NO158232B - Hydraulisk styrt manoevreringsanordning. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen gjelder en hydraulisk styrt manøvreringsanordning av det slaget som er angitt i innledningen til patentkrav 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.

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.

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.

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.

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.

Ifølge oppfinnelsen kan dette oppnås ved å utforme anordningen i samsvar med den karakteriserende delen av patentkrav 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.

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.

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.

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.

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).

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen er angitt i underkravene.

Oppfinnelsen er dessuten beskrevet mer detaljert med henvisning til figurene, hvor: fig. 1 viser aksialsnitt gjennom en første utførelsesform av oppfinnelsen,

fig. 2 viser aksialsnitt gjennom en andre utførelsesform av oppfinnelsen,

fig. 3 og 4 viser utsnitt av modifikasjoner av utførelsesformen i fig. 2, mens

fig. 5 viser en tredje utførelsesform.

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.

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

kalt hhv. venstre endekammer 8 og høyre endekammer 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.

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.

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.

Sleidebevegelsen ut fra midtstilling begrenses av et anslag i hvert endekammer, hhv. et venstre anslag 23 og et høyre anslag 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Svingingen av sleiden 10 mellom endestillingen vil gi en pulserende mediumstrøm ut av utløpskanalene 15 og 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.

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.

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.

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.

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.

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.

Alternativt kan det i det ene endekammeret være plassert en hensiktsmessig elektrisk basert sensor (ikke vist).

Claims (8)

1. Hydraulisk styrt manøvreringsanordning, hvor det mellom to kammer (8, 9) for hydraulisk medium er innsatt et bevegbart legeme (10) som av to fjørorgan e.l. (21,22) er forspent fra begge sider mot ei midtstilling, idet det bevegbare legemet kan forskyves ut fra midtstillinga ved tilførsel av ulike medietrykk i de to kamrene (8, 9), og hvor det finnes midler for å overføre legemets bevegelse som manøvreringsimpuls til et styresystem,karakterisert vedat de to trykkamrene (8, 9) er forbundet med ei felles styreledning (25) for signalmedium, og at det til et av trykkamrene (9) er tilknyttet en hydraulisk akkumulator e.l. (30) med valgbar egenfrekvens, idet trykket på signalmediet er innrettet for styrt variasjon med frekvens som samsvarer med egenfrekvensen til akkumulatoren (30), for å forskyve det bevegbare legemet (10) ut fra sin midtstilling.

2. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert vedat det ene trykkammeret (9) er forbundet med en akkumulator (30) med et kompressibelt medium (31), så som gass eller plast, og som er innrettet for regulering av karakteristikken til det kompressible mediet (31).

3. Anordning i samsvar med krav 2, karakterisert vedat akkumulatoren (30) er forbundet med trykkammer (9) over en utskiftbar eller strupbar kanal (32).

4. Anordning i samsvar med et av kravene 1-3. karakterisert vedat det i innløpet til det trykkammeret (9) som er forbundet med den hydrauliske akkumulatoren (30) er innskutt et strupeorgan (29) som begrenser gjennomstrømningsåpningen i forhold til styrekanalen (26) til det andre trykkammeret (8).

5. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1-4karakterisert vedat det bevegelige legemet består av en ventilsleide (10) i en sleideventil.

6. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1-4,karakterisert vedat legemet (34) er forbundet med en styreventil (38) over en mekanisk aktuator (45).

7. Anordning i samsvar med et av kravene 1-4,karakterisert vedat det bevegelige legemet (34') er tilknyttet en induktiv eller elektromekanisk føler (48).

8. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1-4,karakterisert vedat det bevegelige legemet er en membran, fortrinnsvis av stål.