NO315291B1 - Fremgangsmåte og innretning for opprettholdelse av et fluidtrykk i et avgrenset volum - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for å opprettholde et fluidtrykk i et avgrenset volum, og samtidig registrere utstrømning av fluid fra volumet som følge av lekkasje eller forbruk.

Videre angår oppfinnelsen en reguleringsventil for opprettholdelse av et fluidtrykk i et avgrenset volum, og for samtidig registrering av utstrømning av fluid fra volumet som følge av lekkasje eller forbruk, hvilken ventil omfatter et ventilhus med et første kammer som utgjør det nevnte volum og som står i forbindelse med et ventilutløp, og et i kammeret anordnet stempel som er påvirket i en første retning av en forspenningsfjær og et referansetrykk, og som via en manøverstang samvirker med et ventillegeme for åpning og lukning av en passasje mellom et ventilinnløp og kammerets oppstrømsende, idet ventillegemet er fjærbelastet mot lukket stilling i motsatt retning i forhold til stempelet, slik at ventilen er stengt når stempelet er i likevekt i kammeret ved et første trykk i kammeret, men åpner når trykket i kammeret synker under det første trykk.

En slik fremgangsmåte er aktuell i forbindelse med drift av roterende maskiner for bruk i undervannsinstallasjoner for olje- og gassproduksjon, for å holde kontroll med trykkforhold og eventuell lekkasje i mekaniske terninger i slike maskiner. Typiske maskiner vil være flerfasepumper, våtgasskompressorer, vanninjeksjonspumper, roterende separatorer etc. Slike mekaniske tetninger brukes eksempelvis for å tette mellom prosessvasske og barrierevæske ved roterende akslinger, og tetningsfunksjonen er ofte betinget av at man har et hydraulisk overtrykk fra en ren barrierevæske som ligger eksempelvis 10-20 bar over et omgivende trykk som normalt vil være prosessvæsketrykket. De mekaniske tetninger har normalt en viss lekkasje av barrierevæske inn i prosessvæsken. Det er derfor nødvendig å sørge for en kontinuerlig tilførsel av barrierevæske. Etter en tids drift kan forbruket av barrierevæske ved undervannsinstallasjonen øke på grunn av slitasje på de mekaniske tetninger, og det kan være nødvendig å foreta en overhaling av den roterende maskin. I denne forbindelse er det viktig å ha kontinuerlig kontroll med barrierevæskeforbruket, slik at utskifting kan planlegges og utføres i tide.

Ved de roterende maskiner som i dag er installert på havbunnen, og som benytter en barrierevæske for smøring og kjøling, skjer trykkreguleringen vanligvis fra en plattform eller et produksjonsskip. Trykket styres av en hydraulisk kraftenhet (HPU = hydraulic power unit) om bord på plattformen eller produksjonsskipet. Trykket innstilles på et fast trykk eller endres basert på trykksignaler fra maskinen og prosessen på havbunnen. Et slikt system har en treg respons og vil bare kunne benyttes ved forholdsvis korte avstander mellom HPU-enheten og undervannsinstallasjonen. Et slikt system vil også ha begrensninger ved større havdyp på grunn av statisk høyde og dermed et minimumstrykk som systemet ikke kan regulere under.

Det er også kjent andre undervannsreguleringssystemer ved hvilke en trykkreguleringsfunksjon utføres på havbunnen. Disse kjente løsninger er forholdsvis kompliserte og plasskrevende, idet de består av et system med et større antall ventiler, kompensatorbelger mot prosesstrykk, etc.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte og en innretning som innebærer en meget enkel trykkovervåking og trykkregulering i forbindelse med mekaniske tetninger av den aktuelle type, og som løser de ovenfor omtalte problemer ved at reguleringen skjer lokalt ved den roterende maskin.

Ovennevnte formål oppnås med en fremgangsmåte av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at fluidet tilføres fra en trykkreguleringsventil som er forsynt med en anordning som åpner for tilførsel av fluid til volumet når trykket i dette har sunket under en første verdi, og som avstenger fluidtilførselen når trykket i volumet har oppnådd en forhåndsinnstilt, andre verdi som er vesentlig høyere enn den første verdi, idet det derved registreres en trykkpuls som avgis fra reguleringsventilen, og at frekvensen av avgitte trykkpulser overvåkes og benyttes som et mål på forekommende lekkasje og/eller forbruk av fluidet.

