下设备或在水面下的设备的水下围护结构装置以及组装这样的装置的相关联的方法。

背景技术

钻井平台传统上被用于离岸石油和天然气生产。在离岸钻井平台的运行中，可能需要在水下安装电气设备，以例如用于控制水下采油树或水下防喷器的功能。最近，已经将处理设施迁移至海床。在海床上的安装设施可以包括多种模块，这些模块包括需要电力来运行的泵、压缩机等。电力供应可以通过安装在海床的水下电网来提供，水下电网例如可以包括用于为上述水下负载供电的水下变压器、水下开关设备和水下变速驱动器。即使在额定安装深度(可以是3000m或更深)处所充斥的高压下，安装的设备也必须要可靠地运行，所以设备由围护箱来保护。对这种围护结构的改进是所期望的。

实用新型内容

根据本实用新型的第一方面，一种用于水下组件的水下围护结构装置，围护结构包括：流体密封材料的壁，每个壁终止于法兰；用于封闭围护结构的盖；在法兰与盖之间的弹性体密封结构；将压缩力经由盖和法兰施加到弹性体密封结构的压缩构件；将法兰连接至盖的支架；在支架与法兰之间的焊接密封结构；在支架与盖之间的焊接密封结构。

围护结构装置还可以包括测试端口，该测试端口被形成在盖中的位于弹性体密封结构与压缩构件之间的位置处。

支架可以包括形成矩形轮廓的多个成角度的型材；或者包括形成圆形轮廓的多个成角度的型材；或者包括形成矩形轮廓或圆形轮廓的弯曲的型材。

成角度的型材可以包括L型型材，弯曲的型材可以包括半圆形的柱形型材，或根据箱口板和法兰的形状对这些型材的改型。

围护结构壁可以包括金属(尤其是钢)或塑料(尤其是聚乙烯)。

装置可以适于接纳水下组件，水下组件包括变压器、变速驱动器、泵、压缩机或分离器中的至少一个。

装置可以适于接纳在装置内的压力补偿流体。

压力补偿体液可以包括油或可以包括空气或其他气体(尤其是氮气)。

弹性体密封结构可以包括O型环密封结构、S型密封结构或密封垫中的一个。

根据本实用新型的第二方面，将水下组件安装在用于水下组件的水下围护结构装置中的方法，包括通过开口将一个或多个组件安装在围护结构中，围护结构包括流体密封材料的壁；将弹性体密封结构装配至围护结构的壁的法兰；将盖装配在弹性体密封结构上方以封闭开口；通过绷紧在盖和法兰中的压缩构件将压缩力施加至密封结构；在压缩构件上方装配支架；并且将支架焊接至盖和法兰。

