FI58825B - Anordning foer att minska avlagring och slitage vid vaetskestroemning genom ledning - Google Patents

Description

RS^l ΓβΙ m1^UULUTUSJULKAISU r Oftftr iUA lBJ (11) UTLÄGGNINGSSKRIFT OO0Z5 C un Patentti siyjnnctiy 10 04 1931 ¢(¾ Patent melodiat ^ v ^ (51) K».Hc?/i«.CL3 F 16 L 55/00

Q|U| |_p| Q (21) PtMnttlh*k«mu· — Ptt*ntan«6kning 1^0U/7U

(22) HaJumltpllvl — Anaeimlnpdag 08.05-7^ ' ' (23) AlkupUvt—Gihlfhattiai 08.05.71* (41) Tullut |ulklMk>l — Bllvlc eff«mli| 09.11.73

Patentti· ja rekisterihallitus .... ______- . . . ., ,. .

_ . , . (44) NShttvSIelpunon ja kuul.|ulkaiaun pvm. —

Patent· och regiutentyrelsen ' ' Anrtkin utl«*d oeh utUkriftm pubUcarad 31 · 12.80 (32)(33)(31) Pyr^««y etuoikeut —Baglrd prlorltat (71) Fluid Dynamics Limited, Gardner House, Ballsbridge, Dublin 1+, Irlanti-Irland(lE) (72) Wildon Audrey Gary, Mineral Wells, Texas, USA(US) (7I*) Berggren Oy Ab (5I+) Laite saostumisen ja kulumisen vähentämiseksi nesteen virratessa johdon läpi - Anordning för att minska avlagring och slitage vid vätskeström-ning genom ledning Tämä keksintö kohdistuu laitteeseen, jolla vähennetään saostumista ja kulumista nesteen virratessa johdon läpi tai rakojen siipien tai sentapaisten laitteiden (seuraavassa yhteisesti kutsuttu nimellä johto) läpi tai yli.

öljy- ja vesikaivojen yhteydessä on tunnettuna probleemana parafiinin ja karstan saostuminen samoin kuin korroosio johdossa, jonka läpi neste virtaa ja jota käytetään esimerkiksi putkissa, pumpuissa ja muissa laitteissa, jotka yhdistetään kaivoon. Probleema on erikoisen akuutti silloin, kun kaivosysteemissä virtaavien nesteitten mi-neraalipitoisuus on suuri, mistä on vastaavasti seurauksena näitten mineraalien tai aineosayhdisteitten runsas saostuminen. Tällaisesta saostumisesta on tuloksena vaikeudet toiminnassa, tuotannossa sekä taloudellisessa mielessä. Esimerkkejä erikoisen kiusallisista aineista ovat kalsiumkarbonaatti ja/tai -sulfaatti, rautaoksidi ja/tai -sul-fidi, rikkivety, vapaat rikki- ja natriumsuolat.

Näistä mineraaliyhdisteistä peräisin olevien saostumien kerrostumisen estämiseksi mahdollisimman suuressa laajuudessa on aikaisemmin ehdo- 2 58825 tettu yhdisteitten pitämistä kolloidi- tai suspensiotilassa, koska silloin ne eivät voisi helposti karstata tai kuluttaa putken seinämiä ja laitteitten pintoja ja niiden läsnäolosta aiheutuvat probleemat olisivat minimaaliset. USA-patentissa n:o 3 448 034 on esitetty laite, jossa on metallisydän, joka on asennettu virtausputkeen. Laitteella on polarisoiva vaikutus putkessa olevaan nesteeseen, mikä vähentää mineraaliyhdisteitten ja virtausputken pintojen välistä affiniteettia, jolloin yhdisteitten saostuminen estyy. Sydän on poikkileikkaukseltaan soikea ja sen kokoomus on 57,64 % kuparia, 17,63 % sinkkiä, 13,45 % nikkeliä, 7,66 % lyijyä, 2,69 % tinaa ja 0,69 % rautaa sekä vähäisiä määriä antimonia, rikkiä ja mangaania. USA-patentissa n:o 3 486 999 on esitetty samanlainen laite, mutta jonka erikoinen muoto lisää nesteen polarisointia ja jonka sydän on etupäässä kuparista, sinkistä ja piistä.