Det angitte formål oppnås også med en reguleringsventil som er av den innledningsvis angitte type, og som er kjennetegnet ved at ventilen er forsynt med en anordning som er innrettet til å utnytte oppstrøms fluidtrykk til å utøve en økt kraft på stempelet i den nevnte første retning, slik at trykket i det første kammer, etter at dette trykk har sunket under det første trykk, må økes til et andre, vesentlig høyere trykk før stempelet igjen kommer i likevekt og ventilen stenger, idet anordningen omfatter et legeme som er festet til ventilhuset ved det første kammers oppstrømsende og som inneholder et normalt lukket, andre kammer som står i forbindelse med ventilinnløpet via det nevnte ventillegeme, en anordning for tilveiebringelse av en fluidforbindelse mellom det andre kammer og det første kammer ved aktivering av anordningen i avhengighet av trykket i det andre kammer og under påvirkning av kraften fra en forspent fjær, og et element for overføring av kraften fra fjæren til det nevnte stempel ved aktivering av forbindelsesanordningen, slik at ventilen stenger først når trykket i det andre kammer har steget til det nevnte andre trykk som bevirker den nevnte aktivering bestemt av fjærens forspenningskraft.

Ved den foreliggende oppfinnelse utføres den nevnte overvåking ganske enkelt ved å registrere trykkpulsene som genereres hver gang reguleringsventilen åpner for tilførsel av fluid, dvs. barrierevæske, til det aktuelle volum. Trykkpulsene registreres hensiktsmessig med en standard trykkføler som er montert i barrierevæskekretsen på den roterende maskin. Ved installasjon av flere roterende maskiner på samme undervannsstruktur kan disse benytte en felles navlestreng for tilførsel av barriereolje fra vedkommende plattform eller produksjonsskip. Denne tilkoples til ventilinnløpet og har et konstant forsyningstrykk som ligger høyere enn nivået av ventilens utløpstrykk ved ventilutløpet. Basert på frekvensen av trykkpulsene vil det være mulig å overvåke tetningstilstanden og kompensere for det aktuelle barrierevæskeforbruk. Ventilinnretningen ifølge oppfinnelsen består bare av et ventilhus og utgjør en mye enklere og mer kompakt løsning enn hva som er benyttet i den kjente teknikk.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med utførelseseksempler under henvisning til tegningene, der

fig. 1 viser et lengdesnitt av en trykkreguleringsventil av kjent utførelse,

fig. 2 viser et lengdesnitt av en utførelse av en trykkreguleringsventil ifølge oppfinnelsen, og

fig. 3 viser et utsnitt A av ventilen på fig. 2 i forstørret målestokk, men i en annen driftsfase.

På de forskjellige figurer er tilsvarende deler og elementer betegnet med samme henvisningstall.

Ved den foreliggende oppfinnelse er det tatt utgangspunkt i en standard trykkreguleirngsventil som er innrettet til å opprettholde et gitt nedstrømstrykk Pl. En slik ventil 1 av kjent type er vist på fig. 1. Ventilen omfatter et ventilhus 2 med et sylindrisk første kammer 3 som står i forbindelse med et ventilutløp 4, og et i kammeret 3 forskyvbart anordnet stempel 5. Stempelet samvirker via en manøverstang 6 med et ventillegeme 7 for åpning og lukning av en passasje 8 mellom et ventilinnløp 9 og kammerets 3 oppstrømsende. Ventillegemet 7 er festet til manøverstangen 6 og er glidbart anordnet i et hulrom 10 i ventilhuset 2. I ventilens lukkede stilling ligger ventillegemet 7 an mot et sete 11, idet ventillegemet er påvirket mot sin lukkede stilling av en returfjær 12.

Som vist, er stempelet 5 påvirket av en forspent fjær 13 som er plassert i en stempel dannende fjærholder 14, idet fjærholderen er forskyvbar parallelt med stempelet 5 i et hulrom 15 som står i forbindelse med en kanal 16 som ved drift vil være koplet til et omgivelsestrykk som utgjør et referansetrykk.

Når ventilen er orientert som vist på fig. 1, er stempelet 5 påvirket i retning oppover av det omgivende trykk via kanalen 16 og av forspenningskraften fra fjæren 13. I retning nedover påvirkes stempelet 5 av trykkrefter fra fluidet i kammeret 3, og av spennkraften fra returfjæren 12, idet disse krefter overføres til stempelet 5 via manøverstangen 6. Trykket i kammeret 3 vil automatisk innstille seg på et nivå som betinger at oppadrettede og nedadrettede krefter er i likevekt. Når trykket i kammeret 3 synker slik at denne likevekt forrykkes, vil stempelet 5 bli presset oppover og søke å gjenopprette balansen ved at ventillegemet 7 presses bort fra sitt sete 11 og åpner for tilførsel av fluid til kammeret 3. Diameteren av ventillegemets 7 sete 11 er liten i forhold til stempelets 5 diameter. Forutsatt at det ikke er meget stor forskjell mellom det ovennevnte, ønskede nedstrømstrykk Pl, dvs. trykket ved ventilutløpet 4, og fluidtrykket oppstrøms av ventillegemet 7, vil trykket i kammeret 3, og derved trykket ved ventilutløpet, kunne opprettholdes stabilt på verdien Pl, slik det er hensikten med denne kjente ventil.

