CN109140026A - 一种全电式水下闸阀执行器 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋石油工程领域，具体涉及一种全电式水下闸阀执行器。该装置中升降杯连接阀杆并通过运动控制闸阀的开启和关闭；闸阀包括低功耗保持和安全关断状态。该装置采用电力驱动方式，有效地减小执行器的体积，降低执行器的生产成本，提升执行器的响应速度；采用电磁铁来驱动低功率锁紧保持机构，降低水下控制模块的控制线路需求，易于水下控制模块对其进行控制；采用凸轮机构，将径向力转化为周向力，有效地减小保持阀门开启状态所需的输出保持力，降低对于保持器件的要求，增加了机构实现的可行性及可靠性；通过同轴并联双弹簧装置实现闸阀的失效安全关断，在满足承载力的基础上有效地减小了执行器体积，使闸阀执行器结构更为紧凑。

Description

一种全电式水下闸阀执行器

技术领域

本发明属于海洋石油工程领域，具体涉及一种全电式水下闸阀执行器。

背景技术

随着油气勘探开发从浅海区逐渐向深海区拓展，全电式水下生产系统成为未来主要发展方向。水下闸阀和水下球阀是水下生产系统中经常使用的两种典型阀门，水下闸阀由于易满足系统压力要求，常作为全电式水下生产系统的通用部件，也是水下采油树和水下管汇系统的关键组成部件。全电式水下闸阀执行器作为其控制装置，基本功能是实现水下闸阀的开启或关闭，从而保证管路介质的流通或切断，其性能优劣直接关系到全电式水下生产系统的可靠性和安全性。目前，国内针对全电式水下生产系统及其通用部件的研究尚处于起步阶段，对全电式水下闸阀执行器的设计和研究几乎空白。

由于全电式水下闸阀执行器采用电力驱动，工作时一直处于开启状态，导致了大量的电力消耗，同时由于全电式水下控制模块控制线路的限制，否定了国外常用的离合电机保持方式，这就需要设计一种低功率锁紧保持机构实现阀门开启状态的锁紧保持。另外，全电式水下阀门执行器一般工作在深海区，一旦出现故障，人力很难维修，这就需要设计一种失效安全关断机构，实现水下闸阀执行器故障时的自动关闭功能。

因此，研究一种具备低功率保持及失效安全关断机构的高可靠性全电式水下闸阀执行器是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全电式水下闸阀执行器，该装置为克服现有技术存在的不足而提供的一种具备低功率锁紧保持及失效安全关断机构的高可靠性全电式水下闸阀执行器，可以通过电磁铁进行驱动机械锁紧机构完成低功耗锁紧保持，减少能耗；而且还可通过复位弹簧的自恢复机构实现失效安全关断，提高水下生产系统的安全性，并降低运维成本。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种全电式水下闸阀执行器，包括外壳体11、上阀体8、下阀体15，外壳体11、上阀体8、下阀体15采用螺钉联接组成一个整体；所述的下阀体15通过螺钉与闸阀组件19连接；所述的外壳体11中心位置开有圆孔，阀杆16从圆孔中穿过，阀杆16的一端与闸板18连接，另一端与升降杯23底端固连；所述的升降杯23位于下阀体15空腔之内，升降杯23顶端有放置复位弹簧的凹槽，升降杯23与外壳体11之间设置有内复位弹簧7和外复位弹簧24；内复位弹簧7和外复位弹簧24为并联双弹簧结构，升降杯23中心为方形盲孔；丝杠9底端安装在方形盲孔内；所述的丝杠9顶端与螺母4配合；所述的螺母4设置有凸台安装推力轴承6，螺母4顶端与减速器2固连，减速器2与电机1固连；所述的减速器2通过螺钉固定在减速器固定套3上；所述的上阀体8和下阀体15之间在外部设置有单向节流阀20及流体管路；上阀体8外侧布置有锁环14、锁环外套22、锁环外套上盖13和四个电磁铁10及电磁铁芯12；所述的锁环14上部设置有限位板，锁环14外侧的螺纹与锁环外套22内侧的螺旋凹槽配合，锁环外套22与锁环外套上盖13通过螺钉固连，电磁铁10通过螺钉固定在上阀体8上；上阀体8周向均布四个锁舌孔，安装四个锁舌21，锁舌21外侧弧面与锁环14内侧四个凸轮槽配合，锁舌21内侧上斜面通过斜面与升降杯23配合，电磁铁芯12下端与锁环外套上盖13用螺纹连接。

