NO20092563A1 - Anordning for maling av kraftmoment - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en anordning for måling av et dreiemoment som tilveiebringes av en rørskruemaskin, for eksempel en krafttang eller momenttang, og mer spesielt vedrører den foreliggende oppfinnelsen en anordning for dynamisk måling av et dreiemoment

Bakgrunnen for oppfinnelsen

Ved sammenstilling eller demontering av rørstrenger, for eksempel et produksjons-rør og/eller et foringsrør, som føres ned i eller ned til en brønn i undergrunnen, for eksempel for utvinning av petroleum, er det vanlig å benytte såkalte krafttenger eller momenttenger (rørskruemaskin) for å koble rørlengder til eller fra rørstrengen. En vanlig konfigurasjon er at en øvre rørdel manøvreres og holdes av en gripean-ordning, mens en rørdel som befinner seg nedenfor den øvre rørdelen roteres ved hjelp av en roterbar momenttang. En annen konfigurasjon er at rørstrengen holdes av en første krafttang og/eller av kiler ("slips") i boredekket, mens en roterbar momenttang roterer et rørelemenet ovenfor med det nødvendige dreiemoment. Den ro-terbare momenttangen er forsynt med gripebakker for å holde røret sentralt i momenttangen, slik at når momenttangen roterer, så vil også rørlengden rotere om sin lengdeakse. Momenttangens rotasjonsakse og rørlengdens lengdeakse er med andre ord i all hovedsak sammenfallende.

Utviklingen innenfor brønnboring, bl.a. i forbindelse med retningsboring, medfører et ønske om høyere dreiemoment og større rotasjonsvinkler, for eksempel 60° - 90°. Kraftigere boremaskiner (for eksempel såkalte "top drives") som påfører rørene større dreiemomenter enn tidligere, medfører et behov for rotasjonstenger som kan håndtere tilsvarende høyere momenter ved sammenkobling ("make-up") og frakob-ling ("break-out").

Mange av de kjente momenttenger er i stand til å utføre en rotasjon på mellom 30° - 45°. Dersom det ved bruk av disse momenttengene er nødvendig å rotere røret ytterligere, må røret løsnes fra gripebakkene, momenttangen roteres tilbake til utgangs-punktet og dreiningen gjentas. Denne operasjonen kan måtte gjentas både to og tre ganger, hvilket er tidkrevende og øker risiko for feil og skader.

Felles for alle de ulike typer rørskruemaskiner vil imidlertid være at dreiemomentet som rørskruemaskinen tilveiebringer av ulike årsaker (slag/skade, slitasje, utskifting av komponenter etc.) vil kunne endres, slik at rørskruemaskinen ikke skrur med riktig dreiemoment (for lite/for stort dreiemoment).

Ved sammenstilling av en rørstreng og/eller foringsrør er det viktig at hver rørleng-de skrus til med riktig moment, idet rørstrengen vil kunne ødelegges, lekke etc. dersom de forskjellige rørlengdene ikke er tilskrudd med riktig eller korrekt moment. Ovenstående kan føre til at rørstrengen, som kan omfatte et stort antall av sammen- skrudde rørlengder, må trekkes opp av brønnen og demonteres, hvorved dette vil medføre til et uønsket produksjonsavbrudd, merkostnader etc.

De kjente momenttenger har hydrauliske sylindere som roterer tangen direkte. Dette gir ulike krefter, avhengig av om sylinderen skyver eller trekker, noe som kan vanskeliggjøre en nøyaktig styring av dreiemomentet og gi et ubalansert kraftbilde. Ved rotasjon over store vinkler er det vanskelig å styre geometri og dermed også dreiemomentet. Dreiemomentet beregnes vanligvis ved å måle det hydrauliske trykket i sylindrene, samt sylindrenes slaglengde (som måles ved hjelp av en eller flere sensorer). Med momenttenger av denne typen er det også nødvendig med sensorer for å påvise sylindrenes endeslag, slik at ikke endeslag forveksles med momentopp-bygging. Kjente løsninger krever en radiell opplagring. Dette gir økt friksjon som medfører et momenttap for tangen som er vanskelig å påvise eller måle størrelsen av. Friksjonen kan i noen tilfeller også variere med momentet.

