CN105697850B - 高可靠性水下闸阀执行机构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于油气田开发领域，具体地，涉及一种高可靠性水下闸阀执行机构。高可靠性水下闸阀执行机构，包括：阀杆，阀盖，复位弹簧，执行机构缸筒，执行机构活塞杆，活塞，执行机构缸筒末端挡圈，转换机构，执行机构连接杆，液压软管，末端堵头，末端连接杆，所述的阀盖、执行机构缸筒、末端堵头、轴承端盖依次采用固定连接形成中空的壳体，阀杆、复位弹簧、执行机构活塞杆、活塞、执行机构缸筒末端挡圈构成了主系统液压执行机构；转换机构、执行机构连接杆、液压软管、末端连接杆构成了备用系统螺纹传动执行机构。当主系统出现故障时，备用系统立即启用。有益效果：本发明出色的完成对阀门开闭动作的驱动控制，同时大大提高了执行机构的可靠性。

Description

高可靠性水下闸阀执行机构
技术领域
本发明属于油气田开发领域，具体地，涉及一种高可靠性水下闸阀执行机构。
背景技术
水下闸阀是重要的水下开采设备，是水下采油树与水下管汇上的重要部件。目前常见的水下闸阀执行机构为液压执行机构，其工作原理是通入压力油液，液压力推动活塞并压缩复位弹簧，活塞带动阀杆推动闸板实现阀门的开启；保持液压力不变，阀门则处于常开状态；当撤去压力油液时，作用在活塞上的液压力消失，活塞在复位弹簧的作用下回复到初始位置，同时带动阀杆和闸板回到初始位置，实现阀门的关闭。
目前，水下闸阀存在如下问题：由于水下闸阀工作于海底油田，出现故障进行维修十分困难，且维修周期较长，很多时候需要使水下采油生产系统停产，严重影响了水下油气田开采的正常进行；于是，目前水下油气开采对水下闸阀执行机构的可靠性提出了更高要求，希望在工作年限内少维修甚至不出维修，从而保证水下油气开采工作的正常连续进行。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种高可靠性水下闸阀执行机构，创新性地对现有主流的液压执行机构进行机械结构改进，加入了一套能独立运行的螺纹传动执行机构作为备用系统，大大提高了水下闸阀执行机构的可靠性。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种高可靠性水下闸阀执行机构，其特征在于：包括阀杆，阀盖，密封堵头，第一六角头螺栓，大复位弹簧，小复位弹簧，第一弹簧支座，执行机构缸筒，第二弹簧支座，活塞，圆螺母，执行机构缸筒末端挡圈，转换机构，第一推力球轴承，第二推力球轴承，末端堵头，轴承端盖，第二六角头螺栓，末端连接杆，所述的阀盖、执行机构缸筒、末端堵头、轴承端盖依次采用固定连接形成中空的壳体，所述的执行机构缸筒末端挡圈将由阀盖、执行机构缸筒、末端堵头、轴承端盖固定连接形成的中空壳体隔断为两个空腔部分，所述的阀杆、密封堵头、大复位弹簧、小复位弹簧、第一弹簧支座、执行机构缸筒、执行机构活塞杆、第二弹簧支座、活塞、圆螺母、执行机构缸筒末端挡圈设置在阀盖、执行机构缸筒、执行机构缸筒末端挡圈形成的空腔内，构成了液压执行机构系统，所述的转换机构、末端连接杆设置在由执行机构缸筒、末端堵头、轴承端盖、执行机构缸筒末端挡圈形成的空腔内，构成了螺纹传动执行机构系统，所述的阀盖与执行机构缸筒采用第一六角头螺栓连接，所述的阀盖与密封堵头采用螺纹连接，所述的阀杆与执行机构活塞杆采用T形槽连接，所述的液压软管与执行机构连接杆、末端堵头采用液压软管接头连接，所述的执行机构连接杆与末端连接杆采用螺纹连接，所述的活塞与执行机构活塞杆采用圆螺母、圆螺母用止动垫圈连接，所述的圆螺母与执行机构活塞杆采用螺纹连接，所述的执行机构缸筒与执行机构缸筒末端挡圈采用螺纹连接，所述的末端堵头与执行机构缸筒采用螺纹连接，所述的末端堵头与轴承端盖采用第二六角头螺栓连接。