相对于环境压力调整介质压力的设备 |
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| 申请号 | CN201480046317.7 | 申请日 | 2014-06-26 | 公开(公告)号 | CN105473808B | 公开(公告)日 | 2019-07-05 |
| 申请人 | 贺德克技术有限公司; | 发明人 | F·鲍尔; M·格罗本; A·阿尔贝特; | ||||
| 摘要 | 一种相对于环境压 力 调整介质压力的设备(1)，在使用该设备(1)时环境压力通过与深度相关的 海 水 压力预定，其中 海水 压力对补偿器装置(35)起作用，该补偿器装置允 许可 逆的长度变化或延伸率变化；其特征在于，沿长度变化或延伸率变化的方向相继地存在补偿器装置(35)的至少两个补偿器元件(41)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种相对于环境压力调整介质压力的设备，在使用该设备时环境压力通过与深度相关的海水压力预定，其中海水压力对补偿器装置(35)起作用，该补偿器装置允许可逆的长度变化或延伸率变化；沿长度变化或延伸率变化的方向相继地存在补偿器装置(35)的至少两个补偿器元件(41)，并且在使用情况下一个压力传动装置(17)的至少一个前面的封闭壁(29)经受海水作用，其中，该压力传动装置具有双活塞装置(19)，该双活塞装置以其一个活塞(27)邻接海水室(33)并且以其另一活塞(21)邻接介质室(11)，并且所述双活塞装置(19)在容纳壳体(5)中可轴向移动地导向，其特征在于，所述容纳壳体(5)的内壁(23)构成用于所述活塞(21、27)的滑动面(25)。 |
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| 说明书全文 | 相对于环境压力调整介质压力的设备技术领域背景技术[0002] 资源的日益减少迫使在开采原材料和能量时较大的努力。这导致，必须在越来越大的海域深度实施用于输送油和气体的钻孔。为了这样的深水钻孔的安全操作(其由钻井平台或钻井船实施)，在海底上设置大规模的安全设备，其功能上配置给在钻孔与钻管或输送管之间的过渡区域。重要的属于这样的深水钻孔安全标准的设备部件在这里是所谓防喷器(Blowout Preventer)(BOP)。该设备在危险情况下导致钻孔排出口、钻管和/或输送管的快速封闭。 [0003] 为了确保防喷器的可靠的功能，必须提供具有相应高的工作压力的用于液压操纵的压力液体。由于将具有足够高工作压力的压力液体以足够的量从水表面的钻井平台或钻井船输向相应深处的海底是特别困难的，现有技术(参见US 6 418 970 B1)在这些设备中在深海设备本身的地点利用对于操纵相应的深海设备所需要的液压的工作压力。因此借助于深海的周围的压力、亦即利用深海的高压产生需要的液压的工作压力。活塞在缸体中利用深海的环境压力被推动并且通过由此引起的活塞运动将压力传向压力液体。 [0004] 虽然在使用地点上通过工作压力的产生或传送形成优点，但已知的设备的运行特性不是令人满意的。利用海水操作缸体装置在多个不同的方面是成问题的。一方面存在这样的危险，即因为沉积物粒子等的进入或因为与海水一起带入的微生物而形成污染。另一方面由于极其腐蚀作用的海水产生损害。为了对付后者，在现有技术中需要的是，缸体装置设有适合的衬套和/或由相应的耐腐蚀的材料制造，以便减小腐蚀和/或减小在活塞运动时由于沉积提高的摩擦系数。尽管存在这些措施，但仍产生因盐水沉积、例如硬脂酸钾导致的困难。 [0005] 为了克服这些挑战，在DE 10 201 009 276 A1中建议一种设备用于在压力液体中传送液压的工作压力以便压力操纵深海设备、特别是深海钻孔的设备。在缸体装置中存在用于压力液体的第一压力室、用于改变该压力室的容积的可移动的活塞装置和至少一个第二压力室。为了活塞装置的在第一压力室中产生工作压力的运动，可用深海的环境压力对第二压力室加载。此外设置囊式蓄能器形式的、为缸体装置配置的蓄压器，其可移动的隔离元件将与海水连接的室与运动室隔离。操纵室包含操纵流体并且与第二压力室相连接，以便借助于操纵流体对第二压力室施加深海压力。 