NO334569B1

NO334569B1 - Ventilinnretning for ventilering av gass fra væske som sirkulerer i et undersjøisk produksjonssystem

Info

Publication number: NO334569B1
Application number: NO20121555A
Authority: NO
Inventors: Anne Margrethe Mosland
Original assignee: Vetco Gray Scandinavia As
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-04-14
Also published as: WO2014096921A1; AU2013365975B2; AU2013365975A1; SG10201704650RA; US20150323093A1; NO20121555A1; EP2935763A4; BR112015014815A2; EP2935763A1; SG11201504687PA

Abstract

En ventilinnretning for ventilering av gass er beskrevet som omfatter et ventilhus (1) som har et innløp (4) i et bunnområde av ventilhuset som kan kobles til en fluidstrøm som passerer gjennom en undersjøisk pumpe eller kompressor, og et utløp (5) for gass som akkumuleres i et øvre område av ventilhuset. En 5 ventilmekanisme (9, 11, 13, 14) driver et bevegelig ventil-legeme (8) ved utløpet mellom åpen og stengt stilling. En flottør (18) i huset aktiverer ventilmekanismen, idet flottøren blir påvirket av et kraftmiddel (24) som er dimensjonert til å øke oppdriften av flottøren i forhold til en væskefase av 10 fluidet som akkumuleres i et bunnområde av ventilhuset.

Description

Ventilinnretning for ventiloring av gass fra væske somt sirkulerer i et undersjøisk produksjonssystem

Teknisk område for oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse vedrører en ventilinnretning som er konfigurert for innsamling- og periodisk ventilering av fraksjoner av gass som er innesluttet i væske som sirkulerer gjennom et undersjøisk produksjonssystem som for eksempel gjennom en pumpe eller kompressor brukt i undersjøisk hydrokarbonproduksjon.

Bakgrunn for oppfinnelsen og kjent teknikk

Under gjenvinning av olje og/eller gass fra undersjøiske hydrokarbonbrønner brukes vanligvis pumper og kompressorer til hjelp for transport av fluidet til en plattform til sjøs eller på land.

Motorer, tetninger og lagre i undersjøiske pumper eller kompressorer har behov for beskyttelse mot inntrenging av fremmede stoffer som vil kunne påvirke driften av pumpen eller kompressoren. For dette formålet kan en væske, som for eksempel olje, sirkuleres gjennom den undersjøiske pumpen eller kompressoren for å danne en trykkbarriere som forhindrer inntrenging av pumpet fluid eller sjøvann i motorene, tetningene og lagrene. Olje eller sjøvann kan i tillegg sirkuleres gjennom den undersjøiske pumpen eller kompressoren for kjølingsformål. I alle tilfeller er ansamling av gass i en barrierevæskekrets ufordelaktig og uønsket, og kan potensielt føre til produksjonsfeil,

Ventilering av akkumulert gass blir vanligvis oppnådd ved hjelp av en gassutslippventil koblet til vedkommende væskekrets. En flottørenhet i ventilen kan være innrettet for å bevege ventilen mellom åpen og lukket stilling via et relativt enkelt mekanisk åpne- og stengesystem. På større havdybder der trykket kan være i størrelsesorden flere hundre bar, vil imidlertid Strukturelle krav til flottøren føre til en økning av flottørens masse og til slutt til et punkt der massen er større enn den resulterende oppdriften, slik at den vanlige flottør-løsningen blir ubrukelig i dyphavsapplikasjoner. Andre kjente løsninger omfatter elektronisk gassdetekteringssystemer med elektrisk aktiverte gassutslippventiler, som krever styring og kraft. Imidlertid vil behovet for overvåking og regulering øke jo mer komplisert systemet er, og desto større er risikoen for feil slik som f.eks. elektronisk funksjonsfeil, lekkasjer, og strukturelle feil.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å fremskaffe en ventilinnretning for ventilering av gass, idet ventilinnretningen er av ren mekanisk struktur for drift i et undersjøisk miljø.

Et annet mål er å fremskaffe en ventilinnretning for gass-ventilering som har en feil-til-sikker funksjon.

Målene blir oppnådd i en ventilinnretning for ventilering av gass som beskrevet nedenfor.