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：与现有常用的液压执行机构相比，能出色的完成对阀门开闭动作的驱动与控制，同时具有更高的可靠性，更低的维修维护率，当主液压执行机构工作出现故障时，作为备用系统的螺纹传动执行机构立即启用，继续实现阀门的开闭动作，大大提高了水下闸阀执行机构的可靠性。
附图说明
图1：高可靠性水下闸阀执行机构整体结构示意图；
图2：阀盖密封放大图；
图3：转换机构放大图；
图4：执行机构末端密封放大图；
图5：液压执行机构工作至阀门行程终点示意图；
图6：螺纹传动执行机构工作至阀门行程终点示意图。
符号说明
1.阀杆，2.阀盖，3.第一导向环，4.第一密封圈，5.阀盖密封，6.第二密封圈，7.第一铜制挡圈，8.密封堵头，9.第一六角头螺栓，10.第一O形密封圈，11.第二导向环，12.大复位弹簧，13.小复位弹簧，14.第一弹簧支座，15.第一液压油通道，16.执行机构缸筒，17.执行机构活塞杆，18.第二弹簧支座，19.第二O形密封圈，20.第三导向环，21.第三密封圈，22.第四密封圈，23.活塞，24.执行机构缸筒末端挡圈，25.第四导向环，26.转换机构，27.执行机构连接杆，28.液压软管，29.液压软管接头，30.第一推力球轴承，31.第二推力球轴承，32.第四O形密封圈，33.末端堵头，34.第五O形密封圈，35.轴承端盖，36.第六O形密封圈，37.第二六角头螺栓，38.执行机构末端密封，39.末端连接杆，40.第一压力油入口，41.第二压力油入口，42.圆螺母，43.第三O形密封圈，44，第三液压油通道，45.第二铜制挡圈，61.第七O形密封圈，261.柱头销，262.螺堵，263.第一压缩弹簧，264.锥头销，265.第二压缩弹簧，266.第八O形密封圈，267.第九O形密封圈，268.销孔，269.第二液压油通道，421.圆螺母用止动垫圈。
具体实施方式
如图1-6所示，高可靠性水下闸阀执行机构，包括：阀杆(1)，阀盖(2)，密封堵头(8)，第一六角头螺栓(9)，大复位弹簧(12)，小复位弹簧(13)，第一弹簧支座(14)，执行机构缸筒(16)，第二弹簧支座(18)，活塞(23)，圆螺母(42)，执行机构缸筒末端挡圈(24)，转换机构(26)，第一推力球轴承(30)，第二推力球轴承(31)，末端堵头(33)，轴承端盖(35)，第二六角头螺栓(37)，末端连接杆(39)，所述的阀盖(2)、执行机构缸筒(16)、末端堵头(33)、轴承端盖(35)依次采用固定连接形成中空的壳体，所述的执行机构缸筒末端挡圈(24)将由阀盖(2)、执行机构缸筒(16)、末端堵头(33)、轴承端盖(35)固定连接形成的中空壳体隔断为两个空腔部分，所述的阀杆(1)、密封堵头(8)、大复位弹簧(12)、小复位弹簧(13)、第一弹簧支座(14)、执行机构活塞杆(17)、第二弹簧支座(18)、活塞(23)、圆螺母(42)、执行机构缸筒末端挡圈(24)设置在阀盖(2)、执行机构缸筒(16)、执行机构缸筒末端挡圈(24)形成的空腔内，构成了液压执行机构系统，所述的转换机构(26)、末端连接杆(39)设置在由执行机构缸筒(16)、末端堵头(33)、轴承端盖(35)、执行机构缸筒末端挡圈(24)形成的空腔内，构成了螺纹传动执行机构系统，所述的执行机构缸筒(16)与执行机构缸筒末端挡圈(24)采用螺纹连接，所述的末端堵头(33)与执行机构缸筒(16)采用螺纹连接，所述的末端堵头(33)与轴承端盖(35)采用第二六角头螺栓连接。
