CN109312887A - 内联循环保险件 - Google Patents
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Abstract
***(10)和预测压力容器(12)即将发生的失效的方法,包括压力容器(12)、流体源(16)、耦接到压力容器(12)和流体源(16)的管线(14)、设备(18)、传感器(24)和控制器(26)。设备(18)包括管道(36)和容纳结构(40)。容纳结构(40)包括通过管道(36)的管道壁(44)的一部分与管道(36)的内部分开的腔(38)。传感器(24)被配置为用于确定腔(38)中的物理特性的值。控制器(26)与传感器(24)进行信号通信并且被配置为用于检测该值的变化。该方法包括确定腔(38)中的物理特性的第一值,经历管道壁(44)的失效,确定腔(38)中的物理特性的第二值以及检测第一值与第二值之间的差。
Description
背景技术
压力容器通常用于在压力下容纳各种气体或流体,例如诸如氢、氧、天然气、氮、丙烷和其他燃料。通常,压力容器可以是任何尺寸或配置。例如,容器可以是重的或轻的、单次使用的(例如,一次性的)、可重复使用的、经受高压(例如大于50psi)、低压(例如小于50psi)或用于在升高温度或低温温度下存储流体。
合适的压力容器壳体材料包括金属,诸如钢;或者复合材料,其可以由缠绕的玻璃纤维丝或其他合成丝的层压层形成,通过热固性或热塑性树脂结合在一起。衬里或囊通常设置在压力容器壳体内以密封容器,从而用作流体渗透屏障。
通常,压力容器具有有限的寿命,并且希望在其失效之前从服务中移除压力容器,因为失效可能是灾难性的并且导致损坏或损伤。循环疲劳和静态疲劳(应力破裂)两者都会导致压力容器的疲劳载荷并且从而导致失效。压力容器的日历寿命或在特定压力范围(例如,从接近空压力到全压力)下的疲劳循环次数通常用于确定何时从服务中移除容器。然而,在一些应用中,施加到压力容器的压力范围和循环次数是不一致的和/或未知的。此外,循环疲劳寿命与静态疲劳寿命之间的相互作用不太清楚。循环的影响以未知的方式与压力容器在没有循环的情况下在全压力下度过的持续时间的影响结合。
容器寿命的数学预测通常用于评估压力容器的疲劳寿命。这需要计算或估计循环次数,然后按平均应力水平和应力范围排序(分类)。将这些循环结合到相等数量的全范围循环中以估计剩余的容器寿命。然后必须确定如何将该信息与静态疲劳相结合。在循环的计算和估计中、在结合循环效应中以及在评估压力容器的总寿命和剩余寿命中,不确定因素是固有的。
发明内容
在一个方面,该公开描述了一种***,包括压力容器、流体源、耦接到压力容器和流体源的管线、设备、传感器和控制器。设备包括管道和容纳(防护)结构。管道具有管道壁,其中管道被配置为用于流体连接到管线。容纳结构包括通过管道壁的一部分与管道的内部分开的腔。传感器被配置为用于确定腔中的物理特性的值。控制器与传感器进行信号通信,并且被配置为用于检测该值的变化。
在另一方面,该公开描述了一种预测压力容器即将发生的失效的方法。该方法包括经由管线将压力容器流体地连接到增压流体的源,以及将设备流体地连接到在压力容器与源之间的管线。设备包括管道和容纳结构。管道具有管道壁,其中管道被配置为用于流体连接到管线。容纳结构包括通过管道壁的一部分与管道的内部分开的腔。该方法还包括确定在容纳结构的腔中的物理特性的第一值,经历允许流体从管道的内部流入腔中的管道壁的失效,确定腔中的物理特性的第二值,以及检测第一值和第二值之间的差。
该公开,在其各种组合中,无论以设备形式还是方法形式,也可以以下面列出的项目为特征:
1.一种***,包括:
压力容器;
流体源;
管线,耦接到压力容器和到流体源;
设备,包括:
管道,具有管道壁,其中管道被配置为用于流体连接至管线;以及
容纳结构,包括通过管道壁的一部分与管道的内部分开的腔;
传感器,被配置为用于确定腔中的物理特性的值;以及
控制器,与传感器进行信号通信并被配置为用于检测该值的变化。2.项目1的***,其中,物理特性选自由压力、温度、声发射、传导率、电阻、电容、光学(旋光,光导)和物质浓度组成的组。
3.项目1-2中任一项的***,还包括与控制器进行信号通信的指示器。4.项目1-3中任一项的***,还包括设置在流体源与压力容器之间的阀。5.项目4的***,其中,阀与控制器进行信号通信。
