NO161875B - Aktuator for sluseventil. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en aktuator for en sluseventil av det slaget som er angitt i innledningen til patentkrav 1.

Fjernstyrte aktuatorer for sluseventiler er velkjente og brukte i systemer der en operatør ikke kan påvirke ventilen manuelt.

For å styre en sluseventil som kan drives mellom fullstendig åpen og fullstendig lukket stilling, er det vanlig å bruke en styrt tilførsel av trykkmedium for å bevirke at en aktuator driver eller trekker tilbake en ventilspindel. En spesiell utforming omfatter et hydraulisk stempel e.l. som er koaksialt med spindelen og arrangert slik at det driver spindelen enten innover eller utover som respons ved tilførselen av tilstrekkelig hydraulisk trykkmedium. Slike utforminger er også vanligvis utstyrt med ei returfjør for å drive ventilspindelen i den motsatte retningen ved frigjøring eller svikt i tilførselen av trykkmedium.

Slike ventiler har spesiell anvendelse i olje- og gassproduksjon der det er svært ønskelig å styre systemet dersom det blir skader i styringssystemet eller ukontrollert svikt inntreffer. For eksempel kan en slik sluseventil plasseres i hovedstrømningsledningen ved fjernstyrt gass-ener oljeproduksjon eller fordelingsinnretning og være utformet slik at den er åpen ved tilstrekkelig trykk på trykkmediet. Ved normal drift av systemet, vil hovedgass-eller hovedoljeledningen forbli åpen, eventuelt med andre nedstrøms ventil-aktuator brukt for å dirigere og fordele strømningen. Skulle en svikt inntreffe i styringssystemet og styringstrykk bli tapt, vil styringsventilen i hoved-ledningen for gass og/eller olje tvinges inn i en lukket stilling av returfjøra, og dermed stenge av all strømning til fordelingssystemet og hindre overtrykk, lekkasje, ødeleggelse av utstyr og andre uønskete konsekvenser.

Aktuatorer for ventiler av denne generelle typen som er tidligere kjent er omtalt i GB-patentsøknad 2 115 111 (Akkerman og Vazquez) og US-patent 3 789 875 (McGee). Hver av disse publikasjonene viser en aktuator for en ventil og som kan drives til å enten heve eller senke ventilspindelen i en ventil med stigende spindel og med respons overfor tilstrekkelig styringstrykk og som videre omfatter ei fjør som driver ventilspindelen i motsatt retning ved frigjøring eller annen fjerning av styringstrykket.

Det skulle være klart at det for den muligheten slike ventiler har til automatisk å skifte stilling ved svikt, det vil si ved tap av styretrykk, er viktig at returfjøra raskt beveger ventilspindelen inn i returstilling etter tap av styretrykk. Denne returbevegelsen er hindret av tregheten av de bevegelig komponentene i ventilen og aktuatoren, samt av mekanisk bremsing på grunn av gliding av tetténde flater. For hydraulisk drevne ventiler som plassert i stor avstand fra styringsfluidkilden, er det klart at fluidmotstanden kan være svært stor og kan øke tiden som er nødvendig for aktuatoren for å bevege ventilen inn i den ønskete strømningsstyringstilstanden. Det vil også være klart at denne mekaniske motstanden har størst betydning i øyeblikket svikten inntreffer, når trykkmediet og aktuatoren er relativt statiske. Når denne treghetsmotstanden er over-vunnet og trykkmediet har begynt å strømme fra aktuatoren, er mindre kraft nødvendig for å fortsette bevegelsen av stempelet.

I tillegg er det vanlig å føre forskjellige typer utstyr gjennom strømningsledningen ved åpen ventil, idet føring og innhenting av utstyret blir utført av en styrewire langs ledningen og gjennom mellomliggende sluseventiler. I slike anvendelser vil nødlukkingen av ventilinnløpet på grunn av svikt eller av andre grunner kutte en styrewire som kan være i bruk på det tidspunktet. Det er derfor viktig for disse ventilene som lukkes ved fjørkraft at fjøra har tilstrekkelig kraft til å kutte styrewiren i tillegg til å drive innløpsdelen inn i lukket stilling.

