DE2453127A1

DE2453127A1 - Vorrichtung und verfahren zum steuern der stroemungsgeschwindigkeit eines fluids in einer rohrleitung

Info

Publication number: DE2453127A1
Application number: DE19742453127
Authority: DE
Inventors: Albert A Elwood; James M Patterson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-11-26
Filing date: 1974-11-08
Publication date: 1976-05-13
Also published as: US3857255A; CA982443A

Description

Vorrichtun und Verfahren nun Steuern der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Rohrleitung Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einerRohr1eitung und betrifft insbesondere eine Sicherheits-Absperreinrichtung.
Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung der genannten Art gekennzeichnet durch einen mit der Rohrleitung verbundenen Hohlkörper, der einen Einlaß für ein an die Rohrleitung heranführbares Kühlmittel aufweist.
Insbesondere schafft die Erfindung also eine durch Kälte aktivierbare Steuereinrichtung zum Steuern oder Absperren der Strömung eines Fluids in einer Rohrleitung. Die St euereinrichtung weist in einem bovorzugt en Ausführungsbei spiel einen die Rohrleitung umgebenden Mantel auf, welcher über eine Zuleitung mit einer Quelle für ein Tieftemperatur-Kühlmittel verbunden ist und Betätigungseinrichtungen für die Steuerung des Zustroms des Kühlmittels hat. Durch die Zufuhr des Kühlmittels läßt sich wenigstens ein Teil des die Rohrleitung durchströmenden Fluids in den festen Aggregatzustand überführen und dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in der Leitung verringern oder ganz unterbrechen.
Das dem Mantel über die Zuleitung zuführbare Kühlmittel ist beispielsweise flüssiger Stickstoff, flüssiges Helium oder komprimiertes, gasförmiges Kolilendioxid. Der Mantel des Absperrorgangs kann als geschlossenes Rohrstück oder als ein teilbares Gehäuse ausgeführt sein. Mittels der Betätigungseinrichtungen läßt sich die Zufuhr des Kühlmittels von der Quelle über die Zuleitung zu dem an diese angeschlossenen Mantel so steuern, daß wenigstens ein Teil des die Rohrleitung durchströmenden Fluids in den festen oder einen zähflüssigen Zustand überführt wird, um auf diese Weise die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids zu steuern. Das Kühlmittel kann entweder an die Außenwandung der Rohrleitung herangeführt werden, um das Fluid durch Wärmeaustausch durch die Wandung der Rohrleitung hindurch abzukühlen oder aber in die Rohrleitung eingebracht werden, wobei es sich direkt mit dem Fluid mischt und es dadurch in den festen oder einen zähflüssigen Zustand überführt. Im letzteren Falle weisen die Betätigungseinrichtungen eine Einrichtung zum Öffnen eines Durchlasses zwischen dem Mantel und der Rohrleitung auf.
Die Erfindung schafft somit eine auf dem Weg der Tiefkühlung arbeitende Absperreinrichtung, insbesondere eine Sicherheits-Absperreinrichtung zum Steuern der Durchströmung einer Rohrleitung durch Überführung wenigstens eines Teils des die Leitung durchströmenden Strömungsmediums in den festen oder einen zähflüssigen Aggregatzustand. Dies geschieht durch Zuleitung eines Tieftemperatur-Kühlmittels entweder an die Außenseite der Rohrleitung oder direkt in diese hinein. Insbesondere dient die erfindung gemäße Vorrichtung zum Einfrieren von entflammbaren Fluiden und damit zur Bekämpfung von Bränden durch Absenken der Temperatur des Fluids bis unter den Flamnpunkt. Wird als Kühlmittel ein nicht brennbares Gas verwendet, trägt dieses zusätzlich zur Brandbekämpfung bei.
Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine teilweise im Schnitt gezeigte Rohrleitung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 eine schematisierte Darstellung der Rohrleitung, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung versehen ist, und zum Eindämmen eines Brandes auf einer Ölplattform dient>, und Fig. 3 eine schematisierte Darstellung der Vorrichtung mit daran angeschlossenen, eine Weiterbildung der Erfindung darstellenden Steuervorrichtung.
