NO160388B

NO160388B - ELECTRIC VALVE WITH PULLABLE VALVE BODY.

Info

Publication number: NO160388B
Application number: NO860481A
Authority: NO
Inventors: William H Silcox; Judson S Kuehn; James A Bodine
Original assignee: Chevron Res
Priority date: 1986-02-11
Filing date: 1986-02-11
Publication date: 1989-01-02
Also published as: NO160388C; NO860481L

Abstract

En elektromagnetisk ventil for undervannsan-vendelser, omfattende et ventilhus (6), en roterbar kjerne (2) (med en åpning) som er beliggende i ventilhuset og kan være formet som en plugg eller en kule, er. anordning (18) for frembringelse av et magnetfelt og som er anbrakt mellom ventilhuset (6) og kjernen (2), og elektrisk ledende viklinger (4) som er viklet rundt den roterbare kjerne. Viklingene (4) er koplet til en kilde for likestrøms-effekt. Når viklingene energiseres, bringer de kjernen (2) til å dreie i den ene eller den andre retning avhengig av likestrømmens polaritet.An electromagnetic valve for underwater applications, comprising a valve housing (6), a rotatable core (2) (with an opening) located in the valve housing and may be shaped like a plug or a ball. device (18) for generating a magnetic field and which is arranged between the valve housing (6) and the core (2), and electrically conductive windings (4) which are wound around the rotatable core. The windings (4) are connected to a source of direct current power. When the windings are energized, they cause the core (2) to rotate in one or the other direction depending on the polarity of the direct current.

Description

Oppfinnelsen angår elektrisk påvirkede strømnings-kontrollanordninger, og mer spesielt en elektrisk ventil for benyttelse ved undervannsoperasjoner. The invention relates to electrically influenced flow control devices, and more particularly to an electric valve for use in underwater operations.

Ved oljeborings- og oljeproduksjonsoperasjoner eksisterer det et behov for undervannsventiler som kan manøvreres fra et fjerntliggende sted. For tiden anvendes undervannsventiler som benytter hydrauliske, manuelle eller elektriske styreanordninger, men av en rekke grunner virker ikke disse perfekt. For eksempel krever hydrauliske styreanordninger, når de manøvreres fra en posisjon over vannets overflate, lange hydrauliske styreledninger som kan sprekke eller lider av forsinkelser ved påvirkning. Manuelt manøvrer-te ventiler er likeledes mangelfulle av åpenbare grunner, såsom behovet for dykkere eller fjernmånøvrerte farkoster, langsom responstid, mulige farlige dybder og vannforhold etc. Elektriske ventiler som for tiden benyttes ved undervanns-anvendelser, er små pilot- eller styreventiler som manøvre-rer styresystemer i stedet for hoved-forbindelsesledningen. Så snart den elektrisk manøvrerte styreventil utløses, på-virker denne på sin side en større, hydraulisk ventil for å styre hoved-forbindelsesledningen. Da disse styreventiler er små, og videre er i stand til å håndtere bare et lite fluidumvolum og ikke kan oppgraderes til en større stør-relse (da konstruksjonene ikke er lineære), kan de ikke benyttes i primær- eller hovedsystemet. Andre innvendinger mot elektriske ventiler er generelt at noen krever konti-nuerlig effekt i hver ventilstilling, de kan ha komponenter som er ømfintlige overfor slitasje og som krever hyppigere vedlikehold, de kan være for store og komplekse, eller tids-responsen for påvirkning kan være for langsom. Mange av disse konstruksjoner kan derfor ikke benyttes for undervanns-anvendelser. In oil drilling and oil production operations, there is a need for underwater valves that can be operated from a remote location. Currently, underwater valves are used which use hydraulic, manual or electric control devices, but for a number of reasons these do not work perfectly. For example, hydraulic steering devices, when maneuvered from a position above the surface of the water, require long hydraulic steering lines that can rupture or suffer from impact delays. Manually operated valves are likewise deficient for obvious reasons, such as the need for divers or remotely operated craft, slow response time, possible dangerous depths and water conditions, etc. Electric valves that are currently used in underwater applications are small pilot or control valves that maneuver rer control systems instead of the main connection cable. As soon as the electrically operated control valve is triggered, this in turn acts on a larger, hydraulic valve to control the main connecting line. As these control valves are small, and furthermore are able to handle only a small volume of fluid and cannot be upgraded to a larger size (as the constructions are not linear), they cannot be used in the primary or main system. Other objections to electric valves are generally that some require continuous power in each valve position, they may have components that are sensitive to wear and that require more frequent maintenance, they may be too large and complex, or the time response to impact may be too slow. Many of these structures cannot therefore be used for underwater applications.