6.项目1-5中任一项的***,还包括薄弱部,该薄弱部位于管道壁的一部分上,并且被配置成使得管道壁在薄弱部处失效,以允许流体从管道的内部流入容纳结构的腔中。
7.一种预测压力容器即将发生的失效的方法,该方法包括:
经由管线将压力容器流体地连接到增压流体的源;
将设备流体地连接到管线,在压力容器与源之间,该设备包括:
管道,具有管道壁,其中管道被配置为用于流体连接到管线;以及
容纳结构,包括通过管道壁的一部分与管道的内部分开的腔;
确定容纳结构的腔中的物理特性的第一值;
经历允许流体从管道的内部流入腔的管道壁的失效;
确定腔中的物理特性的第二值;以及
检测第一值与第二值之间的差。
8.项目7的方法,还包括确定该差是否超过预定的阈值差。
9.项目8的方法,还包括:
确定该差超过预定的阈值差;以及
将信号中继(传递、转发)至用户。
10.项目8-9中任一项的方法,还包括:
确定该差超过预定的阈值差;以及
关闭在源与压力容器之间的阀。
11.项目10的方法,其中,由控制器自动地完成关闭阀。
12.项目7-11中任一项的方法,其中,物理特性选自由压力、温度、声发
射、传导率、电阻、电容、光学和物质浓度组成的组。
13.项目7-12中任一项的方法,还包括校准管道壁的失效以在压力容器的估计的使用寿命的预定百分比处发生。
提供本发明内容是为了以简化的形式介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的概念。该发明内容不旨在确定所公开或要求保护的主题的关键特征或必要特征,并且不旨在描述每个公开的实施方式或所公开或要求保护的主题的每个实现方式。具体地,本文针对一个实施方式公开的特征可以同样适用于另一个。此外,该发明内容不旨在用作确定所要求保护的主题的范围的辅助。随着该描述的进行,许多其他新颖的优点、特征和关系将变得显而易见。随后的附图和描述更具体地例示了说明性实施方式。
附图说明
将参考附图进一步解释所公开的主题,其中在所有几个视图中,相同的结构或***元件由相同的附图标记表示。
图1示出了示例性***的示意图,该示例性***包括压力容器和与流体源串联耦接的示例性保险(熔断)件。
图2是示例性保险件的透视图。
图3是沿图2的线3-3截取的保险件的透视截面图。
图4是本公开的保险件的管道的第二示例性实施方式的透视截面图。
图5是在所公开的保险件中可使用的管道的第三示例性实施方式的透视截面图。
图6是在所公开的保险件中可使用的管道的第四示例性实施方式的透视截面图。
虽然上述限定的附图阐述了所公开主题的一个或多个实施方式,也可以预期其他实施方式,如该公开中所述。在所有情况下,该公开通过表示而非限制的方式呈现所公开的主题。应理解的是,本领域技术人员可以设计出许多其他的变型和实施方式,这些落入该公开的原理的范围和精神内。
这些图可以不按比例绘制。特别地,为了清楚起见,可以相对于其他特征放大一些特征。此外,在使用诸如上、下、正上、正下、顶、底、侧、右、左等的术语的情况下,应理解的是,它们仅用于便于理解该描述。可以想到的是,结构可以以其他方式定向。
具体实施方式
该公开认识到,需要预测容器失效,允许在容器失效之前抢先移除容器。在示例性实施方式中,保险件是与流体流一致地定位,例如,沿流动管线进入或离开压力容器。保险件被构建以安全地指示最大允许的循环载荷。在一个实施方式中,保险件包括容纳腔和小管道,其被刻划或机加工以具有薄弱部,诸如在行进通过容纳腔的管道的部分中的刻槽或凹口状缺陷部。在另一实施方式中,保险件包括管道,该管道形成有设计成在连接的压力容器的预期失效之前失效的材料和/或结构。流体通过管道流入和流出压力容器。在暴露于最大允许的循环载荷之后,由于压力循环的应力导致管道失效,诸如在缺陷部的位置处。当管道被破坏时,它会通向容纳腔,直到物理特性诸如腔的内部压力与管道的内部压力相匹配。腔中增加的压力可以用于触发警报,指示已达到最大循环载荷。此外,泄漏可以安全地传送到泄放***。因此,所公开的***和方法允许用户预测连接的压力容器的即将发生的失效。在示例性实施方式中,保险件被校准为在压力容器的估计的使用寿命的预定百分比处失效。
