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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur oberirdischen Steuerung eines unterirdischen
Sicherheitsventils, das im Steigrohr eines Bohrlochs eingesetzt
ist. Das Bohrloch kann ein Bohrloch an Land oder im Meeresboden
sein, und im letzteren Fall erfolgt die Steuerung von der Oberfläche des
Meeresbodens aus. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum
Erkennen eines undichten Stellglieds einer solchen Vorrichtung.
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Oberflächengesteuerte unterirdische
Sicherheitsventile (Surface Controlled Sub- surface Safety Valves, nachfolgend
SCSSV genannt) werden normalerweise innerhalb des Steigrohrs eines
Bohrlochs in einer Tiefe zwischen 200 und 600 ft. (etwa 60–180 Meter)
unterhalb des Bohrlochkopfes eingesetzt. 1 zeigt in schematischer Form eine bekannte Vorrichtung
zur Steuerung eines SCSSV im Steigrohr eines unterseeischen Bohrlochs.
Diese bekannte Vorrichtung umfasst ein SCSSV-Hydraulikstellglied 1, ein
Steuerungssystem 2, das an einem Bohrlochaufbau (well tree) 4 auf
der Oberfläche
des Meeresbodens oberhalb des Bohrlochkopfes positioniert ist, sowie
eine einzelne Hydrauliksteuerleitung 3, typischerweise
eine ¼-Zoll-(0,64 cm)-Hydraulikleitung, die
vom Steuerungssystem 2 durch den Bohrlochaufbau 4 mit
Steigrohr-Gehänge
und entlang des (nicht-dargestellten) Steigrohrs zum SCSSV-Stellglied 1 verläuft. Das
SCSSV-Stellglied wird zum Öffnen
angesteuert, indem der Steuerleitungseingang zu einem unter Innendruck
stehenden Hydraulikversorgung 5 für das Steuerungssystem 2 geschaltet wird,
und geschlossen, indem der Hydraulikdruck in der Leitung durch Verbinden
der Steuerleitung 3 mit einem hydraulischen Rücklaufsystem 6 reduziert wird.
Diese Umschaltfunktion wird durch ein elektrisch gesteuertes Wegeventil
(Directional Control Valve (DCV)) 7 ausgeführt. Ein
Drucksensor 8 ist vorgesehen, um den Druck in der Steuerleitung 3 zu überwachen.
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Das Schaltvolumen des SCSSV-Stellgliedes 1 in
solchen Systemen liegt typischerweise bei einigen wenigen Kubikzoll
(etwa 20 ccm) Hydraulikflüssigkeit,
was bedeutet, dass eine geringe Flüssigkeitsbewegung in der Hydrauliksteuerleitung
vorliegt, wenn das Stellglied betätigt wird. Die Betätigung des SCSSV
kommt auch sehr selten vor, wobei das Sicherheits-Stellglied kontinuierlich
mit Druck beaufschlagt wird, um das SCSSV in der geöffneten
Position zu halten. Dies bedeutet, dass die Hydraulikflüssigkeit
in der Hydrauliksteuerleitung 3 normalerweise recht unbewegt
bleibt.
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Ein Dichtungsversagen innerhalb des SCSSV
kann zur Folge haben, dass Flüssigkeiten und
Gase aus dem Bohrloch in die Steuerleitung 3 des Hydraulikreservoirs
gelangen. Wenn diese Flüssigkeiten
und Gase aus dem Bohrloch Fluide auf Kohlenwasserstoffbasis sind,
wie dies in einer Ölbohranlage
der Fall ist, besteht die Möglichkeit,
dass gasförmige
oder flüssige
Kohlenwasserstoffe die Hydraulikleitung 3 zum SCSSV-Kontrollsystem 2 hinaufwandern
und von dort über
das Wegeventil in andere Hydrauliksysteme des Bohrlochkopf-Steuerungssystems
gelangen: Da Kohlenwasserstoffe korrosiv und schädlich für den Betrieb eines Steuerungssystems sein
können,
hat dies in der Vergangenheit zu Situationen geführt, in denen verunreinigte
Hydraulikflüssigkeit
große
Schäden
an oft sehr teuren Systemkomponenten verursacht hat.
