CN103429911B - 海底致动系统 - Google Patents

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Abstract

一种海底钻井、生产或者处理致动系统，其包括适于被供以电流的可变速的电动马达（10），由马达驱动的可逆式液压泵（8，28），与泵连接且包括第一腔室（2）、第二腔室（3）和将第一及第二腔室分开且被构造成致动海底系统中的阀（91）的活塞（4）的液压活塞组件（92，101，111，121，131），连接泵和液压活塞组件的流体贮存器（14），泵、液压活塞组件和贮存器连接在基本封闭的液压系统中，以及压力补偿器（13，65），该补偿器被构造成使液压系统外部与液压系统内部之间的压力差正常化。

Description

海底致动系统
技术领域
本发明总体上涉及海底钻井、处理和生产设备领域，更具体地涉及用于这种设备的改进的海底致动系统。
背景技术
在海底油气勘探中，钻井系统或者井口可能位于海平面下数千英尺。因此要使用特殊设备在海床上钻井、生产和处理油气，诸如海底采油树、处理系统、分离器、高完整性管线保护系统、钻头、集管、连接系统以及生产和分配系统。这种设备一般通过多种阀进行控制，其中包括防喷阀，以阻止碳化氢意外排放到海洋中。
就已有系统而言，通常通过从海面船只向下给井口提供加压的液压流体对这些阀进行液压操作。来自海面船只或者钻架的大型液压功率管线供给海床钻井、生产和处理设备，以及很多具有阀和致动器的子系统。然而，这种管线在安装和维护方面较为昂贵，且在某些场合下可能不适用，诸如在超过10,000英尺的深度上或者在北极圈冰盖下。
因此，希望提供一种致动器，其不需要这种来自水面的脐带连接，且仍然能够在期望的作用力和功能性下工作。
发明内容
括号内是供参考的公开实施例的相应部件、部分或表面，仅用于说明性而非限制性目的，本发明提供了一种海底钻井、生产或者处理致动系统，其包括适于被供以电流的可变速的电动马达（10），由马达驱动的可逆式液压泵（8，28），与泵连接且包括第一腔室（2）、第二腔室（3）和将第一及第二腔室分开且被构造成致动海底系统中的阀（91）的活塞（4）的液压活塞组件（92，101，111，121，131），连接泵和液压活塞组件的流体贮存器（14），泵、液压活塞组件和贮存器连接在基本封闭的液压系统中，以及压力补偿器（13，65），该补偿器被构造成使液压系统外部与液压系统内部之间的压力差正常化。
该海底系统可以进一步包括故障安全机构（98）。该故障安全机构可以包括弹簧元件（36），其沿第一方向偏压活塞。该故障安全机构可以包括故障安全阀（35），其位于第一腔室和第二腔室之间或者位于第二腔室和贮存器之间，且该故障安全阀可以被设置成在出现电力故障时打开，从而允许活塞两侧的第一和第二腔室中的流体压力均衡。故障安全机构可以包括两级致动器。
海底系统可以进一步包括位于泵和液压活塞组件之间的过滤器。
电动马达可以包括无电刷式DC马达，或者可以选自由步进马达、换向器马达和感应式马达构成的组。液压泵可以选自由固定排量泵、可变排量泵、双端口泵和三端口泵构成的组。泵可以包括双端口泵（8）或者三端口泵（28）。活塞可以包括暴露于第一腔室的第一表面积和暴露于第二腔室的第二表面积。第一表面积（4c）可以与第二表面积（4b）基本相同。第一表面积（4a）可以明显不同于第二表面积（4b）。
液压活塞组件可以包括具有第一端壁（1b）的圆筒体（1）和第一致动杆（5），其中活塞设在圆筒体中以沿圆筒体作密封式滑动，杆（5）连接活塞以随活塞运动且具有密封地穿过第一端壁的部分。圆筒体可以具有第二端壁（1a），液压活塞组件可以包括第二致动杆（5a），其与活塞连接以随活塞运动且具有密封地穿过第二端壁的部分。
阀可以包括海底防喷器中的截止阀，且该截止阀可以包括剪切闸板。该阀可以包括海底生产或者处理系统中的控制阀。
压力补偿器可以包括流体贮存器（13）中的隔膜（15）。压力补偿器可以包括圆筒体壳体（66）中的活塞（67）。