I korthet omfatter ventilinnretningen for ventilering av gass et ventilhus med et innløp i et bunnområde av ventilhuset som kan forbindes med en væskekrets i et undersjøisk produksjonssystem, og et utløp for gass, som akkumuleres i et toppområde av huset. En ventiImekanisme i ventilhuset driver et bevegelig ventillegeme i gassutløpet mellom åpen og lukket stilling. En flottør i ventilhuset aktiverer ventilmekanismen. Flottøren blir påvirket av et kraftmiddel som er dimensjonert for å øke flottørens oppdrift i forhold til en væskefase av fluidet som akkumuleres i et bunnområde av huset.

I en foretrukket utførelse er kraftmiddelet en spennf jaer som holder flottøren fra et tak i huset. I en alternativ utførelse er kraftmiddelet en kompresjonsfjær som holder flottøren over bunnen i huset.

Kraftmiddelet virker altså som en massetilpasser, idet den gir oppdrift til et flottørlegeme som er strukturert til å motstå trykket av gass og fluid som forekommer i dyphavsapplikasjoner slik som undersjøisk hydrokarbonproduksjon. I kombinasjon vil flottørmassen og fjærkraften nøytralisere flottøren i forhold til systemtrykket, dvs. spesifikk tetthet av gass og fluid.

I en strukturelt, ikke-kompleks, og foretrukket utførelse av oppfinnelsen er flottøren mekanisk koblet til ventillegemet, og bevegelsen av ventillegemet er proporsjonal med bevegelsen av flottøren.

Koblingen mellom flottøren og ventillegemet omfatter fortrinnsvis et tannhjul i ventilmekanismen som står i inngrep med en tannstang på flottøren.

For å tilstrebe en hindringsfri bevegelse omfatter huset styremiddel som er konfigurert for å styre flottøren i lineær vertikal bevegelse, samt styremiddel som er konfigurert til å styre ventillegemet i linear vertikal bevegelse.

En innretning med kam og kamfølger er innrettet i ventilmekanismen for å omdanne rotasjon av tannhjulet til en lineær bevegelse av ventillegemet. Kam-og-kamfølgerinnretningen omfatter en finger som beveger seg i en sirkulær bane med tannhjulet, idet fingeren går i inngrep med et styrespor utformet i en nedre ende av en ventilstang hvis øvre ende holder ventillegemet. Ventillegemet kan være utformet som en ventilkonus i øvre ende av ventilstangen og passer mot et konisk ventilsete som er tilpasset ventilstangen.

I en foretrukket utførelse er lengden av tannstangen på flottøren og radius til tannhjulet i ventilmekanismen gjensidig korrelert på en slik måte at nesten en hel omdreining av tannhjulet blir generert i løpet av den maksimale strekning flottøren forflytter seg. Utførelsen sørger for en innebygget feil-til-sikker funksjonalitet ved at ventilen, som normalt er stengt, vil bli aktivert gjennom en hel driftssyklus fra stengt-til-åpen-til-stengt, idet bevegelsen halvveis er den nominelle driftsmodusen. Dersom altså f.eks. fjæren skulle svikte (feila) og flottøren synker mot bunnen av ventilhuset, vil girsystemforholdet sikre at ventilen vil stenge ved fjærsvikt.

For dette formålet er tannhjulet og tannstangen fortrinnsvis i inngrep med et forhold som definerer maksimal veilengde for ventillegemet i retningen stengt-til-åpen til å være mindre enn 50 % av maksimal veilengde for flottøren mot bunnen, med andre ord vil under hele driftssyklusen fra stengt til stengt fingeren i kam-og-kamfølgerinnretningen bevege seg i en sirkulær bane fra én side av et øvre vertikalt senter til den andre siden av dette. Fingeren får altså ikke passere det øvre vertikalsenteret, og flottøren er i den øverste og nederste endestilling sperret av ventilen i dennes stengt-stilling, på grunn av en ikke-løs passform mellom tannhjulet og tannstangen.