Die in Fig. 1 als Hauptteil der erfindungsgemäßon richtung dcrß'estelltC Absperroinrichtung 2 dient zum steuern der Durchströmung einer Rohrleitung 4. Dies geschicht dadurch, daß das Strömungsmittel in der Leitung 4 durch Zufuhr eines Kälteträgers wenigstens teilweise in den festen Zustand übergeihrt oder sterk zähflüssig gemacht wird. Die durch Kälte aktivierbare Absperreinrichtung kann fest und dauerhaft an der Rohrleitung befestigt oder, wie in der dargestellten Ausführung abnehmbar angebracht sein. Die in Fig. 1 dargestellte Rohrleitung 4 ist von der als Steigleitung vom Grund eines Gewässers zu einer Bohrinsel verwendeten Art. Sie setzt sich zusammen aus einem Außenrolir 6, einem Innenrohr 8 und einer Betonfüllung 10. Eine derartige Rohrleitung findet aus Sicherheitsgründen Verwendung für den Transport von Öl oder anderen Strömungsmitteln aus unterhalb des Grundes eines Gewässers gelegenen Formationen zu einer Bohrinsel.
Die Absperreinrichtung 2 hat ein teilbares, mantelförmiges Gehäuse 12 mit einem rechten und einem linken Gehäuseteil 14 bzw. 16. Die beiden Teile sind entlang an ihren Rändern hervorstehender Flansche 20, 22 mittels Schrauben 18 aneinander befestigt. In der dargestellten Ausführung umgibt das Gehäuse einen kugelförmigen Hohlraum 24j dieser kann j jedoch auch zylindrisch sein oder andere Formen haben. Der Hohlraum 24 bildet eine Kammer für die Zufuhr eines Kälteträgers und hat eine seitlicher Halterung 26 für eine Hohlladung 28. Anstelle der Hohlladung können auch andere Einrichtungen zum Öffnen eines Durchlasses in der Rohrleitung verwendet werden. Bin Einlaß 30 des Gehäuses enthält ein druckbetätigtes Absperrorgan oder, wie im dargestellten Beispiel, eine Berstscheibe 32. Die Halterung 26 für die Hohlladung hat einen Deckel 34, welcher zum Einsetzen der Hohlladung nach dem Anbringen des Gehäuses 2 an der Porirleitung 4 abnellmbar ist. Die Hohlladung 28 dient dazu, einen Durchlaß 36 in der Wandung der ltohrleitung 4 zu öffnen. Das Gehäuse 12 hat ferner Zwöl Ventile 38 und 40 zum Krjtfernen von Flüssigkeit aus dem Hohlraum 24. bber das Ventil 38 ist Druckluft in das Gehäuse 12 einführbar. Zu diesem Zweck ist das Ventil 38 über eine Leitung 42 mit einer Druckluft quelle verbunden. Das -andere Ventil 40 ermöglicht den Austritt von Wasser oder anderen Flüssigkeiten aus dem Gehäuse 12 unter dem Einfluß der Druckluft. An dem Auslaßventil 40 kann eine Rückführleitung 44 angeschlossen sein. Vor dem Eintritt eines Kälteträgers in den Hohlraum 24 werden die beiden Ventile 38 und 40 dicht geschlossen.
Das Gehäuse 12 kann vor der Aufstellung der Rohrleitung 4 an dieser angebracht werden. Soll es nachträglich an der Steigleitung einer vorhandenen Bohrinsel angebracht werden, so können seine beiden ri1eile 14 und 16 mittels jeweils eines Kabels 46 an jeweils einem Schwimmkörper 48 aufgehängt werden (Fig. 2). Die Schwimmkörper 48 läßt man dann vor dem Wind zur Rohrleitung 4 hintreiben. Darauf wird von einem sucher eine Schelle 50 an der Rohrleitung 4 angebracht und die beiden Gehäuseteile 14 und 16 werden mit Leinen 52 an der Schelle angehängt. Nach Lösen der Verbindung mit den Schwimmkörpern 48 hängen die Gehäuseteile dann nahe der Rohrleitung herab und können von einem Taucher mittels die Randflsnsche 20, 22 durchsetzende Schrauben 18 zum fertigen Gehäuse 12 um die Rohrleitung 4 herum zusammengebaut werden.
Der Einlaß 30 wird über eine Zuleitung 54 mit den. in Fig. 3 dargestellten Sinrichtungen eines Schiffs 56 verbunden.
Die auf dem Schiff 56 untergebrachten Einrichtungen um I fassen einen gegebenenfalls mit zusätzlichen Kühleinrichtungen versehenen Dewarschen Behälter 58 für einen Kälteträger, ein Druckanxoigegerät 60, einen Druckenzeuger 62 zum Erhöhen des Drucks in Beh-il-ter 5;;' ein Hauptventil 64, eine Pumpe 66 mit den dazugehörigen Steuereinrichtungen 68 und einen Vorwärmer 70. Der Behälter 58 ist liter eine Leitung 72 und eine Rückleitung 74 mit den Druckerzeuger 62 verbunden. Zwischen dem Druckerzeuger 62 und der Pumpe 66 ist ein Absperrorgan 64 eingesetzt.