该阀可以位于选自由海底防喷器、海底生产树或者井口系统、海底处理或分离系统、海底连接系统、海底阻流器、海底流动模块或者海底分配系统构成的组中的组件中。海底系统可以进一步包括阻塞阀，其可操作地设置成选择性地将泵与第一和第二腔室隔离。海底系统可以进一步包括位置传感器（40），其被构造成检测活塞位置。海底系统可以进一步包括压力传感器（41，42），其被构造成检测第一或第二腔室中的压力。
附图说明
图1是操作海底油处理管线中的阀的海底致动系统的故障安全实施例的组件图；
图2是图1中示出的海底致动系统的第一实施例的详细示意图，该视图示出具有防气泡形式的不等活塞面积；
图3是图1中示出的海底致动系统的第二实施例的详细示意图，该视图示出弹簧故障安全形式；
图4是图1中示出的海底致动系统的第三实施例的详细示意图，该视图示出相等活塞面积和双杆形式；
图5是图1中示出的海底致动系统的第四实施例的详细示意图，该视图示出三端口泵形式；
图6是图2中所示活塞组件的横截面图；
图7是图2中所示双向泵的横截面图；
图8是图2中所示可变速的伺服电动马达的横截面图；
图9是图2中所示贮存器和补偿器的横截面图；
图10是图9中所示贮存器和补偿器的替换实施例的横截面图。
具体实施方式
首先，应当清楚地认识到，当借助整个书面说明书对元件、部分或者表面作进一步描述或解释时，类似的附图标记旨在标识所有附图中相同的结构元件、部分或表面，其中该具体实施方式部分为整个书面说明书的一体部分。除非特别指出，这些附图期望与说明书一同进行阅读（例如截面线、部件结构、比例、角度等），且应被视为本发明的整个书面说明书的一部分。当在下列描述中出现时，术语“水平”、“竖直”、“左”、“右”、“上”和“下”及其形容和副词衍生词（例如“水平地”、“向右地”、“向上地”等）只是指示当该特定附图面向读者时所示结构的方位。类似地，术语“向内地”和“向外地”通常指表面相对其延伸轴或旋转轴（视情况而定）的方位。
现在参见附图，更具体地参见其图1，本发明广义上提供了一种用于海底阀的海底致动系统，其实施例用90标示。如图1中所示，组件90适于致动海底处理阀91或者海底环境中其它类型的阀或者类似部件。图1示出了控制阀结构，其具有保护弹簧组件的压力补偿罐。在该实施例中，海底流体（诸如油或者气）通过处理阀91进行计量，且通过海底致动器系统90生成计量阀91所需要的作用力，该系统90包括活塞致动器组件92、集成的双向泵8、可变速的双向伺服电动马达10、电动马达控制器95、流体逻辑元件/止回阀96、贮存器/补偿器13、以及弹簧故障安全组件98。根据设计要求，弹簧故障安全组件98将在失去动力时，在关闭故障或者打开故障情况下驱动处理阀91。马达控制器95包括用于联通马达10的驱动电子器件，并且从系统中的传感器处接收反馈及相应地控制马达10。
图2示出了海底致动系统的实施例100。如图所示，系统100包括可变速的电动马达10、由马达10驱动的双向或可逆式泵8、液压活塞组件101、具有系统流体箱14的系统压力补偿的贮存器13、向马达10的控制器95提供反馈的压力传感器41和42，以及向马达控制器95提供反馈的位置传感器40。泵8、活塞组件101和箱14通过多个液压流管线6、7、12、17、19和20连接以形成封闭的流体系统。
如图8中进一步详细示出的那样，在该实施例中，马达10为无电刷式直流变速伺服马达，其被供以电流。马达10具有带永磁铁的内部转子50和带线圈绕组的固定不旋转的定子51。当电流被恰当地施加通过定子51的线圈时，引发磁场。定子51和转子50之间的磁场相互作用产生力矩，其可使输出轴52旋转。在马达的这个实施例中，不存在转换定子场的机械刷。根据分解器53的角位置反馈，驱动电子器件生成和转换定子场以改变马达10的速度和方向。因此，马达10将选择性地以变化的速度关于轴线x-x沿一个方向将力矩施加在轴52上，并且将以变化的速度关于轴线x-x沿相反方向将力矩施加在轴52上。作为替换可以使用其它马达。例如可以使用可变速的步进马达、换向器马达或感应式马达。