优选的，所述的阀盖(2)一端与阀体采用法兰连接，阀盖的所述一端上开有8个螺栓孔，另一端与执行机构缸筒(16)采用第一六角头螺栓(9)连接，共采用了8个第一六角头螺栓(9)，与执行机构缸筒(16)连接的一侧开有阶梯孔，阶梯孔内依次设置有第一密封圈(4)、第二密封圈(6)、第一铜制挡圈(7)、密封堵头(8)，组成了阀盖密封，实现阀体内部压力油液的密封，所述的阀盖(2)与阀杆(1)接触处开有导向槽，导向槽里设置有第一导向环(3)，从而减少阀盖(2)与阀杆(1)之间的摩擦磨损，所述的阀盖(2)与密封堵头(8)采用螺纹连接，所述的密封堵头(8)与阀杆(1)接触处开有导向槽，导向槽里设置有第二导向环(11)，从而减少密封堵头(8)与阀杆(1)之间的摩擦磨损，所述的密封堵头(8)与阀盖(2)采用螺纹连接，并与阀盖(2)接触面间设置有一定的补偿间隙，所述的阀盖(2)与执行机构缸筒(16)接触端面上开有密封沟槽，密封沟槽里设置有第一O形密封圈(10)，从而实现执行机构的端面密封，所述的阀盖(2)与第一弹簧支座(14)接触，从而作为第一弹簧支座(14)的支撑。
优选的，所述的转换机构(26)包括执行机构活塞杆(17)，执行机构连接杆(27)，液压软管接头(29)，柱头销(261)，螺堵(262)，第一压缩弹簧(263)，锥头销(264)，第二压缩弹簧(265)，第八O形密封圈(266)，第九O形密封圈(267)，销孔(268)，第二液压油通道(269)，所述的执行机构活塞杆(17)为阶梯状，第一段阶梯设有中空方孔，方孔较长边两侧开有一排均匀间隔的销孔(268)，用于圆柱销(261)与锥头销(264)工作时插入，第二段阶梯开有螺纹，用于圆螺母(42)安装使用，第三段阶梯则开有T形槽，用于连接阀杆(1)，所述的执行机构连接杆(27)为阶梯状，中部阶梯直径最大，一侧为圆柱阶梯，开有长度超过水下闸阀行程两倍的螺纹，另一侧为方形阶梯，内部开有第二液压油通道(269)，并与液压软管接头(29)连接，从而接引液压油进入转换机构(26)，端部开有阶梯孔，阶梯孔内设置有柱头销(261)、螺堵(262)、第一压缩弹簧(263)、锥头销(264)、第二压缩弹簧(265)、第八O形密封圈(266)、第九O形密封圈(267)，所述的执行机构活塞杆(17)与执行机构连接杆(27)通过转换机构(26)实现连接与脱离，所述的螺堵(262)与执行机构连接杆(27)采油螺纹连接，所述的液压软管接头(29)与执行机构连接杆(27)采用螺纹连接。
优选的，所述的阀杆(1)两端均开有T形槽，一端与闸板连接，另一端与执行机构活塞杆(17)连接，所述的阀杆(1)设有一个阶梯，阶梯面为锥面，锥面与阀盖(2)上的锥面定位接触，从而实现阀门开闭动作的行程控制。
优选的，所述的大复位弹簧(12)、小复位弹簧(13)设置在执行机构缸筒(16)内，且位于第一弹簧支座(14)、第二弹簧支座(18)之间，所述的第一弹簧支座(14)套在阀杆(1)上，且第一弹簧支座(14)套在执行机构缸筒(16)内，所述的小复位弹簧(13)、大复位弹簧则依次套在第一弹簧支座(14)与阀杆(1)上，所述的第二弹簧支座(18)套在执行机构缸筒(16)内，第二弹簧支座(18)与活塞(23)接触，所述的活塞(23)与执行机构活塞杆(17)采用圆螺母(42)、圆螺母用止动垫圈(421)连接，所述的圆螺母(42)与执行机构活塞杆(17)采用螺纹连接。