Mer detaljert omfatter en foretrukket utførelse av ventil-styremekanismen en ventilstang som er lagret slik at den glir i en lineær styring festet på en innervegg i ventilhuset. Ventillegemet er montert i en øvre ende av ventilstangen, ovenfor styringen. En nedre ende av ventilstangen nedenfor styringen er formet som en gaffel med to tenner som hver er forsynt med et styrespor orientert på tvers av ventilstangens lengderetning. Et par skiver er innrettet innenfor nevnte tenner, idet hver av skivene holder en finger som rager inn i ett av nevnte styrespor. Skivene er sammenkoblet ved en aksel som uten å kunne rotere passerer gjennom senteret av et tannhjul. Akselen er lagret så den kan rotere i en brakett som rager ut fra innerveggen i huset.

Flottøren kan være utført som et hult eller massivt legeme, dimensjonert for å motstå trykket som er gjeldende i dyphavs-fluidkretser, slik trykket som holdes i en barrierefluidkrets for en undersjøisk pumpe eller kompressor. Flottøren kan være et hult eller massivt metallegeme, og har typisk et volum/vekt-forhold som gir en egenvekt høyere enn 1. Flottørlegemet er innrettet slik at det kan kobles til en spennfjær. Et spor som går i lengderetningen er utformet på utsiden av flottørlegemet. En tannstang som går i lengderetningen, motsatt av sporet, er likeledes festet eller utformet på utsiden av flottørlegemet.

Ventilhuset er et hult legeme eller en beholder der veggene i lengderetningen, toppen og bunnen er dimensjonert for å motstå trykket som er gjeldende i applikasjoner på dypt vann. Ventilhuset er typisk laget av metall. Ventilhuset omfatter en monteringsbrakett for ventilmekanismen, slik at braketten rager innover fra en innervegg i huset. En første styreskinne er innrettet til å rage innover fra innerveggen i huset og strekke seg i lengderetningen motsatt monteringsbraketten. Et par andre styreskinner strekker seg innover fra innerveggen i huset og går i lengderetningen med lik vinkelavstand fra den første styreskinnen. De minst tre styreskinnene sikrer en hindringsfri lineær bevegelse av flottøren som forflytter seg med endringer i væskenivået i ventilhuset.

Gass som blir akkumulert i toppområdet av ventilhuset fører til en senking av væskenivået og av flottøren, hvorved gass blir automatisk frigjort ved åpning av ventilen inntil stigende fluidnivå og flottøren stenger ventilen igjen. Operasjonen er altså ikke begrenset i forhold til fluidsammensetning og gass-volumfraksjon i fluidet. Ei heller er ventilinnretningen i henhold til foreliggende oppfinnelse begrenset til en bestemt undersjøisk applikasjon. Ventilinnretningen kan imidlertid med fordel bli anvendt i et barrierefluidsystem, idet innløpet til ventilhuset blir koblet til en fluidkrets som leverer barriere-fluid til en undersjøisk pumpe eller kompressor.

Kort beskrivelse av tegningsfigurene

Oppfinnelsen blir nærmere forklart nedenfor, med henvisning til tegningsfigurene som skjematisk illustrerer en utførelse av en ventilinnretning for ventilering av gass i henhold til foreliggende oppfinnelse. Tegningsfigurene viser som følger:

Figur 1 er et lengdesnitt gjennom senteret av ventilinnretningen, som viser ventilen i stengt tilstand; Figur 2 viser ventilinnretningen på figur 1 i snittplanet li-ll; Figur 3 er et lengdesnitt tilsvarende figur 1, som viser ventilen i fullt åpen tilstand; Figur 4 er et tilsvarende lengdesnitt som viser ventilinnretningen i feil-til-lukket modus, og Figur 5 er et eksentrisk lengdesnitt (plan V-V på figur 2) som illustrerer en kam-og-kamfølgerinnretning i en ventilstyre-mekanisme i vedkommende ventilinnretning.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelser

Henvisning gjøres til figur 1 som viser en ventilinnretning montert i et ventilhus 1 som utgjør en trykkbeholder. Ventilhuset 1 omfatter et toppdeksel 2 og en bunn 3 som er koblet sammen gjennom en vegg som omslutter komponentene i ventilinnretningen. I bunnen er innrettet et innløp 4 for væske. Innløpet 4 kan kobles til en væskekrets, slik som f.eks. en barrierefluidkrets i en undersjøisk pumpe- eller kompressor-installasjon. I toppdekselet er innrettet et utløp 5 som tjener til ventilering av gass som akkumuleres under toppdekselet 2 i et øvre område av ventilhuset 6.