Aikaisemmin ehdotetut laitteet eivät ole täysin tyydyttäviä. Tämän on ajateltu johtuvan osittain tangon metallurgisesta kokoomuksesta, mutta suuremmassa määrin sydämen muodosta, joka määrää paineputouksen (ja siten nesteen nopeuden) sekä pinta-alan avainmuuttujat.

Esillä olevan keksinnön päämääränä on aikaansaada laite, jolla vähennetään saostumista ja kulumista nesteen virratessa johdon läpi.

Keksinnön mukaan tehdään pitkänomainen tanko johdossa virtaavien nesteitten saostumisen ja kuluttamisen vähentämiseksi, jolloin tanko on työnnettävissä johtoon tangon poikkileikkauksen ollessa pääasiassa kolmion muotoinen. Pitkänomainen tanko voi olla yhtenäistä, poikkileikkaukseltaan pääasiassa kolmikulmaista tankoa tai tanko voi olla vaihtoehtoisesti kasattu kolmesta levystä, jotka muodostavat pitkänomaisen tangon, jonka poikkileikkaus on kolmion muotoinen.

Keksinnön havainnollistamiseksi viitataan oheisiin piirustuksiin, jotka esittävät kaaviollisesti ja esimerkin omaisesti keksinnön eräitä suoritusmuotoja ja joissa kuva 1 esittää erästä nestevirtaukseen vaikuttavaa tankoa perspektiivikuvassa, kuva 2 esittää perspektiivissä osittain leikattuna kuvan 1 mukaista tankoa sovitettuna sylinteri-mäiseen putkijohtoon, kuva 3 on leikkauskuvanto pitkin kuvan 2 viivaa III-III, kuva 4 esittää perspektiivissä osittain leikattuna toista nestevirtaukseen vaikuttavaa tankoa, jota pidetään sylinterimäisessä putkessa tiivistysrenkaalla, joka on kiinnitetty putkeen, ja kuva 5 on leikkauskuvanto pitkin kuvan 4 viivaa IV-IV.

3 58825

Kuvissa 1 ja 3 on esitetty nestevirtaukseen vaikuttava tanko 10, joka on pitkänomainen ja joka kapenee päistään muodostaen nokat 12, 14, jotka tasoittavat nestepaineen siirtymisiä päissä. Poikkileikkaukseltaan tanko 10 on pääasiassa kolmiomainen ja siinä on sivut 16, 18, 20, jotka ovat sisäänpäin kaarevat muodostaen pituussuunnassa ulottuvat, ulospäin koverat kaarevat pinnat. Kolmiomaisessa poikkileikkauksessa on pituussuuntaiset kärjet 22, 24, 26 sivujen 16, 18, 18, 20 ja 20, 16 leikkauspisteissä. Kärjessä 24 on olakkeet 28, jotka mukailevat sen kotelon sisäläpimitan vaihteluja, johon tanko 10 työnnetään. Olakkeet 28 ulottuvat ulospäin kärjestä 24 pitkin poistetun kärkikulman puolittajaa. Poistettu kulma muodostuu sivujen 18 ja 20 leikkauspisteeseen. Pinnoissa 16, 18 ja 20 on kussakin ulkonemat 30, jotka ulottuvat ulospäin pinnoista ja ovat sijoitetut kohtisuoraan tangon pituusakselin suhteen. Kullakin pinnalla on esitetty kaksi ulkonemaa 30, mutta suuremmissa tangoissa käytetään haluttaessa kolmea tai useampaa ulkonemaa. Käytössä nestevirtaus etenee pitkin tangon pituusakselia yli pintojen 16, l8 ja 20 kosketuksessa niihin. Ulkone-•mat 30 pyrkivät rikkomaan rajakerroksen lisäten siten nesteturbulens-sia. Lisääntynyt turbulenssi ja siihen liittyvä sekoitusvaikutus suurentavat kosketuspintaa pintojen 16, 18, 20 ja nesteen välillä lisäten siten nesteen tehokasta kosketuspinta-alaa näillä pinnoilla.

