CN110005371A - 一种全电驱动的井下安全阀 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种全电驱动的井下安全阀。全电驱动的井下安全阀，包括井下安全阀机构和井下安全阀控制系统；其中，井下安全阀机构，包括电子舱模块、传动控制模块、运动转换模块、磁耦合及弹簧模块和阀门模块；井下安全阀控制系统，包括井下综合单元和井上综合单元。本发明的优势在于：全电驱动的安全阀可以大大提高紧急情况下的安全阀反应速度，由于全电驱动的安全阀运动部件均安装于密封舱内的结构特点，改善了关键结构的工况条件，设备运行更加可靠，采用磁耦合装置，隔离井液压力，动力源为电力，下深限制小，同时不需要液压动力单元和液压管线，降低系统花费。

Description

一种全电驱动的井下安全阀

技术领域

本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种全电驱动的井下安全阀。

背景技术

由于海上安全的特殊性，一旦发生井喷、溢油、火灾等事故，造成的后果及次生灾害远远大于陆上油田。美国石油协会和国内井控安全规定，海上油田的油水井均需安装安全控制装置。井下安全阀是井下安全控制系统的重要组成部分，是一种在井口出现重大故障时自动关井的装置，具有保护设备，防止生产受损失和保护环境，防止由于油气喷出造成污染的作用。

国内海上油田所用井下安全阀系统均为液控式井下安全阀，包括位于井下的油管安全阀、地面的液压控制系统和连接两部分的液控管线三部分。液控式井下安全阀采用液压作为驱动力，由于液压及液压管线本身的局限性，液控式井下安全阀存在以下问题：阀板开启受液压管线控制，安全阀下入深度受限；对控制液要求较高，需在很宽的温度和压力范围发挥作用；操作程序复杂，液压控制响应时间长。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种全电驱动的井下安全阀。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

全电驱动的井下安全阀，包括井下安全阀机构和井下安全阀控制系统。

井下安全阀机构，包括电子舱模块、传动控制模块、运动转换模块、磁耦合及弹簧模块和阀门模块。

电子舱模块，包括油管连接上接头、电气连接器、井下电子舱、电子舱承压筒和电子舱过线孔。油管连接上接头上通过螺纹装有电气连接器，油管连接上接头和电子舱承压筒通过螺纹配合构成环形空间的密封井下电子舱，电子舱承压筒上留有电子舱过线孔。

传动控制模块，包括外承压筒、大扭矩直流电机、单通螺柱、电机安装板、低速齿轮、安装轴衬、空心齿轮轴、电磁离合器、传动外壳、插入式安装片、电磁制动器、电磁制动器制动片、连接法兰和空心传动轴。大扭矩直流电机通过螺钉安装在环形的电机安装板，低速齿轮通过平键配合安装于大扭矩直流电机，电机安装板通过单通螺柱安装在安装轴衬上，安装轴衬通过过盈配合安装于传动外壳，轴承安装于安装轴衬，空心齿轮轴通过轴承安装于安装轴衬并且上部齿轮与低速齿轮啮合，空心齿轮轴下端通过过盈粘接安装于电磁离合器，电磁离合器通过过盈粘接安装于传动外壳，电磁离合器下端通过过盈粘接安装空心传动轴，空心传动轴上通过销轴装有环形的连接法兰，连接法兰与环形的电磁制动器制动片通过螺栓固定，电磁制动器借助插入式安装片通过螺钉固定在传动外壳上，空心传动轴通过轴承与传动外壳形成轴承配合。

运动转换模块，包括扭矩限制器、轴承上接头、内承压筒、薄壁轴承、丝杠安装筒、内嵌式滚珠丝杠滑块、内嵌式滚珠丝杠和轴承下接头。扭矩限制器通过螺钉安装于内嵌式滚珠丝杠，内嵌式滚珠丝杠通过两薄壁轴承与丝杠安装筒形成轴承配合，内嵌式滚珠丝杠与内嵌式滚珠丝杠滑块形成螺纹副配合且内嵌式滚珠丝杠滑块位于内嵌式滚珠丝杠内部，内嵌式滚珠丝杠滑块上开有花键槽与内承压筒上的花键轴形成花键配合。

