NO336259B1

NO336259B1 - Ventil for strømningsregulering av et fluid

Info

Publication number: NO336259B1
Application number: NO20140119A
Authority: NO
Inventors: Erik Volent
Original assignee: Subsea Chokes Internat As
Priority date: 2014-02-03
Filing date: 2014-02-03
Publication date: 2015-07-06
Also published as: US20160333663A1; EP3027847B1; BR112016016551B1; WO2015115907A1; BR112016016551A2; EP3027847A4; NO20140119A1; US10208563B2; EP3027847A1

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår en ventil ifølge den innledende del av patentkrav 1, særlig en nåleventil for regulering av flyt av olje og gass til spesifiserte strømningsrater.

Bakgrunn

Det finnes i dag en rekke ulike typer anordninger for regulering av flyt, for eksempel til regulering av olje- og gass-strømmer til spesifikke strømningsrater. En type ventiler som brukes til dette formålet er nåleventiler. Nåleventiler er en type ventil som har en liten strømningsåpning og et nåleformet stempel som tillater en nøye flytregulering men ved relativt lave strømningsrater. Andre bruksområder er dampinjektorer og brenselsinjektorer i forbrenningsmotorer og gassturbiner.

I en nåleventil er det arrangert en nåleformet spindel som har en slagretning aksialt i en strømningskanal og beveges i forhold til et konformet sete. Utløpet fra ventilen oppviser typisk et jevnt strømningstverrsnitt. Et problem som oppstår i slike ventiler er erosjon grunnet partikler og små dråper som treffer seteoverflaten på innløpssiden. Nok et problem er erosjon i den koniske overflata av setet på lavtrykksiden av ventilen grunnet turbulent strømning. Disse mekaniske kreftene som virker på ventilen, vil dessuten kunne skape vibrasjon i ventil og tilhørende armatur som igjen kan forkorte armaturens levetid.

I anvendelser i olje- og gassinstallasjoner offshore der ventiler utgjør en del av undersjøiske konstruksjoner, er et ventilhavari naturligvis svært uheldig ved at et avbrudd i produksjonen i seg selv er kostbart. Dessuten er utskifting av ventiler i slike omgivelser i seg selv tid- og kostnadskrevende.

Formål

Et formål med oppfinnelsen er å anvise en ventil som reduserer problemet med erosjon i ventilsetet på innløpssiden grunnet partikler eller små dråper i fluidet. Et annet problem er å anvise en nåleventil som reduserer problemet med erosjon i ventilsetet på utløpssiden. Nok et formål med oppfinnelsen er å framskaffe en slik ventil som oppviser redusert vibrasjon.

Oppfinnelsen

Disse formålene løses med en ventil ifølge den karakteriserende del av patentkrav 1. Ytterligere fordelaktige trekk framgår av de uselvstendige kravene.

Den foreliggende oppfinnelsen angår en ventil av typen nåleventil for strømningsregulering av et fluid, særlig fluidstrømmer i offshoreinstallasjoner som inneholder olje, gass, vann og partikler. Ventilen omfatter et ventilhus forsynt med en strømningskanal som i retning fra innløpssiden mot utløpssiden omfatter et hovedsakelig konisk innløp på innløpssiden, et ventilsete, og en diffusor på utløpssiden som går over i en strømningskanal med et hovedsakelig jevnt strømningstverrsnitt. En hovedsakelig nåleformet spindel er arrangert aksialt bevegbart i strømningskanalen og oppviser en diameter ved enden som skal kontakte ventilsetet som er større eller lik det minste strømningstverrsnittet i ventilsetet (14).

I henhold til oppfinnelsen oppviser innløpet en innløpsdiameter og omfatter en første konisk innløpsdel med en vinkel med lengdeaksen i strømningskanalen på 10-30°, og videre en andre innløpsdel som er krummet med en krumningsradius i området 4,7-6,7 ganger spindeldiameteren. Spindelens krumningsradius mot spissen er hovedsakelig lik krumningsradien for den andre innløpsdelen og varierer også i området 4,7-6,7 ganger diameteren av spindelen. Ventilsetet oppviser en diameter som er 0,8-1,1 ganger diameteren av spindelen. Diffusoren er også konisk men med etøkende tverrsnitt i strømningsretningen og oppviser en vinkel på 15-45° med lengdeaksen i strømningskanalen som går over i en utløpskanal med jevnt strømningstverrsnitt med en diameter som er omlag 2,4-4,4 ganger diameteren av spindelen.