优选的，所述的执行机构缸筒(16)为中空圆柱结构，一端与阀盖(2)连接，另一端与末端堵头(33)采用螺纹连接，所述的执行机构缸筒(16)与末端堵头(33)接触面开有密封沟槽，密封沟槽内设置有第四O形密封圈(32)，从而实现端面密封，所述的执行机构缸筒(16)开有第一液压油通道(15)，所述第一液压油通道(15)呈折线形，连通液压油与执行机构缸筒(16)内活塞腔，所述的执行机构缸筒(16)内腔为阶梯状，最大阶梯腔内设置有阀杆(1)、密封堵头(8)、大复位弹簧(12)、小复位弹簧(13)、第一弹簧支座(14)、执行机构缸筒(16)、执行机构活塞杆(17)、第二弹簧支座(18)、活塞(23)、圆螺母(42)、执行机构缸筒末端挡圈(24)，构成了液压执行机构系统，第二阶梯腔内则设置有转换机构(26)、末端连接杆(39)，构成了螺纹传动执行机构系统。
优选的，所述的末端连接杆(39)为阶梯状，中部阶梯两侧设置有第一推力球轴承(30)、第二推力球轴承(31)，所述的末端连接杆(39)一端开有螺纹孔，与执行机构连接杆(27)采用螺纹连接，另一端与液压马达连接。
优选的，所述的末端堵头(33)为阶梯状，小阶梯圆柱面上开有螺纹，所述的末端堵头(33)与轴承端盖(35)接触，接触面上开有密封沟槽，密封沟槽内设置有第五O形密封圈(34)，所述的末端堵头(33)与执行机构缸筒(16)采用螺纹连接，所述的末端堵头(33)与轴承端盖(35)采用第二六角头螺栓(37)连接，所述的末端堵头(33)与液压软管接头(29)采用螺纹连接，所述的末端堵头(33)开有第三液压油通道(44)，所述第三液压油通道(44)接通液压油进入与执行机构相通的液压软管，所述的末端堵头(33)开有阶梯通孔，所述阶梯通孔依次设置有第一推力球轴承(30)、末端连接杆(39)、第二推力球轴承(31)、第二铜制挡圈(45)、轴承端盖(35)。
上述的高可靠性水下闸阀执行机构工作原理与操作方法说明如下：
(1)高可靠性水下闸阀执行机构包括两套执行机构，一套是主系统液压执行机构，另一套是备用系统螺纹传动执行机构；水下闸阀安装到水下生产系统中，正常工作时，采用主系统液压执行机构进行水下闸阀开闭动作的驱动与控制；当液压执行机构出现故障时，立即启用备用系统螺纹传动执行机构，从而继续实现对阀门开闭动作的驱动与控制。
(2)主系统液压执行机构工作：液压油从第一压力油口进入液压油通道，从而将液压油引入活塞、执行机构缸筒、执行机构缸筒末端挡圈形成的活塞腔内，液压油则推动活塞运动，活塞则带动阀杆伸出，同时压缩大复位弹簧和小复位弹簧，阀杆则带动闸板运动，实现阀门的开启动作；保持液压油不变，阀门则处于常开状态；当撤去液压油时，作用于活塞上的液压力消失，大复位弹簧、小复位弹簧则带动活塞回弹，从而带动阀杆回缩，阀杆则带动闸板回位，从而实现阀门的关闭动作。
(3)备用系统螺纹传动执行机构工作：当主系统液压执行机构在阀门开启过程中出现故障，首先液压油从第二压力油入口进入第三压力油通道，经由液压软管进入第二压力油通道，从而进入转换机构；液压油则作用在柱头销的底面和锥头销的锥面，将柱头销和锥头销的销头推入销孔中，并同时压缩第一压缩弹簧和第二压缩弹簧，从而实现执行机构活塞杆与执行机构连接杆的固连；而后，与末端连接杆相连的液压马达得到液压油，并正向转动，从而带动末端连接杆转动；末端连接杆与执行机构连接杆采用螺纹连接，且通过结构限制执行机构连接杆无法转动，于是末端连接杆转动带动了执行机构连接杆往外伸出，从而带动执行机构活塞杆往外伸出，执行机构活塞杆则带动阀杆、闸板向外伸出，从而继续实现阀门的开启动作；当主系统液压执行机构在阀门关闭过程中出现故障，先固连执行机构活塞杆和执行机构连接杆，过程与上述相似，只是液压马达得到反向液压油，并反向转动，从而带动末端连接杆反向转动，末端连接杆则带动执行机构连接杆回缩，从而带动执行机构活塞杆、阀杆、闸板一同回缩，从而继续实现阀门的关闭动作；备用系统螺纹传动执行机构是能够完全独立运行的，在主系统没有出现故障的情况下，停机主系统或直接启用螺纹传动执行机构也能实现水下闸阀正常的开闭动作。