Eine Leitung 76 verbindet die Pumpe 66 mit dem Vorwärmer 70. Die Zuleitung 54 schließlich verbindet den Vorwärmer 70 mit dem Gehäuse 12.
Nach dem Anschließen der Zuleitung 54 am Gehäuse 12 und Schließen des Deckels 34 an der halterung der Hohlladung wird das Gehäuse 12 einer Leckprüfung unterworfen. Dazu wird das Einlaßventil 38 geöffnet und der Druck in dem Hohlraum 24 unter Steuerung durch das Ventil 40 unterhalb des Durchschlagdrucks der Berstscheibe 32 gehalten.
Nach der Druckprüfung wird die Hohlladung 28 über einen elektrischen Zünder 78 mit einer Batterie 80 und einem druckbetätigten Schalter 82 verbunden. Der Schalter 82 ist so eingestellt, daß er bei einem Anstieg des Drucks in der Kammer 24 bis nahe an den Ansprechdruck der Berstscheibe 32 schließt. Nach Abnahme des Deckels 34 wird çdie- Hohlladung zusammen mit dem elektrischen Zünder in die Halterung 26 eingesetzt und der Deckel 34 dann wieder geschlossen.
Über die Leitung 42 wird nun ein Druckgas zugeführt und das Ventil 38 sowie das Ventil 40 geöffnet, so daß das zugeführte Gas die im Gehäuse 12 vorhandene Flüssigkeit austreibt. Anschließend werden die beiden Ventile 38 und 40 wieder geschlossen.
Zum Austreiben von IJasser aus de-r Zuleitung 54 1-Ji.d dieser durch den Vorwärmer 70 auf eine Temperatur iil)er dem Gefrierpunkt von Seewasser erwärmtes Stickstoffgas zugeführt. Dabei wird ein Ablassventil 84 geöffnet, um das Wasser in die See abzuleiten oder es über eine Leituilg 86 zurück auf das Schiff 56 zu leiten. Nach dem vollständigen Entfernen des Wassers aus der Zuleitung 54 wird das Ventil 84 wieder geschlossen.
Nun wird die Zuleitung 54 vorgekühlt. Dies ist erforderlich, um dem Gehäuse 12 oder der R.oDrleitung 4 flüssigen Stickstoff zuführen zu können, d.h. vor der Zufuhr von flüssigem Stickstoff zum Gehäuse 12 muß -die Zuleitung einen Isolierenden Eismantel erhalten. Zu diesem Zweck wird das Ventil 84 erneut geöffnet und der Zuleitung gasförmiger Stickstoff zugeführt, welcher im Vorwärmer auf eine weit unterhalb des Gefreierpunkts des Seewassers liegende Temperatur von beispielsweise -45 0C vorgewärmt wird. Zeigt dann ein an der Zuleitung 54 angeordneter und über eine Leitung 90 mit einem Anzeigegerät verbundener Temperaturfühler 88 eine bestimmte Temperatur an, d.h. die gleïche Temperatur wie ein dem Vorwärmer 70 nachgeschalteter Temperaturfühler 92, so wird die Vorwärmung verringert bis die -Anzeige des Temperaturfühlers 92 erheblich absinkt, beispielsweise auf etwa -45 00. Die Vorwärmung wird dann auf diesem Stand gehalten, bis der andere Temperaturfühler 88 wiederum die gleiche Temperatur anzeigt. So wird die Temperatur schrittweise gesenkt, bis die Zuleitung 54 so weit abgekühlt und mit einem Eismantel versehen ist, daß man ihr flüssigen Stickstoff zuführen kann. Beim Füllen der Zuleitung 54 mit flüssigem Stickstoff muß die an der Pumpe 66 stehende Bedienungsperson darauf achten, daß der Druck nicht bis auf den Ansprechdruck der Berstscheibe 32 ansteigt. Nach beendeter Füllung der Zuleitung 54 wird das Ventil 84 wieder geschlossen.
Nach den Stillsetzen des Vors;armers 70 wird der aa einem Druckmesser 94 ablesbare Förderdruck der Pumpe 66 durch entsprechende Betätigung der Steuereinrichtungen 68 erhöht, bis er einen Wert erreicht, bei weichem die Berstscheibe 32 birst. In diesem Augenblick steigt der bis dahin von der anbringtiefe des Gehäuses 12 unter dem Wasserspiegel abhängigeInnendruck der kammer 24 auf den vorbestimmten Ansprechdruck von beispielsweise etwa 100'p/cmt an. Der Druckschalter 82 ist so eingestellt, daß er etwa beim halben Ansprechdruck der Berstecheibe 32, also bei etwa 50 kp/cm2, schließt.
Der Ansprechdruck des Druckschalters 82 muß dabei über dem Innendruck der Rohrleitung 4 liegen, um das Ausströmen der in dieser strömenden Flüssigkeit in das Gehäuse 12 zu verhindern. Die Aiisprechdrücke für die Berstscheibe 32 und den Druckschalter 82 sind also dementsprechend einzustellen. Bei Betätigung des Druckschalters 82 zündet der elektrische Zünder 78 die Hohlladung 28, so daß diese einen Durchlaß durch die Rohre 6 und 8 und die Betonfüllung 10 der Rohrleitung 4 brennt.