Dimensjonene foran er angitt som innbyrdes forholdstall for lettere å kunne overføre dem på ulike dimensjoner. I den detaljerte beskrivelsen nedenfor er det framsatt en særlig foretrukket geometrisk utforming av spindelen og strømningskanalen. Den geometriske utforming av spindel og strømningskanal i ventilen ifølge den foreliggende oppfinnelsen gir en svært nøyaktig dynamisk strømningsregulering av fluidet. Selve reguleringsmekanismen er ikke omtalt nærmere her da den anses for å være innen rekkevidde for en fagperson med støtte i den foreliggende beskrivelsen. Den optimale vinkelen på den første innløpsdelen og den krummede andre innløpsdelen gir en lav angrepsvinkel for partikler og små dråper som rives med i det strømmende fluidet og vil på denne måten gi en vesentlig reduksjon av erosjon på innløpssiden. Dette er diskutert og beskrevet nærmere i den detaljerte beskrivelsen nedenfor. Videre vil den optimale vinkelen på diffusordelen gi en vesentlig optimalisering av strømningsregimet med redusert turbulens på utløpssiden av ventilen. Også dette er diskutert og beskrevet nærmere i den detaljerte beskrivelsen nedenfor. I tillegg kan ventilens strømningskoeffisient Cv utformes til en rekke verdier som er egnet til ulike produksjons- og strømningsprofiler for ventilens driftstid.

For å redusere erosjon ytterligere, er fortrinnsvis overflata av komponentene som utsettes for erosjon forsynt med et slitasjebestandig belegg. Eksempler på egnede belegg er wolframkarbid og polykrystallinsk diamant. En fagperson vil imidlertid i kraft av sin fagkunnskap og støtte i den foreliggende beskrivelsen lett finne fram til andre egne materialer til dette formålet.

Figurer

Den foreliggende oppfinnelsen er beskrevet i nærmere detalj med henvisning til en figur, som viser et skjematisk tverrsnitt gjennom en del av ventilen ifølge den foreliggende oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse

Med henvisning til figur 1, er det vist et tverrsnitt gjennom en del av en ventil ifølge oppfinnelsen. Strømningsretningen er fra venstre mot høyre i figuren. Figuren viser et ventilhus 10 med en gjennomgående strømningskanal 12. En hovedsakelig nåleformet spindel 11 er arrangert bevegbart i strømningskanalen 12 langs strømningskanalens lengdeakse. Strømningskanalen 12 oppviser videre et innløp 13 som omfatter en første innløpsdel 13' med et konisk tverrsnitt som avtar i strømningsretningen, og videre sett i strømningsretningen en andre innløpsdel 13" som er krummet. Ventilsetet er indikert generelt ved 14 og oppviser en diameter som er litt større enn diameteren av spindelen. Sett i strømningsretningen omfatter videre strømningskanalen 12 en diffusor 15 med et hovedsakelig konisk tverrsnitt og avsluttes i en strømningskanal 16 med et hovedsakelig konstant strømningstverrsnitt. I en åpen posisjon, ligger spindelen 11 i en tilbaketrukket posisjon mot venstre i figuren og framskaffer en ringformet strømningskanal langs spindelen 11 og mot et hovedsakelig sylinderformet strømningstverrsnitt ved ventilsetet 14. I en lukket posisjon (ikke illustrert) ligger spindelen 11 an mot ventilsetet 14 og blokkerer gjennomstrømning.

I henhold til oppfinnelsen oppviser innløpet 13 en innløpsdiameter D,Nog omfatter en første innløpsdel 13' som er konisk og oppviser en vinkel a: med lengdeaksen i strømningskanalen 12 på 10-30°, og en andre innløpsdel 13" som er krummet og oppviser en krumningsradius R2i området 4,73-6,73 ganger diameteren DN av spindelen 11.

Videre oppviser ventilsetet 14 en diameter D0risom er 0,8-1,1 ganger diameteren DN av spindelen (11) og diffusoren 15 oppviser en vinkel a2på 15-45° med lengdeaksen i strømningskanalen 12. DFicindikerer en imaginær eller fiktiv diameter av det minste strømningstverrsnittet dersom den andre innløpsdelen 13" hadde vært konisk eller med andre ord en ren fortsettelse av den første strømningsdelen 13'. Differansen mellom DF|Cog D0utdefinerer også angrepspunktet eller startpunktet 17 for overgangen fra den første innløpsdelen 13' til den andre innløpsdelen 13". Den første innløpsdelen 13' ligger dessuten tangentielt på angrepspunktet 17 for overgangen til den andre innløpsdelen 13". Dess mindre differansen er mellom DFicog D0uter, dess lengre inn mot det minste strømningstverrsnittet 14 vil angrepspunktet 17 for den andre innløpsdelen 13" ligge. Omvendt, dess større differansen er mellom DF|Cog D0uter, dess lengre vekk fra det minste strømningstverrsnittet 14 vil angrepspunktet 17 for den andre innløpsdelen 13" ligge.

Utløpskanalen 16 med oppviser en diameter D0utsom er omlag 2,4-4,4 ganger diameteren DN av spindelen 11, og spindelens 11 krumningsradius Ra mot spissen er i området 4,7-6,7 ganger diameteren DN av spindelen 11.

I en særlig foretrukket utførelsesform er vinkelen a2for diffusoren (15) i strømningskanalen (16) hovedsakelig 30° med lengdeaksen i strømningskanalen 12.

I en særlig foretrukket utførelsesform er vinkelen ai for den første innløpsdelen 13' hovedsakelig 15° med lengdeaksen i strømningskanalen 12.

I en særlig foretrukket utførelsesform er krumningsradien Ra for spindelen 11 og krumningsradien R2for den andre innløpsdelen 13" begge hovedsakelig 5,7 ganger diameteren DN av spindelen.

