Узел крепления измерительных труб в корпусе вибрационного измерительного устройства Российский патент 2022 года по МПК G01F1/84 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности для измерения параметров жидких сред (например, плотности, расхода), протекающих под высоким давлением (до 100 МПа). Такие рабочие давления возникают, например, при цементировании глубоких скважин цементными растворами высокой плотности до 2,2 кг/дм.куб.

Известен узел крепления измерительных труб в корпусе вибрационного измерительного устройства, а именно, плотномера высокого давления (WO2008059262), состоящий из делителя потока, соединенного сваркой встык с измерительными трубами. Сварная сборка подвергается термообработке для снятия напряжения на сварных швах: собранный плотномер нагревают при температуре 900-1000 °F на 4 часа. Делители потока и измерительные трубы выполнены из легированной стали с твердостью 270-301 HB (по Бринеллю). Корпус выполнен из углеродистой стали с твердостью 100-400 HB. Его недостатком является неработоспособность узла при давлениях до 100 Мпа. Изготовление измерительных труб достаточной прочности для работы при таком давлении требует увеличение толщины стенок, что приводит к снижению точности и чувствительности измерений. Кроме того, его недостатками являются повышенная металлоемкость изготовления монолитных делителей потока с наплывами, выполняющих функцию отсечных элементов с переходными элементами. Требуются сложные операции по изготовлению монолитных делителей потока из массивных цилиндрических заготовок и сварка для формирования однородного по толщине и по физическим свойствам сварного шва. Возможно изготовление делителей потока и измерительных труб из титановых сплавов. Но это существенно снижает технологичность изготовления, поскольку детали из титановых сплавов характеризуются сложностью изготовления.

Титановые сплавы имеют меньший модуль упругости по сравнению с простыми и нержавеющими сплавами, коэфф. линейного расширения от температуры почти в 2 раза ниже чем у нержавеющей стали, удельный вес титановых сплавов 4,5 г/см.куб ниже удельного веса нержавеющей стали 7,8 г/см.куб. Такое сочетание свойств позволяет получать измерительную часть вибрационного прибора с характеристиками недостижимыми для измерительной части, выполненной из нержавеющей стали. Но высокая стоимость титановых сплавов приводит к высокой стоимости прибора, в случае его изготовления целиком из титановых сплавов.

Известен узел крепления измерительных труб в корпусе вибрационного измерительного устройства, работающего при давлениях до 100 МПа (по патенту RU 198129, выбран в качестве прототипа), состоящий из делителя потока, в котором при помощи сварки или вальцовки закреплены измерительные трубы. На измерительных трубах установлен отсечной элемент в виде массивного диска с отверстиями, который может быть вплотную установлены к делителю потока. Делитель потока соединен сваркой с корпусом измерительного устройства. Его недостатками являются то, что для обеспечения прочности при высоких давлениях измерительные трубки должны быть выполнены толстостенными, из высокоуглеродистых сталей, сварка которых осложнена необходимостью предварительного разогрева сопрягаемых деталей в печи до температуры 600 градусов Цельсия и плавного снижения температуры после выполнения сварки. Эта особенность сварки высокоуглеродистых сталей приводит к искажению первоначальной геометрии трубок, не параллельности осей трубок, снижению прочностных характеристик материала трубок в зоне термического влияния сварного шва (перекристаллизация, неоднородность свойств). Всё это, в том числе остаточные напряжения в трубках, сильно снижают вибрационные характеристики прибора, в частности стабильность резонансной частоты, что сказывается на чувствительности трубок к изменению плотности. Закрепление концов измерительных труб в монолитном делителе потока, имеющем одно выходное отверстие и криволинейные каналы, вальцовкой, технологически невозможно.

Технической задачей изобретения является создание узла крепления измерительных труб в корпусе вибрационного измерительного устройства, работающего при высоком давлении (до 100 МПа), характеризующегося технологичностью изготовления.

Техническим результатом изобретения является повышение допустимого рабочего давления в узле крепления измерительных труб в корпусе вибрационного измерительного устройства и повышение чувствительности за счёт улучшения соотношения массы жидкости внутри измерительных труб к массе измерительных труб. Кроме того, повышается технологичность его изготовления.

Технический результат достигается в узле крепления измерительных труб в корпусе вибрационного измерительного устройства (далее, также - узел крепления), включающем делитель потока и торцовый элемент, выполненные из нержавеющей стали, соединённые при помощи неразъёмного соединения. Под нержавеющей сталью здесь понимается сплав в котором, кроме железа и углерода, присутствуют легирующие компоненты хром, никель, молибден. Измерительные трубы выполнены из титанового сплава, снабжены общим фланцем и закреплены в торцовом элементе винтовым соединением с общим фланцем и развальцовкой измерительных труб. Под титановым сплавом здесь понимается сплав содержащий от 90% массовых частей титана. В качестве легирующих элементов могут быть такие элементы как: алюминий, олово, марганец, цирконий, ванадий, молибден, вольфрам, тантал, ниобий. Общий фланец выполнен с возможностью установки на внутреннем выступе цилиндрического корпуса измерительного устройства. Измерительные трубы и общий фланец соединены сваркой. Общий фланец выполнен в виде пластины с отверстиями для измерительных труб. Торцовый элемент имеет кольцевые проточки для вальцовки измерительных труб. Измерительные трубы вальцуются в торцовый элемент с формированием конического расширения на концах труб.