Claims (7)

1.高可靠性水下闸阀执行机构，其特征在于：包括阀杆(1)，阀盖(2)，密封堵头(8)，第一六角头螺栓(9)，大复位弹簧(12)，小复位弹簧(13)，第一弹簧支座(14)，执行机构缸筒(16)，第二弹簧支座(18)，活塞(23)，圆螺母(42)，执行机构缸筒末端挡圈(24)，转换机构(26)，第一推力球轴承(30)，第二推力球轴承(31)，末端堵头(33)，轴承端盖(35)，第二六角头螺栓(37)，末端连接杆(39)，所述的阀盖(2)、执行机构缸筒(16)、末端堵头(33)、轴承端盖(35)依次采用固定连接形成中空的壳体，所述的执行机构缸筒末端挡圈(24)将由阀盖(2)、执行机构缸筒(16)、末端堵头(33)、轴承端盖(35)固定连接形成的中空壳体隔断为两个空腔部分，所述的阀盖(2)与执行机构缸筒(16)采用第一六角头螺栓(9)连接，所述的阀盖(2)与密封堵头(8)采用螺纹连接，所述的阀杆(1)与执行机构活塞杆(17)采用T形槽连接，液压软管(28)与执行机构连接杆(27)、末端堵头(33)采用液压软管接头(29)连接，所述的执行机构连接杆(27)与末端连接杆(39)采用螺纹连接，所述的圆螺母(42)与执行机构活塞杆(17)采用螺纹连接，所述的执行机构缸筒(16)与执行机构缸筒末端挡圈(24)采用螺纹连接，所述的末端堵头(33)与执行机构缸筒(16)采用螺纹连接，所述的末端堵头(33)与轴承端盖(35)采用第二六角头螺栓连接，所述的执行机构缸筒(16)内腔为阶梯状，最大阶梯腔内设置有阀杆(1)、密封堵头(8)、大复位弹簧(12)、小复位弹簧(13)、第一弹簧支座(14)、执行机构缸筒(16)、执行机构活塞杆(17)、第二弹簧支座(18)、活塞(23)、圆螺母(42)、执行机构缸筒末端挡圈(24)，构成了液压执行机构系统，第二阶梯腔内则设置有转换机构(26)、末端连接杆(39)，构成了螺纹传动执行机构系统；所述的转换机构(26)包括执行机构活塞杆(17)，执行机构连接杆(27)，液压软管(28)，液压软管接头(29)，柱头销(261)，螺堵(262)，第一压缩弹簧(263)，锥头销(264)，第二压缩弹簧(265)，第八O形密封圈(266)，第九O形密封圈(267)，销孔(268)，第二液压油通道(269)，所述的执行机构活塞杆(17)为阶梯状，第一段阶梯设有中空方孔，方孔较长边两侧开有一排均匀间隔的销孔(268)，第二段阶梯开有螺纹，第三段阶梯则开有T形槽，所述的执行机构连接杆(27)为阶梯状，中部阶梯直径最大，一侧为圆柱阶梯，开有长度超过水下闸阀行程两倍的螺纹，另一侧为方形阶梯，内部开有第二液压油通道(269)，并与液压软管接头(29)连接，接引液压油进入转换机构(26)，端部开有阶梯孔，柱头销(261)、螺堵(262)、第一压缩弹簧(263)、锥头销(264)、第二压缩弹簧(265)、第八O形密封圈(266)、第九O形密封圈(267)设置在阶梯孔内，所述的执行机构活塞杆(17)与执行机构连接杆(27)连接，所述的螺堵(262)与执行机构连接杆(