JP5957092B2 - 海中用圧力センサモジュール - Google Patents

Description

背景
プロセストランスミッタは、プロセス変数に応答する変換器すなわちセンサを一般に備える。プロセス変数は、物理的又は化学的な、物質の状態又はエネルギの変換と一般に関連する。プロセス変数の例としては、圧力、温度、流量、伝導率、pH及び他の性質が挙げられる。圧力は、流量、高さ更には温度を測定するために使用可能な、基本的なプロセス変数であると考えられる。

圧力トランスミッタは、化学物質、パルプ、石油、ガソリン、医薬品、食品及び他の流体型プロセスプラントのスラリー、液体、蒸気及び気体といった、様々な工業プロセス流体の圧力を測定及び監視するために、工業プロセスで通常使用される。差圧トランスミッタは、２つの導入部間の圧力差に応答する（トランスミッタ内の）差圧センサに作動可能に接続された一対のプロセス流体圧導入部を一般に備える。プロセス流体流入口に配置され、検知されている過酷な条件のプロセス流体から差圧センサを隔離する一対の隔離ダイヤフラムを、差圧トランスミッタは典型的に備える。圧力は、各隔離ダイヤフラムから差圧センサへと延伸する通路を移動する実質的に非圧縮性の充填流体を介して、プロセス流体から差圧センサへと伝達される。

典型的に、２種類の差圧センサモジュールが存在する。差圧センサモジュールの第１の種類は、２面式センサモジュールと称される。このような差圧センサモジュールでは、隔離ダイヤフラムの組が、異なる平面に配設されて、多くの場合互いに同軸となる。図１は、１５，０００psiのライン圧で定格された差圧トランスミッタ１０で利用されている公知の２面式センサモジュール（長方形１２内に図示される）の概略図である。６０００psiより高いライン圧用の２面式センサモジュールを使用する差圧トランスミッタは、多くの場合非常に大きくそして複雑である。これは、一般に、このような高いライン圧を維持するために必要とされるフランジ及びボルトによるものである。このような大きなアセンブリは、海水による腐食、及び深海中での使用によって生じる大きくなる可能性のある圧力の両方からセンサモジュールを保護するために大きくかつ高価な収納部を必要とするため、海水への浸漬を必要とする適用には一般に理想的ではない。例えば、このような差圧トランスミッタ１０は、８．５インチを超える高さと６インチを超える幅を有する場合がある。

差圧センサモジュールの第２の種類は、共面型センサモジュールとして公知である。共面型センサモジュールでは、隔離ダイヤフラムは、互いに同一平面に典型的に配設される。

高いライン圧用に設計されるときでも、（図１に示される）トランスミッタ１０は海水への直接浸漬に適当ではない。したがって、トランスミッタが、油井の坑口などの海水に浸漬する必要のある用途で使用される場合には、著しい改修が必要となる。図２は、センサモジュール１４が海中使用のために準備された、図１の２面式差圧センサモジュール１４を示す。センサモジュール１４及び収納部１６を備えるアセンブリ２０は、センサモジュール１４全体の周囲に収納部１６を作製する必要性のため、かなり大きい。例えば、このようなアセンブリ２０の１つは、約１６インチの高さ及び約８インチの直径を有する。更に、収納部１６の構造に使用される材料は高コストなため、収納部１６が単独でアセンブリ２０全体をかなり高価にする場合がある。

大規模な改修又は費用を不要とする海中環境により簡単に適応可能な高ライン圧の差圧トランスミッタを提供することにより、差圧センサモジュールのより広範な使用、並びに海中環境での流量、圧力及び高さなどの関連した変数の測定が容易になる。

概要
一実施形態では、共面型差圧センサモジュールが提供される。モジュールは、一対の凹部を有したベースを備える。一対の台座が同様に提供され、それぞれの台座が、それぞれの凹部に配設され、それぞれの隔離ダイヤフラムに結合される。差圧センサは、検知ダイヤフラム及び一対の圧力検知ポートを有する。差圧センサのそれぞれのポートは、充填流体によってそれぞれの隔離ダイヤフラムに流体的に結合される。モジュールはまた、差圧によって変化するセンサの電気的特性を測定するために、差圧センサに接続された回路を備える。ベースは、海水への浸漬に適切な材料から構成される。共面型差圧センサモジュールを構成する方法も提供される。別の実施形態では、圧力センサモジュールが提供される。圧力センサモジュールは、凹部を有したベースを備える。台座が、凹部に配設され、隔離ダイヤフラムに結合される。検知ダイヤフラム及び圧力検知ポートを有した圧力センサは、充填流体によって隔離ダイヤフラムに流体的に結合される。回路が、圧力によって変化するセンサの電気的特性を測定するために、圧力センサに接続される。ベースは、海水への浸漬に適切な材料から構成される。

