NO158232B

NO158232B - HYDRAULIC CONTROL MANUAL.

Info

Publication number: NO158232B
Application number: NO863490A
Authority: NO
Inventors: Ove Bratland
Original assignee: Sintef
Priority date: 1985-01-04
Filing date: 1986-09-01
Publication date: 1988-04-25
Also published as: NO863490L; NO863490D0; NO158232C

Description

Oppfinnelsen gjelder en hydraulisk styrt manøvreringsanordning av det slaget som er angitt i innledningen til patentkrav 1. The invention relates to a hydraulically controlled maneuvering device of the type specified in the introduction to patent claim 1.

I forskjellige systemer er det ønskelig å fjernstyre et organ uten bruk av elektriske signalledninger. Dette er tilfelle ved undervannsventiler ved oljeutvinning, og i eksplosjonsfarlige miljøer. In various systems, it is desirable to remotely control an organ without the use of electrical signal lines. This is the case with underwater valves during oil extraction, and in explosive environments.

Kostnader og sikkerhet er to viktige faktorer i forbindelse med oljevirksomhet til sjøs. Særlig gjelder dette undervannsproduksjonssystemer. For mindre brønner har det ofte vist seg hensiktsmessig å montere fjernstyrte ventiltrær direkte på havbunnen. Disse kan styres fra overflata, f.eks. fra en plattform, over hydrauliske ledninger og eventuelt elektriske kabler. Costs and safety are two important factors in connection with oil operations at sea. This particularly applies to underwater production systems. For smaller wells, it has often proved appropriate to install remote-controlled valve trees directly on the seabed. These can be controlled from the surface, e.g. from a platform, over hydraulic lines and possibly electrical cables.

Ved kjente styringssystemer som bare består av hydrauliske komponenter, hvor altså styringen skjer hydraulisk, møter en det problemet, at reaksjonstidene blir meget lange, selv ved moderate overføringsavstander. Hoved-årsaken til dette er at ved de eksisterende hydrauliske systemene vil enhver ventilaktivering forutsette endring av trykknivået i ei signalledning. Endringen av trykket i en lang, tynn slange eller til og med i et langt, tynt rør tar generelt nokså lang tid, på grunn av kompressible og viskøse effekter. With known steering systems that only consist of hydraulic components, where the steering is done hydraulically, one encounters the problem that reaction times are very long, even at moderate transmission distances. The main reason for this is that with the existing hydraulic systems, any valve activation will require a change in the pressure level in a signal line. The change of pressure in a long, thin hose or even in a long, thin pipe generally takes quite a long time, due to compressible and viscous effects.

For å senke reaksjonstidene er det forsøkt å bruke forskjellige former for elektrohydrauliske styreanordninger. Styresignalet er da elektrisk, mens arbeidsoperasjonen er hydraulisk. Slike systemer har sin berettigelse ved lange avstander og når mange ventiler skal styres. Men et slikt system blir forholdsvis komplisert og kostbart. Det er også uheldig at elektriske ledninger må kobles sammen under vann. Dette kan senke påliteligheten og øke kostnadene. In order to reduce reaction times, attempts have been made to use different forms of electro-hydraulic control devices. The control signal is then electrical, while the working operation is hydraulic. Such systems have their justification for long distances and when many valves are to be controlled. But such a system becomes relatively complicated and expensive. It is also unfortunate that electrical wires have to be connected under water. This can lower reliability and increase costs.

Hovedformålet med oppfinnelsen er derfor å skape en hydraulisk styrt manøvreringsanordning, særlig for bruk til styring av ventiler ved undervanns produksjonssystemer, som kan betjenes hydraulisk på en mer tilfredsstillende måte enn det som er tilfelle ved kjente anordninger. Den må først og fremst kunne styres med kortere reaksjonstid. Dessuten må den være enkel og driftssikker, fordi alle driftsavbrudd på grunn av feil, får store økonomiske konsekvenser, både direkte og indirekte. The main purpose of the invention is therefore to create a hydraulically controlled maneuvering device, particularly for use in controlling valves in underwater production systems, which can be operated hydraulically in a more satisfactory way than is the case with known devices. It must primarily be able to be controlled with a shorter reaction time. In addition, it must be simple and operationally reliable, because all operational interruptions due to errors have major financial consequences, both directly and indirectly.