磁耦合及弹簧模块，包括外磁耦合筒、流管帽、外磁环、外垫片、内磁环、内垫片、内磁耦合流管和弹簧。外磁耦合筒通过两圆环和圆筒焊接成型，外磁耦合筒内部放置外磁环和外垫片，一个外磁环与若干外垫片构成一个外磁耦合单元，若干外磁耦合单元构成外磁耦合装置，内磁耦合流管上装有与外磁耦合筒内部数量相同的内磁环与内垫片，并且内外磁环、垫片一一对应，内外磁环磁极相同或相异，组成内磁耦合装置，流管帽通过螺纹安装于内磁耦合流管顶端，外磁耦合筒上下部分突出圆环与内承压筒构成间隙配合，流管帽、内磁耦合流管与内承压筒构成间隙配合，外磁耦合筒下端设置有弹簧。

阀门模块，包括阀座接头、自平衡阀座、动作阀板、阀板扭簧、动作传感器和油管连接下接头。阀座接头上通过螺纹装有自平衡阀座，自平衡阀座上安装有动作阀板，动作阀板和自平衡阀座之间装有阀板扭簧，自平衡阀座上装有动作传感器，油管连接下接头通过螺纹安装于阀座接头。

电子舱模块通过其所属零件油管连接上接头下端螺纹与传动控制模块所属零件外承压筒上端螺纹配合安装，通过其所属零件电子舱承压筒下端螺纹与运动转换模块所属零件内承压筒上端螺纹配合安装；传动控制模块通过其所属零件外承压筒下端螺纹与运动转换模块所属零件轴承上接头上端螺纹配合安装，通过其所属零件传动外壳下端螺纹孔与运动转换模块所属零件轴承上接头上端通孔利用螺钉安装，通过其所属零件空心传动轴下端安装于运动转换模块所属零件扭矩限制器的轴套中；运动转换模块通过其所属零件轴承下接头下端螺纹安装于阀门模块所属零件阀座接头上端外部螺纹中，通过其所属零件内承压筒下端螺纹安装于阀门模块所属零件阀座接头上端内部螺纹中；磁耦合及弹簧模块通过所属零件外磁耦合筒上端通孔利用螺钉安装于运动转换模块所属零件内嵌式滚珠丝杠滑块下端螺纹孔，通过其所属零件弹簧作用于阀门模块所属零件阀座接头上部端面。

井下安全阀控制系统，包括井下综合单元和井上综合单元。井下综合单元，包括信息接收模块、电机继电器、电磁离合器继电器、电磁制动器继电器、井下控制与信息处理模块、井下电力载波模块和电力接收模块。井上综合单元，包括井上电力载波模块、井上控制与信息处理模块、电力发送模块和状态显示模块。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：采用全电驱动安全阀可以大大提高紧急情况下的安全阀反应速度，全电驱动的安全阀运动部件均安装于密封舱内，改善了工况条件，设备运行更加可靠，采用磁耦合装置，隔离井液压力，动力源为电力，下深限制小，同时不需要液压动力单元和液压管线，降低系统花费。

附图说明

图1是全电驱动的井下安全阀的轴向结构剖面图及控制系统示意图；

图2是Ⅰ-Ⅰ截面结构剖面图；

图中，A、电子舱模块，B、传动控制模块，C、运动转换模块，D、磁耦合及弹簧模块，E、阀门模块，1、油管连接上接头，2、电气连接器，3、井下电子舱，4、电子舱承压筒，5、电子舱过线孔，6、外承压筒，7、大扭矩直流电机，8、单通螺柱，9、电机安装板，10、低速齿轮，11、安装轴衬，12、空心齿轮轴，13、电磁离合器，14、传动外壳，15、插入式安装片，16、电磁制动器，17、电磁制动器制动片，18、连接法兰，19、空心传动轴，20、扭矩限制器，21、轴承上接头，22、内承压筒，23、薄壁轴承，24、丝杠安装筒，25、内嵌式滚珠丝杠滑块，26、内嵌式滚珠丝杠，27、外磁耦合筒，28、流管帽，29、外磁环，30、外垫片，31、内磁环，32、内垫片，33、内磁耦合流管，34、轴承下接头，35、弹簧，36、阀座接头，37、自平衡阀座，38、动作阀板，39、阀板扭簧，40、动作传感器，41、油管连接下接头，42、信息采集模块，43、电机继电器，44、电磁离合器继电器，45、电磁制动器继电器，46、井下控制与信息处理模块，47、电力接收模块，48、井下电力载波模块，49、井下综合单元，50、井上电力载波模块，51、井上控制与信息处理模块，52、电力发送模块，53、状态显示模块，54、井上综合单元，55、井下安全阀控制系统。