如图7中进一步详细示出的那样，在该实施例中，泵8为固定排量的双向内部双端口齿轮泵。泵送元件（即齿轮55和56）能够沿任一方向旋转，从而允许液压流体沿任一方向47或48流动。当系统控制器关闭位置或压力控制回路时，这允许使油加入和离开系统。齿轮55的轴连接马达10的输出轴52，另一泵齿轮56也是如此。流体被引导流向齿轮55和56的外部，位于齿轮55和56的外齿轮齿与壳体57之间。因此，齿轮55沿顺时针方向46的旋转导致流体沿一个方向48流动，从端口8a进且从端口8b出。齿轮55沿逆时针方向45的旋转导致流体沿相反方向47流动，从端口8b进且从端口8a出。因此，泵8的流动方向取决于转子50和输出轴52关于轴线x-x的旋转方向。此外，泵8的速度和输出可以随着马达10的速度的变化而变化。作为替换也可以使用其它双向泵。例如可以使用可变排量泵。
如图9中进一步详细示出的那样，在该实施例中，贮存器13包括用于流体系统的囊式压力补偿器。如图所示，贮存器13通过弹性囊或隔膜15被分成两个体积可变的腔室14和16。腔室16通过端口60与海水相通，腔室14通过端口61用作系统流体的液压贮存器，且通过囊15关于外部环境16实现密封和压力平衡。当系统流体被排出时，囊15将移动并且在另一侧将腔室16中的水排出。囊15容易移动并且确保内部流体与系统外部环境水压基本相等。
图10示出了一种用于贮存器14的替换的活塞式压力补偿器。如图所示，其工作大体与囊式相同，除了腔室14中的系统流体与腔室16中的水之间的屏障为可滑动地设在圆筒形壳体66内的活塞67之外。当系统流体被排出时，活塞67将移动并且在另一侧排出腔室16中的水。活塞67在壳体66中移动以确保内部流体与系统外部环境水压基本相等。
如图2和图6中所示，活塞组件101包括以可滑动的方式设在圆筒形壳体1内的活塞4。马达10、泵8、阀及管线、以及补偿器13典型地被集成在壳体1中。杆5被安装在活塞4上以便随着活塞4移动，并且向右延伸和以密封的方式穿过壳体1的右端壁1b。活塞4以可滑动的方式设在圆筒体1内，并且以密封的方式将左腔室2与右腔室3分开。在该实施例中，几乎所有的活塞4的朝向左侧的圆形竖直端面4a均朝向左腔室2。然而，只有活塞4的环形的朝向右侧的竖直端面4b向右面向右腔室3，其源于增加了穿过腔室3和外部壳体1的杆5。这形成了不等活塞面积构造，其中面4a的表面积大于面4b的表面积。
如图2中所示，泵8的一侧或端口8a通过流体管线6与左腔室2联通，泵8的另一侧或端口8b通过流体管线7与右腔室3联通。泵8的一侧8a通过流体管线12与箱14联通，泵8的另一侧8b通过流体管线17与箱14联通。腔室3通过管线7和17与箱13联通，腔室2通过管线6和12与箱13联通。
当双向马达10沿第一方向旋转，从而使双向泵8（即驱动的齿轮55）沿第一方向46旋转和通过端口8b从管线7和腔室3抽出流体时，活塞4将向右侧延伸或移动。驾驶员操作的止回阀11通过因泵8到管线6的输出而在管线20中建立的压力被打开，其允许额外从管线12和贮存器14中抽出流体。双向泵8还通过端口8a将流体输出到管线6中，关闭止回阀9且因此将管线6与贮存器14隔离。管线6中的流体流入组件101的腔室2，从而在活塞4上建立压力差且导致它使杆5向右侧延伸。
当双向马达10沿另一方向旋转，从而使双向泵8沿方向45旋转和通过端口8a从管线6和腔室2抽出流体时，活塞4将收回杆5或者向左移动。驾驶员操作的止回阀9通过因泵8到管线7的输出而在管线19中建立的压力被打开，其允许额外的流体从管线6流入系统压力补偿的贮存器14。双向泵8还从端口8b将流体输出到管线7中，关闭止回阀11且因此将管线7与贮存器14隔离。管线7中的流体流入组件101的腔室3，从而在活塞4上建立压力差且导致它将杆5收回。
这种去气泡构造的作用是解决相对腔室2和3之间的体积差。例如，当活塞4在圆筒体1内向左移动时，从塌缩的左腔室2中移除的流体体积将大于提供给膨胀的右腔室3的流体体积。
控制器95按照恰当的幅度和方向控制马达10上的电流。杆5的位置通过位置传感器40进行监视，且该位置信号随后被反馈给马达控制器95。作为补充或者替换，通向腔室2和3的管线6和7中的压力分别借助压力传感器41和42进行监视，且该压力信号被反馈给马达控制器95。通过改变作用于活塞4上的流和压力，可变速的双向马达10和泵8控制活塞4、继而杆5的速度和作用力。这通过查看位置传感器40和/或压力传感器41和42的反馈且随后通过相应调节马达10的速度和方向关闭控制回路来实现。尽管位置传感器40被示出为磁致伸缩线性位置传感器，但是也可以使用其它位置传感器。例如，作为替换可以使用LVDT位置传感器。
