ITBG20130032U1 - Attuatore meccanotronico per la gestione automatica di valvole sottomarine - Google Patents

Description

ATTUATORE MECCANOTRON ICO PER LA GESTIONE AUTOMATICA DI VALVOLE SOTTOMARINE.

DESCRIZIONE

Questa invenzione si riferisce ad un attuatore meccanotronico per il controllo di valvole sottomarine, costruite con particolari accorgimenti, in grado di azionarle mediante apposito software di gestione.

La valvola è un componente meccanico che consente l'intercettazione o la regolazione del flusso di un materiale in grado di fluire in una tubazione al fine di garantire specifici valori di pressione o di portata.

Nella grande maggioranza dei casi tale materiale è di tipo fluido, cioè liquido o gassoso; si può però creare un flusso di solidi, ad esempio pulverulenti o granulari, che può essere intercettato o regolato da una valvola.

Come esempio banale, il normale rubinetto di casa è una valvola, come, estendendo il concetto, lo è la finestrina di aerazione presente in molte finestre, solitamente composta da listelli di vetro orientabili.

Le valvole sono di norma costituite da tre elementi fondamentali: - un corpo, che contiene l'organo mobile e che consente la connessione ai tubi nei quali scorre il fluido ed il collegamento agli organi di comando;

- un otturatore, che è l'organo mobile, e che consente l'intercettazione del fluido;

- organi di comando, che possono essere manuali, elettrici o magnetici, per mezzo dei quali si manovra l'organo mobile.

Vi sono poi vari criteri di classificazione delle valvole: per forma costruttiva (per esempio a sfera, farfalla, a saracinesca), per tipo di azionamento (per esempio ad azionamento manuale, ad azionamento tramite attuatori con comando elettrico, pneumatico ed idraulico) e per applicazione (per esempio di regolazione ed intercettazione).

Particolare riguardo ed attenzione, viene posta alla progettazione di valvole sottomarine per il settore “oil & gas”, in piattaforme petrolifere sia “on-shore” che “off-shore”.

La valvola sottomarina è un componente complesso e di importanza fondamentale per la piattaforma petrolifera.

L'Italia viene generalmente riconosciuta al primo posto nella produzione mondiale di valvole sottomarine per il settore “oil & gas .

Le imprese del comparto, detengono tuttora un “know-how” di alto livello, che garantisce loro ampi vantaggi sotto il profilo della concorrenza.

Allo stato dell’arte, la gestione delle valvole sottomarine per le piattaforme petrolifere, viene effettuata sovente attraverso l'utilizzo di attuatori idraulici, il cui movimento dell'otturatore è determinato dall'energia idraulica del fluido che scorre in condotta. Tale soluzione, determina però, una limitata operatività, tradotta in scarsa flessibilità e gestibilità dell’intero sistema. Gli attuatori idraulici, allo stato della tecnologia notoria, hanno anche problematiche conclamate nell’eventualità di cadute di pressione idraulica.

Altro metodo di gestione largamente praticato, prevede azionamenti con servocomandi elettrici (attuatori), in cui il movimento dell'otturatore, lineare o rotatorio, è causato da un motore elettrico di tipo “brushless”. Questa soluzione risulta più utilizzata della precedente, poiché rende possibile una maggior selettività nella regolazione dei flussi nella condotta, nonché una maggior efficienza dell’intero impianto. Inoltre, il motore “brushless”, a differenza del classico motore a spazzole, ha una vita lavorativa più lunga ed una maggior precisione di intervento, pur tuttavia avendo costi superiori. Il comando dell’attuatore in questo caso avviene per via remota, attraverso un sistema elettromeccanico dedicato, che ne ottimizza l’operatività. Viene definito pertanto attuatore meccanotronico, un dispositivo “intelligente”, per applicazioni specifiche, che coniuga tre discipline quali meccanica, elettronica ed informatica. Tali espedienti tecnologici, pur in grado di soddisfare la maggioranza delle complesse richieste della committenza, presentano alcune criticità.