图1示出了压力容器失效指示器***10的示例性实施方式的示意图,其包括耦接(例如,以流体连通的方式)到管道诸如源管线14的压力容器12。源管线14可以是例如金属和/或聚合物管道或管件。压力容器12被配置为在压力下包含液体或气态流体并包括金属和/或复合构造。合适的金属包括例如不锈钢和镍合金。合适的复合材料包括例如玻璃纤维或碳纤维。源管线14允许压力容器12与增压流体的源16流体连通,其提供压力容器12填充的流体。阀34设置在源管线14上在流体源16与压力容器12之间。当阀34打开时,压力容器12和流体源16处于流体连通。相反地,当阀34关闭时,在流体源16与压力容器12之间没有流动发生。
在图示的实施方式中,保险件18相对于源16与压力容器12串联设置。然而,其他布置也可以是合适的。通常,压力容器12经由压力容器12的凸台13耦接到管线14,但是可以使用允许管线14中的流体选择性地流入和流出压力容器12的任何耦接机构。与示例性压力容器12的形成相关的细节在题为“Filament Winding Process and Apparatus;”的美国专利号4,838,971和题为“Filament Wound Vessels;”的美国专利号4,369,894中公开,这两个专利均通过引用并入本文。
在***10的示例性实施方式中,设备诸如保险件18可以被设计成具有预定的失效时间(例如,寿命预期持续时间),该预定的失效时间比压力容器12的预期的失效时间少一定量,其允许保险件18发出压力容器12即将发生的失效的信号。压力容器12的预期寿命持续时间可以由多个压力循环和/或在一个或多个静态压力下的持续时间来限定,例如,在压力容器18的结构完整性受到足够损害以引起失效之前。
如图3所示,保险件18的示例性实施方式包括管道36a,配置为用于流体连接到管道14,使得流过管道14的流体也流过管道36a。虽然管道36在图3-图5中示出为柱形管道,可以想到的是,也可以使用其他管路形式和形状。在示例性实施方式中,管道36a具有管道壁44a。至少一个薄弱部20,诸如刻槽或凹口,可以位于管道壁44a上。因此,在保险件18上的另一个位置处发生机械失效之前,该机械失效在薄弱部20处开始。在示例性实施方式中,在金属管道壁44中的精确深度处将薄弱部20刻划或机加工到管道36中。校准薄弱部20,使得管道壁44a在压力容器12失效之前断裂,诸如在压力容器的估计的使用寿命的预定百分比处。可以想到的是,可以使用任何薄弱部20,诸如,例如,具有不同的厚度、组成、结构、易腐蚀性或其他特性的管道壁44a的区域,使得薄弱部比保险件18的剩余部更易失效。
一个或多个传感器24可以位于保险件18中、在其上或连接到保险件,并且被配置为用于检测保险件18的一个或多个状况。例如,传感器24可以被配置为用于检测保险件18中的一个或多个物理状况,例如温度、压力、声发射、传导率或管道壁44的失效的任何其他指示,诸如在薄弱部20处。传感器24可以经由信号通信线路32连接到控制器26。
为了便于讨论,将参考计算机控制器26,例如,其可以包括已知的处理器、微处理器、微控制器和可编程逻辑控制器(PLC)。在示例性实施方式中,控制器26运行软件,从而与外部装置诸如传感器24、指示器28、阀34和任何其他外部装置经由信号通信线路32通信。在示例性实施方式中,这种信号通信可以被执行,经由接口(未示出),诸如使用标准RS-485/Modbus协议的接口,使用硬件连接的和/或无线通信装置。
控制器26接收来自传感器24关于物理状况的一个或多个感测值的信号,并运行软件(未示出),以根据一个或多个感测值确定管道36的失效是否已经发生。在示例性实施方式中,指示器28和阀34中的一者或两者与控制器26经由信号通信线路32进行信号通信。控制器26被配置为响应于源管线14的失效,例如,通过触发指示器28以将信号中继到用户和/或从服务中移除压力容器12。在一个实例中,触发指示器28包括发送来自控制器26的信号以致动可见的和/或可听到的信号或警报给用户,管道36处的源管线14的破坏。在另一实例中,将压力容器12从服务中移除包括将流体源16与压力容器12断开连接,诸如通过发送来自控制器26的信号以自动地关闭压力容器12与流体源16之间的阀34,从而阻止在流体源16与压力容器12之间的流体流动。另外或可替代地,压力容器12可以在失效的警报之前或之后手动地卸下或以其他方式从服务中移除,以进行检查。