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Aufgrund der einzelnen Steuerleitung 3 und der
niedrigen Betätigungsvolumina
der Hydraulikflüssigkeit
ist es weder möglich,
die verunreinigte Hydraulikflüssigkeit
aus der Steuerleitung des in 1 gezeigten
Systems zu spülen,
noch die Hydraulikflüssigkeit
in der Leitung zu ersetzen, während
das SCSSV in Betrieb ist.
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Eine Lösung für dieses Problem, das durch verunreinigte
Hydraulikflüssigkeit
verursacht wird, besteht darin, eine zweite Hydraulikleitung als
Auslassleitung bereitzustellen, um ein Herausspülen der verunreinigten Hydraulikflüssigkeit
aus dem System zu ermöglichen.
Eine solche bekannte Vorrichtung ist schematisch in 2 dargestellt, bei der die gleichen Bezugszeichen
der 1 für die Teile
in dieser Figur verwendet werden, die den Teilen der 1 gleichen oder diesen Teilen
entsprechen. Bei dieser Vorrichtung ist eine Auslassleitung 9 an
ihrem einen Ende durch ein T-Rohrverbindungsstück 10 nächst dem SCSSV-Stellglied 1 an
die zuführende
Hydraulikleitung 3 angeschlossen und an ihrem anderen Ende mit
einem zweiten elektrisch gesteuerten Wegeventil 11 verbunden.
Das Wegeventil 11 kann die Auslassleitung 9 von
einer Absperrposition in eine Öffnungsposition
und umgekehrt umschalten. In der Öffnungsposition ist die Auslassleitung 9 über das
Wegeventil 11 mit einer Auslassöffnung 12 verbunden.
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Für
einen normalen Betrieb des SCSSV-Stellgliedes 1 ist die
Auslassleitung 9 zur Auslassöffnung 12 hin abgesperrt
und das Öffnen und
Schließen
des SCSSV erfolgt durch das Wegeventil 7, um den Hydraulikdruck
in der Steuerleitung 3 in der gleichen Weise wie in 1 zu steuern. Wenn jedoch
das System gespült
werden soll, wird das Wegeventil 7 so eingestellt, dass
es eingangsseitig mit der unter Druck stehenden Hydraulikversorgung
verbunden ist, während
das Wegeventil 11 so eingestellt wird, dass es die Auslassleitung 9 mit
der Auslassöffnung 12 verbindet,
so dass die Hydraulikflüssigkeit
von der Hydraulikversorgung über
das Wegeventil 7, die Steuerleitung 3, das T-Verbindungsstück 10,
die Auslassleitung 9 und das Wegeventil 11 zur
Auslassöffnung 12 fließt.
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Wenn der Betrieb des Stellgliedes 1 nicht
gestört
werden soll, ist es bei der in 2 dargestellten Vorrichtung
beim Spülen
des Systems wichtig, dass genügend
Hydraulikdruck am Stellglied 1 aufrecht erhalten wird,
um sicherzustellen, dass der Betrieb des SCSSV nicht aufhört – wobei
der Minimaldruck eine Funktion des Rohrleitungs(Bohrloch-)drucks
ist. Wenn der Versorgungsdruck während
des Spülbetriebs
(durch den Flüssigkeitsstrom)
unter diesen Minimaldruck fällt,
besteht immer die Gefahr, dass eine nicht gewollte Schließung des
SCSSV erfolgt. Um zu verhindern, dass der Versorgungsdruck unter
einen vorbestimmten Mindestpegel abfällt, kann es somit erforderlich
sein, ein Reduzierstück 13 zu
verwenden, das typischerweise an demjenigen Ausgang des Wegeventils 11 montiert
wird, der zur Auslassöffnung 12 führt. Ein
Drucksensor 14 wird zur Drucküberwachung in der Auslassleitung 9 bereitgestellt.