Alcuni Centri di Ricerca Internazionali, indicano che nel prossimo decennio il petrolio ed i suoi derivati, rimarranno il combustibile di riferimento. Per tale ragione, le società petrolifere continuano a scavare nuovi pozzi, soprattutto al largo delle coste (“offshore”). Infatti nei fondali sottomarini sono stati individuati ingenti giacimenti. Con l'aumentare delle profondità, però, cresce anche la pressione cui sono sottoposti i componenti degli impianti, per esempio le sopraccitate valvole sottomarine ed attuatori meccanotronici. Per questo motivo, si rende necessario, l’uso di potentissima camera iperbarica, per poter appunto sottoporre a test tutti i prodotti. La camera iperbarica, è difatti in grado di simulare le condizioni che si creano alla profondità di 4.500 metri, quando le pressioni raggiungono i 450 bar. Durante tale test, l'intera gestione del sistema di messa in pressione viene affidata poi ad un software, in grado di analizzare e memorizzare i dati provenienti dai sensori distribuiti nella camera iperbarica e nei componenti analizzati (valvola, attuatore, cavi, giunzioni, eccetera). La raccolta automatica di tutte le condizioni di test, oltre che dei risultati registrati, permette di creare una serie di procedure di prova, da riutilizzare anche in futuro, ma anche di registrare tutti i dati utili per garantire la completa tracciabilità dei prodotti testati.

L’alta pressione presente alle notevoli profondità marine, impone dunque attenzione nella progettazione, con particolare riguardo ai materiali impiegati ed alla affidabilità operativa.

E’ proprio a causa dell’alta pressione, che la componentistica elettronica, presente all’interno degli attuatori meccanotronici di comando-valvola, viene obbligatoriamente posta pressoché sotto-vuoto, con gas inerte, tipicamente azoto (normalmente a circa 0,02 bar); ne risulta dunque, una notevole differenza di pressione tra esterno ed interno, tale da aumentare i rischi di danneggiamento. Il porre l’elettronica sotto-vuoto, risolve anche parzialmente il problema delle forti vibrazioni ed urti che si vengono a creare in alcune circostanze operative.

Anche eventuali connessioni elettriche interne agli attuatori, sono fonte di problemi, poiché anch’esse devono essere poste sotto-vuoto, o in alternativa, resistere direttamente all’alta pressione, tramite l’inserimento di opportune giunzioni a connettore. Le giunzioni a connettore, sono tra l’altro, per ovvie ragioni, molto costose.

Per poter adottare gli espedienti precedentemente indicati, si finisce inevitabilmente a dover fare i conti con un aumento delle dimensioni di ingombro e di peso delle apparecchiature.

Un altro problema da non trascurare, è rappresentato dall'indice S.I.L. (Safety Integrity Level), definito dalle norme europee 61508 e 61511 , della Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC), come un “livello relativo di riduzione dei rischi funzionali”. Il S.I.L. rappresenta nello specifico, il calcolo delle probabilità che determinati prodotti (valvola ed attuatore), non si possano danneggiare entro un determinato tempo (probabilità di guastoper-ora “pfh”). Pertanto, maggiore sarà l’indice S.I.L., da un minimo di SIL 1 ad un massimo si SIL 4, e minore sarà il tasso di guasto.

Scopo del presente trovato, è quello di definire un attuatore meccanotronico che consenta una gestione controllata ed automatica di valvole sottomarine, di diversa tipologia, attraverso l’adozione di apposito software, particolarmente per piattaforme marine “on-shore” ed “off-shore”, tipiche nell’industria petrolifera.

Altro scopo è quello di definire un attuatore che possa operare insieme alle valvole, fino a profondità marine di 3.000 metri e pressione equalizzata di 300 bar, senza danneggiamenti.

Altro scopo è quello di definire una parte dell’attuatore, comprendente l’elettronica, idonea ad essere compensata rispetto alla pressione esterna fino a 300 bar.

Altro scopo è quello di definire un attuatore come sopra, che con adeguato hardware e software, renda il sistema più fruibile ed adattabile alle diverse esigenze.

