NO177241B - Elektro-hydraulisk ventilaktuator - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en hermetisk lukket og trykkompensert elektro-hydraulisk ventilaktuator med sviktsikker stengeanordning, i samsvar med den innledende delen av patentkrav 1. Oppfinnelsen er særlig beregnet for anvendelse i forbindelse med styring av ventiler i undervannsproduksjonssystemer, samt brønnsikringsventiler plassert ned i produksjons- eller injeksjonsbrønner.

Konvensjonelle metoder for styring av undervanns ventiler er basert på hydrauliske løsninger. Det er kjent å føre hydraulisk olje fra ei plattform og til en undervanns-brønn gjennom store kabler som inneholder elektriske ledere og en rekke hydraulikk-rør. Dette utgjør en betydelig kostnad. Det er tidligere foreslått å anvende elektrisk energi for å redusere kostnadene.

Fra UK-patentskrift 2.198.766 og US-patentskrift 4.920.811 er det kjent anordninger for elektrisk aktivering av ventiler. Disse anordningene har imidlertid vesentlige ulemper, som i hovedsak er knyttet til den sviktsikre stengemekanismen.

UK-patentskrift 2.198.766 vedrører en ventilaktuator hvor rotasjonsbevegelsen fra en elektrisk motor omformes til en lineærbevegelse. Ei bladfjær spennes opp under rotasjon av ventilspindelen som åpner ventilen. Ventilen holdes åpen så lenge elektrisk energi tilføres motoren. Når energi-tUførselen forsvinner, drives skruen tilbake vha. fjæra, og ventilen stenges. Anordningen krever betydelig effekt for å holde ventilen åpen. Bladfjærene medfører dessuten stort byggemål og sannsynligvis vil friksjonen mellom de enkelte lag i bladfjærtrommelen medføre redusert pålitelighet for sikker stengning av ventilen.

US-patentskrift 4.920.811 vedrører en ventilaktuator hvor det anvendes en mekanisk låseanordning for å holde ventilen i åpen posisjon. Denne låseanord-ningen, som må ta opp et betydelig rotasjonsmoment, vil bli komplisert og vil sannsynligvis ha begrenset pålitelighet. Dessuten vil den kreve en betydelig effekt for å holde ventilen åpen.

US-patentskrift 4.452.422 beskriver en elektrohydraulisk aktuator for regulering av seteventiler anvendt i turbiner. Den kompakte aktuatoren består av en elektrisk motor, hydraulisk pumpe, ventil, hydraulisk sylinder og en akkumulator. Akkumulatoren anvendes for å oppnå stor aktiveringskraft og hastighet.

US-patentskrift 2.746.251 beskriver en kompakt elektro-hydraulisk aktuator som anvender en elektrisk magnetventil for å styre hydraulikkvæske til aktuatoren. Ei spiralfjær, som omgir ventilspindelen, sikrer hurtig stengning av ventilen.

US-patentskrift 3.675.420 beskriver en elektrohydraulisk rotasjonsaktuator med en elektrisk aktivert sviktsikker stengeanordning. En hydraulisk akkumulator sikrer at ventilen går til stengt eller åpen posisjon når elektrisk energi til magnetventilen opphører.

FR-patentskrift 2.296.784, 2.229.879 og 2.105.269 beskriver også ulike elektrohydrauliske ventilaktuatorer. Ingen av de ovenfor omtalte eksisterende elektrohydrauliske aktuatorene har en funksjon og virkemåte som kreves for å operere en undervanns-sluseventil med sviktsikker stengeanordning.

Generelt sett vil den nødvendige spindelkraften for å åpne en 4-5 tommers sluseventil med et differensialtrykk på 700-1000 bar være i størrelsesorden 700.000 Newton.

For å holde ventilen åpen kreves en spindelkraft i størrelsesorden 300.000 N. En slik elektro-mekanisk drevet stengeanordning med høy pålitelighet og lavt effektforbruk er komplisert å utvikle.

Det er derfor et formålet med foreliggende oppfinnelse å framskaffe en elektrisk aktuator som kan styres ved elektriske signaler, og som ikke har ulempene som er tilstede ved dagens teknikk.

Oppfinnelsens formål oppnås med en anordning med trekk som angitt i den karakteriserende delen av patentkrav 1. Ytterligere trekk framgår av de tilhørende uselvstendige krav.