Tidligere kjente aktuatorer benytter spiralfjører som må være utformet slik at de gir passende kraft når de er fullstendig ekspandert for å overvinne den kombinerte treghetsmotstanden av styremedium og aktuator. Idet ventilspindelen er i bevegelse under påvirkning av denne typen fjør resulterer imidlertid den konstante fjør hastigheten av en spiralfjør i at unødvendig drivkraft blir tilført ventilspindelen» For aktuatorer som benytter svært grove spiral-fjører for å overvinne en høy treghetsmotstand, kan aktuatoren bli stor og tungt håndterlig.

Det er noen ganger nødvendig å ha adgang til ventillokk-holderanordninger i sluseventiler for vedlikehold, reparasjon o.l. For tidligere kjente aktuatorer som omtalt ovenfor, krever slik adgang en nesten fullstendig demontering av ventil-aktuator-kombinasjonen. Slik demontering kan kreve langvarig stans av systemet og fagfolk for å sikre at arbeidet er korrekt utført.

For aktuatorer som benytter forkomprimerte fjører, kan demontering og montering hindres ved behovet for enten å holde eller komprimere aktuatorfjøra før frigjøring eller sikring av ventilen og aktuator-komponentene. Dette problemet er særlig aktuelt for svært grove fjører, f.eks.

de som brukes der det er nødvendig å kutte en wire e.l.

Det som trengs er en driftssikker aktuator som er istand til å overvinne den første treghetsmotstanden av styringsfluidet i tilførselsledningen og som er enkel i utforming, kompakt og tillater rask og hensiktsmessig demontering og adgang til vedlikehold o.l.

Den foreliggende oppfinnelsen har således til hovedformål å skaffe en driftssikker aktuator for en sluseventil. Et mer spesifikt formål er å skaffe en sluseventil hvor det sikres adgang til ventillokkholder-boltene uten å kreve fullstendig demontering av ventil-aktuator-kombinasjonen. Videre ønskes midler for å holde ei konisk fjør i en forkomprimert tilstand under demontering av aktuatoren for vedlikehold.

I samsvar med oppfinnelsen kan dette oppnås ved å utforme aktuatoren i samsvar med den karakteriserende delen av patentkrav 1. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen er angitt i patentkrav 2-9.

Skulle styretrykket avlastes eller på annen måte falle til et lavt nivå, vil fjøra plassert inne i aktuatoren forårsake at ventilspindelen trekkes tilbake, noe som resulterer i lukking ved svikt. Fjøra i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er ei konisk fjør som har en fjørkonstant som øker idet fjøra komprimeres og når en maksimumsverdi idet fullstendig komprimering er nådd.

Aktuatoren er festet til ventillokket med en adapterring som griper inn mellom ventillokket og aktuatorhuset for å hindre relativ bevegelse derimellom. Adapterringen kan være slik at den kan løsnes og være flyttet til siden for å tillate adgang til lokk-festemutrene uten demontering av ventil-aktuator-kombinasjohen. I tillegg omfatter aktuatoren et par holderringer, tilpasset til å gripe inn med aktuatorhuset og hver ende av den koniske fjøra under demontering av utløserorganet for å holde den koniske fjøra fast inne i huset i en komprimert tilstand.

Oppfinnelsen blir i det følgende nærmere beskrevet under henvisning til tegningene, der

fig. 1,viser i sideriss et tverrsnitt av ventilen og aktuatoren i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen,

fig. 2 er et riss av ventilstillingen som viser anordningen som vist i fig. 1,

fig. 3a viser et kraft-forflytningsdiagram for ei standard spiralfjør,

fig. 3b viser et kraft-forflytningsdriagram for ei konisk fjør,

fig. 4 viset i sideriss et tverrsnittt av ventilen og aktuator som viser anordninger for å holde den koniske fjøra i en forkomprimert tilstand i huset.

Det henvises nå til fig. 1 med en sluseventil i samsvar med den oppfinnelsen. Ventilen omfatter et ventilhus 33 som omfatter en strømningskanal 82. Det er vist ei sluse 35 som kan beveges fram og tilbake på tvers med hensyn på strømningskanalen 82 mellom en lavere, åpen stilling (venstre halvdel av fig. 1) og en hevet, lukket stilling (høyre halvdel av fig. 1). Det er også vist setedeler 34 plassert rundt kanalen 82 i kontakt med slusa 35.