该方法实现了一种双密封围护结构，压缩构件提供了用于围护结构的第一气密密封，并且将支架焊接至盖和法兰提供了用于围护结构的第二气密密封。

方法还可以包括，以压力补偿流体填充围护结构或填充在围护结构中的组件。

压力补偿流体可以包括油或气体，气体尤其可以包括空气或氮气。

方法还可以包括在支架中形成可封闭的测试端口、测试端口在支架上的弹性体密封结构焊接部与压缩构件之间。

方法还可以包括在将压缩力施加至密封结构后，在测试端口处测试在围护结构内部与周围环境之间已经形成了流体密封。

测试可以包括施加真空以尝试从围护结构外部内抽取氦气液体穿过弹性体密封结构。

方法还可以包括在测试端口处测试在焊接部与周围环境之间已经形成了气密密封。

测试可以包括将氦气喷射至焊接部的外表面以及在测试端口处施加真空并应用氦嗅探器探针来确定气体是否已经通过了焊接密封结构。

虽然用于弹性体密封结构的支座可以只被设置在法兰或盖中的一个中，但优选的是，弹性体密封结构被装配到法兰中的支座中并且在盖中设置有对应的支座。

附图说明

现在，将参考附图来描述根据本实用新型的水下围护结构装置的示例以及组装水下围护结构装置的相关联的方法，在附图中：

图1是典型的水下电网的框图，根据本实用新型的围护结构装置可以被用于其中；

图2示出用于在可以应用本实用新型的图1的电网中使用的、具有水平安装的盖的围护结构；

图3示出用在图2的围护结构中的焊接部的更多细节；

图4示出用于在可以应用本实用新型的图1的电网中使用的、具有竖直安装的盖的围护结构；

图5是组装根据本实用新型的一个方面的围护结构装置的方法的流程图；

图6是打开和再次封闭根据本实用新型的一个方面的围护结构装置的方法的流程图；

图7示出可以应用本实用新型的圆形围护结构、法兰和箱口板的示例；

图8从上方示出在组装期间的图7的围护结构；以及

图9a、图9b和图9c示出针对图7的支架的备选型材。

具体实施方式

用于保护水下电网系统的设备的围护结构，需要长期(通常25至30年)提供防止海水进入的有效保护。围护结构通常包括接纳部或腔室 (例如箱)，接纳部或腔室具有大的开口以允许安装设备以及接近在其中的组件。开口被箱口板封闭，箱口板必须长久地保持有效，而如果到时需要对内部的设备进行维护，则箱口板又能够被重新打开。用于封闭箱的技术方案在封闭后必须是可靠的，同时在围护结构需要被打开时又允许容易的进入。传统上，这些箱口板使用螺栓连接的法兰以及在箱口板的法兰与箱的法兰之间的弹性体密封结构来密封，当法兰被螺栓连接在一起时，密封结构被压缩。弹性体密封结构的使用寿命有限，并且随时间退化。由于螺栓或螺纹的腐蚀，已经浸没在海水中很长时间的螺栓连接也可能很难重新打开。这些因素会降低产品的可靠性。一个用于变压器备选方案(如在EP2732125中所描述的)是将封闭板的外周边缘焊接至变压器箱的法兰，其中在焊接部内侧(即，箱内)设置有O型环密封结构。虽然这可以在初次封闭时提供可靠的密封，但是这种设计方案可能不适用于重复地进行重新打开和封闭步骤，因为在将封闭板从箱的法兰焊开的过程中，很难确定法兰是否受到永久破坏。

图1是典型的水下电网的框图，在电网中可以使用在利用本实用新型的围护结构中的设备。围护结构可以保护设备，诸如水下变压器、开关设备和变速驱动器、泵、压缩机、分离器、电气功率继电器单元、具有功率电子器件的控制器罐或通讯系统。围护结构可以包括压力补偿流体，例如，充有空气或者充有气体(例如充有氮气)的1大气压的罐可以包括本实用新型来密封控制和电力设备。在其他的情况中，在水下围护结构内的压力补偿流体可以是油。水下设备通常被部署在10米或者更深的深度处，并且可以被部署在数百米、甚至深达3000米的深度处。在这些深度处所经受的压力要求设备具有有效并可靠的密封结构以防止海水进入。

在图1所示的示例中，电力可以经由电缆10被供应至变压器11和开关设备12，根据负载类型，电力经由开关设备直接地或者再经由变速驱动器14而被供给至负载13，例如泵或分离器。变压器、开关设备、变速驱动器和负载中的每一个都具有自己的围护结构或共用的围护结构，在围护结构中的设备必须被有效地密封以隔离海水。在图2中示出了一种类型的围护结构16或箱的示例，这种类型的围护结构16或箱可以被用于水下设备，并且包含了本实用新型的特点。该示例的容器16 包括侧壁20，侧壁具有法兰17，水平安装的盖、封闭板或箱口板18可以密封到法兰上。还可以设置有与容器壁20一体的结构加强构件19，以提高刚性和对于在深处经受的压力的抵抗能力。

如上所述，规范是将一个箱口板或多个箱口板或密封板放置在围护结构的开口上方，并且例如通过将箱口板的外周焊接至法兰以在箱口板与围护结构之间提供密封。重要的是，在外部海水与箱内的设备之间提供可靠的密封。在某些情况中，在围护结构16内部的设备可能安装在油中并且如果油被海水染污，油的性能就会受到负面影响。简单地用O型环密封结构来密封箱口板18和容器16是不够的，因为海水具有随时间扩散到O型环密封结构进而扩散到容器内的趋势。为了提高对长期部署在水下的设备的密封的可靠性，在围护结构的内部与容器外部的海水之间需要功能性双重屏障。如前面所探讨的，法兰17可以被焊接至密封板 18或箱口板的周边，以保护内部的O型环，但是如果将焊接部移除以允许进入容器，之后再将箱口板重新焊接至法兰，则这会对法兰本身的机械强度产生疑虑。

本实用新型通过使用中间支架或框架就上述情况进行了改进，支架或框架允许使用压缩固定装置(诸如螺栓、夹具或合销)将箱口板或盖 18固定至围护结构16或容器的法兰17。支架或框架被焊接至法兰17 和盖18，但是法兰和盖彼此没有被直接焊接在一起。通过本实用新型的焊接技术方案来解决密封寿命和可靠性的问题，进而又提高了整个产品的寿命和可靠性。将盖与容器的法兰螺栓连接的螺栓，提供夹紧以压缩弹性体密封结构，诸如O型环密封结构、S型密封结构或平的垫圈。

