NO329102B1 - Sluseventilaktuator og fremgangsmate for a veksle en sluseventil - Google Patents

Abstract

En sluseventilaktuator er beskrevet som omfatter en stang (stem) (4) som er bevegelig lineært i en aktuatorkapsling (10) som kan forbindes til sluseventilen, idet den påvirker sluseventilen til å veksle mellom henholdsvis åpen og stengt stilling, idet stangen (4) blir drevet av en motor i en første retning inn i en normaldriftsposisjon, og i nevnte posisjon blir stangen forspent i en andre, motsatt retning mot en nedkoblingsposisjon ved hjelp av et fjærelement (14) som virker på stangen (4). I henhold til oppfinnelsen er en utløsermekanisme (22; 25; 29) innrettet til å holde fjærelementet i en komprimert tilstand, idet utløsermekanismen omfatter en elektrisk styrbar utløser (22) som er innrettet for frigjøring av fjærelementet (14) som resultat av de-energisering av den elektrisk styrte utløseren (22). En fremgangsmåte for veksling av en sluseventil mellom en normaldriftsmodus og en nedkoblingsmodus ved hjelp av sluseventilaktuatoren er også beskrevet.

Description

Sluseventilaktuator og fremgangsmåte

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt en aktuator til bruk i undersjøisk produksjon av hydrokarboner, og vedrører spesielt en styrt frigjøring av lagret energi med henblikk på å drive en sluseventil (gate valve) fra en prosessmessig usikker posisjon til en prosessmessig sikker posisjon. Spesifikt vedrører foreliggende oppfinnelse en sluseventilaktuator og en fremgangsmåte for å omstille en sluseventil fra en normal driftsmodus til en nedstengingsmodus slik som en nedstengingsmodus for nødstilfeller.

Bakgrunn for oppfinnelsen og beskrivelse av kjent teknikk

I den følgende bakgrunnsgjennomgangen samt i beskrivelsen av foreliggende oppfinnelse blir følgende forkortelser ofte brukt: BL børsteløs

DC likestrøm

ESD nødstenging (emergency shut-down)

LVDT lineær variabel differensialtransformator

PM permanentmagnet

PSD produksjonsnedstenging

SIL sikkerhetsintegritetsnivå

SMA hukommelseslegering

VSD elektronisk motordrift med variabel hastighet XMT, Xmas tree ventiltre

Sluseventilaktuatorer i kjent teknikk for hydrokarbonproduksjon omfatter både hydraulisk og elektrisk styring. I samband med foreliggende oppfinnelse er elektriske aktuatorer det mest relevante blant hittil kjente innretninger.

Konseptet med å bruke en roterende elektrisk motor som driv-kilde og omforming av denne roterende bevegelsen til lineær bevegelse for drift av en sluseventil (slab gate valve) er vanlig. I moderne konstruksjoner er det en tendens til å velge BL-DC-PM-motorer som motorteknologi for å oppnå høyt dreiemoment, og en planetær rulleskrue for omforming av mekanisk roterende til lineær bevegelse, selv om andre motortyper og andre systemer for roterende-til-lineær omforming også er vanlige.

En kritisk egenskap hos sluseventiler og aktuatorer som brukes til regulering av strømming av hydrokarboner gjennom et under-sjøisk ventiltre, gjelder den mekanismen som skal sørge for sikker bevegelse til den sikre stillingen. Ved svikt i kraft-tilførselen må ventilen fortsatt kunne gå tilbake fra produksjonsstilling (mindre sikker stilling) til sikker stilling (ikke produksjonsstilling).

Patentene US 7,172,169 (Biester) og US 6572076 (Appleford) betraktes som representative for moderne konstruksjoner og som et godt eksempel på aktuell innsats på dette området, både når det gjelder aktuatorkonstruksjon og utløsermekanisme for nødavstenging.

Foreliggende oppfinnelse gjelder en såkalt feil-til-sikker-aktuator, dvs. en aktuator som kjører den ventilen som den styrer til den (prosessmessig) sikrere stilling av to mulige stillinger, i tilfelle bortfall av drivkraft, eller som respons på en viss klasse ESD. Eksempelvis vil, i samband med hoved-eller ving-ventilen i et ventiltre, ventilen gå til stengt stilling ved tap av styring, som en del av en strategi for å sikre barrierer for brønnsikkerhet.