公知の２面式センサモジュールの概略図である。 海中使用のために準備された図１の２面式差圧センサモジュールを示す。 本発明の一実施形態による共面型差圧センサモジュールの概略図である。 海水への直接浸漬に適合された、図３に示される共面型差圧センサモジュールの概略図である。 本発明の実施形態による共面型差圧センサモジュールの概略断面図である。 本発明の一実施形態による共面型差圧センサを作製する方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態による海水への浸漬に共面型差圧センサモジュールを適合させる方法のフローチャートである。

発明の詳細な説明
本発明の実施形態は一般に、一対の共面型隔離ダイヤフラム及び全溶接構造を有する共面型差圧センサモジュールに使用可能である。加えて、本発明の少なくともいくつかの実施形態は、全ての重要なライン圧を維持する溶接を海水から確実に保護して、腐食による溶接破壊の可能性を低減させる。更に、適切な材料が、海中用の共面型差圧センサモジュールの作製を単純化するために使用される。代替として、本発明の実施形態は、差圧を検知せずその代わりとして単一のプロセス流体圧を検知する絶対圧又はゲージ圧トランスミッタなどの圧力トランスミッタで、使用されてもよい。

図３は、本発明の一実施形態による共面型差圧センサモジュール１００の概略図である。センサモジュール１００は、電子機器収納部１０２に接続可能な点、及び一対のプロセス流体圧流入口１０４、１０６に導入される差圧を測定することができるという点で、従来技術のセンサモジュールに類似する。しかしながら、差圧センサモジュール１００のベース部１０８は、塩水への直接浸漬に適切な材料から構成される。本明細書で定義される「塩水への直接浸漬に適切な」という語は、動作可能な製品寿命の間に材料が塩水の存在下で腐食しないか又は許容し難い劣化をしないことを意味する。塩水への直接浸漬に適切な材料の例としては、インディアナ州コーコモーのHaynes International Inc.からHastelloy C276の商品名で入手可能なAlloy C276、ニューヨーク州ニューハートフォードのThe Special Metal Family of Companiesから入手可能なInconel alloy 686、及びHaynes Internationalから入手可能なAlloy C-22が挙げられる。特に関心の対象となるのはAlloy C276であり、Alloy C276は以下の化学組成（重量％）を有する。モリブデン１５．０〜１７．０、クロム１４．５〜１６．５、鉄４．０〜７．０、タングステン３．０〜４．５、コバルト最大２．５、マンガン最大１．０、バナジウム最大０．３５、炭素最大０．０１、リン最大０．０４、硫黄最大０．０３、ケイ素最大０．０８、及び残部のニッケル。

図３に示されるように、ベース部１０８を、図１及び図２に示される差圧センサモジュールより非常に小さく設計することができる。具体的には、この例では、ベース部１０８は３．５インチの直径を有する。電子機器収納部１０２に接続されるときでも、この例における組み立てられたトランスミッタの全高は僅か８．２５インチである。センサモジュール１００はまた、ベース部１０８に接続された側壁１１０を備え、側壁１１０は、ベース部１０８をキャップ１１２に接続する。電気的貫通接続コネクタ１１４は、電子機器収納部１０２に接続可能で、モジュール１１０への電力だけでなく双方向通信を提供するために導体を備える。いくつかの実施形態では、モジュール１００は、電力を供給する導体と同じ導体を介して通信することができる。