焊接的支架将螺栓密封以与海水隔绝，从而利用这种设计方案的装置，螺栓被腐蚀的可能性非常有限。如果无法使螺栓以及它们所在的法兰远离海水，则一个备选方案是使用惰性材料，但这会非常昂贵。箱口板被螺栓连接至法兰以压缩弹性体密封结构，并对密封进行测试，之后将支架焊接至箱口板和法兰并对焊接部进行测试。传统的焊接部探测方法被用于检查故障，并且进行氦泄漏测试来检查密封的质量。由于容器的法兰没有与箱口板直接焊接，那么为了进入容器而例如通过将焊接部磨开来将箱口板从框架移除时，不需要对法兰进行任何直接加热，所以可以假设法兰没有受到该过程的影响并可以被重新使用。焊接是在框架上进行的，而在每次需要进入时框架都可以以相对低的成本进行更换。例如如果在磨开焊接部或焊接部移除过程中造成损坏，那么可以在法兰或箱口板的不同位置处对支架进行重新焊接。

图3示出根据本实用新型的围护密封装置的更多细节，该围护密封装置可以被用于水平安装和竖直安装的箱口板两者。视图只示出了围护结构16的一部分。法兰17从围护结构壁20的顶部开始延伸。在法兰 17的上表面设置有支座21，弹性体密封结构22(例如O型环密封结构) 位于该支座中。弹性体密封结构具有两个主要功能，第一功能是暂时地密封围护结构16使得围护结构及其内部组件可以在充油后进行测试。弹性体密封结构还在围护结构的主体外部构建出一个与海水隔绝的干燥空腔35，该干燥空腔可以被用于对之后描述的密封焊接部的泄漏测试。在该示例中，在箱口板盖的下表面中设置有用于弹性体密封结构的对应支座23。备选地，法兰和箱口板中只有一个具有形成在其中的支座，并且另一个表面是平坦的(未示出)。用于螺栓27的螺纹可以通过钻和攻丝被设置在法兰17的主体中。优选地，钻孔不完全地穿过法兰17，而是终止于法兰的下表面28上方的一点28处，使得螺栓不暴露于海水。选择合适长度的具有螺纹的螺栓27。在箱口板盖18中，开设有沉头孔以允许螺栓27的螺帽29与箱口板18的上表面齐平。虽然在该附图中只能看到一个螺栓27，但实际上设置有多个螺栓，它们可以是沿法兰/箱口板界面彼此基本上均匀地间隔开的。螺栓被旋拧到法兰中的螺纹中，直到螺栓的螺帽与箱口板的上表面齐平。如果使用其他固定件(诸如合销或夹具)来提供夹紧效果，它们由焊接的支架以相似的方式来保护以防海水。

法兰17和箱口板18的外边缘24、25分别稍微错位，使得支架26 可以被装配在沉头孔27上方。支架可以采用多种不同的形状。在图3 所示的示例中，支架包括由平板条和成角度的型材制成的框架，并且支架与法兰和箱口板结合并盖住螺栓。针对圆形的箱口板的备选方案在图 7至图9c中示出。支架之后通过焊接而沿焊接密封线30、31被密封至箱口板并且沿焊接密封线32被密封至法兰。如之后所述，对于随后的密封步骤，密封线32可以位于法兰的不同部分。弹性体密封结构被定位为离焊接线足够远，使其不会被焊接的热量损坏。如图3所示，支架的部分可以具有L型型材，或可以具有另外的型材，例如弯曲的型材，诸如半圆的柱形型材(未示出)。支架结合螺栓27一起使用以提供密封。螺栓27的夹紧作用将法兰17的上表面21与箱口板18的下表面23之间的 O型环密封结构压缩以形成第一密封。支架26的L型型材被焊接至盖和法兰中的每一个(而不是直接将围护结构焊接至箱口板)，由此形成了第二密封。

针对在矩形的围护结构16上竖直安装的箱口板，图4示出本实用新型的另一示例。箱口板18在三个边缘上设置有盖住了螺栓27的成角度的型材33，并在底部设置有矩形的板条。然而，可以使用支架类型的其他组合方式。围护结构法兰17可以包括在底部的搁板以接纳箱口板，并将箱口板保持在正确的取向以允许实现对弹性体密封结构的压缩。由于法兰本身没有直接被焊接至箱口板，而是仅被焊接至支架型材，该支架型材每次在必须将围护结构16重新打开并再次封闭时都可以被更换，并且法兰足够宽，以在随后的焊接步骤中允许沿着整个法兰在不同的分散的焊接线处进行焊接，那么法兰本身便不太可能受到来自焊接过程的热破坏，并且在箱口板被再次密封后，法兰的完整性可以被信赖。