参考图2和图3,在一些实施方式中,保险件18与源管线14一体地形成。在其他实施方式中,保险件18形成为单独的部件,其可以连接到源管线14的节段,诸如在紧固件22处,其在示例性实施方式中包括可螺旋地附接到轴30的垫圈和螺母。如图3所示,在示例性实施方式中,保险件18包括管道36a,具有在管道壁44a上形成的薄弱部20。流过源管线14的气体也流过管道36。校准薄弱部20的配置以及管道36a的材料,使得管道36a在穿过源管线14的预定的压力循环载荷下在薄弱部20处断裂,其中这样的预定的压力循环载荷被计算为反映附接到源管线14的压力容器12的预期的寿命持续时间。当管道36a在薄弱部20处失效时,在源管线14中流动的气体从管道36a的内部逸出到容纳结构40的腔38中。如图1和图2所示,传感器24连接到保险件18的腔38,诸如经由孔口42处的连接,以感测腔38中的一个或多个物理状况值。虽然示出了容纳结构40的特定配置,可以想到的是,容纳结构40在尺寸和形状上可以与所示的实施方式不同。然而,无论容纳结构40的配置如何,在源管线14与腔38之间的流体连通由管道36a诸如在薄弱部20处的破裂提供。虽然在图2和图3中出现了容纳结构40在孔口42处是敞开的,在示例性实施方式中,传感器24附接到保险件18,在孔口42处,诸如通过耦接件或其他已知连接件。
在示例性实施方式中,管道36的“失效”包括其破裂或较小的破坏,其导致从其大于阈值量的流体泄漏。这样的阈值量可以由用户设置,和/或由控制器26运行的软件确定,其考虑因素包括,例如,其值由一个或多个传感器24确定的感测的物理状况。传感器24被配置为用于确定腔38中的物理特性的值。物理特性的示例性值包括:例如,温度读数、压力值、传导率值、声发射波长或频率、和电容或电阻值、光学值以及物质浓度百分比。控制器26与传感器24经由信号通信线路32进行信号通信。控制器26接收来自传感器24的多个读数,例如诸如以定时的间隔,并且被配置为检测由传感器24检测到的值的变化。
在一个实例中,***10中的增压流体是低温流体。传感器24返回腔38的第一温度值和腔38的第二温度值。控制器26计算第一值与第二值之间的差。控制器26可以运行软件或以其他方式被编程以确定如果该差高于预定的阈值差,则管道壁44在薄弱部20处的破裂已经发生。在另一方法中,甚至更简单地,如果感测的温度值中的任一个低于或高于预定的一个或多个阈值温度值,则控制器26可以确定在保险件18处的失效已经发生。
在另一实例中,如果***10中的增压流体是氢,如果传感器24返回在容纳结构40的腔38中的氢的浓度值高于预定的阈值氢浓度,或物质浓度值中的差超过预定的阈值差,则控制器26可以确定源管线14的失效已经发生。在又一实例中,如果传感器24返回容纳结构40的腔38中的气体的压力值高于预定的阈值压力,或者测量的压力值中的差超过预定的阈值差,则控制器26可以确定源管线14的失效已经发生。由控制器26运行的软件还可以被编程为考虑由传感器24返回的物理状况值的任何组合,以确定源管线14的失效是否已经发生。
图4-图6示出了可用于保险件18的管道36的其他配置的示例性实施方式。如图4所示,在示例性实施方式中,管道36b包括管道壁44b,该管道壁可以由诸如聚合物的材料形成。环绕管道壁44b形成的外包装层46可以形成为丝缠绕的复合材料,其在组成和构造上可以类似于受保护的压力容器12的复合壳体材料。外包装层46以其组成和/或结构配置成在压力容器12的预期失效之前失效。与图3的管道36a不同,图4的管道36b没有离散点的薄弱部,而是沿管道壁44b和/或外包装层46在任何点处都可能失效。因此,与管道36b一起使用的容纳结构40可以包括更大的腔38,该腔包封紧固件22之间的管道36b的所有部分。如图4所示的管道36b对于预测压力容器12的复合壳体上的静态疲劳极限可以是最有用的。相比之下,在管道壁44a上具有离散的机加工的薄弱部20的图3的管道36a对于预测关于预定的数量的增压循环的失效可以是最有用的。
