DE10134428A1

DE10134428A1 - Stellantrieb

Info

Publication number: DE10134428A1
Application number: DE2001134428
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Waldi; Thomas Brendel
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2003-01-30

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stellantrieb (1) zum Betätigen von Ventilen, die in Rohrleitungen von Fördereinrichtungen für Erdöl integriert und auf dem Meeresboden (99) verlegt sind. Bis jetzt werden hierfür hydraulisch betriebene Stellantriebe (1) auf dem Meeresboden (99) neben den Ventilen (100) installiert. Die Schieber (101) der Ventile (100) werden von Schubstangen (9) der Stellantriebe (1) betätigt, die von Hydraulikzylindern bewegt werden. Die Versorgung der Hydraulikzylinder mit Drucköl und die Ableitung dieses Rücköls erfolgt über unter Wasser verlegte Hydraulikleitungen, die mit einem über Wasser angeordneten Hydraulikaggregat verbunden sind. Je länger diese Hydraulikleitungen sind, um so größer wird der hydrodynamische Widerstand für das Hydrauliköl. Damit steigt der Druckverlust, was zu zeitlichen Verzögerungen zwischen dem Ansteuern eines Stellantriebs (1) und der Betätigung führt. Bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb (1) werden diese Nachteile dadurch umgangen, dass zum Betätigen eines Ventils (100) ein elektrischer Stellantrieb (1) vorgesehen ist, dessen Schubstange (9) von einem Elektromotor (2) bewegt wird. Der Elektromotor (2) steht über eine schlupffreie, elektromagnetische Kupplung (5) mit einer Spindelmutter (6) eines Spindelantriebes (7) in Verbindung. Eine linear bewegte Spindel (10) ist mechanisch mit der Schubstange (9) des Stellantriebs (1) verbunden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stellantrieb für ein Ventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Solche Stellantriebe kommt zum Betätigen von Ventilen zum Einsatz, die in Rohrleitungen von Fördereinrichtungen für Erdöl integriert und auf dem Boden des Meeres verlegt sind.
Zur Betätigung von Ventilen sind in den bis jetzt bekannten Fördereinrichtungen für Erdöl hydraulisch betriebene Stellantriebe für den Unterwassereinsatz eingebaut. Sie werden vor allem in horizontal geführten, über einem Bohrloch auf dem Meeresboden angeordneten Verteilernetzen eingesetzt, welche den Rohölstrom über Kontrollventile von mehreren Bohrlöchern verteilen, und in Unterwasser geführte Leitungen weiterleiten. Die Schieber der Kontrollventile in diesen Verteilernetzen werden mit Hilfe von Schubstangen der hydraulischen Stellantriebe in die gewünschten Positionen bewegt. Das Verschieben dieser Schubstangen erfolgt mit Hilfe von Hydraulikzylindern, mit denen die bekannten Stellantriebe ausgerüstet sind. Die Versorgung der Hydraulikzylinder mit Drucköl und die Ableitung dieses Rücköls erfolgt über unter Wasser verlegte Hydraulikleitungen, welche mit einem über Wasser angeordneten Hydraulikaggregat verbunden sind. Hierfür ist das Verlegen von sehr langen Hydraulikleitungen in großen Meerestiefen erforderlich, was sehr teuer ist. Je länger die Hydraulikleitungen sind, um so größer wird der hydrodynamische Widerstand für das Hydrauliköl. Aus diesem Grunde müssen zusätzliche Druckspeicher an jedem Stellantrieb installiert werden. Der Druckverlust in den sehr langen Hydraulikleitungen führt zu einer zeitlichen Verzögerung von mehreren Minuten zwischen dem Ansteuern eines Stellantriebs und der Betätigung. Gerade in Notfallsituationen ist diese Zeitverzögerung nicht akzeptabel. Das Hydraulikaggregat muss auf einer Versorgungsplattform installiert werden. Es weist ein sehr großes Gewicht auf. Zudem wird hierfür sehr viel Platz benötigt, der auf einer Versorgungsplattform nicht in beliebigem Maß zur Verfügung steht. Zudem sind die Anschaffungs- und Wartungskosten hierfür sehr hoch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellantrieb für ein Ventil aufzuzeigen, das in eine auf dem Meeresboden verlegte Rohrleitung eingebaut werden kann, und bei dem die Nachteile der bekannten Einrichtungen ausgeschlossen sind.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Stellantrieb für ein Ventil,
Fig. 2 einen Ausschnitt aus dem Stellantrieb gemäß Fig. 1.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen elektrischen Stellantrieb 1 mit einem Elektromotor 2, einem Freilauf 3, einem Untersetzungsgetriebe 4, einer Kupplung 5, einer Spindelmutter 6, einem Spindelantrieb 7, einem Federpaket 8 und einer Schubstange 9. Der Stellantrieb 1 wird auf dem Meeresboden 99 neben dem zu betätigenden Ventil 100 installiert. Der Elektromotor 2 des Stellantriebs 1 ist als Drehstrommotor ausgebildet. Die Versorgung des Stellantriebs 1 mit elektrischer Energie erfolgt von einer Versorgungsinsel (hier nicht dargestellt) aus. Mit dem Zu- und Abschalten des Elektromotors 2 wird der Stellantrieb 1 betätigt und das Öffnen und/oder Schließen des Ventils 100 in Gang gesetzt. Wie Fig. 1 zeigt, treibt der Elektromotor 2 eine Antriebswelle des Untersetzungsgetriebes 4 über den Freilauf 3 an. Das Untersetzungsgetriebe 4 reduziert die