Tanko 10 on asennettu edullisesti sylinterimäiseen koteloon tai vir-tausputkeen 32, kuten näkyy kuvasta 2 ja se pidetään paikallaan kitkan tai puristussovituksen avulla, joka esiintyy olakkeitten 28 ja putken 32 sisäseinän 34 välillä. Puristussovitettaessa käytännössä tanko 10 putkeen 32 pyrkivät olakkeet 28 deformoitumaan, mistä on tuloksena, että kärjet 22, 24, 26 ovat tiiviissä kosketuksessa seinän 34 kanssa.

Toisessa vaihtoehtoisessa suoritusmuodossa kuvassa 4 tanko 10 pidetään kotelossa 32 pyöreillä tiivistysrenkailla 36, jotka on hitsattu tai muuten kiinnitetty kotelon sisäseinään 34 lähellä tangon 10 nokkia 12, 14. Käytettäessä tiivistysrenkaita 36 pidätyseliminä on tangossa 10 edullisesti olake 38 kussakin kärjessä nokkien 12 ja 14 vieressä niin, että nokat 12 ja 14 ulkonevat tiivistysrenkaitten 36 läDi ja olakkeet 38 kiinnittyvät tiivistysrenkaitten sisäpuolisiin pintoihin 40.

Vaihtoehtoisessa suoritusmuodossa tangossa 10 on keskeinen pituussuuntainen aukko 42, joka muodostaa lisäkulkutien nestevirtaukselle.

11 58825

Aukolla 42 on edullisesti sama poikkileikkausmuoto kuin tangolla, so. pääasiassa kolmion muotoinen, jolloin kolmion sivut muodostavat pituussuunnassa ulottuvat ulospäin koverat (sisäänpäin kuperat) kaarevat pinnat 44, 46, 48. Nämä jälkimmäiset pinnat ovat pääasiallisesti yhdensuuntaiset vastaavien pintojen 16, 18 ja 20 kanssa ja ne lisäävät virtaavan nesteen kosketuspintaa.

Käytössä tanko 10 työnnetään putkeen 32, jossa se pidetään paikallaan virtaussysteemissä, kuten öljy- tai vesikaivossa tai höyrynkehittimessä ilman että systeemiä täytyy mitenkään modifioida. Tavallisesti putken 32 läpimitta vastaa systeemin putkiston läpimittaa muuten paitsi, että tarvitaan hiukan pienempiläpimittainen kotelo, jotta pintojen 16, 18 ja 20 yli kulkisi minimivirtaus. Koteloputkessa 32 voi olla esimerkiksi ulkoisia kierteitä 50 putken asentamiseksi systeemiin, jolloin putkessa on jo valmiina tanko. Putki voidaan myös hitsata tai muutoin kiinnittää nestetiiviisti systeemiin. Neste pannaan virtaamaan putken 32 toiseen päähän, jossa se jakautuu nokan 12 yli virtaamaan kolmea kulkureittiä 52, 54 ja 56 pitkin, jotka muodostuvat kaarevien pintojen 16, 18 ja 20 ja sisäseinän 34 väliin. Kussakin kulkureitissä esiintyy turbulenssia aiheuttaen sekoittumisen ja voimakkaan kosketuksen nesteen ja pintojen 16, 18 ja 20 välille, jolloin tapahtuu nesteessä olevien mineraalien polaroituminen. Tehokas pola-roituminen saavutetaan pintojen kaarevuuden ja tangon 10 erikoisen muodon vaikutuksesta, mikä viimemainittu lisää nestekosketuspintaa.

Neste poistuu kustakin kulkureitistä ja sekoittuu jälleen nokan 14 yläpuolella ja jättää putken 32.