图5的管道36c结合了图3的管道36a和图4的管道36b的特征。在示例性实施方式中,与管道36b一起使用的容纳结构40将包括腔38a,该腔包围外部紧固件22之间的整个管道36c。预期的是,在使用中,在达到外包装层46的静态疲劳极限时管道壁44b将被破坏,其被校准为在压力容器12的复合壳体的失效的点之前。此外,预期的是,当在管道壁44a处已经经历了一定数量的增压循环时,管道壁44a将在薄弱部20处被破坏。因此,组合管道36c有效地保护压力容器12免受预期的静态疲劳和增压循环极限的影响。
如图6所示,管道36d在组成上类似于图4的管道36b。然而,管道壁44c和外包装层46c的结构形状不限于图3-图5中所示的管状结构。而是,如图6所示,管道36d可具有球形几何形状。此外,可以想到的是,还具有其他几何配置的管道36可以是合适的,并且本公开不限于特别示出的实施方式。此外,与图5一样,图6的管道36d也可以与类似于在其中形成有薄弱部20的管道壁44a的压力循环预测装置结合。与其他讨论的实施方式一样,可以想到的是,容纳结构40将围绕管道36d,并且可以配备有其他部件诸如以上所述的传感器24、控制器26、指示器28和信号通信线路32。
在一些实施方式中,管道36的几何形状可以用于在管道壁44c和/或外包装层46c中产生应力失效位置,其类似于管道壁44a的薄弱部20执行。
虽然所公开的具有不同管道36的保险件18已经被描述为包括容纳结构40,该容纳结构被配置为如参考图1的失效指示器***10所描述的那样运作,还可以设想,所公开的管道36可以另外地或可替代地与泄放***流体连通地放置。这种泄放***可以从压力容器12和/或流体源16安全且可控地释放增压流体,以防止流体的不受控制的释放或压力容器的破裂。
尽管已经参考几个实施方式描述了本公开的主题,本领域技术人员将认识到,在不脱离本公开的范围的情况下,可以在形式和细节上进行改变。此外,关于一个实施方式而公开的任何特征可以并入到另一个实施方式中,并且反之亦然。
Claims (13)
1.一种***,包括:
压力容器;
流体源;
管线,耦接到所述压力容器和所述流体源;
设备,包括:
管道,具有管道壁,其中所述管道被配置为用于流体连接至所述管线;以及
容纳结构,包括通过所述管道壁的一部分与所述管道的内部分开的腔;
传感器,被配置为用于确定所述腔中的物理特性的值;以及
控制器,与所述传感器进行信号通信并被配置为用于检测所述值的变化。
2.根据权利要求1所述的***,其中,所述物理特性选自由压力、温度、声发射、传导率、电阻、电容、光学和物质浓度组成的组。
3.根据权利要求1所述的***,还包括与所述控制器进行信号通信的指示器。
4.根据权利要求1所述的***,还包括设置在所述流体源与所述压力容器之间的阀。
5.根据权利要求4所述的***,其中,所述阀与所述控制器进行信号通信。
6.根据权利要求1所述的***,还包括薄弱部,所述薄弱部位于所述管道壁的所述一部分上,并且被配置成使得所述管道壁在所述薄弱部处失效,以允许流体从所述管道的内部流入所述容纳结构的所述腔中。
7.一种预测压力容器即将发生的失效的方法,所述方法包括:
经由管线将所述压力容器流体地连接至增压流体的源;
将设备流体地连接至所述管线,在所述压力容器与所述源之间,所述设备包括:
管道,具有管道壁,其中所述管道被配置为用于流体连接至所述管线;以及
容纳结构,包括通过所述管道壁的一部分与所述管道的内部分开的腔;
确定所述容纳结构的所述腔中的物理特性的第一值;
经历允许流体从所述管道的内部流入所述腔的所述管道壁的失效;
确定所述腔中的所述物理特性的第二值;以及
检测所述第一值与所述第二值之间的差。
8.根据权利要求7所述的方法,还包括确定所述差是否超过预定的阈值差。
9.根据权利要求8所述的方法,还包括:
确定所述差超过预定的阈值差;以及
将信号中继至用户。
10.根据权利要求8所述的方法,还包括:
确定所述差超过预定的阈值差;以及
关闭在所述源与所述压力容器之间的阀。
11.根据权利要求10所述的方法,其中,由控制器自动地完成关闭所述阀。
12.根据权利要求7所述的方法,其中,所述物理特性选自由压力、温度、声发射、传导率、电阻、电容、光学和物质浓度组成的组。
13.根据权利要求7所述的方法,还包括校准所述管道壁的失效以在所述压力容器的估计的使用寿命的预定百分比处发生。
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