Oppgaven er altså å oppnå en aktuator som er meget pålitelig i regulær drift og går til en sikker stilling ved tap av kontroll. Historisk ligger den mest vanlige energikilden som blir aktivert ved tap av styring for sikker stenging av de kritiske XMT-ventilene og andre ventiler av tilsvarende funksjonalitet i frigjøring av en mekanisk fjær som er holdt forspent i den mindre sikre ventilposisjonen, hvilket skaffer den nødvendige kraften for å bevege sluseventilen mot friksjonskrefter og andre krefter som motvirker bevegelsen (stenging eller åpning; noen typer ventiler må åpnes under en nødavstengning. For hydrauliske aktuatorer er feil-til-sikker mekanismen vanligvis innebygd i det elektro-hydrauliske reguleringssystemet i form av en kontinuerlig aktivert solenoidventil. I tilfellet med elektrisk aktiverte aktuatorer blir fjæren i de fleste tilfeller utløst ved hjelp av en elektromagnetisk innretning. I de senere årene finnes det også eksempler på aktuatorer som går til sikker stilling i ESD-modus under krafttilførsel fra et elektrisk batteri eller annen innretning for lagring av elektrisk energi. Slike konstruksjoner omfatter vanligvis en elektronisk motordrift med variabel hastighet (electronic Variable Speed Drive (VSD)) som driver motoren for nødavstenging, og derfor stiller svært høye pålitelighetskrav til disse kretsene.

I forbindelse med foreliggende oppfinnelse har en gått ut fra at en mekanisk fjær er den mest pålitelige av tilgjengelige energikilder.

Ett formål med foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe en utløsermekanisme med høy pålitelighet til frigjøring av en fjærfunksjon, slik at en maksimerer påliteligheten av nødav-stengingen og derved sikrer en høy SIL-klasse.

Det finnes mange filosofier som tar sikte på å oppnå en pålitelig utløsermekanisme. Foreliggende oppfinnelse er basert på en kombinasjon av en elektrisk styrt utløser med en vektstangmekanisme for å trigge en fjærfunksjon som stenger f.eks. en hovedventil (Master Valve) øyeblikkelig dersom kommunikasjon eller krafttilførsel skulle svikte. Utløsermekanismen er innrettet til å ta seg av hele kraften fra fjæren, slik at en ikke involverer noen mellomliggende drevkomponenter i nødav-stengingen.

I mange aktuatorer i tidligere teknikk, basert på bruk av en mekanisk fjær for å gi nødkraft, blir fjæren til enhver tid beveget med sluseventilbevegelsen (gate motion). Dette betyr normalt at ventilen bare blir aktivt drevet til den minst sikre posisjonen (typisk normal driftsproduksjonsmodus) og alltid returnert til sikker posisjon under fjærfunksjon. Denne løs-ningen involverer bare en motor og drivkrets konstruert for enkeltkvadrantdrift (aktivt drev bare i én retning, ingen generatorvirkning. Andre konstruksjoner er basert på forspenning av den mekaniske fjæren bare én gang og aktiv kjøring av ventilen frem og tilbake. Dette er åpenbart en to-kvadrantoperasjon. Økningen i kompleksitet i de elektriske/ elektroniske kretsene for å oppnå to-kvadrantoperasjon er relativt ubetydelig. Videre er den medfølgende fordelen ved kraftbesparelsen ved å skille bevegelsene av en rulleskrue og en fjær ansett å være marginal og tilfeldig. Pålitelighet av ESD-funksjonen kombinert med pålitelighet av regulær drift utgjør essensen av enhver aktuatorkonstruksjon for foreliggende utførelse.

Utfordringen med å nøytralisere fjærkraften ved å henge den av på en utløsermekanisme ligger i å oppnå en feil-til-sikker-mekanisme med høy pålitelighet som virker med lavt kraftfor-bruk, for en fjær med tilstrekkelig styrke. For noen aktuatorer som kreves av oljeindustrien kan den nødvendige kraften være så høy som 400 kN, en typisk størrelsesorden for en 5" sluseventil, eller også betydelig høyere når det gjelder 7"-ventiler.

En kan for eksempel observere i tidligere teknikk i følge US 6,572,076 at innretningen for utløsning av nødavstenging krever utløserkraft for å motvirke kraften av hovedsikringsfjæren, slik at betydelige krefter og kraftnivåer ville kreves for å motvirke den innebygde kraften i returfjæren i normaldriftstilstanden.

Et mål med foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe en sluseventilaktuator der kraften som kreves for virkning i normaldriftstilstanden er liten og betydelig mindre enn kraften som blir utøvd av hovedreturfjæren under kompresjon og bare skal motvirke kraften fra en lokal hjelpefjær.

En annen egenskap ved den nevnte tidligere teknikk er potensialet for slitasjevirkning (galling effects) idet operasjonsstangen for sluseventilen blir trukket tilbake ved overgangen fra normaldriftsmodus til nedstengingsmodus.

Det er et annet mål med foreliggende oppfinnelse å fremskaffe en sluseventilaktuator som er i stand til å utløse svært store krefter uten slitasjevirkning.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Målene blir oppnådd, og manglene ved tidligere teknikk blir i hovedsak eliminert, ved bruk av en sluseventilaktuator og en fremgangsmåte som definert i de uavhengige patentkravene. Ytterligere fordelaktige egenskaper og utførelser som oppfinnelsen medfører er definert i de avhengige kravene.