Fra US-patentskrift 3 206 160 er det kjent en elektromagnetisk drevet ventil av den type som har en ferromagnetisk kule og to elektromagneter. Den magnetiserte kule har et høyt B-H-produkt og innstilles i et ventilhus. Rundt ventilhuset er det anbrakt to elektromagnetiske spoler som energiseres for å styre dreining av kulen. Denne kjente konstruksjon krever således et ventillegeme som er dannet av et ferromagnetisk materiale, og elektromagnetiske spoler som er anordnet i ventilhuset utenfor ventillegemet. Ferro-magnetiske materialer har en tendens til å være myke, og dette er en ulempe for ventiler ved olje- og gassanvendelse under vann, da disse ventiler er utsatt for ekstrem slitasje. Videre kan den kjente ventilanordning ikke lettvint oppgraderes for olje- og gassanvendelse under vann. For å bringe ventillegemet til å dreie, må de utvendige spoler i ventilhuset være forholdsvis store og vil derfor generere forholdsvis mye varme. Denne varme kan være skadelig for ventilen. From US patent 3,206,160, an electromagnetically driven valve of the type that has a ferromagnetic ball and two electromagnets is known. The magnetized ball has a high B-H product and is set in a valve housing. Two electromagnetic coils are placed around the valve housing, which are energized to control the rotation of the ball. This known construction thus requires a valve body which is formed from a ferromagnetic material, and electromagnetic coils which are arranged in the valve housing outside the valve body. Ferro-magnetic materials tend to be soft, and this is a disadvantage for valves in underwater oil and gas applications, as these valves are subject to extreme wear. Furthermore, the known valve device cannot be easily upgraded for oil and gas use under water. In order to make the valve body rotate, the external coils in the valve housing must be relatively large and will therefore generate a relatively large amount of heat. This heat can be harmful to the valve.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en fjernmanøvrerbar hovedventil som er effektiv, meget påli-telig, og fortrinnsvis enkel. It is an object of the invention to provide a remote controllable main valve which is efficient, highly reliable and preferably simple.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å redusere undervannsventil-aktuatorstørrelsen, å redusere respons-tiden, og å eliminere behovet for kostbare, hydrauliske kontroll-ledninger. A further object of the invention is to reduce underwater valve actuator size, to reduce response time, and to eliminate the need for expensive hydraulic control lines.

For oppnåelse av ovennevnte formål er det tilveie-brakt en elektrisk ventil som omfatter et ventilhus, et dreibart ventillegeme som er sentralt anbrakt i ventilhuset, To achieve the above-mentioned purpose, an electric valve has been provided which comprises a valve housing, a rotatable valve body which is centrally located in the valve housing,

en anordning for stopping av ventillegemets dreining, og en kanal for fluidumpassasje i ventillegemet, hvilken ventil er kjennetegnet ved at den omfatter to permanentmagneter som er anbrakt i ventilhuset med motsatte poler vendende mot hverandre på hver side av det dreibare ventillegeme, a device for stopping the rotation of the valve body, and a channel for fluid passage in the valve body, which valve is characterized by the fact that it comprises two permanent magnets which are placed in the valve housing with opposite poles facing each other on each side of the rotatable valve body,

idet ventillegemet og permanentmagnetene i hovedsaken opptar hele rommet i ventilhuset, et spor som er anordnet i ventillegemets ytre overflate og ligger i et plan som går gjennom ventillegemets dreieakse og i en vinkel på 45° med en akse som er definert ved den nevnte kanal; elektrisk ledende viklinger som er viklet i sporet, og en anordning for tilkopling av en likestrømseffektkilde til viklingene, slik at så snart en likestrøm med riktig polaritet energiserer viklingene, vil den elektromagnetiske kraft forårsake tilstrekkelig dreiemoment til å overvinne den friksjon som virker på ventillegemets overflate, og derved bringe ventillegemet til å dreie og åpne eller lukke ventilen. as the valve body and the permanent magnets essentially occupy the entire space in the valve body, a groove which is arranged in the outer surface of the valve body and lies in a plane that passes through the axis of rotation of the valve body and at an angle of 45° with an axis defined by the aforementioned channel; electrically conductive windings wound in the slot, and a device for connecting a direct current power source to the windings, so that as soon as a direct current of the correct polarity energizes the windings, the electromagnetic force will cause sufficient torque to overcome the friction acting on the surface of the valve body, thereby causing the valve body to rotate and open or close the valve.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det føl-gende under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et delvis gjennomskåret riss av toppen av den elektriske ventil og som viser enten en sylinder eller en kule i et delvis gjennomskåret riss, fig. 2 viser et tverrsnittsriss av den elektriske ventil betraktet normalt på den sentrale åpnings lengdeakse, fig. 3 viser et tverrsnittsriss av den elektriske ventil betraktet ned gjennom åpningen, og fig. 4 viser et diagram av de krefter som virker på den elektriske ventil. The invention will be described in more detail below with reference to the drawings, where fig. 1 shows a partially sectional view of the top of the electric valve and which shows either a cylinder or a sphere in a partially sectional view, fig. 2 shows a cross-sectional view of the electric valve viewed normally on the longitudinal axis of the central opening, fig. 3 shows a cross-sectional view of the electric valve viewed down through the opening, and fig. 4 shows a diagram of the forces acting on the electric valve.