发明内容[0006] 从该现有技术出发，本发明的目的在于，提供一种用于相对环境压力调整介质压力的设备，其特别在水下使用时证明是耐用的并且是制造成本低的以及在需要时可简便地更换。 [0007] 该目的的解决方案在于一种相对于环境压力调整介质压力的设备，在使用该设备时环境压力通过与深度相关的海水压力预定，其中海水压力对补偿器装置起作用，该补偿器装置允许可逆的长度变化或延伸率变化；沿长度变化或延伸率变化的方向相继地存在补偿器装置的至少两个补偿器元件，并且在使用情况下一个压力传动装置的至少一个前面的封闭壁经受海水作用，其中，该压力传动装置具有双活塞装置，该双活塞装置以其一个活塞邻接海水室并且以其另一活塞邻接介质室，并且所述双活塞装置在所述容纳壳体中可轴向移动地导向，所述容纳壳体的内壁构成用于所述活塞的滑动面。 [0008] 按照本发明设定，沿长度变化或延伸率变化的方向相继地存在补偿器装置的至少两个补偿器元件。 [0009] 通过补偿器装置至少部分地保护设备免受腐蚀的海水的作用。而且令人意想不到地表明，当由此昂贵的部分不发生与海水接触并因此被保护时，这样的补偿器装置是成本低的。此外通过两个或更多个补偿器元件的串联导致冗余。此外这样的补偿器元件已证明是比由现有技术已知的囊式蓄能器更耐用的。 [0010] 利用按照本发明的解决方案可以这样调整介质压力，使得能够实现海水压力相对于在连接到设备上的液压的工作机器轴、特别是防喷器的流体回路中的液压的工作压力的补偿。此外可以利用介质压力的调整，以便利用海水压力偏压流体的工作回路的操作压力，以便在需要情况下、例如在紧急状况下将偏压的并因此很高的工作压力(其基本等于海水压力)直接用于操纵所连接的工作机器轴。 [0011] 将各相应的补偿器元件有利地至少部分地构成弹簧弹性的或要么构成为弹性的并且从初始位置开始借助于海水压力在一个方向上经历长度变化或延伸率变化并且在去除海水压力时以反向运动向该初始位置的方向复位。该实施形式即使在不同的海水压力时也允许使用。因此设备也可在不同的深度上使用。此外补偿元件的弹性允许设备的反复使用。 [0012] 补偿器装置可以有利地由波纹管构成，并且各补偿器元件由各单个依次相继地设置的波纹管折叠部构成，所述波纹管折叠部至少部分地构成波纹管的壁。这样的波纹管对于在深海中使用已证明是特别耐用的和长寿命的。另一优点是，设备也在很高的海水压力时无缺点地起作用并且在这里不可能通过波纹管发生扩散。 [0013] 在使用情况下波纹管的至少一个前面的封闭壁和/或一个压力传动装置经受海水作用并且该封闭壁优选相对海水的进入点是朝向压力传动装置的方向回缩的。这样的前面的封闭壁能够实现压力传动装置相对海水的屏蔽。而且相对海水至少保护按照本发明的设备的部分。 [0014] 特别有利地补偿器装置和/或压力传动装置在位于共同的容纳壳体内的具有海水压力的海水室与具有介质压力的介质室之间形成至少一个对介质密封的封闭。按这种方式介质室可靠地与海水室隔离。这不可能导致相应的介质的过界。因此防止各后接的单元(其只应当与介质而不与海水发生接触)的损坏。 [0015] 在一个作用链中并且优选沿容纳壳体的纵向方向看，可以有利地在补偿器装置上邻接压力传动装置和接着邻接介质室。这样的结构是特别紧凑的并且有利地特征在于，在设备内的运动方向是一致的并且不必通过机械的或液压的中间环节转向。这样的具有方向变化的力传递经常与能量损失相关联，其在按照本发明的设备中被避免。 [0016] 压力传动装置可以具有双活塞，该双活塞以其一个活塞邻接海水室并且以其另一活塞邻接介质室。这样的活塞的优点是，构成在两个压力室之间的中间室可以用于附加的密封。 [0017] 有利地在双活塞之间设置至少一个另外的第二介质室，其容纳高压介质。高压介质可以是工作气体、特别是氮气(N2)，工作气体处在一压力下，其为至少1巴、进一步优选至少100巴、进一步优选至少200巴、进一步优选至少300巴、进一步优选400巴。 [0018] 具有高压介质的第二介质室的优点是永久连接于储压室。储压室可以同心包围容纳壳体。这样的设置关于结构空间的有效的利用是有利的，因为它是特别紧凑的。通过连接扩宽的储压室，可以在较长的行程上提供较高的压力。按这种方式，第一介质室中的介质不仅通过海水的环境压力而且通过高压介质的压力被加载。第二介质室和/或储压室也可以在设备之外通过可连接于设备的第三构件构成，其例如为单独的储存器的形式。 [0019] 在双活塞之间可以设置至少一个另外的第三介质室，该第三介质室容纳低压介质、特别是真空。第二介质室和第三介质室可以由活塞分隔壁界定，活塞杆在该活塞分隔壁中可纵向移动地引导，双活塞装置的活塞分别固定在该活塞杆的端部区域上。通过低压介质、特别是工作气体、如氮气(N2)、或真空，使活塞(其被加载海水的环境压力)在对置的侧面上卸压。因此当从第一介质室排走介质时，活塞的运动受到较小的阻力或甚至不受到阻力。特别是第三介质室中的低压介质处在一压力下，其低于1巴、优选低于0.5巴。 [0020] 波纹管、活塞和活塞分隔壁分别具有相同的最大外径，该最大外径等于容纳壳体的均一的内壁直径。按这种方式容纳壳体可以构成管形的。因此容纳壳体在制造上是特别成本低的并且相对于环境压力影响是压力稳定的。 [0022] 以下借助于在附图中示出的实施例更详细地说明本发明。其中： [0023] 图1按照本发明的设备的透视的纵视图，其部分剖开地示出，和 [0024] 图2图1的波纹管的一部分的纵剖面图。 具体实施方式[0025] 图1中示出用于相对于环境压力调整介质压力的设备1，在使用设备1时环境压力通过与深度的海水压力预定或确定。设备1基本上由两个同心的管3、5构成，这两个管在端侧通过环形元件7、9被隔开距离地保持。在内管5(其构成容纳壳体)中设置第一介质室，其通过端侧的圆盘13封闭。在圆盘13中设置轴向钻孔15用于将介质从第一介质室11导入后接的未更详细示出的液压回路(其包括连接的工作机器轴，其例如为防喷器的形式)。介质室11可通过双活塞装置19形式的压力传动装置17被加载，压力传动装置的在图平面内右边的活塞21邻接第一介质室11。双活塞装置19在容纳壳体5中可轴向移动地导向，其中容纳壳体 5的内壁23构成用于活塞21、27的滑动面25。双活塞装置19的在图平面内左边的活塞27作为前面的封闭壁29在设备的工作中可被海水加载。该封闭壁29相对海水的进入点31向压力传动装置17的方向回缩。压力传动装置17因此在位于共同的容纳壳体5内的具有海水压力的海水室33与具有介质压力的介质室11之间制造出对介质密封的封闭。 [0026] 在容纳壳体5的内侧上在左边的活塞27与内管5的进入点31之间设置补偿器装置35。海水压力作用到补偿器装置35上，其允许可逆的长度变化或延伸率变化。补偿器装置35由波纹管39构成。波纹管39由耐腐蚀的优质合金钢材料构成。波纹管39在其一自由端上与内管5在进入点31的区域内焊接。波纹管39在另一端上在工作中以偏压优选松地贴靠在左边的活塞27的邻接的正面的外圆周边缘上。但优选设定，在波纹管39与管5的可配置给波纹管的内壁23之间附加注入支持液体，例如以乙醇化合物(乙二醇)的形式，其加固和因此支持各波纹管折叠部之间的间距。支持液体的一部分也位于波纹管的封闭的底侧端与朝图1的视向看去最左边的活塞27的邻近的前壁29之间，作为一种跟踪量用于补偿在弹簧波纹管或波纹管39运动时的容积变化。波纹管39同心于压力传动装置17设置。 [0027] 按照本发明在长度变化或延伸率变化的方向上相继地设置补偿器装置35的至少两个补偿器元件41。各补偿器元件41由各单个依次相继地设置的、纵截面为梯形的波纹管折叠部构成。各波纹管折叠部41构成波纹管39的壁43。波纹管折叠部在外侧接触容纳壳体5的内壁23。各相应的补偿元件41是弹簧弹性的。从初始位置开始各补偿器元件41借助于海水压力沿一个方向上经历长度变化或延伸率变化。在去除海水压力时补偿器元件在反向运动中可向该初始位置的方向复位。因此设备的工作能力和海水室的容积可通过波纹管折叠部41的数量和形状至少部分地预定。图1和2中所示的波纹管39由弹性体材料(橡胶)构成，其是可以涂层的，以对抗腐蚀作用的海水。代替弹性体的波纹管，也可以采用由钢材、优选不锈的优质合金钢构成的波纹管。但在相应情况下各波纹管折叠部则不如图中所示构成梯形的，而设有相应的均匀的倒圆部(未示出)。 [0028] 在一个作用链中并且在容纳壳体5的纵向方向LR看，压力传动装置17和接着介质室11邻接补偿器装置35。在压力传动装置17的双活塞21、27之间设置第二介质室45，其容纳高压介质。该高压介质中是工作气体、特别是氮气(N2)。