図４は、海水への直接浸漬に適合された（図３に示される）共面型差圧センサモジュール１００の概略図である。具体的には、共面型差圧モジュール１００の上部、近位電気的接続点１１５が、海水への直接浸漬に適切な材料から構成された高圧受承端部キャップ２００で覆われる。更に、極限の深さでの海水に晒すことと関連した高圧は、高圧を受ける間その形状及び完全性を保持する端部キャップ２００によって耐えられる。加えて、端部キャップ２００は、好ましくは共面型差圧センサモジュール１００の底部１０８と同じ材料から構成される。例えば、モジュール１００の底部１０８がAlloy C276から構成される場合には、端部キャップ２００もAlloy C276から構成されることが好ましい。しかしながら、これらが同じ材料から構成されない実施形態では、端部キャップ２００は、モジュール１００の部分１０８への溶接に適切な材料から構成される必要がある。これは、２つの材料の冶金のどちらかが溶接に十分に適合しなければならないこと及び／又は２つの材料の融点が互いに十分に近くなければならないことを意味する。異なる金属の溶接の追加的な要件は、（いずれの出発原料とも異なる）結果として生じる溶接の冶金が耐食性も有しなければならないことである。図４から明らかなように、共面型差圧センサモジュール１００は、境界面２０２で下部１０８に直接端部キャップ２００を単純に溶接することよって、比較的簡単に海水への直接浸漬に適応させることができる。更に、アセンブリ全体は、この例では比較的小さいままで、約３．５インチの直径及び僅か６．７インチの高さを有する。端部キャップ２００を介する電気的接続点１１５は、任意の適切な手段で実施可能である。例えば、接続点に１１５に接続するために端部キャップ２００を介して導体を通過させるべく高圧ガラスヘッダを使用することができる。

図５は、本発明の実施形態による共面型差圧センサモジュール１００の概略断面図である。モジュール１００は、海水への直接浸漬に適切な材料から構成された下部１０８を備える。実際、線２０４の下の全ての構成要素が、海水に晒されることに適合される。多くの実行可能な材料が海水への浸漬に適切であり得るが、特に適切な一例は前述したAlloy C276である。下部１０８は側壁１１０及びキャップ１１２に接続され、その内部にチャンバ２０６を画定する。差圧センサ２０８は、チャンバ２０６に配設され、そしてプロセス圧力を可撓性ダイヤフラム２１４へ伝達する一対の差圧センサ導入部２１０、２１２を有する。可撓性ダイヤフラム２１４は、ダイヤフラムの撓みによって変化する例えば静電容量のような電気的特性を有する。電気的特性は、測定されるか、又はセンサ２０８に近接して配設された回路２１６により変換される。回路２１６はまた、電気的接続点１１５を介した送信のために静電容量測定を調節する。

前述したように、線２０４の下に配置される全ての構成要素は、海水に直接晒され得る。したがって、構成要素は、このような環境で腐食に耐えられるだけでなく、１５０００psiといった高いライン圧に耐えられる必要がある。ベース部１０８は、それぞれの台座２１８、２２０を有した一対の凹部２１７、２１９を備える。隔離ダイヤフラム２２２は、それぞれの台座２１８、２２０に結合されて、それぞれの通路２２４、２２６に位置する充填流体を介してそれぞれのプロセス流体圧を伝達する。このようにして、プロセス流体を差圧センサ２０８に接触させずに、２つのプロセス流体圧が差圧センサ２０８に伝達される。

モジュール１００の別の重要な態様は、海中環境で高い周囲圧（「僅か」５，０００psi）を負わされる構成要素からの高いライン圧（最高１５，０００psi）を負わされる構成要素間の分離である。参照符号２３５で示されるこの分離は、いくつかの理由から重要である。海の深さが、差圧読取値に影響を及ぼさない。高いライン圧は静圧ではなく、センサ２０８、プロセスコネクタ２３０、２３２及び台座２１８、２２０に負荷を与える圧力疲労をもたらす。ハウジング要素がライン圧から隔離されるので、ハウジング要素は疲労のために設計される必要がなく、一定の周囲圧のためだけに設計される必要がある。

図５に示されるように、それぞれのプロセス流体圧ポート１０４、１０６は、好ましくは、耐食性の高圧接続を提供するために、下部１０８に溶接されたそれぞれの一体型プロセスコネクタ２３０、２３２を備える。溶接がコネクタを部分１０８に強固に取り付けるだけでなくコネクタを部分１０８に封止するように、それぞれの溶接はそれぞれのコネクタの外周全体に延在する。溶接は、周囲圧を負わされる構成要素とライン圧を負わされる構成要素との間の唯一の相互作用を定める。それぞれの一体型プロセスコネクタ２３０、２３２は、最高１５，０００psiの圧力でのプロセス流体に晒されるのに適切な、プロセス流体圧を受ける開口部２３６を備える。加えて、プロセスコネクタ２３０、２３２が部分１０８に溶接される前に、それぞれの台座２１８、２２０も同様に、それぞれのプロセスコネクタ２３０、２３２に好ましくは溶接される。このようにして、重要なプロセス圧力を維持する溶接が、モジュール内部で海水に晒されることの腐食作用から保護される。いくつかの実施形態では、プロセスコネクタ２３０、２３２を、溶接及びオートクレーブ接続の両方で作ることができる。

