水下传感器模块、系统和方法与流程

1.本公开涉及尤其用于水下传感器系统的水下传感器模块和用于制造水下传感器模块的方法。


背景技术：

2.水下压力和温度传感器是已知的。它们可用于测量在水下碳氢化合物生产或处理设施(例如水下采油树或水下管路(flow line))中不同位置的压力或温度。传感器可经由可连接到水下控制模块的缆线提供数据通信和电力。冗余可通过系统中的双倍数量的传感器来提供。水下作业需满足严格的法规要求，这通常导致大型、重型和昂贵的设计。


技术实现要素：

3.根据本发明的第一方面，水下传感器模块包括：传感器壳体，该传感器壳体具有第一区段、第二区段和第三区段，每个区段具有外轮廓；和模块法兰，该模块法兰具有内轮廓；其中，法兰的外表面基本上垂直于壳体的在第一区段中的外表面，其中，壳体外轮廓和法兰内轮廓沿着壳体的第二区段基本上相同；其中，通过外轮廓的直径从较小直径到较大直径的过渡，在第三区段中的壳体外轮廓中形成肩部；其中，法兰包括在法兰内轮廓中的对应的肩部；并且其中，法兰收缩配合地装配在传感器壳体第二区段的径向外部，从而使得肩部相互接触。
4.本发明通过提供一种新设计来解决上述问题，该设计使得能够足够可靠地构造用于水下使用的传感器模块，同时减小总体尺寸、重量和成本。单独制造壳体和法兰允许定制，法兰收缩配合到壳体提供了在部件之间的良好的附着，从而可部署设备以用于更高压力的水下应用。这种技术可在法兰外侧没有任何肩部的情况下建立配合，从而可将较大的螺母装配到法兰的相同可用的直径中。施加给传感器模块的力可像单件式那样传递，但是通过将壳体和法兰制成两件式，可增加用于固定法兰的可用空间。
5.壳体可包括第一材料，而法兰包括不同于第一材料的第二材料。比起第二材料，在更高的温度下，第一材料可保持固态。用不同的材料制造这两个部件，可降低总体成本。
6.在第一区段中的传感器壳体轮廓可包括中空柱体。
7.这使得能够将一个或多个传感器以及相关的电子设备安装在壳体内。
8.传感器模块可还包括紧固件，其适于将法兰和壳体固定到其他设备。
9.紧固件可包括双头螺栓和六角螺母，尤其1”(1英寸)重型六角螺母。
10.这符合在水下深处操作的特定标准要求。
11.传感器模块的等级可定成高达15k psi。
12.壳体可包括耐腐蚀合金，尤其是镍铬钼合金。
13.传感器模块可包括至少两个单独的传感通道。
14.因此，传感器模块可包括双功能。
15.传感器可包括压力传感器、温度传感器，或者包括压力传感器和温度传感器的组
合。
16.根据本发明的第二方面提出了一种用于制造水下传感器模块的方法，该模块包括：传感器壳体，该传感器壳体具有第一区段、第二区段和第三区段，每个区段具有外轮廓；和模块法兰，该模块法兰具有内轮廓；其中，法兰的外表面基本上垂直于壳体的在第一区段中的外表面，其中，轮廓沿着壳体的第二区段基本上相同，其中，通过外轮廓的直径从较小直径到较大直径的过渡，在第三区段中的壳体外轮廓中形成肩部；其中，法兰包括在法兰内轮廓中的对应的肩部；方法包括：选择传感器壳体；选择法兰；加热法兰或冷却传感器壳体，使得法兰的内轮廓增大，或使得壳体的外轮廓减小，以足以使得法兰能够装配到传感器壳体的径向外部；以及冷却法兰，或加热传感器壳体，以使得壳体法兰肩部和对应的模块法兰肩部通过收缩配合充分接触。
17.壳体可包括第一材料，而法兰包括不同于第一材料的第二材料。比起第二材料，在更高的温度下，第一材料可保持固态。
18.传感器壳体通常包括中空柱体。
19.方法还可包括使用合适的机械紧固件将模块固定到设备。
附图说明
20.现在将参照附图说明根据本发明的水下传感器模块和系统的示例，其中：
21.图1示出了根据本发明的实施方式的水下传感器模块的一示例；
22.图2示出了图1的水下模块的一部分的更多细节；
23.图3是图1的水下模块的一部分的另一视图，示出了在组装时的一些力；