具体实施方案

如图1和图2所示，全电驱动的井下安全阀，包括井下安全阀机构和井下安全阀控制系统55。

井下安全阀机构，包括电子舱模块A、传动控制模块B、运动转换模块C、磁耦合及弹簧模块D和阀门模块E。

电子舱模块A，包括油管连接上接头1、电气连接器2、井下电子舱3、电子舱承压筒4和电子舱过线孔5。油管连接上接头1上通过螺纹装有电气连接器2，用于安装电缆；油管连接上接头1和电子舱承压筒4通过螺纹配合构成环形空间的密封井下电子舱3，用于安装井下综合单元49，电子舱承压筒4上留有电子舱过线孔5，用于走线。

传动控制模块B，包括外承压筒6、大扭矩直流电机7、单通螺柱8、电机安装板9、低速齿轮10、安装轴衬11、空心齿轮轴12、电磁离合器13、传动外壳14、插入式安装片15、电磁制动器16、电磁制动器制动片17、连接法兰18和空心传动轴19。大扭矩直流电机7通过螺钉安装在环形的电机安装板9上用于驱动，低速齿轮10通过平键配合安装于大扭矩直流电机7上用于传动；电机安装板9通过单通螺柱8安装在安装轴衬11上，安装轴衬11通过过盈配合安装于传动外壳14，轴承安装于安装轴衬11，空心齿轮轴12通过轴承安装于安装轴衬11并且上部齿轮与低速齿轮10啮合用于传动；空心齿轮轴12下端通过过盈粘接安装于电磁离合器13，电磁离合器13通过过盈粘接安装于传动外壳14，电磁离合器13下端通过过盈粘接安装空心传动轴19，电磁离合器13用于控制空心齿轮轴12与空心传动轴19的同步旋转关系；空心传动轴19上通过销轴装有环形的连接法兰18，连接法兰18与环形的电磁制动器制动片17通过螺栓固定，电磁制动器16借助插入式安装片15通过螺钉固定在传动外壳14上，电磁制动器16用于控制空心传动轴19的旋转运动；空心传动轴19通过轴承与传动外壳14形成轴承配合，保证其旋转运动。

运动转换模块C，包括扭矩限制器20、轴承上接头21、内承压筒22、薄壁轴承23、丝杠安装筒24、内嵌式滚珠丝杠滑块25、内嵌式滚珠丝杠26和轴承下接头34。扭矩限制器20通过螺钉安装于内嵌式滚珠丝杠26，扭矩限制器20用于扭矩过载时断开空心传动轴19与内嵌式滚珠丝杠26的同步旋转关系，降低大扭矩直流电机7的输出扭矩，防止大扭矩直流电机7因过载烧坏；内嵌式滚珠丝杠26通过两薄壁轴承23与丝杠安装筒24形成轴承配合，内嵌式滚珠丝杠26与内嵌式滚珠丝杠滑块25形成螺纹副配合且内嵌式滚珠丝杠滑块25位于内嵌式滚珠丝杠26内部，用于内嵌式滚珠丝杠26旋转运动和内嵌式滚珠丝杠滑块25直线运动的转换，内嵌式滚珠丝杠滑块25上开有花键槽与内承压筒22上的花键轴形成花键配合，用于保证内嵌式滚珠丝杠滑块始终做直线运动。