Idet det nå henvises til tegningene, viser fig. 1 en elektromekanisk ventil 1 sett ovenfra. Et dreibart ventillegeme 2 er sentralt anbrakt i et ventilhus 6. Selv om det- dreibare ventillegeme 2 i denne utførelse er av dreie kiktypen, vil det være klart at et dreibart ventillegeme av kuletypen eller Referring now to the drawings, fig. 1 an electromechanical valve 1 seen from above. A rotatable valve body 2 is centrally located in a valve housing 6. Although the rotatable valve body 2 in this embodiment is of the rotatable peep type, it will be clear that a rotatable valve body of the ball type or

en liknende konstruksjon også kan benyttes. Det. dreibare ventillegeme 2 har en vikling 4, og på hver side av legemet 2 er det anordnet magneter 18 med motsatte poler. Viklingene 4 er plassert i et spor 20 i det dreibare legeme 2 og er inn-stilt i en vinkel på 45° med en åpning 8 i legemet. Rundt legemet 2 er det anordnet et luftgap 16 som reduserer friksjon under bevegelse av ventillegemet 2. Viklingene 4 er koplet til en likestrømseffektkilde (ikke vist) ved hjelp av en forbindelse med metallkontaktstrimler 12 som deretter kommuniserer med to likestrømsbørster 10. (Selv om like-strømsef f ekt er omtalt, kan vekselstrømseffekt benyttes der-som mindre endringer gjøres i ventilens geometri og konstruksjon. ) a similar construction can also be used. The. rotatable valve body 2 has a winding 4, and magnets 18 with opposite poles are arranged on each side of the body 2. The windings 4 are placed in a groove 20 in the rotatable body 2 and are set at an angle of 45° with an opening 8 in the body. An air gap 16 is arranged around the body 2 which reduces friction during movement of the valve body 2. The windings 4 are connected to a DC power source (not shown) by means of a connection with metal contact strips 12 which then communicate with two DC brushes 10. (Although DC current effect is discussed, alternating current effect can be used where minor changes are made to the valve's geometry and construction.)

Fig. 2 og 3 viser sideriss av oppfinnelsen og viser noen ytterligere trekk. Likestrømsbørstene 10 benyttes for å sørge for en glidende kontakt med viklingene, men den samme funksjon kunne imidlertid utføres ved hjelp av noe i likhet med en fleksibel ledningstråd. En O-ring-tetning 19 er anordnet på hver side av ventillegemets åpning. 8, og en anord- Fig. 2 and 3 show side views of the invention and show some further features. The direct current brushes 10 are used to ensure a sliding contact with the windings, but the same function could however be performed with the help of something like a flexible wire. An O-ring seal 19 is arranged on each side of the opening of the valve body. 8, and a device

ning for reversering av viklingenes polaritet er anordnet utenfor ventilen og er ikke vist her. ning for reversing the polarity of the windings is arranged outside the valve and is not shown here.