On merkille pantavaa, että vaikka tiivistysrenkaat 36 on esitetty vain onton tangon 10 yhteydessä kuvassa 4, niitä voidaan yhtä hyvin käyttää myös kuvan 1 mukaisen tangon yhteydessä. Samalla tavalla kuvan 1 tangossa 10 voi olla pituussuuntainen kulkutie samalla tavoin kuin kulkutie 42 kuvassa 5·

Kuva 6 esittää etukuvantona levyelintä, kuva 7 esittää levyelintä sivulta ja kuva 8 esittää päätykuvassa tankoa, joka koostuu kolmesta levy-elimestä sylinterimäisessä virtausputkessa.

Kuvien 6, 7 ja 8 mukaisesti tanko voi olla rakennettu kolmesta levy-elimestä 60. Kukin levy 60 on pääosiltaan pitkänomainen ja se kape-nee päistään muodostaen nokkaosat 6l ja 62. Kussakin levyssä 60 on 5 58825 kolme ulkonemaa 63 ulottuen ulospäin levyn pinnasta ja jotka ovat kohtisuoraan levyn pituusakselin suhteen. Esillä oleva suoritusmuoto esittää kolmen ulkoneman 63 käyttöä rajakerroksen rikkomisessa, jolloin aiheutetaan esteturbulenssia. Käytännössä ulkonemien lukumäärän määrää levyn pituus.

Kussakin levyssä 60 on edelleen olakkeet 64 ja raot 65. Olakkeita 64 ja rakoja 65 käytetään hyväksi yhdistettäessä kolme levyä 60 muodostettaessa kuvan 8 mukaisesti poikkileikkaukseltaan kolmiomainen tanko. Olakkeet 64 ja raot 65 yhdistetään yksinkertaisesti puristuskiinni-tystä käyttäen.

Kuvan 8 mukaisesti koottu tanko on sylinterimäisessä virtausputkessa 66, jossa se pidetään paikoillaan kitkan tai puristuskiinnityksen avulla, joka esiintyy kolmiomaisen tangon kärkien 67, 68, 69 ja vir-tausputken 66 sisäseinän 70 välillä. Esillä olevassa suoritusmuodossa esitetään keskeinen pituussuuntainen virtauskanava 71, josta saavutetaan se etu, että virtaavan nesteen kosketuspinta lisääntyy. Kun virtaavan nesteen kosketuspinta lisääntyy kolmesta levystä muodostuvan tangon kanssa, ei ole tavallisesti välttämätöntä käyttää pituussuunnassa ulottuvia ulospäin koveria kaarevia pintoja kunkin levyn ulkopinnassa tai pituussuunnassa ulottuvia ulospäin kuperaa kaarevaa pintaa kunkin levyn sisäpinnalla levyjen ollessa yhdistetty käyttö-asentoonsa. Tällaisia kaarevia,koveria ja/tai kuperia pintoja voidaan tietysti käyttää haluttaessa. Tämän suoritusmuodon mukaisen tangon toimintatapa on samanlainen kuin aikaisemmin kuvien 1-5 yhteydessä kuvatun suoritusmuodon.