磁耦合及弹簧模块D，包括外磁耦合筒27、流管帽28、外磁环29、外垫片30、内磁环31、内垫片32、内磁耦合流管33和弹簧35。外磁耦合筒27通过两圆环和圆筒焊接成型，外磁耦合筒27内部放置外磁环29和外垫片30，一个外磁环29与若干外垫片30构成一个外磁耦合单元，若干外磁耦合单元构成外磁耦合装置，内磁耦合流管33上装有与外磁耦合筒27内部数量相同的内磁环31与内垫片32，并且内外磁环、垫片一一对应，内外磁环磁极相同或相异，组成内磁耦合装置，流管帽28通过螺纹安装于内磁耦合流管33顶端，用于压紧内磁耦合装置，内外磁耦合装置用于实现轴向力的不接触传输；外磁耦合筒27上下部分突出圆环与内承压筒22构成间隙配合，流管帽28、内磁耦合流管33与内承压筒22构成间隙配合，用于保证传递轴向力的对中性，并保证内外磁耦合装置不与内承压筒22摩擦；外磁耦合筒27下端设置有弹簧35，用于保证安全阀的关闭和失效安全保护。

阀门模块E，包括阀座接头36、自平衡阀座37、动作阀板38、阀板扭簧39、动作传感器40和油管连接下接头41。阀座接头36上通过螺纹装有自平衡阀座37，自平衡阀座37上安装有动作阀板38，动作阀板38和自平衡阀座37之间装有阀板扭簧39，用于关闭动作阀板38，关闭流道，自平衡阀座37上装有动作传感器40，用于检测动作阀板38的动作信息，油管连接下接头41通过螺纹安装于阀座接头36。

电子舱模块A通过其所属零件油管连接上接头1下端螺纹与传动控制模块B所属零件外承压筒6上端螺纹配合安装，通过其所属零件电子舱承压筒4下端螺纹与运动转换模块C所属零件内承压筒22上端螺纹配合安装；传动控制模块B通过其所属零件外承压筒6下端螺纹与运动转换模块C所属零件轴承上接头21上端螺纹配合安装，通过其所属零件传动外壳14下端螺纹孔与运动转换模块C所属零件轴承上接头21上端通孔利用螺钉安装，通过其所属零件空心传动轴19下端安装于运动转换模块C所属零件扭矩限制器20的轴套中；运动转换模块C通过其所属零件轴承下接头34下端螺纹安装于阀门模块E所属零件阀座接头36上端外部螺纹中，通过其所属零件内承压筒22下端螺纹安装于阀门模块E所属零件阀座接头36上端内部螺纹中；磁耦合及弹簧模块D通过所属零件外磁耦合筒27上端通孔利用螺钉安装于运动转换模块C所属零件内嵌式滚珠丝杠滑块25下端螺纹孔，通过其所属零件弹簧35作用于阀门模块E所属零件阀座接头36上部端面。

井下安全阀控制系统55，包括井下综合单元49和井上综合单元54，两者通过电力线连接。井下综合单元49，包括信息接收模块42、电机继电器43、电磁离合器继电器44、电磁制动器继电器45、井下控制与信息处理模块46、井下电力载波模块48和电力接收模块47。信息接收模块42通过电缆接收动作传感器40信息，并通过电缆发送至井下控制与信息处理模块46。电机继电器43通过电缆分别连接至大扭矩直流电机7和井下控制与信息处理模块46，用于控制大扭矩直流电机7的运行状态。电磁离合器继电器44通过电缆分别连接至电磁离合器13和井下控制与信息处理模块46，用于控制电磁离合器13的运行状态。电磁制动器继电器45通过电缆分别连接至电磁制动器16和井下控制与信息处理模块46，用于控制电磁制动器16的运行状态。井下控制与信息处理模块46使用单片机开发，通过电缆连接至井下电力载波模块48，用于信息处理和控制命令发出。井下电力载波模块48使用MAX2991和MAX2992载波芯片开发，通过电缆连接至电力接收模块47前端和井下控制与信息处理模块46，用于接收电力载波信号并处理后发送至井下控制与信息处理模块46。电力接收模块47通过电缆连接井下电力载波模块48和井下控制与信息处理模块46，用于接收电源并为井下其他用电设备提供电力。

井上综合单元54，包括井上电力载波模块50、井上控制与信息处理模块51、电力发送模块52和状态显示模块53。井上电力载波模块50使用MAX2991和MAX2992载波芯片开发，通过电缆连接至电力发送模块52前端和井上控制与信息处理模块51，用于将电力载波信号发送至井下并与井上控制与信息处理模块51通信。井上控制与信息处理模块51使用单片机开发，通过电缆与井上电力载波模块50和状态显示模块53连接，用于发出控制命令和处理状态信息。电力发送模块52通过电缆与电力接收模块47相连，用于将电能传输至井下。状态显示模块53通过电缆连接至井上控制与信息处理模块51，用于井下安全阀的运行状态信息的实时显示。