Изобретение поясняется рисунками:

фиг. 1 - узел крепления измерительных труб в корпусе вибрационного измерительного устройства (разрез);

фиг. 2 - общий фланец;

фиг. 3 - измерительное устройство в сборе с узлами крепления.

Узел крепления включает делитель потока 1 с проходными каналами 2 для рабочей среды, совмещаемыми при сборке с измерительными трубами 3 и торцовый элемент 4. Торцовый элемент 4 и делитель потока 1 выполнены из нержавеющей стали и соединены при помощи неразъёмного соединения, например, сваркой 5.

Измерительные трубы 3 выполнены из титанового сплава и снабжены общим фланцем 6, который также может быть выполнен из титанового сплава, в таком случае, измерительные трубы 3 и общий фланец 6 могут быть соединены сваркой. Общий фланец 6 выполнен в виде пластины с отверстиями для измерительных труб 3.

Измерительные трубы 3 закреплены в торцовом элементе 4 винтовым соединением 5 с общим фланцем 6 и развальцовкой в нем измерительных труб 3. Торцовый элемент 4 может быть выполнен с кольцевыми проточками 7 для более надежной вальцовки участков измерительных труб 3, помещенных в торцовый элемент 4, как показано на фиг.1. Измерительные трубы 3 вальцуются в торцовый элемент 4 с формированием конического расширения на концах измерительных труб 3.

Общий фланец 6 выполнен с возможностью установки на внутреннем выступе 8 цилиндрического корпуса 9 измерительного устройства. Стальной делитель потока 1 соединяется со стальным корпусом 9 измерительного устройства кольцевой сваркой 11.

На фиг. 3 показано измерительное устройство в сборе (вибрационный расходомер), имеющее в составе корпус 9 с закрепленными в нем двумя делителями потока 1, две параллельные измерительные трубы 3 с элементами возбуждения и приема колебаний. Входной делитель потока 1 оснащен датчиком давления 10.

Расходомер изготавливают следующим образом.

На пару измерительных труб 3 с двух сторон присоединяют общие фланцы 6 и торцовые элементы 4. Общие фланцы 6 крепятся к торцовым элементам 4 группой винтов 13. После этого выполняются сварочные швы 12 между измерительными трубами 3 и общими фланцами 6, с наддувом аргона внутрь измерительных труб 3 для защиты от окисления внутренней поверхности сварного шва на титановой измерительной трубе 3. После этих операций и остывания зоны сварного шва проводится вальцовка концов измерительных труб 3 в торцовый элемент 4. Под давлением вальцовки металл измерительных труб 3 заполняет кольцевые проточки 7 внутри торцовых элементов 4 причем общие фланцы 6 приваренные к измерительным трубам 3 и закрепленные группой винтов 13 в торцовом элементе 4 создают условия для невозможности течения металла в момент вальцовки в направлении оси измерительной трубы 3 и таким образом обеспечивают постоянство линейного размера между противоположными торцовыми элементами 4. В этих условиях под действием давления вальцовки, металл измерительных труб 3 течет только в двух направлениях, в радиальном направлении, заполняя кольцевые проточки 7 и в осевом направлении формируя конические расширения на входе в измерительную трубу 3, обеспечивая максимальный уплотняющий эффект между измерительными трубами 3 и торцовыми элементами 4.

В следующей операции, делители потока 1 совмещаются с торцовыми элементами 4, таким образом, чтобы проходные каналы 2 внутри делителей потока 1 совпали с полостями измерительных труб 3, после чего происходит выполнение сварочного шва 5 между делителем потока 1 и торцовым элементом 4. В момент выполнения сварочного шва 5 между делителем потока 1 и торцовым элементом 4, через полости измерительных труб 3 и делителя потока 1 прокачивается охлаждающая жидкость, которая уносить избытки тепла из зоны вальцовочного соединения и сохраняет достигнутый уровень натяга между поверхностями измерительных труб 3 и торцовыми элементами 4.