在图5中详细地示出焊接围护结构16的过程。选择40围护结构并将弹性体密封结构放置41在弹性体密封结构的支座21中，支座21位于围护结构16的法兰17中。箱口板18被装配42在弹性体密封结构上方，其中密封结构适当地位于箱口板支座21和法兰支座23之间。如果表面中只有一个表面具有支座，那么通常首先将弹性体密封结构置于具有支座的表面中。螺栓27被拧紧至所需的扭矩设定以施加43压缩力，压缩力压缩O型环并密封接缝。在任何对围护结构的充油和电气测试之前，对该密封的有效性进行测试。在这些全都完成后，将支架焊接44至箱口板和法兰，然后以常规方式对焊接部进行探测并测试45焊接部，以确保焊接部满足质量标准。例如可以通过设置穿过支架26的上表面的测试端口35或阀来对密封效果进行测试。在泄漏测试之后，移除测试设备并利用弹性体密封结构和焊接部来密封测试端口。

为了检查由O型环形成的屏障，该测试试图将氦气从围护结构内部抽吸穿过O型环，并穿过在氦测试中所使用的阀开口。如果没有检测到氦气，则密封就被视为充分的。然后，支架26被装配在螺栓上方并且被焊接至法兰17和盖18。为了测试焊接部密封，可以将氦气喷射在整个焊接部上，并且对阀施加真空。如果由位于真空泵内部的氦嗅探器检测到氦穿过测试端口，那么焊接的密封可以被视为无效。在成功地测试了围护结构装置后，就可以将围护结构装置部署到水下。

如图6所示，在需要移除箱口板的情况下，必须将围护结构从其水下的位置取回50，并且例如通过磨开焊接部来将支架26从盖18拆开51。如有需要，还要将支架从法兰17拆开。对内部的设备进行52维护、修理或替换，并且再次进行箱口板装配和测试过程53(如有必要)，用新的支架26替换原来的支架(如需要)。(如有必要，可以通过切断框架 26来重新打开箱口板，并且框架在该过程中被遗弃)。弹性体密封结构 22的密封表面和螺栓27在该过程中没有被破坏。新的盖或原来的盖被装配53在围护结构和开口上方，并且拧紧54螺栓以在密封结构22上施加压缩力。当再次封闭箱口板18时，可以制造新的框架26并将其焊接至箱口板。如果已将支架从法兰拆开，将其焊回56至法兰，或者将新的框架焊至法兰上。新的框架可以由稍微不同的几何尺寸制成，例如比之前的框架的壁厚度稍厚，以避免焊接在箱口板和法兰的相同区域上。在焊接部将要位于先前使用过的区域中之前，可用空间允许至少两个或三个重新焊接部。由于是由螺栓来承载负荷，因此焊接部不必承载负荷，尽管在某些情况中焊接部可以承载负荷。支架在选定的位置处被焊接至法兰，并且如前所述，在所有测试都完成时，就可以在水下再次部署57 围护结构。

使用本实用新型的设计方案和过程，使得焊接的箱口板是和围护结构的其余部分一样流体密封的，这是通过要求在箱口板型材上的焊接部需要通过与围护结构的其余部分相同的泄漏测试而证实的。针对所有必要的负载情况，就像围护结构的其余部分一样，对结构完整性进行相似的测试。弹性体密封结构22、承载负荷的压缩元件27和密封焊接支架 26的组合完全地保护箱口板、法兰和螺栓免受环境影响，并且如果在焊接之后不得不重新打开围护结构，则可以重新使用这些部件中的一些。承载负荷的压缩元件27被定位在压缩密封结构、O型环22的相对于围护结构的主体的外部。在测试完成后，支架被密封地焊接，支架的形状和设计方式是根据应用和围护结构的形状和类型选择的。法兰不是被直接焊接至箱口板，而是通过将法兰和箱口板焊接至支架而被间接地焊接至箱口板。如果需要重新打开围护结构，无论支架的型材是什么样的，都可以将支架替换。