Sitoutumatta mihinkään erikoiseen toimintateoriaan on uskottavaa, että polaroimisvaikutus johtuu voimakkaista elektrokemiallisista reaktioista, jotka tapahtuvat tangon metalleissa karstaa muodostavassa ympäristössä. Johtuen tangon koostumuksesta kehittyy tangon pinnalle lukuisia positiivisia ja negatiivisia pooleja, kun tanko asetetaan johtavaan ympäristöön. Varautuneet mineraali-ionit nesteessä vetäytyvät tangon pooleihin ja seurauksena on liuoksessa olevien ionimää-rien olennainen konsentroituminen. Kun karstaa muodostavat ionit kiinnittyvät metallin pintaan, niiden konsentraatio lisääntyy ja karstayhdisteet alkavat saostua. Saostumien määrään ja kokoon vaikutetaan kuitenkin sydämen muodolla. Sydämen poikkileikkausmuodolla saadaan aikaan minimi paineputous yli sydämen pituuden. Tämä paine- 6 58825 putous auttaa vapautumaan liuenneita happoa muodostavia kaasuja kuten hiilidioksidia ja rikkivetyä, mikä vähentää karstaantumistendenssiä ja vaikuttaa muodostuneitten saostumien määrään. Samalla tavoin johtuen paineputouksesta ja veden nopeudesta kulkureittien lävitse vain submikroskooppisilla saostumilla on aikaa muodostua, ennen kuin ne huuhtoutuvat alavirtaan. Saostumien pieni koko saa aikaan halutun kolloididispersion, joka toimii pintana muulle mineraali-ionisaostu-malle. Näin ollen näitten submikroskooppisten saostumien suuri pinta saa aikaan kolloidivaikutuksen, jolloin lisää ioneja saostuu niiden päälle verkon tapaisesti, jolloin karstaa muodostavat saostumat pysyvät nesteessä ja liikkeessä ja ne ovat kykenemättömiä laskeutumaan systeemin pinnoille. On uskottavaa, että tämä mekanismi selittää ne ilmiöt, jotka usein havaitaan keksinnön mukaisessa laitteessa, jolla karstanmuodostusta ei vain estetä, vaan olemassa olevat saostumat pienenevät tai poistuvat. Tämä johtuu siitä, että karstanmuodostus on dynaaminen prosessi, jossa tapahtuu jatkuvaa saostumista, ja saostuneen karstan eroosiota ja uudelleen saostumista. Koska keksinnön mukainen laite estää tehokkaasti saostumista ja uudelleen saostumista, edellä mainittu eroosio tulee kontrolloivaksi tekijäksi ja olemassa oleva karstasaostuma pienenee. Esimerkkeinä keksinnön mukaisesta laitteesta tankoa 10 on valmistettu 15,2-106,8 senttimetriä pituisina ja niiden leveys on ollut sellainen, että ne sopivat työnnettäviksi sylinterimäisiin putkiin, joiden sisäläpimitat ovat olleet 1,0-68,5 senttimetriä. Tavallisesti tangon pituus ja leveys (läpimitta) korreloivat, jolloin pituuden suuretessa suurenee myös leveys (läpimitta). On huomattava, että kun leveys (läpimitta) kasvaa tangoista tulee hyvin massiivisia ja huolimatta niiden ulospäin koverista pinnoista syntyy virtaukseen sylinterimäisen kotelon läpi huomattava vastus tai kuristus. Näin ollen on toivottavaa, että pituussuuntainen kulkutie on muodostettu tankoon (kuten on esitetty kuvissa 4 ja 5), jolloin saadaan lisää virtausalaa ja samanaikaisesti lisää pinta-alaa. On huomattu, että maksimi tehokkuus tangolle saavutetaan kun tanko kuristaa virtauksen putken läpi 38-40 5?: iin, so. virtausala putken läpi, jossa tanko on 38-40 %:& tyhjän putken kokonaispinta-alasta.

Näin syntyneestä paineputouksesta yhdessä n. 90 cm/sek:ssa tapahtuvan minimi virtausnopeuden kanssa tangon laajan pinnan yli on tuloksena voimakas nesteen polaroituminen.

Vaikka kuvien 6-8 suoritusmuoto on etupäässä tarkoitettu käytettäväksi sylinterimäisissä putkissa, joiden läpimitta on yli 16 cm, kolmesta 7 58825 levystä koottu tanko sopii käytettäväksi myös putkille, joiden läpimitta on alle 16 cm. Kuitenkin on helppo huomata, että kun käsitellään sylinterimäisiä putkia, joiden läpimitta on suurempi kuin 16 cm, on yhtenäinen tanko, vaikka siinä olisi pituussuuntainen kulkutie, erittäin raskas kappale ja kun sylinterimäisen putken läpimitta on 68,5 cm:n luokkaa, täytyy käyttää mekaanista käsittelylaitetta. Suoritusmuodolla, jossa on kolme pääasiassa litteätä levyä ja joka voidaan koota tangoksi halutussa putkessa, on huomattavia etuja, joista vähäisin ei ole se, että tankoa on helpompi käsitellä kolmen levyn osina.

Keksinnön mukainen pitkänomainen tanko on muodostettu seoksesta, jossa on kuparia, sinkkiä, nikkeliä ja tinaa, jolloin seos sulaa n.