Et ventillokk 1 er vist festet til huset 33 med bolter 30 eller andre kjente festeanordninger. Lokket 1 og huset 33 danner et ventilhulrom 84 som er åpent mot kanalen 82 for å motta slusa 35 når den beveger seg fram og tilbake mellom en hevet og senket stilling. Mellom lokket 1 og ventillegemet 33 er det plassert en tetningsring 32.

En stempelspindel 9 er vist, og den griper inn med slusa 35 og strekker seg utover fra hulrommet 84 gjennom en boring 86 i ventillokket 1. En pakning 31 omgir ventil spindelen 9 for å danne tetning mellom spindelen 9 og lokket 1. En pakningsmutter 2 griper via gjenger inn med lokket 1 for å komprimere og holde pakningen 31 under normal drift.

Aktuatoren i samsvar med oppfinnelsen er best beskrevet med henvisning til husdelen 8 som er vist festet til ventillokket 1 med en låsering 3, en lokk-adapter eller festering 4 og ei bunnplate 5. Under montering blir festeringen 4 satt over lokket 1 og låseringen 3 festet rundt lokket 1. Deretter blir bunnplata 5 og huset 8 orientert som vist i fig. 1 og festeringen 4 løftet utover slik at den via gjenger griper inn med huset 8 som vist i fig. 1, og festeringen 4 blir trukket til.

Selv om aktuatoren i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan festes direkte til ventilen og særlig til lokket 1 i en slik ventil, ved forskjellige kjente festeanordninger, har det spesielle arrangementet som er omtalt ovenfor og vist i fig. 1 den fordelen at det tillater adgang til festeboltene 30 uten fullstemdig demontering og fjerning av aktuatoren. Dette fullføres ved å løsne festeringen og føre den ned rundt lokket 1. Boltene 30 blir dermed tilgjengelige med verktøy og kan bli trukket til eller løsnet etter som det er nødvendig.

Det er vist et stempel 17 plassert koaksialt med den sentrale aksen 88 til ventilspindelen og i en aksial utoverrettet stilling fra denne. Stempelet 17 er festet til huset 8 med en festemutter 16 som ikke tillater aksial forskyving eller dreining. Stempelet 17 er i realiteten et sylindrisk hulstempel og er lukket rundt sin ytre ende av en endekappe 20 som vist i fig. 1.

En sylinder 15 er vist, og denne omgir stempelet 17 og virker teleskopisk sammen med dette. Sylinderen 15 er festet om sin innoverrettete ende til den utoverrettete enden av ventilspindelen 9 med en mutter 12. En tetningsring 11 danner en tetning mellom sylinderen 15 og stempelet 17. Stempelet 17, endekappa 20 og sylinderen 15 avgrenser et styringsvolum 90 som ekspanderer og trekker seg sammen i samsvar med en teleskopiske virkningen av sylinderen og stempelet 15, 17.

Under drift blir trykkmedium tilført gjennom tilførselsledningen 92. Dette vil drive sylinderen 15 og dermed ventilspindelen 9 og slusa 35, aksialt innover, og åpne ventilen.

En aktuator i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen omfatter fjøranordninger 7 som kan tvinge sylinderen 15 aksialt utover ved fjerning av styretrykk. I samsvar med oppfinnelsen er fjøranordningen 7 ei konisk fjør, og den er vist i fig. 1 idet den har flere blader 7a, b og c med rektangulært tverrsnitt. Den kan komprimeres mellom sylinderen 15 og lokket og bunnplata 5.

Den koniske fjøra brukes spesielt i en aktuator for denne typen betjening og den har variabel karakteristikk som øker med økende kompresjonen, idet den når maksimumsverdi når den er fullstendig komprimert som vist i de venstre halvdelen i fig. 1. Idet bladene 7a, b, c vil formes på en bestemt måte når fjøra blir komprimert, opptar den fullstendig komprimerte fjøra nesten hele det tilgjengelige volumet inne i aktuatorhuset 8 og utgjør en lav tverrsnitts høyde sammenliknet med spiralfjører som har liknende maksimale karakteristikker. Funksjonen til den koniske fjøra 7 er vist i fig. 3a og 3b, som viser forholdet mellom komprimerende kraft og aksial forskyving for hhv. ei standard spiralfjør og ei konisk fjør. Mengden kraft som er nødvendig for å komprimere ei konisk fjør stiger betraktelig idet kompresjonsgrensen eller bunnpunktet 94 blir nådd. For ei standard spiralfjør er forholdet melom kraft og avstand lineært inntil de enkelte spiralfjørene kommer i berøring.