En aktuator i samsvar med oppfinnelsen er forsynt med et innebygget hydraulisk aggregat. En elektrisk motor driver en hydraulikkpumpe som styrer oljestrømmen til et stempel i en sylinder som er koplet til ventilspindelen via en elektrisk operert magnetventil.

Når stemplet på ventilspindelen er i endeposisjon stoppes motoren, og en elektrisk magnetventil hindrer returstrøm av olje fra sylinderkammeret så lenge det tilføres elektrisk energi. Sluseventilen er da i åpen tilstand.

Når den elektriske energitilførselen opphører, åpner magnetventilen og sluseventilen beveges mot stengt posisjon vha. ei spiralfjær.

Videre omfatter oppfinnelsen en metallbelg anordning for trykkompensering mot det hydrostatiske vanntrykket samt at en oppnår et hermetisk lukket system.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere ved hjelp av eksempel på utførelse, og under henvisning til vedlagte tegninger, hvor: fig. 1 viser et tverrsnitt av en foretrukket utførelse av en ventilaktuator i samsvar med foreliggende oppfinnelse, i stengt posisjon, og

fig. 2 viser en detalj fra en variant av utførelsen vist i fig. 1.

Ved først å referere til fig. 1 vises en ventil som omfatter et hus 1 og en sluse 3. Slusen 3 styrer strømmen gjennom ventilen, og for å åpne ventilen vil en aktuator måtte skyve slusen 3 nedover slik at et hull i slusen 3 kommer på linje med en utboring i huset 1.

Slusen 3 styres via en spindel 6 av en aktuator, generelt benevnt 30. Aktuatoren 30 og slusen 3 holdes på plass ved en internt gjenget krage 2.Til spindelen 6 er festet et stempel med dynamiske tetninger 13. Den øvre delen av spindelen 6 er omgitt av en metallbelg 11. Det effektive tverrsnittsområdet av belgen 11 er lik tverrsnittsområdet av nedre del av spindelen 6. Dette innebærer at volumet mellom metallbelgen 11 og spindelen 6 er konstant når spindelen 6 går opp og ned. Sammen med en elastomer tetning mellom ventilspindelens nedre del og aktuatorhuset gjør dette at belgens 11 eksponering for omgivelsene (sjøvann og brønnvæske) minimaliseres, samtidig som en oppnår hermetisk tetning mellom omgivelsene og aktuatorens innhold.

To fjærer 4, 5 forankrer stemplet for å sikre sviktsikker stenging. En muffe 14 utgjør en stopper for stemplet når stemplet når sin nederste posisjon. Stemplet forskyves ved hydraulisk olje under trykk. Hydraulisk olje tilføres gjennom en tilførselslinje fra ei pumpe 27 som drives av en elektrisk motor 16, og tilhørende reduksjonsgear.

Pumpa 27 trykksetter tilførselslinja som er koplet til en magnetventil 15 som også inneholder en tilbakeslagsventil. Denne magnetventilen 15 stenger tilførselslinja når den er energisert. Tilførselslinja er også koblet til en trykkbegrenser 12.

En elektrisk kabel tilfører effekt til magnetventilen 15 og motoren 16 ved hjelp av en elektrisk koplingsenhet 17.

En lineær variabel differansetransformator 24 er anvendt for å indikere ventilens posisjon. En ytterligere metallbelg 25 anvendes for å utlikne trykket mellom den hydrauliske oljen på innsida av aktuatoren og omgivelsene.

Trykk-kontrolleringsanordningene (pumpe 27, pumpemotor 16, magnetventil 15 og trykkbegrenser 12) er montert i et sylindrisk hus 20. Dette sylindriske huset 20 kan forskyves aksialt ved en mekanisk ekstern overstyring slik at ventilen kan åpnes i en nødsituasjon. Denne tvangsstyringsakselen har en ytre del 22 med et kvadratisk tverrsnitt, og som kan roteres vha. et verktøy. Den gjengede delen av tvangsstyringsakselen omfatter en kuleskruearrangement og en kulemutter.

Ved å dreie på overstyringsakselen blir kulemutteren aksialt forskjøvet når tvangsstyringsakselen forhindres fra aksial bevegelse ved et lager 21. Kulemutteren er fast i det sylindriske huset 20 og derfor vil det sylindriske huset 20 tvinge stemplet nedover for åpning av ventilen. Ved å reversere rotasjonsretningen produsert ved verk-tøyet kan ventilen lukkes idet de sammen trykte fjærene 4, 5 tvinger stemplet til å følge de sylindriske huset 20.

