用于海底部件的压力释放阀和方法

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用于海底部件的压力释放阀和方法\n[0001] 公开背景：\n[0002] 公开领域\n[0003] 本公开的实施例涉及用于海底容器的压力释放系统。更特定而言，本公开的实施例涉及用于海底容器的释放阀。\n背景技术\n[0004] 当海底采油进行到较大深度时，设备和方法必须适于在这种苛刻环境下操作。深水中采油进展的主要障碍是在这些深度经历的极端高压。因此，在这些深度处，常常使用维持一个大气压的内部压力的压力容器来保护设备。\n[0005] 在海底用于维持和模拟与在表面所经历的周围压力相类似的周围压力的压力容器通常被称作“一个大气压腔室”。这种腔室在石油工业中通常的用途可以是保护海底的压力敏感部件。在压力腔室在海底中时缓慢泄露且然后其被相对迅速地取回到表面上的情况下，其可包含高气压，或者高于正常大气压力的压力。在深度达到接近10,000ft时，这种压力可变得非常大(大约每英尺深度0.47psi)，甚至高达5000psi。海底腔室中较大压力的累积可能能够在取回并被带到表面时释放大量能量。因此，释放系统可实施为当腔室被取回到表面时将腔室内的压力减小到可接受且安全的水平。\n[0006] 压力释放阀通常设于各种系统中以将最大压力限制到小于预先限定的阈值水平。\n举例而言，压力释放阀可设于泵的出口处使得供应管线可不被加压到过量水平。若超过压力阈值水平，释放阀打开，从而形成通向储器或储槽的路径。另一压力释放阀可设于控制阀组件的工作端口处，液压促动器，诸如活塞与缸筒组合，连接到该控制阀组件上。这种布置可防止由于作用于活塞与缸筒上的负载而造成的冲击加载或惯性超载。如果该负载在附连到缸筒上的液压管线内引起过度高压，则工作端口压力释放阀被设计成打开以将压力释放到系统储槽。工作端口释放阀可保持打开直到负载条件不再存在且液压管线内的压力降低到低于阈值压力。\n[0007] 一种类型的释放阀包括由弹簧偏置靠在阀座上以维持阀处于闭合状态的可移动元件。当作用于阀元件上的压力超过弹簧力时，阀元件远离座而移动，从而打开压力释放阀。在这种类型的阀中，只要一超过弹簧力，阀即打开，且一旦压力降低到低于弹簧力，阀立即闭合。\n[0008] 但是，在某些应用中，可能希望在超过压力阈值时阀不立即打开，而是延迟打开，直到过量压力存在给定量的时间。因此，这种压力释放阀可较小地受到超过阈值水平的偶然的短持续时间压力事件的影响。然而，当压力超过阈值设置长于规定量的时间时，阀打开，以在可能发生对液压系统的损坏之前释放该压力。同样，在某些情形下，还希望延迟阀闭合以确保压力保持低于阈值。这可在仍然要求压力释放的情形下防止瞬时压力降低使阀闭合。\n[0009] 在现有技术中已公开了许多释放阀。转让给Holder的美国专利第6,957,660号公开了一种压力释放阀，其具有由弹簧偏置到闭合位置的阀元件。受控制或调节的压力被施加到阀元件上以对抗弹簧力。当施加到阀元件上的压力超过弹簧力时，压力释放打开。当施加到阀元件上的压力降低到低于弹簧力时，阀闭合。\n[0010] 另外，转让给Reinicke等人的美国专利第3,945,395号公开了一种用于包含加压流体的储槽的泄放与释放阀，其特征在于，同轴泄放与释放阀构件具有相互接合的座以闭合阀的泄放出口。泄放与释放阀还包括与之相关联的促动器件，以使所述座脱离，以在填充储槽期间打开储槽内部与阀泄放出口之间的连通。释放阀构件由储槽中超过预定值的流体压力促动以移动所述释放阀构件来使所述座脱离，且从而再次在储槽内部与阀泄放出口之间建立连通，因而使过量流体压力泄放。\n[0011] 美国石油协会颁布了适用于海底操作所用设备的某些标准。通常称作API的美国石油协会是关于石油与天然气工业的主要美国贸易协会。API是美国国家标准协会(“ANSI”)认可的标准开发组织，以核准的标准开发程序操作并经历对其过程的定期审计。\nAPI产生涵盖工业的各个部分的标准、操作规程建议、规范、代码和技术出版物、报告和研究。API标准促进安全、可互换的设备的使用，且促进通过使用被证实的良好工程操作规程来操作。\n[0012] API规范16D讨论了用于电气和电子腔室的标准，该电气和电子腔室是可能在其上使用释放阀的容器。“All electrical and electronic chambersshall be double sealed at all areas exposed to seawater or hydrostatic pressure andshould have a provision for a test port.These test ports shall be plugged and sealedwhen not in use for testing”(“所有电气与电子腔室应在暴露于海水或流体静压力的所有区域上进行双重密封且应当具有测试端口的供应。