Motordrehzahl, damit die jeweils geforderte Öffnungszeit des Ventils 100 einzuhalten werden kann. Die Antriebswelle des Untersetzungsgetriebes 4 ist über eine schlupffreie, elektromagnetisch wirkende Kupplung 5 mit der Spindelmutter 6 eines Spindelantriebes 7 verbunden. Die Kupplung 5 überträgt das Drehmoment der Antriebswelle des Untersetzungsgetriebes 4 auf die Spindelmutter 6, solange der Elektromagnet der Kupplung 5 erregt und damit geschlossen ist. Die Spindelmutter 6 hat eine feste axiale Position, um eine Axialkraft auf eine Spindel 10 ausüben, mit der sie über den Spindelantrieb 7 mechanisch in Verbindung steht. Mit Hilfe eines axialen Wälzlagers 11 wird eine axiale Fixierung der Spindelmutter 6 erreicht. Die Spindel 10 ist gegen Verdrehen gesicherte, und mit dem ersten Ende der Schubstange 9 verbunden. Die Schubstange 9 kann am ersten Ende 1A des Stellantriebs 1 aus dessen Gehäuse 1G heraus und auch wieder hinein bewegt werden. Das aus dem Gehäuse 1G heraus ragende Ende der Schubstange 9 ist mit einem Schieber 101 des Ventils 100 mechanisch verbunden. Das Wälzlager 11 kompensiert die Kraft, die von dem Schieber 101 auf die Schubstange 9 übertragen wird. Der Spindelantrieb 7 wandelt die Drehbewegung der Spindelmutter 6 in eine translatorische Bewegung der Spindel 10 um. Diese bewegt den Schieber 101 in die jeweils gewünschte Position. Eine Rotation der Spindelmutter 6 in Richtung einer Betätigung des Schiebers 101 verursacht eine Zunahme der Rückstellkraft des Federpakets 8 in Richtung Sicherheitsposition. Das Federpaket 8 dient ein mechanischer Energiespeicher. Die Vorspannung des Federpaketes 8 nimmt zu, wenn die Schubstange 9 des Stellantriebs 1 den Schieber 101 des Ventils 100 aus seiner Sicherheitsstellung herausbewegt. Die beim Betätigen des Schiebers 101 gespeicherte Federenergie ist ausreichend, um die Arbeit verrichten zu können, die notwendig ist, um den Schieber 101 des Ventils 100 gegen die Reibungskraft des Ventils 100 in die Sicherheitsposition (hier nicht dargestellt) zu verschieben.
Das Federpaket 8 kann unter bestimmten Bedingungen ein Drehmoment auf die Spindelmutter 6 ausüben. Bei geschlossener Kupplung 4 wird das Rückstellmoment des Federpakets 8 durch das Haltemoment des Freilaufes 3 kompensiert. Die Umwandlung der Federenergie in eine Rotationsenergie der Spindelmutter 6 wird blockiert, solange die elektromagnetische Kupplung 5 erregt ist, und somit das Haltemoment des Freilaufs 3 auf die Spindelmutter 6 wirkt. Kann die Kupplung 5 beispielsweise wegen eines Stromausfalls das Haltemoment des Freilaufes 3 nicht mehr übertragen, bewirkt die Kraft des Federpakets 8 eine Rotation der Spindelmutter 6. Die Spindelmutter 6 ist hierfür mit einer inneren Welle (hier nicht dargestellt) des Federpakets 8 verbunden. Die mechanische Energie des Federpakets 8 wird über die Spindelmutter 6 und den Spindelantrieb 7 in eine axiale Bewegung der Spindel 10 umgewandelt, die ihrerseits die Schubstange 9 bewegt. Das Rückstelldrehmoment des Federpakets 8 dreht die Spindelmutter 6 so, dass der Schieber 101 des Ventils 100 durch die Schubstange 9 in die Sicherheitsstellung bewegt wird. Der Freilauf 3 verhindert dabei die Rückwärtsdrehung des Elektromotors durch das Rückstelldrehmoment des Federpaketes 8, das der Drehrichtung des Elektromotors entgegen gerichtet ist.
Erfindungsgemäß ist der Stellantrieb 1 mit einem Kompensator 12 ausgerüstet. Dieser gewährleistet einen Volumenausgleich im Innenraum des Stellantriebs 1. Das Gehäuse 1G des Stellantriebs 1 ist mit einer hierfür geeigneten Flüssigkeit (hier nicht dargestellt) gefüllt, deren statischer Druck dem Außendruck entspricht. Das Ein- und Ausfahren der Schubstange 9 oder eine thermisch induzierte Volumenänderung dieser Füllflüssigkeit wird durch den Kompensator 12 ausgeglichen. Unabhängig von der Tiefe des Einsatzortes im Meer herrscht deshalb kein Differenzdruck zum jeweiligen Umgebungsmedium.
Versagt der Stellantrieb 1, so kann er wie den Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist, über ein stabförmiges Kupplungselement 13, das an seinem zweiten Ende 1B installiert ist, von einem ferngesteuerten Tauchgerät (hier nicht dargestellt) aus betätigt werden. Für die Verbindung des Stellantriebs 1 mit einem Tauchgerät ist ein genormter Adapter 14 außen am zweiten Ende 1B des Stellantriebs 1 montiert, in den das Kupplungselement 13 hineinragt. Eine Vierkantwelle 15 überträgt das Drehmoment des Tauchgeräts von dem drehbaren Kupplungselement 13 auf die hohle Welle des Elektromotors 2. Die Drehzahl des jeweiligen Tauchgeräts wird ebenso wie die Drehzahl des Elektromotors 2 durch das Untersetzungsgetriebe 4 untersetzt. Das stabförmige Kupplungselement 13 schließt über eine Einrastplatte 16 die Kupplung 5. Dabei drückt die Einrastplatte 16 die gezahnten Elemente der Kupplung 5 gegeneinander. Dieses ermöglicht die mechanische Ansteuerung des Stellantriebs 1 durch das Tauchgerät. Das Drehen des Kupplungselements 13 über einen Innensechskant (hier nicht dargestellt) verursacht eine axiale Bewegung der Schubstange 9.