27)采用螺纹连接，所述的液压软管接头(29)与执行机构连接杆(27)采用螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的高可靠性水下闸阀执行机构，其特征在于：阀盖(2)一端与阀体采用法兰连接，阀盖的所述一端上开有8个螺栓孔，另一端与执行机构缸筒(16)连接，阀盖的所述另一端上开有8个螺栓孔，与执行机构缸筒(16)连接的一侧开有阶梯孔，阶梯孔内依次设置有第一密封圈(4)、第二密封圈(6)、第一铜制挡圈(7)、密封堵头(8)，所述的阀盖(2)与阀杆(1)接触处开有导向槽，导向槽里设置有第一导向环(3)，所述的密封堵头(8)与阀杆(1)接触处开有导向槽，导向槽里设置有第二导向环(11)，所述的密封堵头(8)与阀盖(2)采用螺纹连接，并与阀盖(2)接触面间设置有一定的补偿间隙，所述的阀盖(2)与执行机构缸筒(16)接触端面上开有密封沟槽，密封沟槽里设置有第一O形密封圈(10)，所述的阀盖(2)与第一弹簧支座(14)接触，接触面支撑着第一弹簧支座(14)。
3.根据权利要求1所述的高可靠性水下闸阀执行机构，其特征在于：阀杆(1)两端均开有T形槽，一端与闸板连接，另一端与执行机构活塞杆(17)连接，所述的阀杆(1)设有一个阶梯，阶梯面为锥面，锥面与阀盖(2)上的锥面定位接触。
4.根据权利要求1所述的高可靠性水下闸阀执行机构，其特征在于：大复位弹簧(12)、小复位弹簧(13)设置在执行机构缸筒(16)内，且位于第一弹簧支座(14)、第二弹簧支座(18)之间，所述的第一弹簧支座(14)套在阀杆(1)上，且第一弹簧支座(14)套在执行机构缸筒(16)内，所述的小复位弹簧(13)、大复位弹簧则依次套在第一弹簧支座(14)与阀杆(1)上，所述的第二弹簧支座(18)套在执行机构缸筒(16)内，第二弹簧支座(18)与活塞(23)接触。
5.根据权利要求1所述的高可靠性水下闸阀执行机构，其特征在于：执行机构缸筒(16)为中空圆柱结构，一端与阀盖(2)连接，另一端与末端堵头(33)采用螺纹连接，所述的执行机构缸筒(16)与末端堵头(33)接触面开有密封沟槽，密封沟槽内设置有第四O形密封圈(32)，所述的执行机构缸筒(16)开有第一液压油通道(15)，所述第一液压油通道(15)呈折线形，连通液压油与执行机构缸筒(16)内活塞腔。
6.根据权利要求1所述的高可靠性水下闸阀执行机构，其特征在于：末端连接杆(39)为阶梯状，中部阶梯两侧设置有第一推力球轴承(30)、第二推力球轴承(31)，所述的末端连接杆(39)一端开有螺纹孔，与执行机构连接杆(27)采用螺纹连接，另一端与液压马达连接。
7.根据权利要求1所述的高可靠性水下闸阀执行机构，其特征在于：末端堵头(33)为阶梯状，小阶梯圆柱面上开有螺纹，所述的末端堵头(33)与轴承端盖(35)接触，接触面上开有密封沟槽，密封沟槽内设置有第五O形密封圈(34)，所述的末端堵头(33)与执行机构缸筒(16)采用螺纹连接，所述的末端堵头(33)与轴承端盖(35)采用第二六角头螺栓(37)连接，所述的末端堵头(33)与液压软管接头(29)采用螺纹连接，所述的末端堵头(33)开有第三液压油通道(44)，所述第三液压油通道(44)接通液压油进入与执行机构相通的液压软管，所述的末端堵头(33)开有阶梯通孔，所述阶梯通孔依次设置有第一推力球轴承(30)、末端连接杆(39)、第二推力球轴承(31)、第二铜制挡圈(45)、轴承端盖(35)。
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