В следующей операции общая сборка, содержащая измерительные трубы 3, торцовые элементы 4 и приваренные к ним делители потока 1 вставляются в цилиндрический корпус 9 таким образом, чтобы общий фланец 6 вошел в плотный контакт с внутренним выступом 8 цилиндрического корпуса 9. Следующая операция заключается в выполнении сварного шва 11 между делителем потока 1 цилиндрическим корпусом 9. После выполнения сварного шва 11 вся сборка проходит испытания прессовкой избыточным давление. Осевые силы от действия давления, внутри полости измерительных труб 3 и проходных каналов 2 внутри делителя потока 1 разряжаются в внутренний выступ 8 и кольцевой сварной шов 11, обеспечивая целостность конструкции прибора под избыточным давлением. Таким образом, наличие общего фланца 6 приваренного к измерительным трубам 3 и одновременно закрепленного группой винтов 13 к торцовому элементу 4 создает условия для эффективной вальцовки, (заполнение материалом труб 3 кольцевых проточек 7 внутри торцового элемента 4) и сохранения линейных размеров сборки позволяет плотно фиксировать общие фланцы 6 между внутренними выступами 8 цилиндрического корпуса 9 что в свою очередь после выполнения кольцевого шва 11 создает условия для замыкания всех осевых усилий возникающих в конструкции от действия избыточного давления, между внутренним выступом 8 цилиндрического корпуса 9 и кольцевым швом 11 между делителем потока 1 и цилиндрическим корпусом 9. Именно эта совокупность конструктивных элементов и последовательность технологических операций (вальцовка, сварка) позволяет использовать в конструкции вибрационного прибора в качестве измерительных труб 3 титановые трубы, а в качестве торцового элемента 4, делителя потока 1, цилиндрического корпуса 9 нержавеющую сталь.

Титан, благодаря своим физическим и технологическим характеристикам позволяет получить вибрационные приборы с недостижимыми для приборов из нержавеющей стали характеристиками, такими как рабочее давление (до 100 МПа) и точность измерения плотности и расхода. При этом, обеспечивается технологичность изготовления узла крепления измерительных труб в корпусе вибрационного измерительного устройства. Удельный вес титана 4,5 г/см.куб. позволяет получать более точные показания по плотности и расходу за счет большего диапазона изменений отношения удельных весов измерительной трубки и измеряемой среды. Меньшее значение модуля упругости титана , по отношению к модулю упругости нержавеющей стали, приводит к меньшей жесткости измерительной трубки из титана при равных сочетаниях диаметров и толщины стеки у такой же измерительной трубки выполненной из нержавеющей стали, что в свою очередь позволяет получать более чувствительную и устойчивую колебательную систему. Коэффициент линейного температурного расширения титана почти в 2 раза ниже коэффициента линейного температурного расширения нержавеющей стали, что приводит к меньшим значениям напряжений в материале измерительной трубы, что в свою очередь снижает необходимость в мероприятиях по термо-компенсации измерительной трубы .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности для измерения параметров жидких сред (например, плотности, расхода), протекающих под высоким давлением (до 100 МПа). Такие рабочие давления возникают, например, при цементировании глубоких скважин цементными растворами высокой плотности, до 2,2 кг/дм. куб. Технической задачей является создание узла крепления измерительных труб в корпусе вибрационного измерительного устройства, работающего при высоком давлении (до 100 МПа), характеризующегося технологичностью изготовления. Узел крепления измерительных труб в корпусе вибрационного измерительного устройства включает делитель потока и торцовый элемент, выполненные из нержавеющей стали, соединённые при помощи неразъёмного соединения. Измерительные трубы выполнены из титанового сплава, снабжены общим фланцем и закреплены в торцовом элементе винтовым соединением с общим фланцем и развальцовкой измерительных труб. Общий фланец выполнен с возможностью установки на внутреннем выступе цилиндрического корпуса измерительного устройства. Измерительные трубы и общий фланец соединены сваркой. Общий фланец выполнен в виде пластины с отверстиями для измерительных труб. Торцовый элемент имеет кольцевые проточки для вальцовки измерительных труб. Измерительные трубы вальцуются в торцовый элемент с формированием конического расширения на концах труб. Технический результат - повышение допустимого рабочего давления в узле крепления измерительных труб в корпусе вибрационного измерительного устройства и повышение чувствительности за счёт улучшения соотношения массы жидкости внутри измерительных труб к массе измерительных труб, повышение технологичности его изготовления. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Узел крепления измерительных труб в корпусе вибрационного измерительного устройства, включающий делитель потока и торцовый элемент, выполненные из нержавеющей стали, соединённые при помощи неразъёмного соединения, измерительные трубы, снабженные общим фланцем, выполненные из титанового сплава и закрепленные в торцовом элементе винтовым соединением общего фланца с торцевым элементом и развальцовкой в нём измерительных труб.

2. Узел крепления по п.1, характеризующийся тем, что общий фланец выполнен с возможностью установки на внутреннем выступе цилиндрического корпуса измерительного устройства.

3. Узел крепления по п.1, характеризующийся тем, что измерительные трубы и общий фланец соединены сваркой.

4. Узел крепления по п.1, характеризующийся тем, что общий фланец выполнен в виде пластины с отверстиями для измерительных труб.

5. Узел крепления по п.1, характеризующийся тем, что торцовый элемент имеет кольцевые проточки для вальцовки измерительных труб.

6. Узел крепления по п.1, характеризующийся тем, что измерительные трубы вальцуются в торцовый элемент с формированием конического расширения на концах.