图3中示出了另一实施例110。该实施例包括故障安全机构98，如图1所示，用于必须关闭阀91（诸如在紧急状况下）的时候。在该实施例中，弹簧36被提供用于将杆5偏压向延伸位置。泵8的一侧或端口8a通过流体管线6联通左腔室2，泵8的另一侧或端口8b通过流体管线7联通右腔室3。泵8的一侧8a通过流体管线22联通箱14，泵8的另一侧8b不包括通向箱14的流体管线。分流流体管线21连接管线6和7，且因此连接腔室1和3，并且在管线21中设有电磁操作的阀35。泵8、活塞组件111和箱14通过多个液压流管线6、7、21和22连接以形成封闭的流体系统。当处于正常操作中时，激励阀35，因此阀35的状态为堵塞端口，从而阻断借助管线21的腔室2和3之间的流动。然而，电磁阀可以受到弹簧的偏压以将阀35移至打开位置。
当双向马达10沿第一方向旋转，从而使双向泵8沿第一方向45旋转和通过端口8b从管线7和腔室3抽出流体时，活塞4将移动以使杆5延伸。双向泵8还将流体输出到管线6和箱14中。由于腔室2始终连接箱14，因此弹簧36朝向右侧推动活塞4以使杆5延伸。
当双向马达10沿另一方向旋转，从而使双向泵8沿另一方向46旋转和通过端口8a从管线6抽出流体时，活塞4将左移以将杆5收回。双向泵8也将流体输出到管线7和腔室3中。由于腔室2始终连接贮存器14，因此来自腔室3的压力与弹簧36之间的活塞作用力差使活塞4左移且将杆5收回。
同样地，可变速的双向马达10和泵8通过利用来自位置传感器40和/或压力传感器41和42的反馈改变作用于活塞4上的流和压力且随后通过相应调节马达10的速度和方向关闭控制回路来控制活塞4的速度和作用力。
当阀35被去激励（诸如处于紧急无电力情况下）时，电磁阀35的弹簧将使它返回打开位置。在这种状态下，腔室3通过管线21连接腔室2和贮存器14，从而使腔室2和3中的压力均等。由于现在活塞4两侧上的流体压力均等，弹簧36将使杆5延伸，阀91将在流体从腔室3被转移时关闭。因此，不管泵8的输出，弹簧36将使杆5延伸和关闭阀91。必要时，系统可以进行类似地设置以在活塞收回位置上提供故障安全。
图4中示出了另一实施例120。该实施例与图2中示出的实施例类似，但是具有双杆和相同面积的活塞组件121。如图所示，活塞4包括安装在活塞4上的彼此相对的杆5a和5b，用于与活塞4一同移动。杆5b向右伸出且穿过壳体1的右端壁1b。杆5a向左伸出且穿过壳体1的左端壁1a。在该实施例中，由于添加了通过腔室2的杆5a，活塞4的朝左的环形竖直端面4c朝向左腔室2，由于延伸通过腔室3和外部壳体1的杆5b，活塞4的朝右的环形竖直端面4b朝向右腔室3。由于杆5a和5b具有相同直径，这形成相同活塞面积的构造，其中面4c的表面积与面4b的表面积基本相同。泵8、活塞组件121和箱14通过多个液压流管线6、7、12和17连接以形成封闭的流体系统。
当马达10沿第一方向旋转，从而使双向泵8沿第一方向45旋转和通过端口8b从管线7和腔室3抽出流体时，活塞4将向右移动以使杆5b伸出和将杆5a收回。泵8还将流体输出到管线6和腔室2中，从而在活塞4上建立压力差且导致它使杆5b延伸和将杆5a收回。
当双向马达10沿另一方向旋转，从而使双向泵8沿方向46旋转和通过端口8a从管线6和腔室2抽出流体时，活塞4将向左移动以收回杆5b和使杆5a延伸。双向泵8还将流体输出到管线7和腔室3中，从而在活塞4上建立压力差且导致它将杆5b收回和使杆5a延伸。
同样地，可变速的双向马达10和泵8通过利用来自位置传感器40和/或压力传感器41和42的反馈改变作用于活塞4上的流和压力且随后通过相应调节马达10的速度和方向关闭控制回路来控制活塞4的速度和作用力。