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Bei dieser Vorrichtung besteht jedoch
zwischen den Spülvorgängen immer
noch die Möglichkeit,
dass kohlenwasserstoffhaltige Verunreinigungen das Wegeventil 7 erreichen
und möglicherweise Schäden am Steuerungssystem
verursachen.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur oberirdischen
Steuerung eines unterirdischen Sicherheitsventils vorgeschlagen,
das im Steigrohr eines Bohrlochs eingesetzt ist, wobei die Vorrichtung ein
hydraulisches Stellglied zum Öffnen
des unterirdischen Sicherheitsventils, eine Steuerleitung zur Versorgung
des Stellgliedes mit hydraulischer Steuerflüssigkeit, Steuerventilmittel
zum Steuern der Zufuhr von Hydraulikflüssigkeit zur Steuerleitung
und ein Rückschlagventil
im Verlauf der Steuerleitung zwischen dem Stellglied und den Steuerventilmitteln
umfasst, um Verunreinigungen, die beim Stellglied in die Hydraulikflüssigkeit
eindringen, zu begrenzen und diese daran zu hindern, die Steuerventilmittel
durch Hinaufwandern in der Steuerleitung zu erreichen, sowie Auslassmittel
für die
Hydraulikflüssigkeit,
die mit dem Stellglied und der Steuerleitung verbunden sind, um
ein Herausspülen
von Flüssigkeit
aus der Steuerleitung zu ermöglichen.
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Eine solche Konfiguration ermöglicht es,
die Hydraulikflüssigkeit
bei Schließung
des SCSSV abfließen
zu lassen, wodurch ein Teil der Flüssigkeit in der Steuerleitung
während
des normalen Schließvorgangs
des Ventils ersetzt wird. Sie bewirkt darüber hinaus, dass jegliche gasförmige oder
flüssige
Kohlenwasserstoffe, die in das System eindringen, zu einer dafür vorgesehenen
Auslassöffnung
wandern, anstatt zum Steuerungssystem zurückzuwandern. Optional kann
die Vorrichtung darüber
hinaus Mittel umfassen, um die Fließrate zu begrenzen, mit der
die Hydraulikflüssigkeit
aus der Auslassleitung abgelassen wird, so dass während des
Herausspülens
der Flüssigkeit über die
Steuerleitung genügend
Hydraulikdruck für
den Betrieb des Stellgliedes aufrecht erhalten wird. Eine solche
Konfiguration erlaubt es, während
des normalen Betriebs Hydraulikflüssigkeit aus dem Stellglied
herauszuspülen,
ohne dass ein versehentliches Schließen des SCSSV erfolgt, wie zuvor
beschrieben.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei
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1 und 2 wie oben beschrieben, schematische
Darstellungen von bekannten Vorrichtungen zur Steuerung von SCSSV-Stellgliedern
sind und
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3 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur
oberirdischen Steuerung eines unterirdischen Sicherheitsventils
zeigt, wobei jene Teile, die gleich sind oder mit den Teilen der
bekannten Anordnungen korrespondieren, mit den gleichen Bezugsziffern
versehen sind.
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Die in 3 gezeigte
Vorrichtung umfasst ein SCSSV-Hydraulikstellglied 1 zur
Betätigung
eines (nicht-dargestellten) SCSSV, ein erstes Wegeventil 7 sowie
eine Steuerleitung 3 für
Hydraulikflüssigkeit, um
unter Druck stehende Hydraulik-Steuerflüssigkeit von einer Hydraulikversorgung 5 über das
Wegeventil 7 zum Stellglied 1 zu führen. Das
Wegeventil 7 ist auch mit einem hydraulischen Rücklaufsystem 6 gekoppelt
und kann somit die Verbindung zur Steuerleitung 3 zwischen
der Hydraulikversorgung 5 und dem Rücklaufsystem 6 schalten.