24.图4是图1的水下模块的一部分的另一视图，示出了在组装时的其他力；
25.图5示出了在根据本发明的水下模块的示例中的传感器和电子设备的位置；
26.图6是示出其中可使用图1的模块的典型水下系统的框图；
27.图7是组装图1的水下模块的方法的示例的流程图；以及，
28.图8示出了传统的一件式机加工的法兰和壳体。
具体实施方式
29.水下传感器，诸如压力传感器和温度传感器，通常安装在壳体中，壳体包括安装法兰，以便将传感器以处于其壳体中的方式耦联到要监测的装置，诸如水下管路或水下采油树，在其中将探测或监测在管路或采油树中的流体的压力和温度。其他类型的传感器可安装在这种壳体中，诸如流量传感器、振动传感器或腐蚀监测传感器。通常，为了达到能够承受水下工作压力(其可高达或甚至超过15k psi(103421kpa))的法规要求，安装法兰与传感器壳体组合并且由单件合适的材料、诸如超级双相不锈钢形成。为了机加工壳体并且为了在直径变化时有足够的强度，在壳体和法兰之间的过渡处形成有肩部。安装法兰通常包括法兰槽，环形垫圈可安装到法兰槽中以密封法兰。这种环形垫圈是标准化的，例如bx型环形垫圈。壳体具有给定厚度的材料以满足所需标准，并且法兰选择成以配合标准化的垫圈。
30.然而，由于空间限制，这种组合可阻止使用在这种压力下运行所需的附加的固定装置。例如，api 6a(iso 10423)规定了用于将法兰固定到法兰安装在上面的设备的双头螺栓和螺母的标准。目前，采用bx-150设计的法兰、垫圈密封环尺寸和形状的压力和温度传感
器仅可使用1”(0.0254m)内六角螺旋件(1”重型六角双头螺栓和螺母)，因为对于给定的壳体厚度，没有足够的空间来容纳api 6a规定的螺母。这可在图8中看出，图8示出了在传感器壳体的形成法兰41的盘形区段45和柱状区段42之间的传统的机加工的法兰和壳体过渡部40。采用这种设计，不可能添加足够大的螺母和螺栓来满足法规要求，因为如可从图中看出的那样，螺母43会与凸起的肩部互搭，如果它们不成直角地位于表面45上，力可损坏或扭曲螺栓44，并且不会在承受水下深处的压力方面产生期望的效果。本发明解决了这个问题，以得到能够在高达15k psi下运行的小型轻量水下双传感器。传感器可为压力传感器、温度传感器，或者是压力传感器和温度传感器的组合，新颖的设计使得能够使用与api 6a/iso 10423双头螺栓和螺母要求兼容的bx-150接口。该标准要求设计能够容纳1”(0.0254m)重型六角螺母，以将法兰固定到位。
31.图1示出了根据本发明的传感器模块10的示例，示出了传感器壳体12和法兰组件11，它们由螺母14和螺栓15固定。虽然相同的材料可用于两者，但有利的是，壳体12和法兰11包括不同的材料，诸如用于壳体的是耐腐蚀合金，尤其是镍铬钼合金，用于法兰的是双相钢。可使用其他材料组合，诸如壳体中的镍铬钼合金与用于法兰的碳钢或奥氏体不锈钢组合。本例中的壳体12是bx-150壳体，呈中空柱形壳体的形式，其中可安装传感器(例如如图5所示)。替代地，可使用其他类型的壳体垫圈，例如bx-151、bx-152和bx-154，其中设计目前满足用于螺栓连接的api要求，但通过设计为结合本发明的收缩配合方面，这样的设计还能够节省尺寸、重量和成本。有利地，通过以下方式来进行收缩配合，即，加热法兰以使其膨胀，从而使法兰装配在中空柱状壳体上，然后又收缩回其原始尺寸。然而，尽管不太令人满意，可使用液氮充分冷却柱状壳体，以使其装配到法兰开口中，并允许壳体在回到室温时又膨胀成法兰内直径，这样形成过盈配合。壳体的内部轮廓13对于壳体和壳体毂区段12、18来说具有基本恒定的直径。不是像传统上那样由单件材料形成法兰11和壳体12、18，而是分别形成法兰和壳体。