Alternativt kan det også utføres en måling av det moment krafttangen eller momenttangen tilveiebringer når denne ikke er i bruk under ovenstående arbeide eller ope-rasjoner, slik at krafttangen eller momenttangen eventuelt kalibreres i forhold til det ønskede dreiemoment. Dette kan oppnås ved å benytte et kraftmålingsinstrument (en lastcelle eller trykksensor), der det ikke tas hensyn til tap i overføringer etc, eller ved å gjøre en fullstendig måling, der det tas hensyn til friksjonstap etc, slik at det virkelige moment som krafttangen eller momenttangen tilveiebringer, måles. Den siste metoden medfører bruk av en momentcelle som kan måle et statisk moment. Denne metode kan imidlertid også medføre at det målte moment ikke er det virkelige moment som krafttangen eller momenttangen tilveiebringer, idet et lite pådrag i krafttangen vil kunne få momentet til å stige siden momentcellen ikke be-veges.

Det finnes således et behov for en anordning eller et måleinstrument som på en sik-rere måte kan måle det korrekte dreiemoment som en krafttang eller en momenttang tilveiebringer under sin rotasjon.

Sammendrag av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelsens formål er å avhjelpe eller redusere i det minste én av ulempene ved den kjente teknikk.

Denne hensikt er oppnådd med en anordning som angitt i det etterfølgende selv-stendige krav, hvor ytterligere trekk og momenter ved oppfinnelsen fremkommer av de uselvstendige krav og den nedenfor stående beskrivelsen.

Gjennom den foreliggende oppfinnelsen er det tilveiebrakt en anordning for dynamisk å kunne måle et dreiemoment som en krafttang eller en momenttang (rørskruemaskin) tilveiebringer under sin rotasjon, der anordningen omfatter en statisk momentcelle som er forbundet til en ytre hul struktur, hvilken ytre hule struktur omfatter en hydraulisk sylinder, der en stempelstang i den hydrauliske sylinderen videre er forbundet med en skrue anordnet i den ytre hule strukturen.

Den statiske momentcellen vil da gjennom en endeavslutning forbindes og fastholdes i en egnet innretning, for eksempel en fastholdelsesinnretning eller en krafttang, mens skruen i den ytre hule strukturen forbindes til en krafttang eller momenttang som dreiemomentet ønskes målt til. Når krafttangen eller momenttangen som er forbundet til skruen i den ytre hule strukturen begynner å rotere, vil denne rotasjon overføres til skruen og til stempelet, hvorved den hydrauliske sylinderen trykkes sammen. Så lengde trykket i den hydrauliske sylinderen er "lite", vil skruen kunne skrus til uten at det dreiemomentet som krafttangen eller momenttangen tilveiebringer overføres til den ytre hule strukturen. Etter hvert som stempelet forskyves i den hydrauliske sylinderen, vil trykket i den hydrauliske sylinderen bygges opp til en viss verdi. Når denne verdien overstiges, vil det være tilveiebrakt en rotasjonsmotstand i skrueforbindelsen mellom skruen og den ytre hule strukturen, hvorved denne rotasjonsmotstanden vil "overføres" til den ytre hule strukturen. Denne rotasjonsmotstanden vil deretter, siden den ytre hule strukturen er forbundet med den statiske momentcellen, "overføres" til den statiske momentcellen. Dette moment kan tas ut ved hjelp av egnede instrumenter. Momentet som kan avleses fra den statiske momentcellen kan deretter sammenlignes med det dreiemomentet som krafttangen eller momenttangen tilveiebringer (beregnet ved måling av krafttangens eller momenttangens sylindertrykk, sylinderens slaglengde og endeslag), for slik å fastslå om krafttangen eller momenttangen skal kalibreres.

Med statisk momentcelle skal det i den foreliggende søknaden forstås en celle som kan måle et statisk moment. En fagmann vil vite hvordan en slik momentcelle er bygget opp og hvordan den fungerer, hvorved momentcellen ikke beskrives ytterligere.

I en foretrukket utførelse av den foreliggende oppfinnelsen er det tilveiebrakt en anordning for dynamisk å kunne måle et dreiemoment som en krafttang eller en momenttang tilveiebringer under sin rotasjon, der anordningen omfatter en statisk momentcelle som er forbundet til en ytre hul struktur, i hvilken ytre hule struktur en separat, hydraulisk sylinder er anordnet og fast forbundet til, der en stempelstang i den hydrauliske sylinderen er forbundet med en skrue anordnet i den ytre hule strukturen.