Ein Rückschlagventil 15 ist
in der Steuerleitung 3 für die Hydraulikflüssigkeit
in Richtung desjenigen Endes der Leitung, an dem das Stellglied 1 vorgesehen
ist, eingebaut. Ein Ende einer Auslassleitung 9 ist durch
ein T-Rohrverbindungsstück 10 zwischen
dem Rückschlagventil 15 und
dem Stellglied 1 mit der Steuerleitung 3 verbunden,
während
ihr anderes Ende mit einem zweiten Wegeventil 11 verbunden
ist, das wiederum einen Austrittsanschluss aufweist, der mit einer
Auslassöffnung 12 verbunden
ist. Das T-Verbindungsstück 10 sollte
so nahe wie möglich
an dem Stellglied 1 angeordnet sein. Wenn das Stellglied
jedoch zwei Anschlüsse hat,
die mit dessen Steuerkammer verbunden sind, kann der Ausgang des
Rückschlagventils 15 direkt mit
dem einen Anschluss und die Auslassleitung 9 direkt mit
dem anderen Anschluss verbunden werden.
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Die Vorrichtung umfasst darüber hinaus Drucksensoren 8 und 14,
um das Druckniveau in der Steuerleitung 3 bzw. das der
Auslassleitung 9 zu überwachen,
wobei die Steuerleitung 3 auch mit einem Abscheider 16 versehen
ist, das vor dem Rückschlagventil 15 eingebaut
ist.
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Der Steuerungsvorgang des Stellgliedes 1 ähnelt dem
der bekannten Anordnung in 2.
In der vorliegenden Anordnung wird jedoch durch das Rückschlagventil 15 in
der Steuerleitung 3 verunreinigte Flüssigkeit daran gehindert, vom
Stellglied 1 entlang der Steuerleitung 3 zurückzuwandern
und die Hydraulikversorgung zu verunreinigen. Dieses Rückschlagventil
kann von beliebiger Bauart sein. Beispielsweise kann ein federbelastetes
Kugelventil zum Einsatz kommen, das eine Feder oder andere elastische
Bauteile umfasst, die das Ventil in Richtung einer geschlossenen
Position vorspannen, wobei die Vorspannung überwunden wird, wenn in Strömungsrichtung
betrachtet, der Flüssigkeitsdruck
vor dem Ventil größer als
die Vorspannung und der Flüssigkeitsdruck
hinter dem Ventil ist. Der Abscheiden 16 dient dazu, bestimmte
Verunreinigungen in der Hydraulikflüssigkeit zurückzuhalten,
wodurch verhindert wird, dass sie in das SCSSV-Stellglied 1 eindringen.
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Ein typischer Durchspülvorgang
der Vorrichtung kann wie folgt ausgeführt werden. Bei geöffneten
Wegeventil 11 (d.h. in der auf „Auslass" gestellten Position)
wird das Wegeventil 7 auf die Position „Hydraulikversorgung" gestellt,
so dass Hydraulikflüssigkeit über das
Wegeventil 11 und das Rückschlagventil 15 zum
SCSSV-Stellglied 1 fließen kann,
wodurch Gase und verunreinigte Hydraulikflüssigkeit über das Wegeventil 11 zur
Auslassöffnung
abfließen.
Das Öffnen
des Wegeventils 11 in der „Auslass"-Position verursacht
auch, dass das Stellglied 1 schließt, es sei denn, der Steuerdruck
ist ausreichend hoch und der Flüssigkeitsstrom
ausreichend begrenzt (z.B. durch Verwendung eines Reduzierstücks 13,
wie in der Anordnung nach 2),
so dass genügend
Druck in der Steuerkammer des Stellgliedes 1 aufrecht erhalten wird.