图5中示出了另一实施例130。该实施例与图2中示出的实施例类似，但是具有三端口泵28。在该实施例中，使用三端口泵28而非双端口泵8，且该3端口输入与输出构造比与活塞面积4a/4b比相匹配。泵28的第三端口28c通过管线18与箱14连接。泵8、活塞组件131和箱14通过多个液压流管线6、7、12、17和18连接以形成封闭的流体系统。
当双向马达10沿第一方向旋转，从而使双向泵8沿第一方向45旋转并且通过端口28b从管线7和腔室3以及通过端口28c从管线18和贮存器14抽出流体时，活塞4将向右移动以使杆5伸出。双向泵8还从端口28a将流体输出到管线6中，关闭止回阀9且因此将管线6与贮存器14隔离。管线6中的流体流入腔室2，从而在活塞4上建立压力差且导致它使杆5延伸。
当双向马达10沿另一方向旋转，从而使双向泵28沿另一方向46旋转并且通过端口28a从管线6和腔室2抽出流体时，活塞4将向左移动以将杆5收回。双向泵28从端口28c将流体输出到管线18和12及贮存器14中并且还从端口28b将流体输出到管线7中，关闭止回阀11且因此将管线7与贮存器14隔离。管线7中的流体流入腔室3，从而在活塞4上建立压力差且导致它将杆5收回。
同样地，可变速的双向马达10和泵8通过利用来自位置传感器40和/或压力传感器41和42的反馈改变作用于活塞4上的流47和48以及压力且随后通过相应调节马达10的速度和方向关闭控制回路来控制活塞4的速度和作用力。
止回阀9和11将打开以补偿因有关外部环境的致动器泄漏导致的系统流体改变或者因明显的热量变化引起的系统流体体积改变。尽管未示出，但是可以在泵8与腔室2和3之间的流体管线中安装过滤器单元。
致动系统100提供很多好处。意外地，系统100提供足以满足海底环境和海底系统的苛刻要求的致动力，其中所述海底系统由于油气发生不可控释放的危险而需要严格的标准和功能性水平。系统100允许速度可变的控制，以及在致动器运动范围内对致动器位置的完全控制。系统100的运作独立于与海平面相关联的液压系统，且为封闭系统，其具有自包含的液压供应和返回进入端口以及有效的流体污染和泄漏问题。当系统未处于使用状态下时不需要电力，这使得效率得到改善。系统100还提供了对成本、重量或者可靠性冲击最小的故障安全特征。
本发明设想可以进行很多改变和修改。因此，尽管改进的海底致动系统的实施例已被示出和描述，且讨论了多种替换方式，但是本领域技术人员将容易认识到，可以进行各种另外的改变和修改，同时不背离由下列权利要求限定和区分的本发明的精神。

Claims (24)

1.一种海底钻井、生产或者处理致动系统，包括：
适于被供应电流的变速电动马达；
由所述马达驱动的可逆式可变速液压泵；
液压活塞组件，其与所述液压泵连接且包括第一腔室、第二腔室和将所述第一和第二腔室分开且被构造成以变化速度致动海底系统中的阀的活塞；
连接到所述液压泵和所述液压活塞组件的流体贮存器；
所述液压泵、所述液压活塞组件和所述流体贮存器连接在基本封闭的液压系统中；以及
压力补偿器，其被构造成使所述液压系统外部与所述液压系统内部之间的压力差正常化。
2.如权利要求1所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其还包括故障安全机构。
3.如权利要求2所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述故障安全机构包括沿第一方向偏压所述活塞的弹簧元件。
4.如权利要求3所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述故障安全机构包括位于所述第一腔室和所述第二腔室之间或者位于所述第二腔室和所述流体贮存器之间的故障安全阀，其中所述故障安全阀被布置成在出现动力故障时打开以允许所述活塞两侧的所述第一和第二腔室中的流体压力均衡。
5.如权利要求2所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述故障安全机构包括两级致动器。
6.如权利要求1所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，还包括位于所述液压泵和所述液压活塞组件之间的过滤器。