Utløpet 5 er tilknyttet en ventil som tjener til å åpne utløpet som følge av et økende gassvolum i øvre område av ventilhuset 1 som det er forklart nedenfor. Ventilen er utført med et ventilsete 7 og et tilhørende ventillegeme 8. Ventilsetet og ventillegemet kan ha konisk form tilpasset utløpet. Ventillegemet er bevegelig og aktivert mellom åpen og stengt tilstand ved hjelp av en ventilstyringsmekanisme.

Med henvisning også til figurene 2 og 5 omfatter ventilmekanismen en ventilstang 9 som i en øvre ende holder ventillegemet. Ventilstangen 9 er opplagret for lineær bevegelse frem og tilbake i en stangstyring 10. Stangstyringen er formet som en hylse og montert på innerveggen i ventilhuset. Bevegelsen til ventilstangen 9 blir generert ved en kam-og-kamfølger-innretning drevet av et tannhjul 11. Tannhjulet er opplagret i en brakett 12 som rager ut fra innerveggen i ventilhuset. En kamfinger 13 er innrettet for å rotere med tannhjulet idet kamfingeren er i inngrep med en kamfølger i form av et styrespor 14 plassert i en nedre ende av ventilstangen 9, orientert på tvers i forhold til ventilstangen. Mer nøyaktig, som vist på figur 2, rager to motsatt plasserte kamfingre 13 inn i respektive styrespor 14, idet hvert styrespor 14 er plassert i ett av et par tenner som danner en gaffelformet nedre ende av ventilstangen 9.

Kamfingrene 13 er montert på hver sin skive 15 og 16, og skivene er koblet sammen med en aksel 17 som passerer gjennom senteret av tannhjulet 11 uten å kunne rotere. Akselen 17 er opplagret for rotasjon i braketten 12.

Følgelig blir rotasjonen til tannhjulet 11 omdannet via kam-og-kamfølgerinnretningen til en bevegelse frem-og-tilbake av ventilstangen 9, slik at ventilen og gassventileringsutløpet 5 åpnes eller stenges.

Aktivering av ventilmekanismen oppnås ved hjelp av en flottør 18 som er innrettet i ventilhuset til å følge endringer i væskenivået som akkumuleres i bunnområdet av ventilhuset. På tegningsfigurene er væskenivået vist med en tykk horisontal strek. Mer nøyaktig er en tannstang 19 montert på utsiden av flottøren og griper inn i tannhjulet 11 slik at dette roterer ettersom flottøren endrer posisjon i ventilhuset. For å sikre glippfritt inngrep mellom tannstangen 19 og tannhjulet 11, blir flottøren styrt så den beveger seg lineært parallellt med ventilstangen 9. For dette formålet er en styreskinne 20 montert som rager ut fra innerveggen i ventilhuset og går i inngrep med et langsgående spor 21 som er utformet på utsiden av flottøren 18, og motstående til tannstangen 19. Et par ekstra styreskinner 22 og 23 er likeledes montert ut fra innerveggen av ventilhuset for inngrep med utsiden av flottøren 18, med en viss vinkelavstand fra hverandre, slik at de styrer flottøren fra tre jevnt eller noenlunde jevnt fordelte posisjoner rundt flottøren. Styreskinnene 20, 22 og 23 kan alle være utformet med avrundede vertikale kanter som gir lav-friksjonskontakt mellom kurveoverflater på respektive flottør og styreskinne.

Fordi ventilhuset 1 typisk blir installert i vertikal stilling, er det rimelig å betrakte bevegelsene til både ventilstangen og flottøren som styrte vertikale bevegelser.