I en særlig foretrukket utførelsesform oppviser ventilsetet 14 en lengde L med et jevnt strømningstverrsnitt, hvorved lengden er hovedsakelig lik diameteren DN av spindelen 11. Lengden L kan alternativt være lik null, det vil si at den andre innløpsdelen 13" går direkte over i diffusoren 15. Alternativt kan lengden L være en verdi mellom null og diameteren DN av spindelen, eller selv større enn diameteren DN.

Innløpsdiameteren D,Ni strømningskanalen 12 er om lag 2,08-2,14 ganger diameteren Dn av spindelen (11), fortrinnsvis 2,11 ganger diameteren DN av spindelen 11.

I en særlig foretrukket utførelsesform oppviser utløpskanalen 16 en diameter D0utsom er omlag 3,4 ganger diameteren DN av spindelen 11.

Eksempel

Det ble utført tester på erosjonsrate for en ventil ifølge den foreliggende oppfinnelsen med en innløpsvinkel a: i innløpsdelen på 15 grader med en variabel diffusorvinkel a2fra 15 til 45 grader. Alle forsøkene ble utført med samme prosentvise åpning lik 25 % og samme akkumulerte sandinnhold. Testene ble gjennomført i en sandinjeksjonsrigg hvor sanden ble sirkulert en gang i et gassmedium. Midlere sandkorndiameter var 0,28 mm. Forsøkene ble gjennomført i batcher på 25 kg sand med typisk injeksjonstid på mindre enn 1 time. Totalt injisert mengde sand var 75 kg. Det ble også kjørt et forsøk med lavere krumningsradius for den andre innløpsdelen (og spindelen). Erosjonsmålingene ble utført med en traverserende nål i setet nedstrøms for det smaleste strømningstverrsnittet. Resultatene er oppført i tabellen nedenfor.

Resultatene viser at en diffusorvinkel på eksempelvis 45 og 30 grader ga en vesentlig lavere erosjonsrate enn en vinkel på 15 grader. Også krumningsradien i den andre innløpsdelen har innvirkning på erosjonsraten.

Claims

1. Ventil for strømningsregulering av et fluid omfattende et ventilhus (10) forsynt med en strømningskanal (12) som i retning fra innløpssiden mot utløpssiden omfatter et hovedsakelig konisk innløp (13) på innløpssiden, et ventilsete (14), og en diffusor (15) på utløpssiden som går over i en strømningskanal (16) med hovedsakelig jevnt strømningstverrsnitt, hvorved en hovedsakelig nåleformet spindel (11) er arrangert aksialt bevegbart i strømningskanalen (12) og oppviser en diameter ved enden som skal kontakte ventilsetet som er større eller lik det minste strømningstverrsnittet i ventilsetet (14),karakterisert ved: a) at innløpet (13) oppviser en innløpsdiameter DiN og omfatter en første innløpsdel (13') er konisk og oppviser en vinkel a: med lengdeaksen i strømningskanalen (12) på 10-30°, og en andre innløpsdel (13") er krummet og oppviser en krumningsradius R2i området 4,7-6,7 ganger diameteren DN av spindelen (11), b) at ventilsetet (14) oppviser en diameter D0risom er 0,8-1,1 ganger diameteren DN av spindelen (11), c) at diffusoren (15) er konisk medøkende tverrsnitt i strømningsretningen og oppviser en vinkel a2på 15-45° med lengdeaksen i strømningskanalen (12) hvorved utløpskanalen (16) oppviser en diameter D0utsom er omlag 2,4-4,4 ganger diameteren DN av spindelen (11), og d) at spindelens (11) krumningsradius Ri mot spissen er i området 4,7-6,7 ganger diameteren DN av spindelen (11).

2. Ventil ifølge krav 1,karakterisert vedat vinkelen a2for diffusoren (15) i strømningskanalen (16) er om lag 30°.

3. Ventil ifølge krav 1,karakterisert vedat vinkelen aa for den første innløpsdelen (13') er om lag 15° med lengdeaksen i strømningskanalen (12).

4. Ventil ifølge et av kravene 1 til 3,karakterisert vedat krumningsradien Ra for spindelen (11) og krumningsradien R2for den andre innløpsdelen (13") begge er om lag 5,7 ganger diameteren Dn av spindelen.

5. Ventil ifølge krav 1,karakterisert vedat innløpsdiameter D,Ner 2,08-2,14 ganger diameteren DN av spindelen (11).

6. Ventil ifølge krav 5,karakterisert vedat innløpsdiameter D,Ner om lag 2,11 ganger diameteren DN av spindelen (11).

7. Ventil ifølge krav 1,karakterisert vedat utløpskanalen (16) oppviser en diameter Doutsom er om lag 3,4 ganger diameteren DN av spindelen (11).

8. Ventil ifølge krav 1,karakterisert vedat overflata av komponentene som utsettes for erosjon er forsynt med et slitasjebestandig belegg.

9. Ventil ifølge krav 8,karakterisert vedat det slitasjebestandige belegget velges fra gruppen bestående av wolframkarbid og polykrystallinsk diamant.