Altro scopo è quello di definire un attuatore come sopra, che consenta di poter operare in assenza di tensione elettrica, tramite opportuno inserimento di una batteria di back-up e relativo carica-batteria, indispensabili nei casi di guasto e blackout.

Altro scopo è quello di definire un attuatore, che consenta di garantire il monitoraggio, la diagnostica e la gestione avanzata delle valvole sottomarine.

Altro scopo è quello di definire un attuatore come sopra, gestibile per via remota.

Altro scopo è quello di definire un attuatore come sopra, che possa avere ridotti ingombri e minore peso.

Altro scopo è quello di definire un attuatore come sopra, che consenta una sensibile riduzione dei costi di installazione.

Altro scopo è quello di definire un attuatore che consenta di raggiungere una elevata efficienza in termini di consumo energetico, tramite l'ottimizzazione della potenza elettrica assorbita.

Altro scopo è quello di definire un attuatore che consenta di raggiungere un elevato standard di sicurezza, mediante l’Attenuazione del Rischio Complessivo (valvola ed attuatore). Altro scopo è quello di definire un attuatore come sopra, che consenta l'adempimento degli obblighi normativi in materia valvole-attuatori, come in premessa accennati.

Altro scopo è quello di definire un attuatore che risulti attuabile con costi convenienti.

Questi ed altri scopi appariranno come raggiunti dalla lettura della descrizione dettagliata seguente, illustrante un attuatore meccanotronico per la gestione automatica di valvole sottomarine.

Il trovato è illustrato in forma esemplificativa ma non limitativa, nella seguente descrizione e tavole di disegno, delle quali:

La fig. 1 mostra una vista assonometrica di un attuatore meccanotronico per una valvola sottomarina.

La fig. 2 mostra una vista assonometrica con parziale spaccato interno dell’attuatore meccanotronico.

La fig. 3 mostra una vista frontale dell’attuatore meccanotronico. La fig. 4 mostra una vista laterale dell’attuatore meccanotronico. La fig. 5 mostra una vista frontale in sezione parziale dell’attuatore meccanotronico.

La fig. 6 mostra una vista laterale di un riduttore epiciciòidale.

La fig. 7 mostra una vista frontale in sezione del riduttore epici cloidale .

La fig. 8 mostra una vista assonometrica di un compensatore elastico.

La fig. 9 mostra una vista in sezione del compensatore elastico. La fig. 10 mostra una vista assonometrica dell’attuatore meccanotronico, accoppiato ad una valvola sottomarina di tipo “a sfera”.

La fig. 11 mostra una vista assonometrica dell’attuatore meccanotronico, accoppiato ad una valvola sottomarina di tipo “a ritegno”.

La fig. 12 mostra una vista assonometrica dell’attuatore meccanotronico, accoppiato ad una valvola sottomarina di tipo “a saracinesca”.

La fig. 13 mostra una vista assonometrica dell’attuatore meccanotronico, accoppiato ad una valvola sottomarina di tipo “a doppia saracinesca”.

Con riferimento alla suelencate figure, un attuatore 1 di tipo meccanotronico, è costituito da una sezione inferiore 2, una sezione centrale 3 ed una sezione superiore 4, tipicamente realizzate in acciaio. La sezione inferiore 2, la sezione centrale 3 e la sezione superiore 4 dell’attuatore 1 , sono unite solidalmente tramite opportuni bulloni in acciaio inossidabile e relative guarnizioni di tenuta. La sezione inferiore 2, comprende una flangia circolare 5 di attacco-valvola, con relativi riscontrimaschio di stazionamento 6, ed un alloggiamento quadro femmina 7, per l’innesto con un albero maschio di una generica valvola sottomarina. All’occorrenza, sono disponibili diverse flange per diversi attacchi-valvola. L’attuatore 1 , è inoltre comprensivo di maniglie di presa 8, per la movimentazione. La sezione superiore 4, è dotata di due attacchi esterni a connettore 9, per l’ingresso dei cavi elettrici di potenza e di comando.