Ifølge oppfinnelsen kan dette oppnås ved å utforme anordningen i samsvar med den karakteriserende delen av patentkrav 1. According to the invention, this can be achieved by designing the device in accordance with the characterizing part of patent claim 1.

En slik anordning kan aktiveres av sinusformete trykkpulser med en bestemt frekvens eller i et bestemt frekvensområde. Ved siden av å løse styringsproblemet for et enkelt organ, f.eks. en ventil, på en fordelaktig måte, gjør anordningen ifølge oppfinnelsen det mulig å utforme styringssystemer med flere organer som styres over ei enkelt styreledning. De forskjellige organene blir da utformet slik at de reagerer på trykkpulser med forskjellige frekvenser eller i forskjellige frekvensområder. Hvert organ i et slikt system blir med andre ord gjort følsomt i et på forhånd bestemt frekvensintervall og en kan bestemme hvilket organ som skal betjenes ved å velge den tilsvarende signalfrekvensen på de trykkpulsene som utløses fra et styrested, f.eks. på ei plattform. Such a device can be activated by sinusoidal pressure pulses with a specific frequency or in a specific frequency range. In addition to solving the management problem for a single body, e.g. a valve, in an advantageous way, the device according to the invention makes it possible to design control systems with several organs that are controlled via a single control line. The various organs are then designed so that they react to pressure pulses with different frequencies or in different frequency ranges. In other words, each organ in such a system is made sensitive in a predetermined frequency interval and one can decide which organ is to be operated by selecting the corresponding signal frequency of the pressure pulses that are triggered from a control point, e.g. on a platform.

Det midlere trykknivået i signalledninga kan dermed holdes konstant, idet det bare introduseres små, relativt hurtige variasjoner omkring en middelverdi. Det er mulig å utforme anordningen ifølge oppfinnelsen relativt følsom, slik at størrelsen på disse variasjonene kan være beskjedne. Anordningen ifølge oppfinnelsen er primært egnet for styring av ventiler ved såkalte satelittbrønner og i UNAV - sammenhenger, dvs. ved undervanns nødavstengningsventiler som av sikkerhetsgrunner er montert på produksjonsrør for olje og gass. The average pressure level in the signal line can thus be kept constant, as only small, relatively rapid variations around an average value are introduced. It is possible to design the device according to the invention relatively sensitive, so that the size of these variations can be modest. The device according to the invention is primarily suitable for controlling valves at so-called satellite wells and in UNAV contexts, i.e. at underwater emergency shut-off valves which for safety reasons are mounted on production pipes for oil and gas.

Den kan videre brukes i systemer hvor væskeførende rør eller slanger i alle fall er montert, og hvor en ønsker å unngå å montere elektriske ledninger i tillegg. It can also be used in systems where liquid-carrying pipes or hoses are installed in any case, and where you want to avoid installing electrical cables in addition.

I vannkraftverk kan den f.eks. brukes til å stenge rørbruddsventilen ved å sende hydrauliske signaler gjennom rørgata. I vannverk kan den brukes til aktivering av avstengningsventiler. Den kan brukes i eksplosjonsfarlige miljøer, hvor elektriske ledninger kan skape økt gnistfare, f. eks. på oljeplattformer, på tankskip, på oljeraffinerier. In hydropower plants, it can e.g. is used to close the pipe break valve by sending hydraulic signals through the pipe street. In waterworks, it can be used to activate shut-off valves. It can be used in potentially explosive environments, where electrical cables can create an increased risk of sparks, e.g. on oil platforms, on tankers, on oil refineries.