Ventilhuset 1 er koblet til en væskestrøm i øverste punkt av en væskekrets og forårsaker at mindre mengder av gass som er innesluttet i væsken akkumulerer i øvre område av ventilhuset. Så lenge det bare er et moderat volum av ventilhuset som er fylt med gass, vil væsken løfte flottøren til dennes øverste posisjon idet ventilen stenger utløpet 5, slik som det er illustrert på figur 1. Etter hvert som gassvolumet suksessivt øker i toppen av ventilhuset, vil et væskevolum som befinner seg i nedre område av ventilhuset bli tilsvarende presset ut av ventilhuset. Flottøren følger senkingen av væskenivået mot bunnen av ventilhuset, og åpner dermed ventilen for å slippe ut gass fra toppområdet av ventilhuset, som illustrert på figur 3.

Den vertikale lengden av tannstangen 19 og radius for tannhjulet 11 er valgt slik at tannhjulet 11 blir dreid nesten helt rundt ved maksimal vertikal bevegelse av flottøren, fra dennes øverste til dennes nederste posisjon i ventilhuset. For eksempel kan tannstang og tannhjul være i inngrep med et forhold som ved normal drift definerer den maksimale strekningen ventillegemet beveger seg i stengt-til-åpen-retning som mindre enn 50 % av maksimal nedoverbevegelse av flottøren, som vist på figur 5. Mer nøyaktig skal kamfingrene 13 ikke tillates å passere øvre vertikalsenter UC på tannhjulet når ventilen er i stengt posisjon. Som følge av denne geometrien og en glidefri kobling mellom tannstangen og tannhjulet, vil flottørens bevegelse bli stoppet ved at ventillegemet hviler i ventilsetet i stengt tilstand av ventilen, i flottørens begge endestill-inger. En feilstengningsoperasjon blir sikret på denne måten ved at ventilen vil forbli i stengt posisjon dersom flottøren skulle miste oppdriften og synke mot bunnen av ventilhuset. Figur 4 illustrerer ventilinnretningen i feil-til-stengt modus, idet flottøren blir stoppet like over bunnen av ventilhuset som følge av at ventillegemet blir mottatt i ventilsetet i ventilens stengte tilstand.

I den utførelsen som er illustrert på figurene 1 til 5 er flottøren 18 et massivt metallegeme. Flottøren kan alternativt være en hul trykkbeholder med metallvegger, som er dimensjonert til å tåle trykket som er gjeldende ved undersjøiske applikasjoner, ned til havdybder på f.eks. en kilometer eller mer. I begge alternativene vil de strukturelle kravene til flottøren øke massen til et punkt der massen er større enn den resulterende oppdriften. I henhold til oppfinnelsen blir en ekstern kraft påtrykt flottøren for å kompensere for den strukturelle massen for å nøytralisere flottørsystemet i forhold til spesifikk tetthet for fluidet og systemtrykket.

Et kraftmiddel 24 er innrettet for dette formålet for å øke oppdriften av flottøren. I den illustrerte utførelsen er kraftkilden utformet som en spennfjær 24 som bærer flottøren 18 fra taket i ventilhuset. Fjæren 24 er forankret i bunnen av et sete 25 som er formet som et blindløp som åpner i senteret av den øvre enden av flottøren.

En rent mekanisk innretning er på denne måten fremskaffet og konfigurert til automatisk å samle opp, detektere og frigjøre gass som er innesluttet i væske som sirkulerer i en undersjøisk fluidkrets, slik som f.eks. en barrierefluidkrets for en undersjøisk pumpe eller kompressor.

Basert på det ovenstående vil en fagperson innse at modifikasjoner av den illustrerte utførelsen er mulig uten å fravike grunnideen ved denne oppfinnelsen som fremgår av de vedlagte patentkravene.

Claims

1. Ventilinnretning for ventilering av gass, som omfatter: - et ventilhus (1) som har et innløp (4) i et bunnområde av huset og koblingsbart til en væskekrets i et undersjøisk produksjonssystem, og et utløp (5) for gass som akkumuleres i et øvre område i huset; - en ventilmekanisme (9, 11, 13, 14) i ventilhuset der ventilmekanismen styrer et bevegelig ventillegeme (8) i utløpet mellom åpen og stengt stilling; - en flottør (18) i ventilhuset aktiverer ventilmekanismen, idet flottøren blir påvirket av et kraftmiddel (24) som er dimensjonert til å øke oppdriften til flottøren i forhold til en væskefase av fluidet som akkumuleres i et bunnområde av huset.