全电驱动的井下安全阀的工作过程是：开启动作阀板38时，井上控制与信息处理模块51发出命令，井上电力载波模块50将命令沿电力线发送至井下电力载波模块48，井下控制与信息处理模块46接收到命令后控制电机继电器43、电磁离合器继电器44向大扭矩直流电机7、电磁离合器13通电，大扭矩直流电机7旋转，通过低速齿轮10、空心齿轮轴12将旋转传递至电磁离合器13，电磁离合器13通电状态下将旋转运动传递至空心传动轴19，空心传动轴19通过扭矩限制器20带动内嵌式滚珠丝杠26旋转，通过丝杠副将旋转运动转换为直线运动，内嵌式滚珠丝杠滑块25向下运动，推动外磁耦合筒27运动，压缩弹簧35，同时由于内外磁环的耦合作用，内磁耦合流管33在内磁环31的作用下向下运动，顶开动作阀板38，完成开启过程，如果动作阀板38运动受阻，大扭矩直流电机7输出扭矩增大，超过一定值后扭矩限制器20脱开空心传动轴19与内嵌式滚珠丝杠26的同步运动，防止大扭矩直流电机7过载烧毁。

当动作阀板38完全开启后，动作传感器40发出信号，通过信息接收模块42发送至井下控制与信息处理模块46，井下控制与信息处理模块46控制电机继电器43、电磁离合器继电器44断开大扭矩直流电机7、电磁离合器13的电源，同时控制电磁制动器继电器45为电磁制动器16供电，电磁制动器16吸合电磁制动器制动片17，抱死空心传动轴19，维持动作阀板38开启状态。

当遇到紧急情况需关闭安全阀时，井上控制与信息处理模块51发出命令，井上电力载波模块50将命令沿电力线发送至井下电力载波模块48，井下控制与信息处理模块46接收到命令后控制电磁制动器继电器45断开电磁制动器16电源解除制动，弹簧35复位推动外磁耦合筒27和内嵌式滚珠丝杠滑块25向上运动，内嵌式滚珠丝杠26在内嵌式滚珠丝杠滑块25的推动下转动，带动扭矩限制器20和空心传动轴19旋转，此时，电磁离合器13断电不传递运动，内磁耦合流管33在磁耦合力作用下随着外磁耦合筒27向上运动，内嵌式滚珠丝杠滑块25复位后，动作阀板38完成关闭过程。在动作阀板38开启、维持开启和关闭过程中，动作传感器40将动作阀板38的状态传输至状态显示模块53进行显示。

Claims (5)

1.一种全电驱动的井下安全阀，其特征在于，包括井下安全阀机构和井下安全阀控制系统，其中，井下安全阀机构，包括电子舱模块、传动控制模块、运动转换模块、磁耦合及弹簧模块和阀门模块；

传动控制模块，包括外承压筒、大扭矩直流电机、单通螺柱、电机安装板、低速齿轮、安装轴衬、空心齿轮轴、电磁离合器、传动外壳、插入式安装片、电磁制动器、电磁制动器制动片、连接法兰和空心传动轴；大扭矩直流电机通过螺钉安装在环形的电机安装板上，低速齿轮通过平键配合安装于大扭矩直流电机上，电机安装板通过单通螺柱安装在安装轴衬上，安装轴衬通过过盈配合安装于传动外壳，轴承安装于安装轴衬，空心齿轮轴通过轴承安装于安装轴衬并且上部齿轮与低速齿轮啮合，空心齿轮轴下端通过过盈粘接安装于电磁离合器，电磁离合器通过过盈粘接安装于传动外壳，电磁离合器下端通过过盈粘接安装空心传动轴，空心传动轴上通过销轴装有环形的连接法兰，连接法兰与环形的电磁制动器制动片通过螺栓固定，电磁制动器借助插入式安装片通过螺钉固定在传动外壳上，空心传动轴通过轴承与传动外壳形成轴承配合；