Den kan brukes for fjernstyring av verktøy ("pig") ved rensing eller inspeksjon av produksjonsrør. Signalene kan sendes gjennom samme rør som verktøyet arbeider i, og prinsippet kan benyttes til f.eks. å påvirke verktøyets arbeidsstilling (f.eks. børstenes presskraft). It can be used for remote control of tools ("pig") when cleaning or inspecting production pipes. The signals can be sent through the same pipe that the tool works in, and the principle can be used for e.g. to influence the tool's working position (e.g. the pressing force of the brushes).

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen er angitt i underkravene. Further features of the invention are specified in the subclaims.

Oppfinnelsen er dessuten beskrevet mer detaljert med henvisning til figurene, hvor: fig. 1 viser aksialsnitt gjennom en første utførelsesform av oppfinnelsen, The invention is also described in more detail with reference to the figures, where: fig. 1 shows an axial section through a first embodiment of the invention,

fig. 2 viser aksialsnitt gjennom en andre utførelsesform av oppfinnelsen, fig. 2 shows an axial section through a second embodiment of the invention,

fig. 3 og 4 viser utsnitt av modifikasjoner av utførelsesformen i fig. 2, mens fig. 3 and 4 show sections of modifications of the embodiment in fig. 2, whereas

fig. 5 viser en tredje utførelsesform. fig. 5 shows a third embodiment.

Ventilen i eksemplet i fig. 1 omfatter et ventilhus 1 med en sentral hoveddel 2 og to endeelementer hhv. 3 og 4. Bndeelementene 3 og 4 er festet til hoveddelen 2 med ikke viste skrueforbindelser. The valve in the example in fig. 1 comprises a valve housing 1 with a central main part 2 and two end elements respectively. 3 and 4. The tie elements 3 and 4 are attached to the main part 2 with screw connections not shown.

Hoveddelen 2 har ei aksial, gjennomgående sleideboring 5 som går over i blindboringer 6 og 7 i hhv. endeelement 3 og 4. Hver blindboring 6 og 7 danner et ende- kammer, nedenfor The main part 2 has an axial, continuous sliding bore 5 which merges into blind bores 6 and 7 in the respective end elements 3 and 4. Each blind bore 6 and 7 forms an end chamber, below

kalt hhv. venstre endekammer 8 og høyre endekammer 9. called respectively left end chamber 8 and right end chamber 9.

I sleideboringa 5, mellom endekamrene 8 og 9 er det plassert en forskyvbar sleide 10. Sleidene 10 har på i og for seg kjent måte et sentralt ringspor 11 og to ringspor, hhv. et venstre 12 og et høyre 13, som er plassert symmetrisk om dette, og videre en sentralt plassert, radial innløpskanal 14 og to tilsvarende utløpskanaler, hhv. en venstre utløpskanal 15 og en høyre utløpskanal 16. Innløpskanalen 14 og utløpskanalene 15 og 16 er altså beregnet for gjennomløp av det mediet som skal styres, utløpskanalen 15 og 16 munner innvendig ut i hvert sitt ringspor, hhv. 17 og 18 i sleideboringa 13. In the slide bore 5, between the end chambers 8 and 9, a displaceable slide 10 is placed. The slides 10 have, in a known manner, a central ring groove 11 and two ring grooves, respectively. a left 12 and a right 13, which are placed symmetrically about this, and further a centrally located, radial inlet channel 14 and two corresponding outlet channels, respectively. a left outlet channel 15 and a right outlet channel 16. The inlet channel 14 and the outlet channels 15 and 16 are thus designed for the flow of the medium to be controlled, the outlet channels 15 and 16 opening internally into each of its own annular grooves, respectively. 17 and 18 in slide bore 13.

I tillegg til de kanalene som er nevnt ovenfor, finnes det to kanaler for bortførsel av lekkasjemedium, nemlig en venstre lekkasjekanal 19 og en høyre lekkasjekanal 20. In addition to the channels mentioned above, there are two channels for the removal of leakage medium, namely a left leakage channel 19 and a right leakage channel 20.

Sleiden 10 holdes forspent i sin midtstilling av ei skruefjør ved hver ende, hhv. ei skruefjør 21 i det venstre endekammeret 8 og ei skruefjør 22 i det høyre endekammeret 9. The slide 10 is held pre-tensioned in its middle position by a coil spring at each end, respectively. a coil spring 21 in the left end chamber 8 and a coil spring 22 in the right end chamber 9.