所述的升降杯23设置有圆柱型腔和锥形斜面，升降杯23下侧形状与下阀体15构成活塞机构。

所述的减速器固定套3、轴承套5、外壳体11、上阀体8与下阀体15通过螺钉连接，构成完整的外壳组件。

本发明有益效果在于：

(1)通过采用电力驱动方式，能够有效地减小执行器的体积，降低执行器的生产成本，提升执行器的响应速度；

(2)通过采用电磁铁来驱动低功率锁紧保持机构，有效地降低了水下控制模块的控制线路需求，易于水下控制模块对其进行控制；

(3)通过采用凸轮机构，将径向力转化为周向力，有效地减小了保持阀门开启状态所需的输出保持力，降低了对于保持器件的要求，增加了机构实现的可行性及可靠性。

(4)通过同轴并联双弹簧装置实现闸阀的失效安全关断，在满足承载力的基础上有效地减小了执行器体积，使闸阀执行器结构更为紧凑。

附图说明

图1为本发明在开启状态下主体结构布局示意图；

图2为本发明在关闭关断状态下主体结构布局示意图；

图3为本发明在失效安全关断状态下局部示意图；

图4为本发明在失效安全关断状态下剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步描述。

图中主要标号说明：1.电机，2.减速器，3.减速器固定套，4.螺母，5.轴承套，6.推力轴承，7.内复位弹簧，8.上阀体，9.丝杠，10.电磁铁，11.外壳体，12.电磁铁芯，13.锁环外套上盖，14.锁环，15.下阀体，16.阀杆，17.弧形密封体，18.闸板，19.闸阀，20.单向节流阀，21.锁舌，22.锁环外套，23.升降杯，24.外复位弹簧。

结合图1-4，阀杆16、弧形密封体17和闸板18组成的闸阀结构及电机1、减速器2、螺母4和丝杠9组成的传动机构是很常见的，故不属于本发明范围内。

本发明涉及一种全电式水下闸阀执行器，特别是涉及到一种全电式水下闸阀执行器的低功率保持及失效安全关断机构。本发明中的外壳体11、上阀体8、下阀体15采用螺钉联接方式组成一个整体，其中，外壳体11中心位置开有圆孔，以便阀杆16可以从中穿过并作竖直线性运动；上阀体8周向开有4个方孔，用于放置锁舌21；外壳体11与升降杯23之间设置有外复位弹簧24和内复位弹簧7；升降杯23中心为方形盲孔用于丝杠9在其中线性运动，升降杯23设置有圆柱型腔用于外复位弹簧24和内复位弹簧7的定位，升降杯23设有锥形斜面用于锁舌21锁紧时定位，升降杯23下侧形状与下阀体15构成活塞机构用于升降杯23失效关断时的软着陆，升降杯23下部与阀杆16螺纹固连，升降杯23在上阀体8、下阀体15内的空腔中竖直运动实现外复位弹簧24和内复位弹簧7的压缩和释放；上阀体8和下阀体15之间在外部设置有单向节流阀20及其流体管路。升降杯23的锥形斜面、锁舌21、锁环14、锁环外套22、锁环外套上盖13、电磁铁芯12、电磁铁10共同构成本发明的低功率保持机构。四个电磁铁10通过螺钉均布于上阀体8的外侧，电磁铁芯12下端与锁环外套上盖13采用螺纹连接，锁环外套上盖13通过螺钉固定于锁环外套22上方。锁环外套22内侧的螺旋凹槽与锁环14外侧的螺纹配合实现螺旋传动，锁环14内侧有四个凸轮槽与四个锁舌21外侧圆弧面相配合实现对锁舌21向内的挤压，锁舌21内侧上斜面与升降杯23外侧锥形斜面配合实现对升降杯的锁紧保持；当处于低功率保持状态时，电磁铁芯12弹出，推动锁环外套上盖13和锁环外套22向下运动，锁环外套22的下移使锁环14旋转从而挤压四个锁舌21向内插入至与升降杯23外侧锥形斜面配合，此时外复位弹簧24和内复位弹簧7处于压缩状态；当处于失效关断状态时，电磁铁10失电，电磁铁芯12复位，外复位弹簧24和内复位弹簧7推动升降杯23竖直向下运动，升降杯23挤压锁舌21向外运动，推动锁环14反向旋转，锁环外套22和锁环外套上盖13向上运动。