L’attuatore 1 , dispone di una piccola presa idraulica di servizio 10, per il riempimento di un volume 38 di approssimativamente venti litri, della sezione superiore 4, con olio dielettrico 39. L’olio dielettrico 39 viene impiegato per la compensazione della pressione esterna con quella interna. La sezione superiore 4, ospita uno sfiatatoio 11 , allo scopo di stabilizzare la pressione di esercizio del volume 38 con quella esterna marina.

Per permettere lo stoccaggio e la movimentazione dell’attuatore 1 , è previsto l’intervento di una valvola di sicurezza 12, di tipo unidirezionale, tarata a circa tre virgola cinque bar, allo scopo di espellere la pressione in eccesso del volume 38, dovuta per esempio ad un aumento della temperatura ambiente.

L’attuatore 1 è dotato all’interno dell’area della sezione centrale 3, di un riduttore 13, preferibilmente costituito da una cascata di rotismi epicicloidali, azionato mediante moto rotatorio da un albero motore 14 di un motore elettrico 15. L’albero motore 14 si accoppia al perno d'ingresso del riduttore 13 inserendosi entro un alloggiamento femmina 17, quest'ultimo opportunamente dotato di usuali sistemi atti a consentire la trasmissione della coppia permettendo l'amovibilità della giunzione ed il movimento relativo assiale; allo scopo di diminuire opportunamente il numero di giri di un albero 16 di uscita del riduttore 13 il moto assiale attraversa una serie di treni di ingranaggi epicicloidali 18. Il riduttore 13, è dotato di perni maschio 19 per il fissaggio ad una base di unione 20 della sezione inferiore 2 dell’attuatore 1 , e di fori femmina filettati 21 per il fissaggio ad una base di unione 22 del motore elettrico 15. Sempre all’interno dell’area della sezione centrale 3, è inserito un ammortizzatore a maglie elastiche 23, interposto tra il motore elettrico 15 ed una componentistica elettronica 24.

L’ammortizzatore a maglie elastiche 23, realizzato in acciaio inossidabile, ha la funzione di proteggere la componentistica elettronica 24, assorbendo gli urti e le vibrazioni che dovessero sorgere durante l’operatività. L’ammortizzatore a maglie elastiche 23, è in grado di smorzare e deviare più del quaranta percento delle frequenze di sollecitazione, provenienti da qualunque direzione, comprese tra i cinque ed i venticinque Hertz.

Per la compensazione dell’elettronica, si rende necessario l’utilizzo di una componentistica elettronica 24 di tipo a “stato solido”, ovvero costituita da componenti interiormente privi di sacche d’aria.

La componentistica elettronica 24, è composta da una scheda madre 25, una scheda di potenza 26, una scheda di controllo 27 ed una scheda di azionamento 28, dette schede essendo inserite all’interno dell’area della sezione superiore 4, dell’attuatore 1. Come precedentemente accennato, relativamente allo sfiatatoio 11 , vi è un elemento molto importante, cooperante con lo sfiatatoio stesso, costituito da un compensatore elastico 29 (evidenziato nelle figg. 2 e 5 e più dettagliatamente nelle figg. 8 e 9). Il compensatore elastico 29, insieme allo sfiatatoio 11 , hanno la funzione di equalizzare la pressione esterna, presente nelle profondità marine, con quella interna della sezione superiore 4, in cui vi è alloggiata la componentistica elettronica 24. Il compensatore elastico 29, è costituito principalmente di materiale acciaio inossidabile, di idoneo spessore, con un volume 30 di approssimativamente due litri, una base circolare 31 ’, un cappello di chiusura circolare 31 ”, una fascia a collare di giunzione 32, idonea al bloccaggio di una membrana elastica 33 (preferibilmente costituita in politetrafluoroetilene) tramite opportuni bulloni di serraggio 34. Per il fissaggio della membrana elastica 33, alla base circolare 31 ’ ed al cappello di chiusura circolare 31 ”, viene interposta una guarnizione nitrilica di tenuta 35, di idonea resistenza meccanica alla deformazione permanente, e di buona impermeabilità all’acqua e all’olio. Sulla superficie del cappello di chiusura circolare 31 ”, viene posizionato il sopraccitato sfiatatoio 11 , costituito anch’esso di materiale acciaio inossidabile; esso è realizzato secondo tecnologie notorie del settore, ed è esemplificativamente formato da un corpo cilindrico 36, eventualmente ripartito in una camera inferiore 37’, ed una camera superiore 37”. Il corpo 36, ovvero dette camere 37’ e 37”, sono poste in collegamento con l'esterno dell'attuatore 1 a mezzo di orifizi 40; in tal modo, la pressione presente nel fondale marino si diffonde entro il volume 30, interno alla membrana 33, causando l'espansione dello stesso e la coincidente contrazione del coniugato volume 38, determinando l'equalizzazione tra i due (pressione 38 = pressione 30 = pressione marina). I citati orifizi 40 trovano ubicazione su di un piatto circolare in rame 43, trattenuto in posizione d'esercizio da una boccola 42 in politetrafluoroetilene (PTFE). Il piatto 43 è costituito di rame per meglio evitare fenomeni di incrostazione marina, quali per esempio, sedimenti calcarei e mucillagine.