1038-1150°C:ssa. Tanko tai levyt valetaan hiekkaan haluttuun muotoon. Edullinen tangon kokoomus on 40-50 paino-#:a kuparia, 20-30 paino-#:a | sinkkiä 15-25 paino-#:a nikkeliä ja 9”15 paino-#:a tinaa sekä satunnaisia epäpuhtauksia. Erikoisen edullinen kokoomus on 45 #:a kuparia, 25 #:a sinkkiä, 20 #:a nikkeliä ja 10 %:a tinaa sekä satunnaisia epäpuhtauksia. Kokoomukseltaan edellä mainituissa rajoissa olevan tangon on huomattu kestävän tai kuluvan vain hitaasti normaalikäytössä 10 vuotta.

Kuvattua nestevirtaukseen vaikuttavaa tankoa käytetään säätämään karstan saostumista. Ne eivät välttämättä estä karstan muodostumista, mutta ne vaikuttavat silloin, kun karstaa muodostuu. On ajateltavissa, että tangot sallivat mahdollisten karstaa muodostavien saostumien syntymisen virtaavaan nesteeseen, mutta tankojen kokoomuksen ja muodon vaikutuksesta saostumien koko ja siten niiden taipumus tai kyky laskeutua virtausputken tai -laitteen pinnoille tulee tehokkaasti säädetyksi.

Claims (13)

1. Pitkänomainen tanko (10), joka vähentää saostumista ja kulumista nesteen virratessa putken (32) läpi ja joka on työnnettävissä putken sisään, tunnettu siitä, että tanko (10) on poikkileikkaukseltaan olennaisesti kolmion muotoinen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tanko, tunnettu siitä, että se on poikkileikkaukseltaan kolmikulmainen yhtenäinen tanko, jossa on pituussuunassa ulottuva ulospäin kovera pinta (16, 18, 20).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen tanko, tunnettu siitä, että se on yhtenäinen tanko ja siinä on pituussuuntainen kulkureitti, joka muodostaa nestevirtauskanavan.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen tanko, tunnettu siitä, että kulkureitti (42) on olennaisesti kolmikulmainen poikkileikkaukseltaan ja että sen jokainen sivu on pituussuuntainen sisäänpäin kupera kaareva pinta (44, 46, 48).

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tanko, tunnettu siitä, että tangon muodostamiseksi on koottu kolme levyä (60) yhteen, jolloin levyt muodostavat tangon kolmikulmaisen poikkileikkauksen.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen tanko, tunnettu siitä, että levyt (60) ovat dimensioiltaan samanlaiset, jolloin muodostuneen tangon poikkileikkaus on tasasivuinen kolmio.

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen tanko, tunnettu siitä, että kussakin levyssä, kun ne on yhdistetty tangoksi, on ulkopinta, jossa on pituussuuntainen ulospäin kovera kaareva pinta.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen tanko, tunnettu siitä, että kussakin levyssä, kun ne on yhdistetty tangoksi, on sisäpinta, jossa on pituussuuntainen ulospäin kupera kaareva pinta.

8 58825

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen tanko, tunnettu siitä, että tanko koostuu kuparin, sinkin, nikkelin ja tinan seoksesta ja satunnaisista epäpuhtauksista.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen tanko, tunnettu siitä, 9 58825 että tanko käsittää painosta *10-50 %, edullisesti *45 %» kuparia, 20-50 %, edullisesti 25 %, sinkkiä, 15-25 %, edullisesti 20 %, nikkeliä ja 9-15 %, edullisesti 10 %, tinaa sekä satunnaisia epäpuhtauksia.

11. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen tanko, tunnettu siitä, että tangon (10) sivujen kärjissä (22, 2*4, 26) on olakkeet (38).

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tanko, tunnettu siitä, että tanko (10) on kiinnitettynä putkeen tämän sisäseinämiin sovitettujen tiivistysrenkaiden (36) välityksellä.

13· Patenttivaatimuksen 12 mukainen tanko, tunnettu siitä, että tanko (10) muodostaa 33-^0 %:n virtauskuristuksen putkeen (32).