For å prøve brukbarheten av anordningen og etab-lere konstruksjonskriterier, ble følgende sett av likninger benyttet: To test the usability of the device and establish construction criteria, the following set of equations was used:

hvor TB _, er igangsettingsdreiemomentet, F„x, er tangential-kraften, og r er radien (se også fig. 4). For å finne den nødvendige magnetiske kraft, benyttes følgende likning: hvor Fm er den magnetiske kraft (se fig. 4). Etter løsning med hensyn på Fm kan følgende formel benyttes for å få den effekt som er nødvendig for å dreie ventilkjernen: hvor B er en vilkårlig, magnetisk feltstyrke i linjer/tommer<2 >mellom magnetene, L er lederens lengde i magnetfeltet målt i tommer, I er strømmen i lederne målt i ampere, og N er an-tall vindinger i viklingene. Når det gjelder virkemåten, vil kikventilutførel-sen bli benyttet som en passende illustrasjon. Når åpningen 8 i det dreibare ventillegeme 2 er i en helt åpen stilling (som vist på fig. 1 og 2), tilføres en likestrøm med riktig polaritet til viklingene 4, hvilket forårsaker at en elektromagnetisk kraft dreier legemet 2. Dreining inntreffer som følge av den magnetfluks som frembringes av de strømførende ledere (viklingene 4) i det magnetfelt gom frembringes av magnetene 18. I dette tilfelle har beregningene vist at det eksisterer tilstrekkelig magnetisk kraft og strøm til å frembringe tilstrekkelig dreiemoment til å overvinne frik-sjonen. Så snart dreiningen er komplett, vil åpningen 8 ikke lenger være i kommunikasjon med ventilåpningen 14, og resul-tatet vil være at ventilen 1 vil være lukket. Mekaniske stoppere 2 5 bør imidlertid være anordnet for å hindre for stor dreining av legemet 2 til et passert punkt som det ikke kan gjenvinne (dvs. når viklingene ligger i en vinkel på 90° i forhold til magnetfeltet eller den magnetiske fluks). For å åpne ventilen 1 når den først er lukket, anvendes en likestrømskilde med motsatt polaritet til å dreie legemet 2 i motsatt retning. Viklingene 4 dreies her på nytt ved hjelp av magnetisk kraft, slik at ventillegemet 2 vil returnere til sin utgangsstilling. Også her er mekaniske stoppere 25 tilføyd for å hindre for stor dreining. where TB _, is the starting torque, F„x, is the tangential force, and r is the radius (see also Fig. 4). To find the required magnetic force, the following equation is used: where Fm is the magnetic force (see fig. 4). After solving for Fm, the following formula can be used to obtain the power required to rotate the valve core: where B is an arbitrary magnetic field strength in lines/inch<2 >between the magnets, L is the length of the conductor in the magnetic field measured in inches , I is the current in the conductors measured in amperes, and N is the number of turns in the windings. When it comes to the way it works, the check valve design will be used as a suitable illustration. When the opening 8 in the rotatable valve body 2 is in a fully open position (as shown in Figs. 1 and 2), a direct current of the correct polarity is supplied to the windings 4, causing an electromagnetic force to rotate the body 2. Rotation occurs as a result of the magnetic flux produced by the current-carrying conductors (the windings 4) in the magnetic field produced by the magnets 18. In this case, the calculations have shown that there is sufficient magnetic force and current to produce sufficient torque to overcome the friction. As soon as the turning is complete, the opening 8 will no longer be in communication with the valve opening 14, and the result will be that the valve 1 will be closed. However, mechanical stops 2 5 should be provided to prevent excessive rotation of the body 2 to a point beyond which it cannot recover (ie when the windings are at an angle of 90° to the magnetic field or the magnetic flux). To open the valve 1 once it is closed, a direct current source with the opposite polarity is used to turn the body 2 in the opposite direction. The windings 4 are turned here again by means of magnetic force, so that the valve body 2 will return to its initial position. Here, too, mechanical stoppers 25 have been added to prevent excessive rotation.

Det finnes i hovedsaken to stillinger i hvilke ventillegemet 2 kan anbringes, nemlig en åpen stilling hvor legemets åpning 8 er anbrakt i kommunikasjon med ventilåpningen 14, og en lukket stilling hvor åpningen 8 er beveget og ventilåpningen 14 er blokkert av ventillegemet 2. Uan-sett i hvilken stilling ventillegemet 2 befinner seg, er dette den stilling i hvilken det vil forbli inntil viklingene 4 energiseres på nytt, på grunn av at effekt bare benyttes There are essentially two positions in which the valve body 2 can be placed, namely an open position where the body's opening 8 is placed in communication with the valve opening 14, and a closed position where the opening 8 is moved and the valve opening 14 is blocked by the valve body 2. Regardless in which position the valve body 2 is located, this is the position in which it will remain until the windings 4 are re-energized, due to the fact that power is only used