Den elektriske motoren 16 startes ved en ytre styringsanordning og driver pumpa 27. Magnetventilen 15 blir energisert og returløpet til oljereservoaret stenges av, slik at olje fra pumpa 27 rettes ned til stemplet. Stemplet beveges nedover, åpner slusen 3, og trykker sammen fjærene 4, 5. Når stemplet når sin nederste posisjon blir den elektriske motoren 16 slått av. Den hydrauliske oljen forhindres fra å strømme tilbake vha. en tilbakeslagsventil.

Hvis den elektriske effekten tapes, vil magnetventilen 15 åpnes og den hydrauliske oljen som holder stemplet ned vil frigjøres, og de sammentrykte fjærene 4, 5 vil returnere stemplet til opprinnelig posisjon og sluseventilen vil lukke.

I fig. 2 er vist eksempel på hvordan metallbelgen kan arrangeres for å oppnå en hermetisk lukket aktuator samtidig som en fram- og tilbakebevegelse av ventilspindelen ikke medfører "pusting" mot omgivelsene. Den øvre delen av spindelen 6 er, i likhet med utførelsen vist i fig. 1, omgitt av en metallbelg 11 med et innvendig tversnittsareal lik spindelens nedre tverrsnittsareal. Dette innebærer at volumet mellom metallbelgen 11 og spindelen 6 er konstant når spindelen beveges opp og ned. En øvre elastomertetning 36 sikrer at belgen 11 ikke utsettes unødig for brønnvæske og liknende som måtte lekke over en nedre elastomertetning 37. En tilbakeslagsventil 38 hindrer trykkoppbygning, og at ytre forurensinger trenger inn i tetningsflatene.

Claims (7)

1. Elektro-hydraulisk ventilaktuator (30) for en ventil, omfattende en spindel (6) som presser ventilen til lukket ventilstilling ved hjelp av minst ei spiralfjær (4, 5), hvilken spindel (6) står i forbindelse med et stempelorgan som aktiveres ved hjelp av trykksatt hydraulisk fluid fra et trykkreguleringsorgan (16, 27, 12, 15), som omfatter et pumpearrangement (16, 27), en trykkbegrenser (12) og fjernstyrbar magnetventil (15), karakterisert ved at ventilaktuatoren (30) er trykkømpensert og hermetisk lukket fra omgivelsene, idet det anvendes minst to belgorganer (11,25), der et første belgorgan (11) er anordnet rundt øvre del av spindelen (6), for å sikre en hermetisk tetning mot brønnmediet, og et andre belgorgan (25) er anordnet for å kompensere trykket i aktuatorens (30) lavtrykksdel mot omgivelsene, slik at aktuatorkrafta forblir konstant og uavhengig av omgivelsestrykket.

2. Ventilaktuator i samsvar med krav 1, karakterisert ved trykkreguleringsorganene (16, 27, 12, 15) er plassert i et aksialt bevegbart hus (20) som via en kulekopling (23) er tilknyttet en gjenget tvangsstyringsaksel, som er anordnet for ved rotasjon i en retning å åpne ventilen ved å presse huset (20) og dermed spindelen (6) nedover.

3. Ventilaktuator i samsvar med krav 1, karakterisert ved trykkreguleirngsorganene (16, 27, 12, 15) er plassert i et bevegbart hus (20) som vha. eksternt styrt hydraulisk enhet muliggjør åpning av ventilen ved å presse huset (20) og dermed spindelen (6) nedover.

4. Ventilaktuator i samsvar med krav 1-3, karakterisert ved at den fjernstyrbare magnetventilen (15) drenerer hydraulisk fluid fra sylinderkammeret når den elektriske effekten bortfaller.

5. Ventilaktuator i samsvar med krav 1-4, karakterisert ved at det første belgorganet (11) har et effektivt areal lik arealet av ventilspindelens (6) nedre del slik at volumet mellom belgorganet og ventilspindelen (6) er konstant når ventilspindelen (6) beveges opp og ned.

6. Ventilaktuator i samsvar med krav 1-5, karakterisert ved at det anvendes en posisjonsindikator (24) som automatisk kopler ut pumpearrangementet (16, 27) når sluseventilen er helt åpen.

7. Ventilaktuator i samsvar med krav 1-6, karakterisert ved pumpearrangementet (16, 27) er anordnet for å stoppe automatisk etter et gitt tidsrom.