7.如权利要求1所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述电动马达包括无电刷式DC伺服马达。
8.如权利要求1所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述变速电动马达选自由步进马达、换向器马达和感应式马达构成的组。
9.如权利要求1所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述液压泵选自由固定排量泵、可变排量泵、双端口泵和三端口泵构成的组。
10.如权利要求1所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述液压泵包括双端口或者三端口泵。
11.如权利要求1所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述活塞包括暴露于所述第一腔室的第一表面积和暴露于所述第二腔室的第二表面积。
12.如权利要求11所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述第一表面积与所述第二表面积基本相同。
13.如权利要求11所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述第一表面积明显不同于所述第二表面积。
14.如权利要求1所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述液压活塞组件包括：
具有第一端壁的圆筒体，其中所述活塞布置在所述圆筒体中以沿所述圆筒体密封地滑动；以及
第一致动杆，其连接至所述活塞以随所述活塞运动且具有密封地穿过所述第一端壁的部分。
15.如权利要求14所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述圆筒体具有第二端壁，所述液压活塞组件包括第二致动杆，所述第二致动杆连接至所述活塞以随所述活塞运动且具有密封地穿过所述第二端壁的部分。
16.如权利要求1所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述阀包括海底防喷器中的截止阀。
17.如权利要求16所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述截止阀包括剪切闸板。
18.如权利要求1所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述阀包括海底生产或者处理系统中的控制阀。
19.如权利要求1所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述压力补偿器包括所述流体贮存器中的隔膜。
20.如权利要求1所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述压力补偿器包括壳体中的活塞。
21.如权利要求1所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其中所述阀位于选自由海底防喷器、海底生产树或者井口系统、海底处理或分离系统、海底连接系统、海底阻流器、海底流动模块或者海底分配系统构成的组中的组件中。
22.如权利要求1所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其还包括可操作地布置成选择性地将所述液压泵与所述第一和第二腔室隔离的阻塞阀。
23.如权利要求1所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其还包括被构造成感测所述活塞的位置的位置传感器。
24.如权利要求1所述的海底钻井、生产或者处理致动系统，其还包括被构造成感测所述第一和第二腔室中的压力的压力传感器。
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