32.壳体成型为具有恒定内直径的连续筒体，具有基本恒定壁厚的第一壳体区段12(通常在9mm至10mm的壁厚范围内)、以及厚度增加的第二壳体毂区段18(通常在24毫米至26毫米的范围内，以形成负载肩部)。壳体12、18包括合适的耐腐蚀材料，诸如镍基合金，例如625合金，其是镍铬钼合金。这种合金通常是非磁性的，并且耐腐蚀和抗氧化。
33.法兰11单独成型为环16，其具有适于密封传感器模块10将安装到上面的设备的对应面(未示出)的面。
34.如在图2中可更清楚地看到，壳体的形状使得包括负载肩部19的毂18形成在较宽的端部，在该端部，壳体的直径从基本恒定的圆柱形12过渡到厚度增加的区段18。此外，在第二区段的末端，在毂18中，在脊部17之间形成槽，可将垫圈装配到该槽中以密封设备的对应的表面(未示出))。法兰11的内部轮廓选择成具有对应的负载肩部。
35.传感器模块由壳体和法兰组合制成。壳体在毂18中形成有其负载肩部19，其中，壳体的外直径从区段12中的第一直径过渡到区段18中的增大的第二直径。法兰11形成有相应的负载肩部19，从而使得法兰的内直径与壳体的外直径的对应区段具有相同的轮廓。通过分别形成壳体和法兰，例如作为以后组装的库存物品，在构建传感器模块时，将传感器安装在壳体12内，然后加热法兰，以暂时增大其内直径，这允许法兰滑过壳体的较窄的一端，然后能够冷却至室温和其原始尺寸。
36.当模块要安装在设备上时，此时将成对的螺母和螺栓14、15装配并拧紧，以将传感器模块和设备的密封面保持在一起。通过形成两个部件并以这种方式将它们接合起来，在传统的单件机加工的壳体和法兰组合中占据内表面上的空间并限制可使用的螺母尺寸的肩部已被归入法兰下表面中，并留下具有最大可能尺寸的空白平坦区域，螺母可以拧紧到该区域上。这允许在相同直径的情况下使用更大的螺母和螺栓，从而满足用于水下设备的更严格的标准。
37.图3和图4更详细地示出了力如何施加在两个负载肩部19、即法兰11和壳体12的负载肩部19之间。当法兰11冷却到其原始尺寸时，力施加在接触表面20之间，即，基本上垂直于那些表面施加，如箭头所示。这引起在法兰和壳体这两个组成部件之间的非常有效的密封，从而即使在水下部署时承受高压，也能保持接合的结构完整性。在过渡区域中，虽然施加的力中的一些是由于法兰内直径恢复到其原始尺寸，但当传感器模块安装在设备上时，通过螺栓15的拧紧施加了额外的力。结合起来，这些力使两个负载肩部19保持接触，其中，这些力基本上垂直于接触表面作用，如箭头所示。当安装在设备上时，双头螺栓15的拧紧使形成在法兰和壳体的脊17之间的槽的密封表面与设备的密封表面(未示出)接触。
38.在图5中，示出了传感元件和电子设备相对于法兰11和壳体12的位置。传感器探头22连同温度传感器安装在压力传感元件24的一侧，电子卡23安装在壳体12中。
39.图6是典型的传感器系统的框图，在该传感器系统中可使用传感器模块。包括阀门、水下控制系统和传感器(诸如压力和温度传感器)的水下管汇28可经由管线管路29连接到水下井口27。水下井口可包括x-tree(采油树)、水下控制系统和传感器，诸如压力和温度传感器。从管汇、管线立管25到顶部可设置有水下隔离阀26，其包括阀门、水下控制系统和传感器，诸如压力和温度传感器。在每种情况下，除了或代替系统中的压力和温度传感器，可使用如上所述的其他传感器。
40.图7是制造工艺步骤的流程图。在步骤30，形成传感器壳体12、18，或者如果从库存中取出，则选择传感器壳体。类似地，在步骤31，形成法兰11，或者如果从库存中取出，则选择法兰。为了接合环形法兰11和壳体12、18，在步骤32加热法兰，以使制造法兰的材料膨胀到足以使法兰安装在壳体上。用于加热法兰的温度不足以损坏位于毂壳体内的传感器的电子设备。在步骤33，两个单独的部件可通过在壳体的较细的区段12上滑动膨胀的环形法兰来接合，或者如果加热足够，则可滑过壳体的较宽的区段18。然后在步骤34使法兰冷却。一旦冷却并因此缩回其原始尺寸，环形法兰11就围绕壳体形成紧密配合，并向壳体18、12的外表面20施加压力。来自法兰环的这种压力足以使该设计获得比传统的非收缩配合、旋转环形法兰和毂结构可实现的更高的等级，例如高达15k psi，因为通过将法兰收缩配合到外壳上还在两个部件之间施加压力，可使用符合更高压力等级的标准的螺母和螺栓，以便将法兰11固定到设备上。