Le figure 10, 11 , 12 e 13, mostrano rispettivamente le varie tipologie di valvole sottomarine maggiormente utilizzate nel settore petrolchimico; in particolare risulta ivi rappresentato l’attuatore 1 accoppiato ad una valvola di tipo “a sfera” 44, ad una valvola di tipo “a ritegno” 45, ad una valvola di tipo “a saracinesca” 46, ed infine ad una valvola di tipo “a doppia saracinesca” 47.

La componentistica elettronica 24 precedentemente descritta, consente di incorporare dispositivi in grado di operare comunicazioni in remoto mediante un usuale cavo “bus", così da poter evitare l'oneroso compito di stendere numerosi cavi e relative giunzioni nelle profondità marine, come invece richiesto da talune soluzioni realizzative allo Stato deM'Arte.

Un sistema hardware e software remoto, appositamente da approntarsi, può consentire di monitorare, tracciare le quantità di fluidi in transito mediante modulazione d'apertura delle valvole, effettuare diagnosi e statistiche, ovvero gestire le funzionalità dell'attuatore 1 , e conseguentemente le connesse valvole sottomarine (44, 45, 46, 47). Un sistema software di gestione remota, rende quindi il presente trovato molto fruibile ed adattabile alle diverse esigenze.

La realizzazione dell’attuatore meccanotronico consente inoltre: - di ottenere una Dichiarazione di Conformità Internazionale in materia di Compatibilità Elettro-Magnetica (EMC);

- di raggiungere, adottando opportuni standard qualitativi relativamente ai materiali impiegati ed alle procedure costruttive, una notevole affidabilità, suggellabile eventualmente tramite una certificazione di tipo S.I.L. 2, persino in modalità alta di test (HDM);

- di ottenere conseguentemente una certificazione ai massimi livelli internazionali (ad esempio, in osservanza degli standard fissati da "Lloyd’s Register" per le applicazioni di tipo marittimo).