Den statiske momentcellen er i sin ene endeavslutning utformet med et innfestningsområde, hvilket innfestningsområde skal samvirke med et komplementært innfestningsområde utformet i en endeavslutning av den ytre hule strukturen. Når den statiske momentcellen og den ytre hule strukturen gjennom sine endeavslutninger er forbundet med hverandre, skal innfestningsområdene kunne overføre det moment som den ytre hule strukturen utsettes for til den statiske momentcellen. Innfestningsområdene på momentcellen og den ytre hule strukturen kan da eksempelvis utformes med samvirkende kilespor, splineskobling eller lignende, slik at overfø-ringen av moment sikres.

På tilsvarende måte er den statiske momentcellen i sin motsatte endeavslutning av innfestningsområdet med den ytre hule strukturen også utformet med et innfestningsområde for en fastholdelsesinnretning eller en krafttang, der innfestningsområdet kan utformes med kilespor, splineskobling eller tilsvarende, slik at det oppnås en fast forbindelse mellom momentcellen og fastholdelsesinnretningen eller krafttangen.

Innfestningsområdene i den statiske momentcellen og den ytre hule strukturen er således utformet på en slik måte at forbindelsen tillater en overføring av moment fra den ytre hule strukturen og til den statiske momentcellen.

Den ytre hule strukturen er i sin endeavslutning motsatt innfestningsområdet med den statiske momentcellen utformet med et innvendig gjenget parti, hvilket gjengede parti forløper en avstand i den ytre hule strukturens aksielle lengde. Skruen, som er forbundet med den hydrauliske sylinderen, er i det minste over en del av sin aksielle lengde utformet med et utvendig gjenget parti, hvilket utvendige gjengede parti er utformet komplementært med den ytre hule strukturens innvendige gjengede parti.

Det kan også tenkes at den ytre hule strukturen er utformet med et utvendig gjenget parti, hvorved skruen da vil være utformet med et innvendig gjenget parti. I denne utførelsen vil således den ytre hule strukturen være anordnet innvendig i skruen.

Gjengene i det gjengede parti i den ytre hule strukturen og skruen er fortrinnsvis utformet som trapesgjenger, men det skal forstås at disse gjengene også kan utformes som firkantgjenger eller andre typer gjenger som er egnet for å benyttes under slike kraftoverføringsmekanismer.

Skruen vil, foruten det gjengede parti, også omfatte et hode, hvilket hode utgjør et fastholdelsesparti for en krafttang eller momenttang. I en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen kan skruen være utformet med en avtrappende boring.

Når den statiske momentcellen er forbundet med den ytre hule strukturen, skal innfestningsområdene (forbindelsen mellom den ytre hule strukturen og den statiske momentcellen) kunne overføre det dreiemoment som er tilveiebrakt av krafttangen eller momenttangen som skal måles.

Den hydrauliske sylinderen i den ytre hule strukturen er foretrukket utformet som

en egen separat enhet. Enheten utgjøres da av en lukket beholder, stempel og stempelstang, der det kan være anordnet tetteinnretninger mellom stempelstangen og den lukkede beholderen, slik at det ikke oppstår en lekkasje mellom den lukkede beholderen og stempelstangen. Hvordan dette skal utføres vil en fagmann vite, og det beskrives derfor ikke videre her. Den separate enheten (hydrauliske sylinderen) vil hensiktsmessig være fast forbundet innvendig i den ytre hule strukturen, for eksem-

pel til en plate eller tilsvarende, hvilken plate da vil danne en lukket ende i den ytre hule strukturen.

I en alternativ utførelse av den foreliggende oppfinnelsen kan den hydrauliske sylinderen utgjøres av den ytre hule strukturen og skruen, idet den hydrauliske sylinderen da avgrenses av den ytre hule strukturen og skruen. På tilsvarende måte som ovenfor kan det være anordnet tetteinnretninger mellom den ytre hule strukturen og skruen, slik at det ikke oppstår en lekkasje mellom den ytre hule strukturen og stempelstangen.

Den hydrauliske sylinderen omfatter videre en tilkoblingsinnretning, slik at en ventil, en akkumulator eller tilsvarende kan tilkobles den hydrauliske sylinderen.

Skruen som er anordnet i den ytre hule strukturen er i en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen forbundet til den hydrauliske sylinderens stempelstang gjennom en forbindelsesinnretning, for eksempel et aksiallager. Skruen kan da være utformet med en avtrappende boring, i hvilken boring aksiallageret og stempelstangen er anordnet i og forbundet med skruen. Dette vil forhindre at den hydrauliske sylinderen roterer med skruen når skruen roteres. Andre forbindelsesinnretninger kan også benyttes, så lenge denne eller disse forhindrer en rotasjon av den hydrauliske sylinderen. Det skal imidlertid forstås at skruen og stempelstangen også kan være fast forbundet til hverandre.