図６は、本発明の一実施形態による共面型差圧センサを構成する方法のフローチャートである。方法３００は、一対の共面型凹部を有する共面型差圧センサモジュールが提供されるブロック３０２から始まる。次に、ブロック３０４で、一対の台座が提供される。それぞれの台座は、台座に溶接された隔離ダイヤフラムを有する。ブロック３０６で、一対のプロセスコネクタが提供される。ブロック３０８で、第１台座が第１プロセスコネクタに溶接される。前述したように、第１プロセスコネクタを第１台座に完全に封止するために、このような溶接は第１プロセスコネクタの外周に連続する。ブロック３１０で、第２台座が第２プロセスコネクタに溶接される。同様に、第２プロセスコネクタを第２台座に完全に封止するために、このような溶接は第２プロセスコネクタの外周に連続する。ブロック３１２で、第１台座が凹部の組の１つに挿入され、第１プロセスコネクタが共面型差圧センサモジュールに溶接される。溶接は、好ましくは、共面型差圧センサモジュールに第１プロセスコネクタを封止するために、第１プロセスコネクタ外周の連続溶接である。ブロック３１４で、第２台座が凹部の組のもう１つに挿入され、第２プロセスコネクタが共面型差圧センサモジュールに溶接される。溶接は、好ましくは、共面型差圧センサモジュールに第２プロセスコネクタを封止するために、第２プロセスコネクタ外周の連続溶接である。前述したように、いくつかの実施形態では、差圧センサモジュールの一部及び第１並びに第２プロセスコネクタが、Alloy C276などの海水への直接浸漬に適切な材料から構成される。

図７は、本発明の一実施形態による海水への浸漬に共面型差圧センサモジュールを適合させる方法のフローチャートである。方法３２０は、圧力に耐える耐食性カバーアセンブリが提供されるブロック３２２から始まる。このカバーは、図４の参照符号２００で示されるカバー又は任意の他の適切なカバーとすることができる。カバーは、Alloy C276から好ましくは形成され、そして点線のブロック３２４で表示されるように、円筒セクションをキャップセクションに溶接することによって構成されてもよい。代替として、カバーアセンブリ全体を、例えばブロック３２６で示されるように鋳造又は鍛造によって、単一の部材として製造することができる。ブロック３２８で、耐食カバーアセンブリは共面型差圧センサのベース部に溶接される。カバーアセンブリが共面型差圧センサモジュールに封止されるように、溶接は好ましくは連続する。このように構成されるとき、本発明の実施形態は、数年にわたって海水に浸漬される間１５，０００psiと同程度のライン圧と見積もられた差圧センサモジュールを提供することができる。更に、本発明の実施形態は、従来の設計より実質的に低コストで、このような用途で差圧測定を提供することができると考えられる。

本発明の実施形態は、海水での耐食性のために選択された材料から製作される少なくとも１つの部分を有した共面型差圧センサモジュールを一般に提供する。１つの例示的な材料は、Alloy C276である。加えて、本発明の実施形態は、大きなボルト締めフランジを不要とする全溶接手法を一般に活用し、その結果、寸法を縮め、そして腐食が容易に始まることがあるクレバスを排除する可能性を有する。更に、本発明のいくつかの実施形態は、海水腐食から溶接を保護するために、重要なプロセス圧力を維持する溶接をモジュール内に配置する。加えて、いくつかの実施形態では、圧力センサモジュールは、単一の凹部を有するベース及び隔離ダイヤフラムに結合された凹部内の台座を備える。絶対圧力センサ又はゲージ圧センサなどの圧力センサは、充填流体によって隔離ダイヤフラムに流体的に結合された検知ダイヤフラム及び圧力検知ポートを備える。圧力センサモジュールの回路は、圧力センサに接続され、圧力によって変化するセンサの電気的特性を測定する。圧力センサモジュールのベースは、海水への浸漬に適切な材料から構成される。