Koniske fjørblader 7a, b, c kan lages med forskjellige tverrsnitt, inkludert runde, rektangulære, trapesformete etc. Både formen og størrelsen på bladene kan videre variere langs lengden av fjøra og dermed tillate at fjørkarakteri stikken blir spesielt innstilt for en gitt anvendelse eller omgivelse. Den rektangulære formen vist i fig. 1 har fordelene med enkel framstilling, lateral stabilitet og kan bli remaskinert og/eller få høyden redusert relativt enkelt.

Ved fjerning av trykket som holder ventilspindelen 9 og slusa 35 i indre stilling som representerer en første tilstand, vil den koniske fjøra 7 utøve sin største kraft utover mot sylinderen 15 og komprimere styringsvolumet 90 og drive trykkmediet tilbake gjennom tilføtselsledningen 92. Som beskrevet, er den første treghetsmotstanden mot denne bevegelsen størst på tidspunktet for start og minker idet tilbakestrømningen av fluid- og komponentbevegelse skjer. Det henvises til fig. 3. Den koniske fjøra 7 i samsvar med oppfinnelsen tilfører størst kraft når det er mest nødvendig og en minkende kraft når spindelen er i utoverrettet aksial bevegelse mot den andre endestilling.

Fig. 1 viser også anordninger for å indikere stillingen av innløpsdelen 35, som i den foretrukne utførelsesformen er vist som en horisontal indikatorstav 27, som via gjenger griper inn med en indikatorinnstillingsring 13 som er festet til sylinderen 15 og kan bevege seg fram og tilbake med denne. Indikatorstaven 27 rager gjennom indikatorstyreplata 26 som er festet til huset 8 med skruer 24. Fig. 2 er et riss av indikatoranordningen som vist i fig. 1 og viser tilsynekomsten av indikatorstaven 27 i åpen stilling og (med stiplete linjer) i lukket stilling. En slik indikator-anordning kan brukes for å tillate en rask utvendig verifisering av tilstanden for styreventilen fra avstand og uten behov for å undersøke ventilmekanismen nøye.

Fig. 4 viser en ytterligere ventil- og aktuator-kombinasjon i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen og omfatter anordninger for å holde den koniske fjøra 7 inne i huset 8' under demontering for vedlikehold e.l. Ventil- og aktuatorkombinasjonen som er vist er hovedsaklig identisk med den i fig. 1, og dermed er identiske bestanddeler betegnet med tilsvarende henvisningstall. Aktuator-bestanddeler som har litt forskjellig utforming, men utfører hovedsaklig samme funksjon som de samme tilsvarende komponentene i fig. 1 er betegnet med samme henvisningstall, men omfatter et merke, slik at huset 8 tilsvarer huset 8' i fig. 4 og sylinder 15 tilsvarer sylinder 15' i hhv. fig. 1 og 4. Indikeringsanordningene 24, 25, 26, 27 for ventilspindelen i fig. 1 er ikke tatt med i fig. 4, for at denne skal være tydeligere.

Det henvises nå til fig. 4. Anordningene for å holde den koniske fjøra 7 forspent i huset 8' under demontering vil bli beskrevet i detalj. Den nedre enden av huset 8' omfatter et ringformet låsespor 92, som åpner seg radialt innover for å oppta en fjørring 94 som holder ei plate. Denne holderringen 94 strekker seg radialt inn i huset for å gripe inn med og låse bunnplata 5 inne i huset 8'.

Den øvre enden av det alternative huset 8' omfatter en skulderdel 98 som rager radialt inn i husets indre. Sylinderen 15<*> omfatter nå en ringformet skulder 100 som griper inn med en øvre fjørholderring 102. Den øvre ringen 102 kommer i kontakt med den innerste delen 7c av den koniske fjøra 7 og overfører den utoverrettete fjørkrafta til skulderen 100 og deretter til sylinderen 15'.