具有高压介质的第二介质室45永久地经由在内管5中的钻孔49连接于储压室47，该储压室处在内管5与外管3之间。储压室47同心地包围容纳壳体5。在双活塞21、27之间设置一个另外的第三介质室51，其容纳工作气体(在这里是氮气)形式的低压介质、但优选容纳真空。第二和第三介质室45、51由位置固定地设置在容纳壳体5中的活塞分隔壁53界定。在活塞分隔壁53的钻孔55中可纵向移动地引导活塞杆57，在其相应的端部区域上固定双活塞装置19的活塞21、27。双活塞装置19的活塞21、27和活塞分隔壁53分别具有两个圆周凹槽59，在其中设置各环形的密封元件61作为密封装置用于相对容纳壳体5的内壁23的密封。此外在活塞分隔壁的钻孔55中设置两个内圆周凹槽63，在其中同样设置两个密封元件65。按这种方式介质密封地彼此隔离介质室11、 45、51和海水室33。特别是通过各密封元件61阻止，波纹管39的支持液体可能进到介质室侧面51上。 [0029] 波纹管39、活塞21、27和活塞分隔壁53分别具有一最大外径A，这些最大外径是相同的并且等于容纳壳体5的均一的内壁直径I。 [0030] 图2中详细示出由弹性体材料制成的波纹管39在装入状态的示意图。每一波纹管折叠部41由两个以相同的角度相向倾斜的侧壁67、69构成，这两个侧壁在假定的延长线中相互围成锐角α，其处在波纹管39的内侧71上。在可预定的侧壁长度73之后，一个波纹管折叠部41的各相邻的侧壁67、69朝向内侧71的方向过渡到同心于波纹管39的纵轴线LA延伸的连接桥75，该连接桥加固各邻近的侧壁67、69并且另外与相邻的各连接桥75构成在波纹管39内部的虚拟的内管77。每一侧壁67、69在其底脚79上通过可预定的弯曲半径r过渡到同样同心于波纹管39的纵轴线LA延伸的接触桥81，其在波纹管39的每个运动位置上以滑动接触保留在内管5的内壁23上。全部接触桥81又构成波纹管39的一个虚拟的外管83，其同心于内管77。各连接桥75和各接触桥81作为整体加固波纹管并且导致：波纹管变形能绝大部分或仅仅通侧壁67、69向各底脚79的方向的翼翅拍打式运动产生。波纹管折叠部41的各邻近的底脚79在由波纹管折叠部41限定的容积缩小或增大时在外管83的高度上按照波纹管39在操作中被压缩还是膨胀而相互相向或彼此远离地运动。因此只通过弹性复位的侧壁67、69提供波纹管39的变形能。为了该目的，侧壁67、69经由各铰接点85连接于相邻的连接桥75。 由此确保，各连接桥75在操作中总是保留其相互同心的定向。波纹管39即使在很高的海水压力或工作压力时也可以不或至少仅仅微小地隆起，从而各接触桥81在波纹管39的任何可能的移动位置上以滑动接触保留在内管5的内壁23上，该内壁构成波纹管39的引导部。波纹管39及其各波纹管折叠部41关于设备1的纵轴线LA旋转对称地定位。为了避免在各波纹管折叠部41中的张力，各接触桥81和各连接桥75构成为相同宽度的并且用所述支持液体充满。 [0031] 按照本发明的设备1为此设定成作为防喷器的部分降到海底。海水的高的环境压力(在例如3600m深度时为360巴)作用到设备1上。海水对补偿器装置35和压力传动装置17的左边的活塞27施压并且在第一介质室11的介质中产生相应的压力。附加地，第一介质室11中的介质被第二介质室45中的高压介质加载。现在如果在紧急情况下从第一介质室11中排出介质，则双活塞装置17在图平面内向右移动。按这种方式补偿器装置35经历长度变化，因为它在端侧连接于双活塞装置17和容纳壳体5。通过补偿器装置35有利地与双活塞装置 19的位置无关地保护容纳壳体5的内壁防止与腐蚀作用的海水接触。 [0032] 因此通过本发明证明一种特别有利的用于相对环境压力调整介质压力的设备1。通过补偿器装置35，至少部分地保护设备1免受腐蚀的海水的作用。令人意想不到地表明，如果由此昂贵的部分，如容纳壳体5的内壁23不与海水发生接触并因此被保护，则这样的补偿器装置35的使用是成本低的。此外通过两个或更多个补偿器元件41的串联导致冗余。此外具有这样的补偿器元件41的波纹管39已证明比由现有技术已知的囊式蓄能器是更耐用的。优选(但这未示出)还可以设定，总设备构成分级的，特别是包括波纹管的海水压力传动件在直径上小于双活塞装置。 |
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