Nach ausreichender Durchspülung
des Systems wird das Wegeventil 11 in die Absperrposition gesetzt
(d.h. weg von der Position „Auslass" 12),
wodurch das hydraulische Stellglied 1 das SCSSV öffnet.
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Während
des normalen Steuerungsbetriebs, wenn das Lösen des Stellgliedes 1 erforderlich
ist, um das Sicherheits-SCSSV zu schließen, wird das Wegeventil 7 auf
das hydraulische Rücklaufsystem 6 umgeschaltet
(d.h. die Verbindung zur Hydraulikversorgung 5 wird unterbrochen),
worauf das Wegeventil 11 auf „Auslass" umgeschaltet wird,
wodurch Gase und verunreinigte Hydraulikflüssigkeit durch die Aus lassleitung
herausgespült
werden. Nur ein kleiner Teil der Flüssigkeit, etwa 2 Kubikzoll
(etwa 30 bis 35 ccm), wird auf diese Weise bei jeder Betätigung dem Auslass
zugeführt,
im Vergleich zu etwa 400 Kubikzoll (etwa 6550 ccm) in der Steuerleitung.
Aus diesem Grund sollte das T-Verbindungsstück so nah wie möglich am
Stellglied angeordnet sein. Ein gegabeltes Rohrverbindungsstück könnte ebenfalls
verwendet werden, bei dem ein einziger im Innern aufgeteilter Anschluss
mit dem Stellglied-Steueranschluss und
separaten Anschlüssen
für die
Steuer- und die Auslassleitung verbunden ist, wobei jedoch vorzugsweise
ein Stellglied mit zwei Anschlüssen
verwendet wird, das über
separate Steuer- und Auslassanschlüsse verfügt. Bei Verwendung des letztgenannten
wird die Kammer des Stellgliedes durch den normalen Ventilbetrieb
von Verunreinigungen befreit.
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Somit wird in der gezeigten Ausführung bei jeder
Betätigung
des SCSSV-Stellgliedes 1 das Stellglied-Hydrauliksystems
etwas gespült,
was dazu beiträgt,
dass ein Anwachsen von unbewegter und verunreinigter Hydraulikflüssigkeit
vermieden wird. Bei Versagen des Rückschlagventils funktioniert
das SCSSV-Stellglied immer noch normal, obwohl die Vorteile, die
verhindern, dass Verunreinigungen die Steuerleitung zurückwandern,
nicht mehr bestehen.
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Wie oben erläutert, kann ein Reduzierstück 13 im
Auslassstrom, wie in 2 gezeigt,
vorgesehen sein, wobei dann die Betriebsart „Durchspülen" wie folgt modifiziert
würde.
Bei geöffneten
Wegeventil 11 (d.h. in der Auslass-Position) wird das Wegeventil 7 auf
die Position „Hydraulikreservoir"
gestellt, so dass Hydraulikflüssigkeit über den
Abscheiden 16 und das Rückschlagventil 15 zum
SCSSV-Stellglied 1 fließen kann, wodurch Gase und
verunreinigte Hydraulikflüssigkeit über das
Wegeventil 11 zur Auslassöffnung 12 abfließen. Aufgrund
des Vorhandenseins des Reduzierstücks 13 reduziert der
Durchspülprozess
den Druck nicht so sehr, dass das Stellglied 1 veranlasst
wird, zu schließen,
sondern es hält
den Steuerdruck so hoch, dass das Hydraulikstellglied 1 das
SCSSV offen hält.
Nach ausreichendem Durchspülen
des Systems wird das Wegeventil 11 in die Absperrposition
gesetzt (d.h. nicht auf Auslass). Sollte das System zu einem späteren Zeitpunkt
noch weiter durchgespült
werden müssen,
kann dies ohne die Schließung
des SCSSV erfolgen, indem das Wegeventil 11 einfach wieder
in die geöffnete
Position gebracht wird. Wenn ein Lösen des Stellgliedes erforderlich
ist, um das Sicherheits-SCSSV zu schließen, wird das Wegeventil 7 auf
das hydraulische Rücklaufsystem 6 umgeschaltet
(d.h. die Verbindung zur Hydraulikversorgung 5 wird unterbrochen),
worauf das Wegeventil 11 auf „Auslass" umgeschaltet wird,
wodurch Gase und verunreinigte Hydraulikflüssigkeit durch die Auslassleitung
zur Auslassöffnung
gespült werden.