I en alternativ utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen kan skruen og stempelstangen være utformet for å ligge til anlegg mot hverandre, men ikke være fast forbundet med hverandre.

Den ytre hule strukturen er foretrukket i en enhet, men det kan også tenkes at den ytre hule strukturen utgjøres av flere sammensatte komponenter.

Selv om anordningen i det ovenstående er beskrevet i forbindelse med rørskrue-maskiner, skal det forstås at anordningen ifølge den foreliggende oppfinnelsen også kan ha andre anvendelsesområder, for eksempel ved måling av en roterende maskins (drill, bor etc.) dreiemoment.

Andre fordeler og særtrekk ved den foreliggende oppfinnelse vil fremgå klart fra følgen-de detaljerte beskrivelse, den vedføyde figur samt de etterfølgende krav.

Figuroversikt

En foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen vil nå bli beskrevet med henvisning til de medfølgende figurer, der like deler er gitt like henvisningsbe-tegnelser, og der: Figur 1 er en perspektivtegning av en utførselsform av anordningen ifølge den foreliggende oppfinnelsen, og Figur 2 viset et tverrsnitt av utførelsesformen av anordningen etter linje A - A på figur 1.

Beskrivelse av en utførelsesform av oppfinnelsen

På figur 1 vises en anordning som benyttes for å måle et dreiemoment som tilveiebringes av en rørskruemaskin, for eksempel en krafttang eller en momenttang, der anordningen omfatter en statisk momentcelle 1, en ytre hul struktur 3 og en skrue 4. Når anordningen skal benyttes, vil den statiske momentcellen 1 forbindes til en fastholdelsesinnretning eller en krafttang (ikke vist), slik at den statiske momentcellen 1 vil forbli i ro under målingen. En krafttang eller momenttang (ikke vist), i hvilken krafttang eller momenttang dreiemomentet skal måles i, vil deretter forbindes til skruen 4 som er anordnet i den ytre hule strukturen 3. Når krafttangen eller momenttangen settes i rotasjon, vil krafttangen eller momenttangen skru til skruen

4, slik at en stempelstang 13 og et stempel 14 som er forbundet til skruen 4, forskyves inn i en hydraulisk sylinder 6 (se figur 2) som er anordnet i den ytre hule strukturen 3. Dette vil medføre at det bygges opp et trykk i den hydrauliske sylinderen 6. Så lengde det oppbygde trykket i den hydrauliske sylinderen er lite, vil skruen 4 kunne skrus til uten at det dreiemomentet som krafttangen eller momenttangen tilveiebringer overføres til den ytre hule strukturen 3. Etter hvert som stempelet forskyves i den hydrauliske sylinderen 6, vil det oppbygde trykket i den hydrauliske sylinderen bygges opp til en viss verdi. Når denne verdien "overstiges", vil det være en rotasjonsmotstand i skrueforbindelsen mellom skruen 4 og den ytre hule strukturen 3, hvorved denne rotasjonsmotstanden vil "overføres" til den ytre hule strukturen 3. Denne rotasjonsmotstanden vil deretter, siden den ytre hule strukturen 3 er

forbundet med den statiske momentcellen 1, "overføres" til den statiske momentcellen 1. Denne rotasjonsmotstanden kan deretter ved hjelp av egnede instrumenter tas ut og sammenlignes med det dreiemoment som er målt i krafttangen eller momenttangen (trykk i hydrauliske sylindre og sylindrenes slaglengde/endeslag).

I den foreliggende søknaden skal den statiske momentcellen 1 forstås å være en innretning som kan måle et statisk moment. En fagmann vil vite hvordan en slik statisk momentcelle 1 er utformet, hvorved momentcellen 1 ikke beskrives ytterligere.

På figur 2 er det vist et tverrsnitt av anordningen gjennom et snitt A - A på figur 1, der den statiske momentcellen 1 ved sin ene ende er forbundet til den ytre hule strukturens 3 ene ende gjennom en forbindelse 2, hvilken forbindelse 2 utgjøres av en såkalt spline kobling eller tilsvarende. Forbindelsen 2 vil således sikre at dreiemomentet som påføres den ytre hule strukturen 3 overføres til den statiske momentcellen 1. Den statiske momentcellens 2 andre ende (dvs. enden motsatt forbindelsen med den ytre hule strukturen 3) er også utformet med en forbindelse 2, hvilken forbindelse 2 benyttes for å forbinde den statiske momentcellen 1 med en fastholdelsesinnretning eller en krafttang (ikke vist).