Sleidebevegelsen ut fra midtstilling begrenses av et anslag i hvert endekammer, hhv. et venstre anslag 23 og et høyre anslag 24. The slide movement from the middle position is limited by a stop in each end chamber, resp. a left stop 23 and a right stop 24.

For styring av sleiden 10 er det ført en styrekanal 25 fra ventilhusets hoveddel 2 gjennom to symmetriske grenkanaler, hhv. 26 og 27 i den venstre og den høyre delen av ventilhuset 1 fram til de respektive endekamrene 8 og 9. For controlling the slide 10, a control channel 25 is led from the main part 2 of the valve housing through two symmetrical branch channels, respectively. 26 and 27 in the left and right parts of the valve housing 1 up to the respective end chambers 8 and 9.

I hver av de to grensekanalene 26 og 27 er det innsatt ved enden av ventilhusets hoveddel 2 ei strupehylse, nemlig ei relativ åpen strupehylse 28 på venstre side og ei trangere strupehylse 29 på høyre side. In each of the two boundary channels 26 and 27, a throat sleeve is inserted at the end of the main part 2 of the valve housing, namely a relatively open throat sleeve 28 on the left side and a narrower throat sleeve 29 on the right side.

Når det ligger et konstant mediumtrykk på inngangen til styrekanalen 25, vil sleiden 10 befinne seg i midtstilling med i stengte utløpsspor 17 og 18. Fjørene 21 og 22 er like stive og trykket i endekamrene 8 og 9 vil være likt. When there is a constant medium pressure at the entrance to the control channel 25, the slide 10 will be in the middle position with the outlet grooves 17 and 18 closed. The springs 21 and 22 are equally stiff and the pressure in the end chambers 8 and 9 will be the same.

Til det høyre endekammeret 9 er det koblet: en akkumulator 30 med ei gasslomme 31, hvilken er tilkoblet endekammeret 9 over et forbindelsesrør 32. Akkumulatoren kan ha andre kapasitetselementer enn gass, f.eks. væske, ei mekanisk fjør med stempel eller ei blokk av kompressibelt materiale, så som plast eller gummi. To the right end chamber 9 is connected: an accumulator 30 with a gas pocket 31, which is connected to the end chamber 9 via a connecting pipe 32. The accumulator can have other capacity elements than gas, e.g. liquid, a mechanical spring with a piston or a block of compressible material such as plastic or rubber.

Akkumulatoren 30 og tilkoblingsrøret 32 vil ha en viss egenfrekvens, bestemt av størrelsen på gassvolumet, og åpningsdiameteren og lengda på forbindelsesrøret 32. Røret 32 kan skiftes ut og/eller strupes, for å regulere egenfrekvensen. Størrelsen på gassvolumet bestemmes ved å regulere forladningstrykket i akkumulatoren 30 før systemet settes i drift. Denne egenfrekvensen, som kan ligge på noen Hz, kan f.eks. bestemmes eksperimentelt og kan tilpasses ved variasjon av de parametrene som er nevnt. Maksimal egenfrekvens kan være ca. 250 Hz, men vanligvis ikke over 50 Hz. The accumulator 30 and the connecting pipe 32 will have a certain natural frequency, determined by the size of the gas volume, and the opening diameter and length of the connecting pipe 32. The pipe 32 can be replaced and/or throttled, to regulate the natural frequency. The size of the gas volume is determined by regulating the precharge pressure in the accumulator 30 before the system is put into operation. This natural frequency, which can be a few Hz, can e.g. is determined experimentally and can be adapted by varying the parameters mentioned. The maximum natural frequency can be approx. 250 Hz, but usually not above 50 Hz.