når legemet trenger å dreies. Som sådan er denne ventil definert som en ventil som forblir i sin sist innstilte stilling ved effektsvikt. I det tilfelle at direkte effekt til ventilen 1 går tapt, kan ventilen 1 eventuelt forårsake et problem ved at den forblir i den per-manent åpne stilling. For å oppnå en feilsikker lukkeevne, kan dette imidlertid unngås ved å benytte en eller annen form for lokalt batterilager eller nødstengeanordning 27 for å drive ventilen 1 til lukket stilling (se fig. 2). (Denne opphevelse kan også utføres manuelt eller ved hjelp av f jærvirkning eller hydraulisk eller pneumatisk virkning.) Den type effekttaps- eller omstillingssystem som nå benyttes for nødbelysning, er illu-strerende for denne idé. when the body needs to be turned. As such, this valve is defined as a valve that remains in its last set position in the event of a power failure. In the event that direct effect to valve 1 is lost, valve 1 may possibly cause a problem by remaining in the permanently open position. In order to achieve a fail-safe closing capability, however, this can be avoided by using some form of local battery storage or emergency closing device 27 to drive the valve 1 to the closed position (see fig. 2). (This cancellation can also be carried out manually or by means of spring action or hydraulic or pneumatic action.) The type of power loss or switching system now used for emergency lighting is illustrative of this idea.

Så snart et undervanns-ventilaggregat har disse elektriske ventiler i stedet for nåværende, hydraulisk manøvrerte ventiler, kan styrekablene reduseres til en eneste elektrisk styreledning med effektledere og et styresystem. Styreledningen vil gå fra en plattform med en styrepult til en styreplugg (control pod) på undervannsbrønn-hodet. Styrepluggen vil inneholde reléer eller andre omkop-lingsanordninger for å tilføre likestrømseffekt til hvilken som helst styrekabel eller hvilken som helst ventil. Dette omkoplings-styresystem vil måtte tillate tilførsel av den ene eller den andre polaritet til styrekabellederne. Styresignalene kan eventuelt overføres over styreledningen ved benyttelse av et multiplekser (MUX)-system. En mulig fremtidig utførelse kan imidlertid eventuelt produsere effekt lokalt i undervannsmiljøet. Styreledninger kan even-r tuelt elimineres, og styresignalene kan overføres enten akustisk gjennom sjøvannet eller elektrisk gjennom styre- As soon as an underwater valve assembly has these electric valves instead of the current, hydraulically operated valves, the control cables can be reduced to a single electric control line with power conductors and a control system. The control line will go from a platform with a control desk to a control plug (control pod) on the subsea wellhead. The control plug will contain relays or other switching devices to supply DC power to any control cable or valve. This switching control system will have to allow the supply of one or the other polarity to the control cable conductors. The control signals can optionally be transmitted over the control line by using a multiplexer (MUX) system. However, a possible future design may produce an effect locally in the underwater environment. Control cables can possibly be eliminated, and the control signals can be transmitted either acoustically through the seawater or electrically through control

ledningene eller hvilke som helst andre anordninger for ' the wires or any other devices for '

.signaloverføring. .signal transmission.

Claims

1. Electric valve comprising a valve housing (6), a rotatable valve body (2) which is centrally located in the valve

the housing (6), a device (25) for stopping the rotation of the valve body (2), and a channel (8) for fluid passage in the valve body, CHARACTERIZED BY the fact that it further comprises two permanent magnets (18) which are placed in the valve body (6) ) with opposite poles facing each other on each side of the rotatable valve body (2), as the valve body and the permanent magnets essentially occupy the entire space in the valve housing, | a groove (20) which is arranged in the outer surface of the valve body (2) and lies in a plane passing through the axis of rotation of the valve body and at an angle of 45° with an axis defined by the aforementioned channel (8), electrically conductive windings ( 4) which is wound in the slot, and a device (12) for connecting a direct current power source to the windings, so that as soon as a direct current of the correct polarity energizes the windings, the electromagnetic force will cause sufficient torque to overcome it friction acting on the surface of the valve body, thereby causing the valve body to turn and open or close the valve. j

2. Electric valve according to claim 1, CHARACTERIZED IN THAT the rotatable valve body (2) is a massive cylinder with a channel (8) which is placed normally on the axis of the cylinder.

3. Electric valve according to claim 1 or 2, CHARACTERIZED IN THAT the valve body (2) is a massive ball with a continuous channel arranged in it and a central axis which stands perpendicular to the channel.

4. Electric valve according to one of claims 1-3, CHARACTERIZED IN THAT the connection between a direct current power source and the windings (4) is constituted by direct current brushes.

5. Electric valve according to one of claims 1-4, CHARACTERIZED IN THAT it further comprises an emergency closing device (27).