运动转换模块，包括扭矩限制器、轴承上接头、内承压筒、薄壁轴承、丝杠安装筒、内嵌式滚珠丝杠滑块、内嵌式滚珠丝杠和轴承下接头；扭矩限制器通过螺钉安装于内嵌式滚珠丝杠，内嵌式滚珠丝杠通过两薄壁轴承与丝杠安装筒形成轴承配合，内嵌式滚珠丝杠与内嵌式滚珠丝杠滑块形成螺纹副配合且内嵌式滚珠丝杠滑块位于内嵌式滚珠丝杠内部，内嵌式滚珠丝杠滑块上开有花键槽与内承压筒上的花键轴形成花键配合；

磁耦合及弹簧模块，包括外磁耦合筒、流管帽、外磁环、外垫片、内磁环、内垫片、内磁耦合流管和弹簧；外磁耦合筒通过两圆环和圆筒焊接成型，外磁耦合筒内部放置外磁环和外垫片，一个外磁环与若干外垫片构成一个外磁耦合单元，若干外磁耦合单元构成外磁耦合装置，内磁耦合流管上装有与外磁耦合筒内部数量相同的内磁环与内垫片，并且内外磁环、垫片一一对应，内外磁环磁极相同或相异，组成内磁耦合装置，流管帽通过螺纹安装于内磁耦合流管顶端，外磁耦合筒上下部分突出圆环与内承压筒构成间隙配合，流管帽、内磁耦合流管与内承压筒构成间隙配合，外磁耦合筒下端设置有弹簧；

井下安全阀控制系统，包括井下综合单元和井上综合单元，两者通过电力线连接；其中，井下综合单元，包括信息接收模块、电机继电器、电磁离合器继电器、电磁制动器继电器、井下控制与信息处理模块、井下电力载波模块和电力接收模块；电机继电器通过电缆分别连接至大扭矩直流电机和井下控制与信息处理模块，电磁离合器继电器通过电缆分别连接至电磁离合器和井下控制与信息处理模块，电磁制动器继电器通过电缆分别连接至电磁制动器和井下控制与信息处理模块；井上综合单元，包括井上电力载波模块、井上控制与信息处理模块、电力发送模块和状态显示模块。

2.根据权利要求1所述的一种全电驱动的井下安全阀，其特征在于：电子舱模块，包括油管连接上接头、电气连接器、井下电子舱、电子舱承压筒和电子舱过线孔，油管连接上接头和电子舱承压筒通过螺纹配合构成环形空间的密封井下电子舱。

3.根据权利要求1所述的一种全电驱动的井下安全阀，其特征在于：电子舱模块通过其所属零件油管连接上接头下端螺纹与传动控制模块所属零件外承压筒上端螺纹配合安装，通过其所属零件电子舱承压筒下端螺纹与运动转换模块所属零件内承压筒上端螺纹配合安装；传动控制模块通过其所属零件外承压筒下端螺纹与运动转换模块所属零件轴承上接头上端螺纹配合安装，通过其所属零件传动外壳下端螺纹孔与运动转换模块所属零件轴承上接头上端通孔利用螺钉安装，通过其所属零件空心传动轴下端安装于运动转换模块所属零件扭矩限制器的轴套中。

4.根据权利要求1所述的一种全电驱动的井下安全阀，其特征在于：运动转换模块通过其所属零件轴承下接头下端螺纹安装于阀门模块所属零件阀座接头上端外部螺纹中，通过其所属零件内承压筒下端螺纹安装于阀门模块所属零件阀座接头上端内部螺纹中；磁耦合及弹簧模块通过所属零件外磁耦合筒上端通孔利用螺钉安装于运动转换模块所属零件内嵌式滚珠丝杠滑块下端螺纹孔，通过其所属零件弹簧作用于阀门模块所属零件阀座接头上部端面。

5.根据权利要求1所述的一种全电驱动的井下安全阀，其特征在于：井下电力载波模块使用MAX2991和MAX2992载波芯片开发，通过电缆连接至电力接收模块前端和井下控制与信息处理模块；井上电力载波模块使用MAX2991和MAX2992载波芯片开发，通过电缆连接至电力发送模块前端和井上控制与信息处理模块。