Den hydrauliske sylinderen 6 er anordnet i den ytre hule strukturen 3, der den hydrauliske sylinderen 6 på egnet måte er forbundet til en plate eller skive 5, hvilken plate eller skive 5 danner en endeavslutning i den ytre hule strukturen 3. Den hydrauliske sylinderen 6 utgjøres av en egen enhet og omfatter en lukket beholder, et stempel 14 og en stempelstang 13. Stempelstangen 13 er via en plate eller skive 8 og et aksiallager 7 forbundet til skruen 4. Som det fremgår av figuren, er skruen 4 utformet med en innvendig boring/utsparing, i hvilken boring/utsparing aksiallageret 7 er anordnet i.

Skruen 4 er videre på sin ytre overflate utformet med et gjenget parti 11, hvilket gjengede parti 11 strekker seg over en del av skruens 4 aksielle lengde. Skruens 4

gjengeparti 11 vil samvirke med et komplementært gjengeparti 12 utformet på inn-siden av den ytre hule strukturen 3. Det gjengede parti 11, 12 i skruen 4 og den ytre hule strukturen 3 er utformet som trapesgj enger, men det skal forstås at også andre typer gjenger kan benyttes, for eksempel firkantgjenger etc.

Skruen 4 er også utformet med et hode, hvilket hode danner et festeområde for en krafttang eller en momenttang som dreiemomentet skal måles for.

Oppfinnelsen er nå forklart med en ikke begrensende utførelsesform. En fagmann vil imidlertid forstå at det vil kunne utføre en rekke variasjoner og modifikasjoner av anordningen for dynamisk momentmåling som beskrevet innenfor rammen av oppfinnelsen, og slik den er definert i de vedføyde krav.

Claims (14)

1. Anordning for dynamisk momentmåling,karakterisert vedat en statisk momentcelle (1) er forbundet til en ytre hul struktur (3), hvilken ytre hule struktur (3) omfatter en hydraulisk sylinder (6), der en stempelstang i den hydrauliske sylinderen (6) er forbundet med en skrue (4).

2. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat den statiske momentcellen (1) ved hver av sine endeavslutninger er utformet med et innfestningsområde (2), hvilket innfestningsområde (2) er utformet med kilespor, splines eller tilsvarende.

3. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat den ytre hule strukturen (3) i sin ene ende er lukket.

4. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat den ytre hule strukturen (3) i en ende er utformet med et innfestningsområde (2), hvilket innfestningsområde (2) er utformet med kilespor, splines eller tilsvarende, og i en motsatt ende er utformet med et innvendig gjenget parti (12), hvilket gjengede parti (12) forløper en avstand i den ytre hule strukturens (3) aksielle retning.

5. Anordning ifølge krav 1 og 4,karakterisert vedat skruen (4) i det minste over en del av sin aksielle retning er utformet med et utvendig gjenget parti (11), hvilket utvendige gjengede parti (11) er komplementært med den ytre hule strukturens (3) innvendige gjengede parti (12).

6. Anordning ifølge krav 1 og 3,karakterisert vedat den ytre hule strukturen (3) utgjør den hydrauliske sylinderen (6), idet den hydrauliske sylinderen (6) avgrenses av den ytre hule strukturen (3) og skruen (4).

7. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat den hydrauliske sylinderen (6) utgjøres av en separat enhet anordnet innvendig i den ytre hule strukturen (3), hvilken separate enhet (6) er fast forbundet til den lukkede enden av den ytre hule strukturen (3).

8. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat den hydrauliske sylinderen (6) omfatter en påkoblingsinnretning for en ventil, en akkumulator, en fluidledning eller tilsvarende.

9. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat skruen (4) og den hydrauliske sylinderens (6) stempelstang er forbundet til hverandre gjennom et aksiallager (7).

10. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat gjengene i de gjengede partier (11, 12) av momentcellen (1) og den ytre hule strukturen (3) er trapesgjenger, firkantgjenger eller tilsvarende.

11. Anordning ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat den ytre hule strukturen (3) er utformet i ett stykke eller er sammensatt av flere komponenter.

12. Anordning ifølge krav 1, 6 eller 7,karakterisert vedat den hydrauliske sylinderen (6) er forbundet til en akkumulator.

13. Anordning ifølge krav 1, 6 eller 7,karakterisert vedat den ytre hule strukturen (3) er utformet for tilkobling til et måleinstrument.

14. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat skruen (4) er utformet med en avtrappende boring.