在没有用于测试时，应当塞住并密封这些测试端口。”)(API 16D)。因此，在容器的内部体积与外部海底环境之间具有双重密封以及测试端口的释放阀将在工业中受到欢迎。此外，特别合乎需要的是能如工厂验收测试那样测试密封件的前侧和后侧两者的能力。\n[0013] 发明概述\n[0014] 在本公开的一个方面，用于压力容器的释放阀包括：壳体，其具有在入口与出口之间延伸的内孔；活塞，其位于内孔内；以及弹簧，其设置在活塞附近并且构造成将活塞偏置到闭合位置。此外，释放阀包括与内孔连通的测试端口，密封地设置在测试端口内的可移除的测试塞，以及设置在内孔内、测试端口两侧上的第一密封件和第二密封件。优选地，第一密封件和第二密封件构造成当活塞处于闭合位置时接合该活塞并液压地使入口与出口隔离。\n[0015] 在本公开的另一方面，一种用于压力容器的释放阀包括：壳体，其包括入口和出口；活塞，其位于壳体内，该活塞由弹簧偏置到闭合位置；以及第一密封件和第二密封件，它们构造成当活塞处于闭合位置时液压地使入口与出口隔离。优选地，活塞构造成在由压力容器的流体施加在活塞上的力超过弹簧力时从闭合位置移出。\n[0016] 在本公开的另一方面，测试释放阀的一种方法包括通过释放阀的测试端口向第一密封件和第二密封件的后侧施加测试压力。\n[0017] 通过下文的描述和所附权利要求书，本公开的其它方面和优点显而易见。\n[0018] 附图简述\n[0019] 图1是根据本公开的实施例、处于闭合位置的释放阀。\n[0020] 图2是根据本公开的实施例、处于打开或泄放位置的释放阀。\n[0021] 图3是根据本公开的实施例、处于测试位置的释放阀。\n[0022] 图4是根据本公开的实施例、处于闭合位置的释放阀。\n[0023] 图5是根据本公开的实施例、处于泄放位置的释放阀。\n[0024] 详细描述\n[0025] 本文所公开的实施例涉及用于海底压力容器的释放阀。更特别地，当前实施例公开了用于海底压力容器的释放阀的装置和方法。\n[0026] 参看图1，显示了根据本公开的实施例的释放阀100的截面图。释放阀100包括具有内孔104的壳体102，内孔104允许入口106与出口108之间的连通。释放阀100还包括设置在内孔104中的活塞110，设置在内孔104中并作用于活塞110上的弹簧112，以及第一密封件114和第二密封件116，第一密封件114和第二密封件116两者都沿周向设置在活塞110上并构造成动态地密封于活塞110上。\n[0027] 释放阀100还包括与内孔104连通的测试端口118和可移除且可密封地设置在测试端口118中的测试塞120。或者，在不偏离本公开的情况下，可用测试阀来替换测试端口\n118和测试塞120。测试塞120被描述为可移除地设置在测试端口118中，因此，将了解的是，测试端口118中的接合可通过诸如螺纹接合、焊接、钎焊、环氧树脂以及本领域技术人员已知的任何其它紧固方法来实现。另外，“可密封地”是指本领域技术人员已知的任何方法，包括但不限于弹性体密封、橡胶密封、金属-金属密封等。如图1所示，释放阀100处于“闭合”位置，其中弹簧112未压缩且活塞110与第一密封件114和第二密封件116密封地接合。因此，如图所示，释放阀100防止入口106与出口108之间的压力连通。\n[0028] 现参看图2，显示了根据本公开的实施例的释放阀100处于“泄放”位置。泄放位置被描述为当弹簧112压缩且活塞110在内孔104内沿轴向移位并脱离与第一密封件114和第二密封件116的密封接合时(的位置)。容器内部的压力通过入口恒定地施加到活塞\n110的端面122的区域上。随着容器内的压力增加并达到预定水平，施加到活塞110端面\n122的力变得大于弹簧112的力，从而造成活塞110的轴向移位。在其移位时，活塞110中断与第一密封件114和第二密封件116的接触，从而允许压力通过出口108漏出或者“泄放”。应当指出的是，直到活塞110脱离与第一密封件114和第二密封件116两者的可密封接合之前，压力可能都不能够通过释放阀100泄露。\n[0029] 随着在容器内压力逐渐降低到可接受的水平，弹簧112的预置弹簧力能够克服从容器施加的力，且活塞110往回移位成与第二密封件116可密封地接合，在此处压力不能泄放。活塞110继续移位且可密封地接合第一密封件114，在此处，弹簧112基本上未压缩且释放阀再次处于闭合位置。本领域技术人员将了解，作用于活塞上的弹簧力可由本领域中已知的任何器件来提供，包括但不限于金属螺旋弹簧、贝氏垫圈(Belleville washer)、弹性体弹簧等。\n[0030] 现参看图3，显示了根据本公开的实施例的释放阀100处于“测试”位置。测试位置被描述为当测试塞(图1和图2中的120)从测试端口118移除且压力能施加到第一密封件114和第二密封件116的“后侧”表面时(的位置)。第一密封件114的后侧130是该密封件的背离入口106的面，而第二密封件116的后侧132是该密封件的背对出口108的面。