Claims

1. Stellantrieb mit einer Schubstange (9) zum Betätigen eines zu einem Ventil (100) gehörigen Schiebers (101), das in eine auf dem Meeresboden (99) verlegte Rohrleitung eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Stellantrieb (1) auf dem Meeresboden (99) neben dem Ventil (100) installiert ist, dessen elektrische Versorgung, Betätigung und Überwachung von einem Bereich über Wasser aus erfolgt.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektromotor (2) des Stellantriebs (1), der als Drehstrommotor ausgebildet ist, über einen Freilauf (3) mit einer Antriebswelle eines Untersetzungsgetriebes (4) in Verbindung steht, die ist über eine schlupffreie, elektromagnetische Kupplung (5) mit einer Spindelmutter (6) eines Spindelantriebes (7) verbunden ist.

3. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment der Abtriebswelle des Untersetzungsgetriebes (4) nur bei erregtem Elektromagnet der Kupplung (7) auf die Spindelmutter (6) übertragbar ist.

4. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehbewegung der Spindelmutter (6) von dem Spindelantrieb (7) als lineare Bewegung auf eine damit verbundene Spindel (10) übertragbar ist, und dass die Spindel (10) gegen Verdrehung gesichert und mechanisch mit der Schubstange (9) verbunden ist.

5. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Energiespeicher dienendes Federpaket (8) vorgesehen und über eine innere Welle mit der Spindelmutter (6) mechanisch in Verbindung steht, und das Rückstellmoment des Federpakets (8) durch das Haltemoment des Freilaufes (3) kompensierbar ist, und dass die Schubstange (9) durch das Federpaket (8) über die Spindelmutter (6), den Spindelantrieb und die Spindel (10) bei Stromausfall bewegbar ist.

6. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (10) axial ausgerichtet und die Spindelmutter (6) sowie der Spindelantrieb (7) durch ein axiales Wälzlager (11) zum Ausüben einer axialen Kraft auf die Spindel (10) in einer axialen Position gehalten sind.

7. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1G) des Stellantriebs (1) mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, deren statischer Druck auf den Druck außerhalb des Gehäuses (1G) abgestimmt ist, und dass ein Kompensator (12) zum Ausgleich des Ausfahrens und Einfahrens der Schubstange (9) und von thermisch induzierten Volumenänderungen der Füllflüssigkeit vorgesehen ist.

8. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein genormter Adapter (14) zum mechanischen Verbinden mit einem ferngesteuerten Tauchgerät außen am zweiten Ende (1B) des Stellantriebs (1) befestigt und ein aus dem zweiten Ende (1B) des Stellantriebs (1) herausragendes drehbares Kupplungselement (13) vorgesehen und mit dem Tauchgerät verbindbar ist, das über eine Vierkantwelle (15) und eine hohle Welle des Elektromotors (2) mit dem Untersetzungsgetriebe (4) verbindbar ist, und dass die Kupplung (5) über eine mit dem Kupplungselement (13) in Verbindung stehende Einrastplatte (16) schließbar und die Schubstange (9) über einen Innensechskant beim Betätigen des Kupplungselements (13) durch das Tauchgerät axial bewegbar ist.