本发明采用以下安装步骤：

第一步：将下阀体15与闸阀19用螺栓连接；

第二步：将阀杆16与升降杯23用螺纹连接，并将升降杯置入下阀体15空腔之内；

第三步：将丝杠9放置于升降杯23中心方形盲孔内；

第四步：将上阀体8和下阀体15用螺钉连接；

第五步：将锁舌21插入上阀体8的方孔内；

第六步：从上阀体8上方套入锁环14与锁环外套22，将锁环外套22与锁环外套上盖13用螺钉连接；

第七步：将电磁铁芯12与锁环外套上盖13用螺纹连接，并用螺钉将电磁铁10固定于上阀体8外侧；

第八步：将外复位弹簧24和内复位弹簧7安装在升降杯23上；

第九步：将外壳体11与上阀体8用螺钉固定，同时压缩外复位弹簧24和内复位弹簧7(具有预紧载荷)；

第十步：将螺母4与丝杠9螺纹连接，并安装推力轴承6；

第十一步：依次安装轴承套5、减速器固定套3、减速器2、电机1；

第十二步：将单向节流阀20安装在上阀体8与下阀体15外侧；

本发明的工作原理是：

正常开启：开始工作时闸阀19处于关闭状态，当电机1通过螺母4丝杠9传动带动升降杯23、阀杆16向上运动，从而带动闸板18到达闸阀19开启位置，并将升降杯23提升到阀门开启状态指定位置；电磁铁10通电，电磁铁芯12弹出，推动锁环外套上盖13，连同锁环外套22向下运动，通过螺旋传动带动锁环14正向旋转；随着锁环14的正向旋转，锁舌21会受到挤压向内部运动，并控制锁舌21达到指定位置，与升降杯23接触实现锁紧保持；电机1反转将丝杠9运动到升降杯23底部，完成闸阀19的正常开启作业。

正常关闭：开始工作时闸阀19处于开启状态，首先电机1正转通过螺母4将丝杠9传动至升降杯23的上部；电磁铁10断电，电机1反转，内外复位弹簧7、24回复并挤压锁舌21向外部运动，推动锁环14反向旋转，并通过螺旋传动使锁环外套22和锁环外套上盖13向上运动，电磁铁芯12回复；升降杯23和阀杆16在内外复位弹簧7、24的推动下到达阀门关闭位置，实现闸阀19关闭。由于电机的存在，使得关闭过程平稳。

紧急关断：开始工作时闸阀19处于开启状态，丝杠9处于升降杯23底部，当出现问题时，电机1与电磁铁10同时断电，内外复位弹簧7、24共同作用将锁舌21挤出，使得锁环14反向旋转，锁环外套22和锁环外套上盖13向上运动，从而实现解锁操作，解锁之后，内外复位弹簧7、24释放推动升降杯23和阀杆16快速下降，从而实现阀门的失效安全关断。由于上阀体8和下阀体15之间设置有单向节流阀20及其流体管路，实现软着陆功能，使得失效安全关断过程中升降杯23和阀杆16不会对下阀体15造成巨大冲击，造成破坏。

(1)失效关断状态时，电磁铁10失电，电磁铁芯12向上复位，内复位弹簧7和外复位弹簧24从压缩状态复位，外复位弹簧24和内复位弹簧7推动升降杯23竖直向下运动，同时推动锁舌21径向向外运动，锁环14反向旋转，锁环外套22向上升起。

(2)低功耗保持状态时，电机1正向旋转，丝杠9向上运动，带动升降杯23向上运动，外复位弹簧24和内复位弹簧7逐渐被压缩，当闸板18开启后，电磁铁10得电，电磁铁芯12向下运动，推动锁环外套22向下运动，锁环外套22与锁环14采用螺旋传动，将直线运动转变为旋转运动，锁环14内侧的凸轮槽挤压锁舌21外侧弧面使其进入上阀体8内，直至锁舌21内侧上斜面与升降杯23外侧锥形斜面配合，从而限制升降杯竖直运动。

一种全电式水下闸阀执行器，用于控制全电式水下采油树、全电式水下管汇和全电式水下分离器等全电式水下生产设施中的闸阀的启闭。包括一个可在阀体内作线性运动的升降杯，此升降杯连接着阀杆并通过自身运动控制闸阀的开启和关闭；阀杆到达稳定工作位置是由电机驱动传动装置(螺母丝杠)，从而带动升降杯运动，然后在锁紧机构的作用下，锁舌运动到锁紧位置，升降杯连同阀杆一起被锁死，位置保持固定不变，闸阀进入低功耗保持状态；而失效安全关断过程则是由自身的复位弹簧来完成，触发机构为压缩的弹簧并且可以实现电控触发，电磁铁断电时，压缩弹簧复位，升降杯将锁舌挤出，锁紧机构反向解锁，复位弹簧驱使阀杆向下运动，闸阀进入安全关断状态。