En modifisert utførelse av ventilen på fig. 1 er vist på fig. 2 og utgjør en utførelse av reguleringsventilen ifølge oppfinnelsen.

Slik som innledningsvis angitt, er reguleringsventilen ifølge oppfinnelsen forsynt med en anordning som bevirker at lukning av ventilen først skjer ved et andre trykk (P2) i det første kammer som er vesentlig høyere enn det første trykk (Pl). 1 den på fig. 2 viste, modifiserte ventil 20 oppnås dette ved at ventilen, som i utgangspunktet er innrettet til å åpne for tilførsel av fluid når nedstrømstrykket faller under verdien Pl, er forsynt med en anordning som utnytter oppstrøms fluidtrykk til å utøve en økt oppadrettet kraft på stempelet 5. Dette medfører at nedstrømstrykket må økes til et høyere nivå før det igjen er balanse mellom de oppad- og nedadrettede krefter som virker på stempelet 5. Ventilen 20 vil følgelig stenge først når nedstrømstrykket har oppnådd en høyere verdi P2.

Slik som best vist på fig. 3, som viser utsnittet A av ventilen på fig. 2 i forstørret målestokk, omfatter den nevnte anordning for det første et legeme 21 som er anordnet inne i det første kammer 3 og er festet til ventilhuset 2 ved kammerets 3 oppstrømsende. Legemet 21 inneholder et normalt lukket, andre kammer 22 som står i forbindelse med ventilinnløpet 9 via ventillegemet 7 (se fig. 2). Videre er det sørget for en anordning for tilveiebringelse av en fluidforbindelse mellom det andre kammer 22 og det første kammer 3 ved aktivering av anordningen i avhengighet av trykket i det andre kammer og under påvirkning av kraften fra en forspent fjær 23, og et element 24 for overføring av kraften fra fjæren 23 til stempelet 5 ved aktivering av forbindelsesanordningen, slik at ventilen stenger først når trykket i det andre kammer 22 har steget til en verdi P2 som bevirker den nevnte aktivering. Ved denne aktivering overføres fjærens 23 forspenningskraft til stempelet 5, slik som nærmere omtalt nedenfor.

Den forbindelsesfrembringende anordning omfatter en hylse 25 som er glidbart montert på et føringsparti av legemet 21, og en ringformet tetningsskive 26 som samvirker med en periferisk tetningsflate 27 på hylsen 25 og er påvirket mot stengt stilling av fjæren 23. Det fjærkraftoverførende element 24 omfatter et hetteliknende legeme som ved en nedre ende er fastskrudd til stempelet 5 og som har et øvre bunnparti 28 som danner en anleggsflate for hylsen 25 og fjæren 23 ved den nevnte aktivering av forbindelsesanordningen. Slik som vist, er hettens 24 sidevegger forsynt med åpninger 29 som inngår i den nevnte fluidforbindelse som dannes ved aktivering av forbindelsesanordningen 25, 26, 27.

Manøverstangen 6 er ført gjennom en trang føring 30 i sentrum av legemet 21 under det andre kammer 22. Lekkasjen i denne føring er meget beskjeden, og er uten betydning for den oppnådde reguleringsfunksjon som skal beskrives nærmere nedenfor.

Den nevnte økning av den oppaddrettede kraft på stempelet 5 frembringes ved at fluidet, for å komme inn i kammeret 3 når ventilen åpnes, må strømme gjennom det andre kammer 22, idet den oppadrettede kraft fra fjæren 23 da overføres til stempelet 5. Kammeret 22 er i utgangspunktet lukket ved at kraften fra fjæren 23 presser tetningsskiven 26 mot tetningsflaten 27 på hylsen 25.

For å komme inn i det første kammer eller utløpskammeret 3, må fluidet presse den fjærbelastede tetningsskive 26 opp fra tetningsflaten 27. Dette skjer først etter at fluidet har presset hylsen 25 oppover slik at den får kontakt med undersiden av hettens 24 bunnparti 28. Da hetten hindrer hylsen 25 i å bevege seg videre oppover, vil trykket i kammeret 22 øke ytterligere inntil det er tilstrekkelig høyt til å presse den fjærbelastede tetningsskive 26 oppover, slik at fluidet kan strømme videre og inn i utløpskammeret 3. Denne situasjon er vist på fig. 3. Når tetningsskiven mister kontakten med tetningsflaten 27, vil spennkraften fra fjæren 23 bli overført til stempelet 5 via hetten 24.1 denne situasjon må trykket i kammeret 3 stige til et nivå P2 før ventilen igjen stenger. Forskjellen mellom trykknivåene Pl og P2 er således direkte bestemt av fjærens 23 forspenningskraft.