因此，第一密封件114的后侧130与第二密封件116的后侧132面向彼此。\n[0031] 仍参看图3，在工厂验收测试(FAT)期间，活塞110维持与第一密封件114和第二密封件116两者接触。已从测试端口118移除测试塞(未图示)以允许接近第一密封件\n114和第二密封件116的“后侧”，以便进行压力测试，且测试压力通过测试端口118而施加并进入内孔104。测试压力可为阀的工作压力，以模拟工作状态，或者可为本领域技术人员已知的任何其它适当压力。可同时测试第一密封件114和第二密封件116，以确保活塞110与内孔104之间密封件的适当密封。在完成FAT程序时，内孔104和测试端口118的加压中止且测试塞(未图示)重新安装于测试端口118中。本领域技术人员将认识到，在不偏离所公开的实施例的情况下，可用测试阀等来替换测试塞。\n[0032] 现参看图4，显示了根据本公开的实施例的释放阀200的截面图。释放阀200包括具有内孔204的壳体202，内孔204允许入口206与出口208之间连通。释放阀200还包括设置在内孔204内的活塞210，设置在内孔内的弹簧212，与活塞210密封接合的第一密封件214和第二密封件216，以及测试端口218，在测试端口218内可移除地且可密封地设置有测试塞220。此外，活塞210包括泄露端口222，泄露端口222可包括周向凹槽、轴向凹槽、钻孔或者本领域技术人员已知的任何其它构造。释放阀200显示为处于闭合位置，闭合位置被描述为当活塞210与第一密封件214和第二密封件216可密封地接合从而不允许入口206与出口208之间有压力连通时(的位置)。\n[0033] 现参看图5，显示了根据本公开的实施例的释放阀200的截面图。释放阀200显示为处于泄放位置，其中活塞210由于腔室内部的压力而移位脱离与第一密封件214的可密封接合。腔室进入口206内的压力施加于活塞210的端面224的区域上。当腔室内的压力达到某水平时，其克服由弹簧212施加到活塞210上的预置力，且开始压缩弹簧212并移动活塞210脱离与第一密封件214的可密封接合。此外，泄露端口222的一部分移位超过第二密封件216，从而允许入口206与出口208之间的压力完全连通。\n[0034] 随着施加于端面224区域上的压力降低到低于弹簧212预置力的水平，活塞210移回到与第一密封件214可密封接合，且泄露端口222移回到闭合位置，从而不允许通过内孔204有压力的进一步连通。本领域技术人员将认识到，作用于活塞上的弹簧力可由本领域中已知的任何器件来提供，包括但不限于金属螺旋弹簧、贝氏垫圈、弹性体弹簧等。\n[0035] 另外，释放阀200可以便于测试两个密封件的后侧的方式来构造。再次参看图4，测试塞220可被移除且测试压力通过测试端口218施加并进入内孔204。在活塞210处于闭合位置的情况下，测试压力施加到第一密封件214和第二密封件216两者的后侧上。在完成测试时，压力中止且测试塞220设置在测试端口218内。本领域技术人员将认识到，在不偏离所公开的实施例的情况下，可用测试阀来替换测试塞。\n[0036] 此外，本公开的备选实施例包括这样的释放阀：该释放阀包括密封件，其中，密封件中的至少一个可为金属-金属密封件。在选定实施例中，金属-金属密封件可为第一或主密封件，而第二密封件可为弹性体密封件。或者，金属-金属密封件可为第二密封件，而第一密封件是弹性体密封件。或者，第一密封件和第二密封件两者都可为金属-金属密封件。但应了解，使用金属-金属密封件的实施例可能需要具有较大弹簧力的弹簧，这是因为需要高接触应力来形成金属-金属密封。另外，本公开的备选实施例可包括大于第二密封区域的第一密封区域。由于较大的第一密封区域，阀可能能够在更低的压力下释放或泄放。\n[0037] 本公开的实施例有利地允许对两个密封件进行后侧密封测试。如在活塞与两个密封件之间存在的往复运动对密封问题增加了额外维度。摩擦和其相关联的磨损结合了必须抗衡的因素列表，包括温度、流体兼容性和压力。用于密封往复构件的密封件必须在它们与固定构件(其为内孔)的接触区域满足静态和动态密封要求，且还在往复构件(在此情况下为活塞)上它们的接触区域处有效地密封。为了确保密封的可靠性，能够从相反方向测试密封件的两侧是合乎需要且有利的。\n[0038] 另外，本公开的实施例优选地符合API标准16D，该标准要求压力容器的内部腔室与外部海底环境之间有“双重密封”。由于释放阀在二者之间提供连通，所以双重密封是合乎需要的特点。根据API规范16D，腔室在向海水或流体静压力暴露的所有区域都应被双重密封。此外，可使用测试端口，且当其存在时，在不用于测试时应被塞住并密封。释放阀的双重密封构造是本领域技术人员可理解的内置冗余。\n[0039] 虽然已关于有限数量的实施例描述了本发明，但受益于本公开的本领域技术人员将了解，能设计出并不偏离如本文所公开的本发明的范畴的其它实施例。因此，本发明的范畴应仅受所附权利要求书限制。