图7示出针对围护结构71的备选装置，该围护结构可以通过围护结构壁70的圆形开口来进入，该围护结构具有圆形的箱口板73和圆形型材支架72，圆形型材支架将围护结构的圆形法兰74密封至箱口板。图8 从上方示出了圆形法兰74，展示了围绕法兰的圆周的压缩固定件的位置 75、以及在压缩固定件内侧的弹性体密封结构76。压缩固定件可以被支架盖住，支架具有大致呈圆形的不同的轮廓(虽然支架可以以不同方式形成)。图9a、图9b和图9c展示了支架的型材的示例。图9a基于成角度的型材，在该情况中，在图9a中是一个环形盘72a和两个具有不同直径的柱78、79。图9b基于连续的半圆柱形型材72b。如图9c所示，可以使用的另一种型材是将半圆型材的一侧延长并将另一侧缩短以给出一个更像钩子的弯曲的型材72c。

根据本实用新型的设计方案的众多优点之一是，通过焊接将围护结构中的最大开口密封，并且可以利用氦泄漏测试验证焊接部的完整性，这提高了产品的可靠性。对电气组件的所有功能性测试都可以在围护结构内部有油的情况下进行，并且为了进行焊接和验证箱口板的密封性，不需要将油从围护结构中排空，这降低了组装时间。通过将框架焊接在箱口板上，箱口板可以被重新使用，并且因为箱口板没有焊接至法兰本身，在围护结构上的法兰更不易于受到来自焊接过程的损害。被替代地焊接至法兰和箱口板是框架。将箱口板与法兰固定的螺栓被保护免受环境影响，从而降低了发生腐蚀的风险，所以在将围护结构从其在水下的位置处取回后，螺栓更容易被移除。框架可以由简单的钢型材制成，如果必须将焊接的组件切开，那么框架可以被遗弃。在打开操作期间保持箱口板和围护结构完好无损，可以在售后或维修期间保持低成本并减少所需时间。另一个优点在于可以通过利用螺栓密封弹性体密封结构来焊接竖直的箱口板，并且进行必要的测试，而无需在过程中进行任何后退步骤，即，不需要在测试后以及在通过焊接步骤进行的最后密封之前移除组件。通过只焊接一种支架类型的L型型材，热量在支架中，而不在法兰中。

应当注意的是，“包括”一词并不排除其他元件或步骤，“一个”或“一”也不排除多个。结合不同实施例所描述的元件可以进行组合。还应注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。虽然本发明由所优选的实施例详细说明和描述，但本发明不受所公开的示例的限制，而且在不偏离本发明的范围的情况下，本领域的技术人员可以由此推导出其他变体方法。

Claims (9)

1.一种用于水下组件的水下围护结构装置，其特征在于，所述围护结构包括：一种流体密封材料的多个壁，每个所述壁终止于一个法兰；用于封闭所述围护结构的一个盖；在所述法兰与所述盖之间的一个弹性体密封结构；将压缩力经由所述盖和所述法兰施加到所述弹性体密封结构的多个压缩构件；将所述法兰连接至所述盖的一个支架；在所述支架与所述法兰之间的一个焊接密封结构；在所述支架与所述盖之间的一个焊接密封结构。

2.根据权利要求1所述的水下围护结构装置，其特征在于，所述围护结构装置还包括一个测试端口，所述测试端口被形成在所述盖中的位于所述弹性体密封结构与所述多个压缩构件之间的一个位置处。

3.根据权利要求1或2所述的水下围护结构装置，其特征在于，所述支架包括形成一个矩形轮廓的多个成角度的型材；或者包括形成一个圆形轮廓的多个成角度的型材；或者包括形成一个矩形轮廓或一个圆形轮廓的一个弯曲的型材。

4.根据权利要求1或2所述的水下围护结构装置，其特征在于，所述围护结构壁包括一种金属，或者包括一种塑料。

5.根据权利要求4所述的水下围护结构装置，其特征在于，所述金属包括钢和/或所述塑料包括聚乙烯。

6.根据权利要求1、2和5中任一项所述的水下围护结构装置，其特征在于，所述水下围护结构装置适于接纳所述水下组件，所述水下组件包括一个变压器、一个变速驱动器、一个泵、一个压缩机或一个分离器中的至少一个。

7.根据权利要求1、2和5中任一项所述的水下围护结构装置，其特征在于，所述水下围护结构装置适于接纳多个所述水下组件和在所述围护结构内的一种压力补偿流体。

8.根据权利要求1、2和5中任一项所述的水下围护结构装置，其特征在于，所述水下围护结构装置适于接纳一种压力补偿流体，所述压力补偿流体包括油、或空气、或氮气。

9.根据权利要求1、2和5中任一项所述的水下围护结构装置，其特征在于，所述弹性体密封结构包括一个O型环密封结构、S型密封结构或密封垫中的一个。

Images