Funksjonen til ringene 94, 102, skuldrene 98, 100 og låsesporet 94 for å holde den koniske fjøra på plass under demontering av aktuatoren skulle nå være klargjort. Ved demontering frigjøres holdermutteren 16 og stempelet 17 trekkes tilbake fra aktuatoren. Etter fjerning av stempelet 71, frigjøres sylinderen 15' ved å fjerne mutteren 12 fra ventilspindelen 9, slik at det tillates tilbaketrekking av sylinderen 15' ved å slippe den aksialt utover fra huset. Pakningsmutter 2 kan nå fjernes for å tillate forflytning av spindelpakningen 31.

Det vises nå særlig til den høyre halvdelen av fig. 4. Den øvre fjørholderen 102 strekker seg radialt utover for å gripe inn med skulderen 98, slik at det hindres videre forlengelse av den koniske fjøra 7. Fjerning av aktuatoren blir så fullført ved å løsne boltene 96 og løfte av huset 8' med den koniske fjøra 7. Montering av aktuatoren skjer i omvendt rekkefølge.

Fordelene med de alternative utførelsesformene som er beskrevet ovenfor omfatter evnen til å tillate fjerning og tilbakesetting av aktuatordelene uten å måtte streve med å løsne eller forkomprimere den koniske fjøra. For anvendelser der muligheten for å kutte en wireledning (ikke vist) i strømningspassasjen 82 må være tilstede, resulterer bruken av grove fjører 7 i behov for sterke forkomprimer ing av fjøra, noe som kan gjøre montasjen vanskelig.

Ved å holde den forkomprimerte fjøra 7 på plass inne i huset 8', kan en montør demontere og montere aktuatoren uten behovet for spesialisert utstyr eller annet verktøy for å komprimere fjøra 7. Holderanordningen 96 for huset er like enkel i bruk som de alternative anordningene 3,4 som er vist i fig. 1 og kan betraktes som ekvivalente når det gjelder funksjon.

Selv om oppfinnelsen er omtalt i forbindelse med en sluseventil, kan aktuatoren i samsvar med oppfinnelsen

brukes for andre typer ventiler som benytter en aktuator på en fram- og tilbakegående drivdel. Selv om sluseventilen som er beskrevet var åpnet for full materialstrøm når spindelen

er fullstendig innført, kan aktuatoren i samsvar med oppfinnelsen brukes med en sluseventil der det motsatte er til-felle. Ventilen vil da åpnes ved tap av styringstrykk, f.eks. for å fordele brannslukkende materiale eller for å tømme en trykktank.

Selv om ventilen i eksemplet har hydraulisk stempel, kan aktuatoren i samsvar med oppfinnelsen benytte forskjellige andre anordninger for å tvinge spindelen 9 enten innover eller utover. Styrings-innflytelsen behøver ikke være manuelt utløst, men kan styres av atmosfærisk trykk, væske- eller gasstrykk i materialstrømpassasjen 82, elektrisk strøm, utløsesignal på grunn av gravitasjons vektor, viskositet eller hastighet av et strømmende fluid, en gass etc.

Claims (9)

1. Aktuator for sluseventil, hvor sluseventilen omfatter et ventilhus (33) med en strømningskanal (82), et hulrom (84) som er åpent i en ende på tvers inn i strømningskanalen og ved den andre enden ved overflata av ventilhuset (33), et lokk (1), som er tettende festet til ventilhuset rundt den ytre enden av hulromsåpningen, idet lokket har en sentral boring (86) som åpner seg inn i hulrommet på en ende av dette, en langstrakt spindel (9) plassert inne i den sentrale boringen for å beveges inn og ut gjennom denne, idet spindelen har en indre ende som ender inne i hulrommet og en ytre ende som ender på utsida av ventillegemet og lokket, et ventillegeme som griper inn med spindelen ved den indre enden av denne og er bevegelig fram og tilbake med denne, og plassert for å være bevegelig på tvers av strømningskanalen for å regulere strømningen av materiale som respons overfor den aksiale fram- og tilbake-bevegelsen av spindelen, anordninger (15,17) som samvirker med lokket, for å tvinge spindelen aksialt i første retning ved styrepåvirkning, særlig fra væske eller gass under trykk karakterisert ved ei konisk fjør (7), plassert rundt ventilspindelen slik at den komprimeres aksialt ved aksial bevegelse av spindelen i den første retningen, for å drive spindelen aksialt i den andre retning ved fjerning av styrepåvirkning, idet fjøra har blad som går inn i hverandre når den komprimeres til hovedsakelig plan tilstand.