Ved å variere trykket på signalinngangen 25 periodisk, vil symmetrien i systemet brytes. Strupehylsa 29 vil dempe trykkvariasjonen i det høyre endekammeret 9. Videre trykkutjevning besørges av akkumulatoren 30. By varying the pressure on the signal input 25 periodically, the symmetry in the system will be broken. The throat sleeve 29 will dampen the pressure variation in the right end chamber 9. Further pressure equalization is provided by the accumulator 30.

I det venstre endekammeret 8 dempes derimot pulsene betydelig mindre av den venstre strupehylsa 28. Det vil dermed oppstå en resultantkraft på sleiden 10 som vil skyve denne ut fra likevektstillingen. In the left end chamber 8, on the other hand, the pulses are attenuated considerably less by the left throat sleeve 28. There will thus arise a resultant force on the slide 10 which will push it out of the equilibrium position.

I styrekanalen 25 kan det være et grunntrykk på noen hundre bar. Trykkvariasjonen kan ligge i størrelsesorden en bar. I de fleste aktuelle tilfeller er ca. 0,1 bar, og endog ned mot 0,01 bar tilstrekkelig for å styre ventiler, dersom fjørene 21 og 22 utformes med lav fjørkonstant. In the control channel 25 there can be a basic pressure of a few hundred bars. The pressure variation can be of the order of one bar. In most current cases, approx. 0.1 bar, and even down to 0.01 bar sufficient to control valves, if the springs 21 and 22 are designed with a low spring constant.

Svingingen av sleiden 10 mellom endestillingen vil gi en pulserende mediumstrøm ut av utløpskanalene 15 og 16. The swing of the slide 10 between the end position will produce a pulsating medium flow out of the outlet channels 15 and 16.

I fig. 2 er det vist en alternativ utførelsesform. Tilsvarende deler er betegnet med tilsvarende henvisningstall. Ventilsleiden 10 fra eksemplet i fig. 1 er her byttet ut med et svingelegeme 34. I en aksial forlengelse av huset 1' er det påsatt et ventilhus 35 med ei aksial boring 36. En innsnevret del 37 av boringa 36, danner ventilsete 37A for et konisk ventillegeme 38 i et ytre ventilkammer 39. Ventillegemet 38 holdes forspent mot lukket stilling av ei skruefjør 40 i ventilkammeret 39, som er lukket med et lokk. In fig. 2, an alternative embodiment is shown. Corresponding parts are designated with corresponding reference numbers. The valve slide 10 from the example in fig. 1 is here replaced by a swing body 34. In an axial extension of the housing 1', a valve housing 35 with an axial bore 36 is attached. A narrowed part 37 of the bore 36 forms a valve seat 37A for a conical valve body 38 in an outer valve chamber 39. The valve body 38 is held biased towards the closed position by a coil spring 40 in the valve chamber 39, which is closed with a lid.

Tilførselskanal til ventillegemet 38, er ei boring 42 gjennom ventilhuset 35 inn fra styrekanalen 25'. Utløpskanalen et ei sideveis boring 43 ut fra ventilkammeret 39. I denne boringa 43 er det satt inn ei strupehylse 44. Denne skal forhindre at trykkfallet blir for stort ved åpning av ventilen. The supply channel to the valve body 38 is a bore 42 through the valve housing 35 from the control channel 25'. The outlet channel has a lateral bore 43 from the valve chamber 39. In this bore 43, a throttle sleeve 44 has been inserted. This should prevent the pressure drop from being too large when the valve is opened.

For styring av ventillegemet 38 er svingelegemet 34 forsynt med ei aksial aktuatorstang 45 som strekker seg mot ventillegemet 38 gjennom ei sentral boring 46 i husets 1<*>endevegg mot ventilhuset 35. For controlling the valve body 38, the swing body 34 is provided with an axial actuator rod 45 which extends towards the valve body 38 through a central bore 46 in the housing's 1<*>end wall towards the valve housing 35.