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI Rivendicazione 1 : Attuatore (1 ) di tipo meccanotronico per la gestione di valvole sottomarine avente una sezione inferiore (2), una sezione centrale (3) ed una sezione superiore (4), caratterizzato dal fatto di comprendere entro un volume (38) di detta sezione superiore (4) una componentistica elettronica (24) di tipo capace di resistere ad elevate pressioni, in bagno di un olio dielettrico (39), un compensatore elastico (29) ed un relativo sfiatatoio (11 ), il compensatore elastico (29) e lo sfiatatoio (11 ) essendo capaci di equalizzare la pressione idraulica presente in prossimità del fondale marino con quella del volume (38) della sezione superiore (4). Rivendicazione 2: Attuatore (1 ), come da riv. precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere un ammortizzatore a maglie elastiche (23), interposto tra un motore elettrico (15) e la componentistica elettronica (24), capace di proteggere detta componentistica elettronica (24) assorbendo gli urti e le vibrazioni che dovessero sorgere durante l’operatività dell’attuatore (1 ). Rivendicazione 3: Attuatore (1 ), come da rivv. precedenti, caratterizzato dal fatto che la componentistica elettronica (24) è di tipo a “stato solido”, ovvero priva interiormente di sacche d’aria. Rivendicazione 4: Attuatore (1 ), come da rivv. precedenti, caratterizzato dal fatto che il compensatore elastico (29) comprende un volume (30) di approssimativamente due litri, una base circolare (31 ’), un cappello di chiusura circolare (31 ”), una fascia a collare di giunzione (32) idonea al bloccaggio di una membrana elastica (33), costituita preferibilmente in materiale politetrafluoroetilene e conformata a soffietto estensibile, tramite opportuni bulloni di serraggio (34) alla base circolare (31 ’) ed al cappello di chiusura circolare (31 ”), con interposte guarnizioni nitriliche di tenuta (35) di idonea resistenza meccanica alla deformazione permanente, destinate a conferire una buona impermeabilità all’acqua e all’olio. Rivendicazione 5: Attuatore (1 ), come da rivv. precedenti, in cui lo sfiatatoio (11 ), costituito anch’esso di materiale acciaio inossidabile, comprende un corpo cilindrico (36), eventualmente ripartito in una camera inferiore (37’), ed una camera superiore (37”), caratterizzato dal fatto che dette camere (37’, 37”) sono poste in collegamento con l'esterno dell'attuatore (1 ) a mezzo di orifizi (40), in tal modo, la pressione presente nel fondale marino si diffonde entro il volume (30), interno alla membrana (33), causando l'espansione dello stesso e la coincidente contrazione del coniugato volume (38), determinando l'equalizzazione tra i due, ovvero pressione (38) uguale a pressione (30) uguale a pressione marina; i citati orifizi (40) trovano ubicazione su di un piatto circolare in rame (43), trattenuto in posizione d'esercizio da una boccola (42) in politetrafluoroetilene. Rivendicazione 6: Attuatore (1 ), come da rivv. precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere nella sezione inferiore (2), una flangia circolare (5) di attacco-valvola, con relativi riscontri-maschio di stazionamento (6), ed un alloggiamento quadro femmina (7), per l’innesto con un albero maschio di una generica valvola sottomarina. Rivendicazione 7: Attuatore (1 ), come da rivv. precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere nella sezione centrale (3), un riduttore (13) azionato mediante moto rotatorio da un albero (14) di un motore elettrico (15), detto albero (14) del motore elettrico (15) essendo interposto entro un alloggiamento femmina (17), allo scopo di diminuire tramite treni di ingranaggi epici cloidal i (18) il numero di giri di un albero (16) dello stesso riduttore (1 3). Rivendicazione 8: Attuatore (1 ), come da rivv. precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere nella sezione superiore (4), due attacchi esterni a connettore (9), utili per l’ingresso di cavi elettrici, una valvola di sicurezza (12) per l’espulsione della pressione nel volume (38) in eccesso, ed una presa idraulica di servizio (10) per il riempimento del volume (38) con olio dielettrico (39). Rivendicazione 9: Attuatore (1 ), come da rivv. precedenti, caratterizzato dal fatto che la componentistica elettronica (24) incorpora dispositivi in grado di operare comunicazioni in remoto mediante un usuale cavo “bus", affinchè si possa evitare l'oneroso compito di stendere numerosi cavi e relative giunzioni nelle profondità marine. Rivendicazione 10: Attuatore (1 ), come da riv. precedente, caratterizzato dal fatto di adottare un sistema hardware ed un software remoto capaci di monitorare, effettuare diagnosi e statistiche, ovvero gestire le funzionalità dell’attuatore (1 ), e conseguentemente le connesse valvole sottomarine (44, 45, 46, 47) nella massima versatilità operativa.