2. Aktuator i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den koniske fjøra (7) har spiraler (7a,7b,7c) med hovedsaklig rektangulært tverrsnitt.

3. Aktuator i samsvar med krav 2, karakterisert ved at anordningen for å tvinge spindelen (9) aksialt innover omfatter: en hul sylinder (15) som har en første lukkete ende festet til den aksialt utoverrettete enden av spindelen, idet sylinderen videre strekker seg aksialt utover fra spindelen og har en andre åpen ende, et hult sylindrisk stempel (17) orientert koaksialt med sylinderen, idet stempelet er lukket ved den første ytre enden og åpen ved en andre, indre ende, idet stempelet videre er tettende, aksialt teleskopisk opptatt i sylinderen, for å danne et styringsvolum (90) inne i denne, et fjørhus (8), festet til lokket og som omgir ventilspindelen, sylinder, stempel og den koniske fjøra, idet fjørhuset videre blir båret og festet til stempelet for å hindre bevegelse i forhold til lokket.

4. Aktuator i samsvar med krav 3, hvor lokket er tettende festet til ventilhuset via et flertall lokkholder-muttere (30) plassert langs omkretsen rundt den sentrale boringen, karakterisert ved en fjernbar låsering (3), som langs omkretsen griper inn med lokket (1) og strekker seg radialt utover fra denne, en adapterring (4), som via forsats griper inn med ventilhussida av låseringen (3) og via gjenger griper inn med fjørhuset (8) for løsbar festing av huset til lokket for å hindre relativ bevegelse mellom disse, idet adapterringen (4) videre kan beveges mot ventilhuset ved at den løsnes fra fjørhuset for å tillate fri adgang til lokk-mutrene (30).

5. Aktuator i samsvar med krav 3, karakterisert ved at den videre omfatter en anordning (5,102) for å holde den koniske fjøra (7) inne i huset i en forkomprimert tilstand når huset (8<1>) er fjernet fra lokket, og der den koniske fjøra er forkomprimert før det er noen aksial bevegelse av spindelen i den første retningen.

6. Aktuator i samsvar med krav 5, karakterisert ved at holderanordningen for den koniske fjøra omfatter: et ringformet låsespor (93), plassert i fjørhuset og åpent radialt innover, idet sporet strekker seg radialt innover med hensyn på den koniske fjøra, og en fjørring (94) som kan gripe inn med låsesporet og strekker seg radialt innover fra dette, for å sperre aksialt innoverrettet bevegelse av den koniske fjøra.

7. Aktuator i samsvar med krav 6, karakterisert ved at holderanordningen for den koniske fjøra videre omfatter en ringformet skulder (100), som er plassert i den aksialt utoverrettete enden av huset og som strekker seg radialt innover fra dette, for å sperre aksial utoverrettet bevegelse av den koniske fjøra (7).

8. Aktuator i samsvar med krav 7, karakterisert ved at den videre omfatter ei ringformet bunnplate (5), plassert rundt ventilspindelen mellom den koniske fjøra (7) og fjørringen (94) for å over-føre aksial kraft mellom disse.

9. Aktuator i samsvar med krav 7, karakterisert ved at den videre omfatter en ringformet øvre fjørholder (102), som er i kontakt med den aksiale utoverrette enden av den koniske fjøra (7) og normalt griper inn med den ringformete skulder (100) plassert i den fram og tilbakebevegende sylinderen, (15'), idet sylinderskulderen og den øvre fjørholderen griper samvirkende inn med hverandre for å sperre relativ utoverrettet aksial bevegelse av den øvre fjørholderen forbi sylinderskulderen, idet den øvre fjørholderen videre har passende radialstørreise til å gripe inn med husskulderen for å sperre aksial utoverrettet bevegelse av den koniske fjøra.