Nivåene som velges for trykkverdiene P1 og P2, velges fortrinnsvis slik at de ligger nær yttergrensene av det trykkområde som produsenten ønsker seg som operasjonsområde for de mekaniske tetninger i maskinen. Generelt vil det være gunstig for regulerings ventilens levetid at antall aktiveringer per tidsenhet er så lite som mulig. For dette formål er det gunstig å la de mekaniske tetninger ha åpen forbindelse med et forholdsvis stort, elastisk buffervolum. Dette buffervolum tilføres en gitt fluidmengde ved hver åpning av ventilen, slik at forbruket av fluid kan måles samtidig som hyppigheten av aktiveringer reduseres. Størrelsen av buffervolumet må avveies mot hvor raskt man ønsker å registrere endringer med hensyn til lekkasjenivå.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for å opprettholde et fluidtrykk i et avgrenset volum, og samtidig registrere utstrømning av fluid fra volumet som følge av lekkasje eller forbruk, karakterisert ved at fluidet tilføres fra en trykkreguleirngsventil som er forsynt med en anordning som åpner for tilførsel av fluid til volumet når trykket i dette har sunket under en første verdi (Pl), og som avstenger fluidtilførselen når trykket i volumet har oppnådd en forhåndsinnstilt, andre verdi (P2) som er vesentlig

høyere enn den første verdi (Pl), idet det derved registreres en trykkpuls som avgis fra reguleringsventilen, og at frekvensen av avgitte trykkpulser overvåkes og benyttes som et mål på forekommende lekkasje og/eller forbruk av fluidet.

2. Reguleringsventil for opprettholdelse av et fluidtrykk i et avgrenset volum, og for samtidig registrering av utstrømning av fluid fra volumet som følge av lekkasje eller forbruk, hvilken ventil (20) omfatter et ventilhus (2) med et første kammer (3) som utgjør det nevnte volum og som står i forbindelse med et ventilutløp (4), og et i kammeret (3) anordnet stempel (5) som er påvirket i en første retning av en forspenningsfjær (13) og et referansetrykk, og som via en manøverstang (6) samvirker med et ventillegeme (7) for åpning og lukning av en passasje (8) mellom et ventilinnløp (9) og kammerets (3) oppstrømsende, idet ventillegemet (7) er fjærbelastet mot lukket stilling i motsatt retning i forhold til stempelet (5), slik at ventilen er stengt når stempelet (5) er i likevekt i kammeret (3) ved et første trykk (Pl) i kammeret, men åpner når trykket i kammeret (3) synker under det første trykk (Pl), karakterisert ved at ventilen (20) er forsynt med en anordning som er innrettet til å utnytte oppstrøms fluidtrykk til å utøve en økt kraft på stempelet (5) i den nevnte første retning, slik at trykket i det første kammer (3), etter at dette trykk har sunket under det første trykk (Pl), må økes til et andre, vesentlig høyere trykk (P2) før stempelet (5) igjen kommer i likevekt og ventilen (20) stenger, idet anordningen omfatter et legeme (21) som er festet til ventilhuset (2) ved det første kammers (3) oppstrømsende og som inneholder et normalt lukket, andre kammer (22) som står i forbindelse med ventilinnløpet (9) via det nevnte ventillegeme (7), en anordning (25, 26, 27) for tilveiebringelse av en fluidforbindelse mellom det andre kammer (22) og det første kammer (3) ved aktivering av anordningen i avhengighet av trykket i det andre kammer (22) og under påvirkning av kraften fra en forspent fjær (23), og et element (24) for overføring av kraften fra fjæren (23) til det nevnte stempel (5) ved aktivering av forbindelsesanordningen (25, 26, 27), slik at ventilen (20) stenger først når trykket i det andre kammer (22) har steget til det nevnte andre trykk (P2) som bevirker den nevnte aktivering bestemt av fjærens (23) forspenningskraft.

3. Reguleringsventil ifølge krav 2, karakterisert ved at forbindelsesanordningen omfatter en hylse (25) som er glidbart montert på et føringsparti av det nevnte legeme (21), og et ringformet tetningselement (26) som samvirker med en periferisk tetningsflate (27) på hylsen (25) og er påvirket mot stengt stilling av den nevnte fjær (23), og at det fjærkraftoverførende element (24) omfatter et hetteliknende legeme som er festet til stempelet (5) og har et bunnparti (28) som danner en anleggsflate for hylsen (25) og fjæren (23) ved den nevnte aktivering av forbindelsesanordningen (25, 26,27).

4. Reguleringsventil ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at ventilutløpet (4) er forbundet med et forholdsvis stort, elastisk buffervolum som tilføres en gitt fluidmengde ved hver åpning av ventilen (20), slik at forbruket av fluid kan måles samtidig som hyppigheten av aktiveringer av ventilen reduseres.