2. Ventilinnretning i henhold til krav 1, idet kraftmiddelet er en spennfjær (24) som holder flottøren (18) fra et tak i huset.

3. Ventilinnretning i henhold til krav 1, idet kraftmiddelet er en kompresjonsfjær som holder flottøren over en bunn i huset.

4. Ventilinnretning i henhold til hvilket som helst foregående krav, idet flottøren (18) er mekanisk koblet til ventillegemet <8) og bevegelsen av ventillegemet er proporsjonal med bevegelsen av flottøren.

5. Ventilinnretning i henhold til krav 4, idet et tannhjul (11) i ventilmekanismen er i inngrep med en tannstang (19) på flottøren.

6. Ventilinnretning i henhold til krav 5, idet huset omfatter styremiddel (20-23) konfigurert til å styre flottøren (18) i en lineær bevegelse, samt styremiddel (10) konfigurert til å styre ventillegemet (8) i en lineær bevegelse.

7. Ventilinnretning i henhold til hvilket som helst av kravene

4-6, idet en kam-og-kamfølgerinnretning (13, 14) i ventilmekanismen omdanner rotasjon av tannhjulet (11) til en lineær bevegelse hos ventillegemet (8).

8. Ventilinnretning i henhold til krav 7, idet kam-og-kamfølgerinnretningen omfatter en finger (13) som beveger seg i en sirkulær bane med tannhjulet (11), der fingeren er i inngrep med et styrespor (14) utformet i en nedre ende av en ventilstang (9), idet en øvre ende av denne holder ventillegemet (8).

9. Ventilinnretning i henhold til krav 8, idet lengden av tannstangen (19) på flottøren (18) og radius av tannhjulet (11) i ventilmekanismen er korrelert til å generere nesten en hel omdreining av tannhjulet i løpet av maksimal forflytning av flottøren.

10. Ventilinnretning i henhold til krav 9, idet tannhjulet (11) og tannstangen (19) er i inngrep med et forhold som definerer maksimal bevegelseslengde av ventillegemet i stengt-til-åpen-retning til å være mindre enn 50 % av maksimal forflytning av flottøren (18).

11. Ventilinnretning i henhold til hvilket som helst foregående krav, idet ventilmekanismen omfatter: - en ventilstang (9) opplagret til å gli i en styring (10) montert på en innervegg i ventilhuset (1); - en øvre ende av ventilstangen ovenfor styringen (10) som holder ventillegemet (8); - en nedre ende av ventilstangen nedenfor styringen (10) utformet som en gaffel med to tenner som hver holder et styrespor (14) orientert på tvers av lengderetningen til ventilstangen; - et par skiver (15, 16) innrettet innenfor nevnte tenner; - der hver av skivene holder en finger (13) som rager inn i ett av nevnte styrespor (14); - der skivene er koblet sammen ved en aksel (17) som uten å kunne rotere passerer gjennom senteret av et tannhjul (11), idet akselen er lagret så den kan rotere i en brakett (12) som rager ut fra innerveggen i ventilhuset.

12. Ventilinnretning i henhold til hvilket som helst foregående krav, flottøren (18) omfatter: - et legeme som kan kobles til en spennfjær (24); - et spor (21) som går i lengderetning utformet på utsiden av legemet; - en tannstang (19) montert på utsiden av legemet, og går i lengderetning, motsatt i forhold til sporet.

13. Ventilinnretning i henhold til hvilket som helst foregående krav, idet ventilhuset (1) omfatter: - en monteringsbrakett (12) for ventilmekanismen som strekker seg innover fra en innervegg i huset; - en første styreskinne (20) som strekker seg innover fra innerveggen i huset, og går i lengderetningen, motsatt i forhold til monteringsbraketten (12); - et par andre styreskinner (22, 23) som strekker seg innover fra innerveggen i huset, og går i lengderetningen, med lik vinkelavstand fra den første styreskinnen.

14. Ventilinnretning i henhold til hvilket som helst foregående krav, idet innløpet (4) til ventilhuset er forbundet med en barrierefluidkrets for en undersjøisk pumpe eller kompressor.