41.在由一件式材料构成的传统法兰中，法兰在设计中包括一颈部半径，该颈部半径从毂(小直径)延伸到法兰面上。该半径的存在是为了确保设计中有足够的强度来承受通过向螺栓连接施加正确扭矩而产生的力。使该材料半径位于法兰面上的位置限制了在法兰上的可用螺栓连接空间。对于分体式收缩配合设计，材料的颈部半径不存在，因为半径被重新定位到较低的位置，以在收缩配合部件的设计范围内并远离法兰面。这为要安装的螺母和相关工具提供了更多空间。本发明具有许多优点，包括使用法兰环施加压力使得壳体的整
体尺寸能够减小的事实。壳体直径的减小能够实现更多空间容纳符合标准的双头螺栓和螺母，特别是符合api 6a/iso 10423标准的1英寸(1”)重型六角螺母。
42.壳体尺寸大小的减小还降低了传感器模块的成本，因为与传统的单件式壳体和法兰相比，这些构件的设计更简单、更小且重量更轻。壳体可由实心合金625材料制成，无需额外的保护覆层，这进一步简化了设计并降低了成本。整个传感器模块具有完整的合金625一级屏障和二级屏障，这符合增强的规格。通过分离壳体和法兰构件，可提供更多的定制，因为可改变环形法兰螺栓形式，以适应客户的应用，诸如有六个螺栓选项，而不是只有四个。部件可有库存，稍后在项目规范过程中选择特定选项，以满足客户要求。与保持由实心合金625构建的一件式法兰和毂壳体并减小传感器电子设备的尺寸以使得还可将壳体尺寸减小到足以容纳符合api 6a/iso 10423的重型六角螺栓连接的替代选项相比，本发明更便宜、更轻并且允许更多的设计和定制变化。
43.已经参考不同的主题说明了本发明的实施方式。特别地，已经参考方法权利要求说明了一些实施方式，而已经参考设备权利要求说明了其他实施方式。然而，本领域技术人员将从以上和以下说明中得知：除非另有说明，除了属于一种主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的特征的任何组合，特别是在方法权利要求的特征和设备权利要求的特征之间的任何组合也被认为是由本文件公开的。
44.要注意的是，术语“包括”不排除其他元素或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。还可组合结合不同实施方式说明的元素。本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征，和/或如此公开的任何方法或工艺的所有步骤，可以任何组合进行组合，除了其中至少一些这样的特征和/或步骤的组合是互斥的。
45.除非另有明确说明，否则在本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征都可被用于相同、等同或类似目的的替代特征代替。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是等同或相似特征的通用系列的一个示例。还应注意，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。本发明不限于前述实施方式的细节。本发明延展到如此披露的本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的一个特征或任何新颖的组合，或任何方法或工艺的步骤的任何新颖的一个步骤或任何新颖的组合。