I fig. 3 er det vist utsnitt av en modifikasjon av utførelsesformen i fig. 2, hvor tilførselen til ventilboringa 37 skjer fra endekammeret 9' og gjennom boringa 42. Når ventillegemet 38 åpner, faller trykket i denne delen av systemet og svingelegemet 34 vil presses enda lenger mot høyre i figuren. Slik blir ventillegemet 38 stående helt til trykket faller under en terskelverdi i signalledningen eller til forbrukeren (ikke vist) slutter å ta imot olje. In fig. 3 shows a section of a modification of the embodiment in fig. 2, where the supply to the valve bore 37 takes place from the end chamber 9' and through the bore 42. When the valve body 38 opens, the pressure in this part of the system drops and the swing body 34 will be pushed even further to the right in the figure. In this way, the valve body 38 is left standing until the pressure falls below a threshold value in the signal line or until the consumer (not shown) stops receiving oil.

I fig. 4 er det vist utsnitt av en ytterligere modifisert form av anordningen i fig. 2, hvor ventillegemet 38 er utelatt og boringa 37 tildannet med ei innsnevring eller dyse 37B, hvis åpning styres av aktuatorstanga 45. In fig. 4 shows a section of a further modified form of the device in fig. 2, where the valve body 38 is omitted and the bore 37 is formed with a constriction or nozzle 37B, the opening of which is controlled by the actuator rod 45.

I fig. 5 er det vist nok en utførelsesform av oppfinnelsen. Her finnes et svingelegeme 34' som tilsvarer svingelegemet 34 i fig. 2, men ingen ventil. For overføring av styreimpuls fra svingelegemet 34' er dette forsynt med et ferromagnetisk element 47. Utenfor huset 1', av ikke-ferromagnetisk materiale, er det plassert en induktiv føler 48. Denne kan være tilkoblet et i og for seg kjent styresystem for styring av et vilkårlig organ, så som en ventil. In fig. 5 another embodiment of the invention is shown. Here there is a swing body 34' which corresponds to the swing body 34 in fig. 2, but no valve. For the transmission of a control impulse from the swing body 34', this is provided with a ferromagnetic element 47. Outside the housing 1', made of non-ferromagnetic material, an inductive sensor 48 is placed. This can be connected to a control system known per se for controlling an arbitrary organ, such as a valve.

Alternativt kan det i det ene endekammeret være plassert en hensiktsmessig elektrisk basert sensor (ikke vist). Alternatively, a suitable electrically based sensor (not shown) can be placed in one end chamber.

Claims

1. Hydraulically controlled maneuvering device, where a movable body (10) is inserted between two chambers (8, 9) for hydraulic medium which is made of two spring elements or the like. (21,22) is biased from both sides towards a central position, as the movable body can be displaced from the central position by supplying different media pressures in the two chambers (8, 9), and where there are means to transfer the movement of the body as a maneuvering impulse to a control system, characterized in that the two pressure chambers (8, 9) are connected by a common control line (25) for signal medium, and that a hydraulic accumulator or the like is connected to one of the pressure chambers (9). (30) with selectable natural frequency, the pressure on the signal medium being arranged for controlled variation with a frequency that corresponds to the natural frequency of the accumulator (30), in order to displace the movable body (10) from its center position.

2. Device in accordance with claim 1, characterized in that the one pressure chamber (9) is connected to an accumulator (30) with a compressible medium (31), such as gas or plastic, and which is arranged for regulating the characteristic of the compressible medium (31).

3. Device in accordance with claim 2, characterized in that the accumulator (30) is connected to the pressure chamber (9) via a replaceable or chokeable channel (32).

4. Device in accordance with one of claims 1-3. characterized in that in the inlet of the pressure chamber (9) which is connected to the hydraulic accumulator (30) a throat member (29) is inserted which limits the flow opening in relation to the control channel (26) of the second pressure chamber (8).

5. Device in accordance with one of the patent claims 1-4, characterized in that the movable body consists of a valve slide (10) in a slide valve.

6. Device in accordance with one of the patent claims 1-4, characterized in that the body (34) is connected to a control valve (38) over a mechanical actuator (45).

7. Device according to one of claims 1-4, characterized in that the movable body (34') is connected to an inductive or electromechanical sensor (48).

8. Device according to one of the patent claims 1-4, characterized in that the movable body is a membrane, preferably made of steel.