Der Förderdruck. der Pumpe 66 wird anhand des Druckanzeiger 94 möglichst hoch über dem Innendruck der Rohrleitung 4 gehalten, damit möglichst große Mengen des flüssigen Gases über die Zuleitung 54 und den Durchlaß 36 in die Rohrleitung einströmen. Mit der Verfestigung bzw. dem Einfrieren der Flüssigkeit in der Rohrleitung 4 steigt der Gegendruck in der Zuleitung 54 an. Der Förderdruck der Pumpe 66 wird bei laufend abnehmender Fördermenge auf einem vorbestimmten Wert gehalten, bis das Einfrieren beendet ist. Zur Aufrechterhaltung des eingefrorenen Zustandes werden anschließend kleine Mengen flüssigen Stickstoffs laufend zugeführt. Der Kälteträger, d.h. also das verflüssigte Gas, entzieht der die Rohrleitung 4 durchströmenden Flüssigkeit Wärme, so daß diese in den festen Zustand übergeht. Dadurch bildet sich in der Rohrleitung ein Pfropfen, welcher die Durchströmung der Leitung unterbricht.
Ist e-tlza beim Brand einer Bohrinsel der Austritt von weiterem Öl durch das Einfrieren unterbrochen, dann kann die Insel selbst von Feuerlöschbooten aus gekühlt werden, worauf dann ein Ärbeitstrupp einen Verschluß auf die Rohrleitung 4 aufsetzen kann.
Sofern nicht vorgesehon ist, mittols einer Hoblladung od. dergl . einen Durchlaß in der Wandung der Rehrleitung zu öffnen, wird während der Zufuhr des flüssigen Gases das Ventil 40 geöffnet, so daß der verbrauchte Kälteträger aus dem Gehäuse 12 entweichen und gegebellenfalls über die Leitung 44 zurückgeführt werden kann.
Die die Rohrleitung 4 durchströmende Flüssigkeit wird dabei durch die Rohrwandung hindurch gekühlt, so daß sie allmählich fest wird und den Durchlaouerschnitt der Rohrleitung langsam verkleinert.
Zum Öffnen des Durchlasses in der Rohrwandung für den Eintritt des Kälteträgers können Hohlladungen aus verschiedenen Sprengstoffen verwendet werden, beispielsweise aus Zyklotrimethylentrinitramin. Die Vorrichtung und der Kälteträger können zum Steuern der Strömung sowohl von trepfbaren als auch von gasförmigen Flüssigkeiten verwendet werden.
Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich räumlicher Anordnungen, konstruktiver Einzelheiten und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Vorrichtung zum Steuern der Strömungsgchwindigkeit eines Fluids in einer Rohrleitung, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen mit der Rohrleitung (4) verbundenen Hohlkörper (12), der einen Einlaß (30) für ein an die Rohrleitung heranführbares Kühlmittel aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Betätigungseinrichtung (34), mit der in die Rohrleitung (4) ein Durchlaß schlagbar ist, durch den Kühlmittel in die Rohrleitung einbringbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c h -n e t d u r c h Steuereinrichtungen (60,62,68,70,92,94), mit denen der Fluß von Kühlmittel von einer Kühlmittel quelle (58) in den Hohlkörper (12) steuerbar ist.

4. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Hohlkörper (12) als ein die Rohrleitung (4) umgebender Mantel ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Betätigungseinrichtung (34) eine Hohlladung (28) aufweist.

6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Kühlmittel flüssiger Stickstoff ist.

7. Verwendung der in den Ansprüchen 1 bis 6 gekennzeichneten Vorrichtungen als Sicherheitsvorrichtung.

8. Verfahren zum Steuern der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Rohrleitung, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß an die Rohrleitung ein Kühlmittel unter Druck herangeführt wird, und daß das in der Rohrleitung strömende Fluid in einem Teilbereich der Rohrleitung so stark abgekühlt wird, daß sich ein Block gefrorenen Fluids in der Rohrleitung bildet, der die ursprüngliche Strömungsgeschwindigkeit herabsetzt oder ganz unterbricht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Kühlmittel mit den in der Rohrleitung strömenden Fluid vermischt wird.

L e e r s e i t e