全电式水下闸阀执行器，阀杆16与升降杯23螺纹连接，两者在上阀体8、下阀体15内作竖直往复运动，通过阀杆16的运动控制闸阀19的开启和关闭，所述的阀杆16到达开启位置压缩内复位弹簧7、外复位弹簧24是由电机1驱动螺母4丝杠9传动装置，从而拉动升降杯23运动，到达关闭位置是由内复位弹簧7、外复位弹簧24的恢复力驱动，触发装置是电控的，通过电磁铁10失电，压缩的复位弹簧被释放来实现的，所述的触发装置，升降杯23运动到阀门开启状态指定位置时，电磁铁10通电，电磁铁芯12弹出，推动锁环外套上盖13，连同锁环外套22向下运动，锁环外套22与锁环14螺旋传动，挤压锁舌21沿着锁环14内的凸轮槽弧面滑出，锁舌21突出部分楔面卡在升降杯23底部楔面处，这时，内复位弹簧7、外复位弹簧24便一直处于压缩状态不能复位，实现闸阀的低功率保持功能，所述的触发装置，电磁铁10断电后，对锁环外套上盖13、锁环外套22、锁环14和锁舌21作用力消失，内复位弹簧7、外复位弹簧24复位，推动锁舌21沿着锁环14内的凸轮槽弧面滑进，锁舌21推动锁环14反向旋转，锁环14与锁环外套22螺旋传动，带着锁环外套22向上运动，将内复位弹簧7、外复位弹簧24释放空间让出，复位弹簧复位，推动升降杯23连同阀杆16向下运动，实现安全关断。所述的锁环14，可与锁环外套22螺旋传动，外侧设计有螺纹，内侧设计有四个凸轮槽，通过转动调整锁舌21位置，实现锁舌21滑进、滑出锁环14。所述的锁环外套22，可与锁环14螺旋传动，内侧设计有螺纹，外侧设置有键，通过线性运动实现锁环14的旋转。所述的内复位弹簧7、外复位弹簧24，采用并联双弹簧结构，电机1和电磁铁10断电时，通过复位弹簧的回复力实现闸阀的失效安全关断。所述的上阀体8、下阀体15，上阀体8和下阀体15之间设置有单向节流阀20及其流体管路，实现了升降杯23在失效安全关断状态下的软着陆。

Claims (3)

1.一种全电式水下闸阀执行器，包括外壳体(11)、上阀体(8)、下阀体(15)、丝杠(9)，其特征在于：所述的外壳体(11)、上阀体(8)、下阀体(15)采用螺钉联接组成一个整体；所述的下阀体(15)通过螺钉与闸阀组件(19)连接；所述的外壳体(11)中心位置开有圆孔，阀杆(16)从圆孔中穿过，阀杆(16)的一端与闸板(18)连接，另一端与升降杯(23)底端固连；升降杯(23)位于下阀体(15)空腔之内，升降杯(23)顶端有放置复位弹簧的凹槽，升降杯(23)与外壳体(11)之间设置有内复位弹簧(7)和外复位弹簧(24)；内复位弹簧(7)和外复位弹簧(24)为并联双弹簧结构，升降杯(23)中心为方形盲孔；所述的丝杠(9)底端安装在方形盲孔内；所述的丝杠(9)顶端与螺母(4)配合；螺母(4)设置有凸台安装推力轴承(6)，螺母(4)顶端与减速器(2)固连，减速器(2)与电机(1)固连；减速器(2)通过螺钉固定在减速器固定套(3)上；所述的上阀体(8)和下阀体(15)之间在外部设置有单向节流阀(20)及流体管路；上阀体(8)外侧布置有锁环(14)、锁环外套(22)、锁环外套上盖(13)和四个电磁铁(10)及电磁铁芯(12)；锁环(14)上部设置有限位板，锁环(14)外侧的螺纹与锁环外套(22)内侧的螺旋凹槽配合，锁环外套(22)与锁环外套上盖(13)通过螺钉固连，电磁铁(10)通过螺钉固定在上阀体(8)上；上阀体(8)周向均布四个锁舌孔，安装四个锁舌(21)，锁舌(21)外侧弧面与锁环(14)内侧四个凸轮槽配合，锁舌(21)内侧上斜面通过斜面与升降杯(23)配合，电磁铁芯(12)下端与锁环外套上盖(13)用螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一种全电式水下闸阀执行器，其特征在于：所述的升降杯(23)设置有圆柱型腔和锥形斜面，升降杯(23)下侧形状与下阀体(15)构成活塞机构。

3.根据权利要求1所述的一种全电式水下闸阀执行器，其特征在于：所述的减速器固定套(3)、轴承套(5)、外壳体(11)、上阀体(8)与下阀体(15)通过螺钉连接，构成完整的外壳组件。