本発明が好ましい実施形態を参照にして説明されたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく形式及び細部で変形がなされてもよいことを当業者は認識するであろう。例えば、本発明の実施形態は、海中使用に適合され得る共面型差圧センサモジュールを一般に目的とするが、本発明の実施形態を他の高い腐食性の環境で同様に実施可能である。

Claims (18)

1. 一対の凹部を有する一つのベースと、
   それぞれの台座がそれぞれの凹部に配設され、それぞれの隔離ダイヤフラムに結合される一対の台座と、
   検知ダイヤフラム及び一対の圧力検知ポートを有する差圧センサであって、それぞれのポートが充填流体によってそれぞれの隔離ダイヤフラムに流体的に結合される差圧センサと、
   差圧によって変化するセンサの電気的特性を測定するために前記差圧センサに接続される回路と、
   それぞれのプロセスコネクタがそれぞれの前記台座に結合され、前記ベースに結合された一対のプロセスコネクタであって、それぞれのプロセスコネクタがプロセス流体圧を受ける開口部を備える、プロセスコネクタと、
   を備える、海中環境で高いライン圧の差圧を測定するための共面型差圧センサモジュールであって、
   前記ベースが海水への浸漬に適切な材料から構成される、共面型差圧センサモジュール。
2. 材料がAlloy C276である、請求項１に記載の共面型差圧センサモジュール。
3. 前記一対のプロセスコネクタが、海水への浸漬に適切な材料から構成される、請求項１に記載の共面型差圧センサモジュール。
4. 前記材料がAlloy C276である、請求項３に記載の共面型差圧センサモジュール。
5. 前記それぞれのプロセスコネクタが、それぞれの台座に溶接され、前記ベースに溶接される、請求項１に記載の共面型差圧センサモジュール。
6. モジュールのライン圧構成要素とモジュールの周囲圧を負わされる構成要素との間の唯一の構造的接続が、前記それぞれのプロセスコネクタと前記ベースとの間の溶接にある、請求項５に記載の共面型差圧センサモジュール。
7. 前記一対のプロセスコネクタが、溶接及びオートクレーブ接続の両方で構成される、請求項１に記載の共面型差圧センサモジュール。
8. モジュールの一部を覆って配設され、前記ベースに接続されたカバーを更に備える、請求項１に記載の共面型差圧センサモジュール。
9. 前記カバーが、海水への浸漬に適切な材料から構成される、請求項８に記載の共面型差圧センサモジュール。
10. 前記ベースに前記カバーを封止するために、前記カバーが連続溶接で前記ベースに溶接される、請求項９に記載の共面型差圧センサモジュール。
11. 海中環境で高いライン圧の差圧を測定するための共面型差圧センサモジュールを製造する方法であり、
    一対の共面型凹部を有する一つの共面型差圧センサモジュールを提供する工程と、
    それぞれの台座が隔離ダイヤフラムを有する一対の台座を提供する工程と、
    一対のプロセスコネクタを提供する工程であって、それぞれのプロセスコネクタがプロセス流体圧を受ける開口部を備える、工程と、
    第１台座を第１プロセスコネクタに溶接する工程と、
    第２台座を第２プロセスコネクタに溶接する工程と、
    前記一対の共面型凹部の１つへ前記第１台座を挿入し、前記共面型差圧センサモジュールに前記第１プロセスコネクタを溶接する工程と、
    前記一対の共面型凹部のもう１つへ前記第２台座を挿入し、前記共面型差圧センサモジュールに前記第２プロセスコネクタを溶接する工程と、
    を含む方法。
12. 前記共面型差圧センサモジュールを提供する工程が、海水への浸漬に適合された部分を有する共面型差圧センサモジュールを提供する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記部分が、前記一対の共面型凹部に近接する、請求項１２に記載の方法。
14. 海水への浸漬に適合された部分がAlloy C276から構成される、請求項１２に記載の方法。
15. 前記一対のプロセスコネクタを提供する工程が、海水への浸漬に適合された一対のプロセスコネクタを提供する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
16. 前記一対のプロセスコネクタがAlloy C276から構成される、請求項１５に記載の方法。
17. 前記共面型差圧センサモジュールにカバーを固定する工程であって、カバーが海水への浸漬に適合される工程を更に含む、請求項１１に記載の方法。
18. 前記カバーがAlloy C276から構成される、請求項１７に記載の方法。

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