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Die Steuerleitung ist mit dem hydraulischen Rücklaufsystem 6 verbunden,
um Druck in der Steuerleitung 3 abzulassen. Wenn dies nicht
geschieht, besteht das Risiko, dass Restdruck in der Leitung (die
sich unter dem Hydrauliksteuerdruck ausgedehnt hat) das SCSSV betätigt, insbesondere
wenn sich ein Reduzierstück 13 im
Verlauf der Auslassleitung befindet. Das Wegeventil 7 stellt
zusammen mit dem Rückschlagventil 15 eine
Trennung zwischen dem SCSSV-Hydrauliksystem und dem Rest des Hydrauliksystems
her und bewirkt einen Druckabbau in der Steuerleitung, wie vorstehend
erläutert
ist.
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Der Einbau eines Rückschlagventils
ermöglicht
die Überwachung
des Druckes in der Auslassleitung mit einem Drucksensor 14,
um ein undichtes Stellglied zu erkennen. Nachdem das SCSSV durch Schalten
des Wegeventils 7 zum Rücklaufsystem 6 und
des Wegeventils 11 zur Auslassöffnung 12 geschlossen
worden ist, sollte das darauffolgende Zurückschalten des Wegeventils 11 zur
Absperrposition zur Folge haben, dass der Druck in der Auslassleitung
konstant bleibt. Wenn jedoch festgestellt wird, dass der Druck ansteigt,
würde dies
auf ein undichtes Stellglied hindeuten, welches ein Eindringen von Flüssigkeit
und Gasen aus dem Bohrloch ermöglicht, die
wegen des Rückschlagventils 15 und
des geschlossenen Wegeventils 11 nicht entweichen können und
einen Druckanstieg verursachen. Die Drucküberwachung kann durch eine
Beobachtung durch den Menschen oder durch Überwachungsinstrumente erfolgen.
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Die vorstehende Beschreibung erläutert in groben
Zügen die
vorliegende Erfindung, ohne sie einzuschränken. Es versteht sich, dass
Variationen und Modifikationen, die der durchschnittliche Fachmann
dieses Bereichs der Technik erkennen kann, implizit im Umfang dieser
Anmeldung und der folgenden Patente enthalten sein sollen. Obwohl
beispielsweise die Erfindung unter Bezugnahme auf ein elektro-hydraulisches Untersee-Steuerungssystem
(mit einem elektrisch gesteuerten Wegeventil und hydraulisch gesteuertem
SCSSV-Stellglied 1) und einer Meeresbodenanlage beschrieben
wird, sind die Prinzipien und Konzepte genauso gut auf ein direktes
Hydrauliksteuerungssystem oder ein Bohrloch an Land anwendbar.
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Darüber hinaus könnten auch
andere Steuermittel als die dargestellten Wegeventile verwendet werden.
Anstelle von zwei Wegeventilen wäre
auch die Verwendung eines 3-Wege-Ventils möglich.
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- 1
- Stellglied
- 2
- Steuerungssystem
- 3
- Steuerleitung
- 4
- Bohrlochaufbau
- 5
- Hydraulikversorgung
- 6
- hydraulisches
Rücklaufsystem
- 7
- Wegeventil
- 8
- Drucksensor
- 9
- Auslassleitung
- 10
- T-Verbindungsstück
- 11
- Wegeventil
- 12
- Auslassöffnung
- 13
- Reduzierstück
- 14
- Drucksensor
- 15
- Rückschlagventil
- 16
- Abscheider