Kort sagt fremskaffer foreliggende oppfinnelse en sluseventilaktuator som omfatter en stang, som kan bevege seg lineært i en aktuatorkapsling, som kan forbindes til sluseventilen, idet stangen virker på sluseventilen slik at sluseventilen veksler mellom henholdsvis åpen og stengt stilling, idet stangen blir drevet av en motor i en første retning til en normaldriftsposisjon der stangen i nevnte posisjon er forspent i en andre, motsatt retning mot en nedstengingsposisjon ved hjelp av et fjærelement som virker på stangen. Aktuatoren omfatter videre en utløsermekanisme som er innrettet for å holde fjærelementet i en komprimert tilstand i en holdeposisjon, idet nevnte utløsermekanisme omfatter en elektrisk styrbar utløser som er innrettet for å utløse fjærelementet som følge av de-energisering av den elektrisk styrte utløseren. Aktuatoren er karakterisert ved at utløsermekanismen omfatter minst en lås (latch) som er dreibart festet i aktuatorkapslingen omkring en tapp, slik at når fjærelementet er i komprimert tilstand er en første ende av låsen i operativt inngrep med stangen, og en motstående andre ende av låsen er i operativt inngrep med utløseren.

På denne måten er det oppnådd en aktuator som er meget pålitelig i normal drift, og som går til en sikker posisjon ved bortfall av aktiv styring.

På denne måten kan videre mekanismen konstrueres slik at den gir en vektstangfunksjon som reduserer kraften av fjærelementet betydelig og derved reduserer kontakttrykket mellom komponenter som er inkludert i utløsermekanismen.

Utløsermekanismen kan realiseres strukturelt på forskjellige måter.

I en foretrukket utførelse omfatter utløseren en stang som kan beveges lineært i aktuatorkapslingen, samt en elektrisk drevet utløseraktuator som driver stangen inn i holdestillingen der stangen går i inngrep med låsen, og der stangen ved energibort-fall fra utløseraktuatoren blir trukket tilbake fra holdestillingen ved hjelp av en utløseraktuatorfjær som gir forspenning.

På denne måten blir kraften som skal til for å holde mekanismen i normal driftsmodus redusert og motvirker bare en lokal hjelpefjærkraft som ikke er relatert til kraften i hovedreturfjæren.

Fortrinnsvis er låsen innrettet til å gå i inngrep med stangen indirekte via en låsepinne som i holdeposisjonen er fastholdt av stangen for å gå i inngrep med et sete dannet i den andre enden av låsen, og som når stangen blir trukket tilbake blir skjøvet av det dreiende låsen ut fra setet og derved lar låsen dreie seg ut av inngrep med stangen.

Låsepinnene kan ha sylindrisk tverrsnitt som gir en rullende virkning og minimum friksjon ved frigjøring, og i tillegg til det lave mekaniske kontakttrykket som følge av vektstangmekanismen sikrer på denne måten i tillegg at frigjøring av returfjæren kan foregå uten slitasjevirkning.

Ved tilbaketrekking av stangen kan låsepinnen bli skjøvet av den dreiende låsen inn i en utsparing på stangen.

I nedstengingsmodus er en låsreturfjær fortrinnsvis innrettet til å forspenne låsen i retning av holdestillingen.

Utløseraktuatoren kan være realisert i form av en solenoid eller alternativt i form av et hukommelseslegeringselement

(SMA).

Utløsermekanismen omfatter fortrinnsvis en lås som er formet som en vektstang og konstruert slik at den, takket være plasseringen av dreiepunktet, reduserer betydelig den kraften som blir overført fra fjærelementet til utløsermekanismen i normal driftsmodus.

Stangen kan være innrettet slik at den omfatter eller forbindes til et annulært stempel som blir montert for bevegelse i en

annulær sylinder i aktuatorkapslingen, der den annulære sylinderen inneholder et hydraulisk medium for å dempe bevegelsen av stangen når fjærelementet frigjøres. Nevnte hydrauliske medium i den annulære sylinderen er da i strømningsforbindelse med det indre av aktuatorkapslingen via minst én strømbegrenseråpning. Tilbakeslagsventiler og partikkelfiltre kan bli innrettet i strømbanen(e) av det hydrauliske mediet.

Sluseventilaktuatoren som er kort beskrevet ovenfor, tjener i én fremgangsmåte til å flytte en sluseventil mellom en normal-drif tsmodus og en nedstengingsmodus. Fremgangsmåten omfatter følgende trinn: - kjøring av aktuatoren ved en motor i en første retning for å flytte sluseventilen inn i normal driftsmodus, - innretning av et komprimerbart kraftmiddel for å påtrykke, i normal driftsmodus, en forspenning på aktuatoren i en andre retning motsatt den første retningen, - innretning i sluseventilaktuatoren av en elektrisk styrt utløsermekanisme og energisering av utløsermekanismen for å holde kraftmiddelet i komprimert tilstand, og - kjøring av aktuatoren i den andre retningen ved å utløse det komprimerte kraftmiddelet gjennom de-energisering av elektrisk kontrollerte utløsermekanisme i nedstengingsmodusen.

Videre underordnede trinn inkluderer:

- energisering av utløsermekanismen ved en solenoid, eller ved et hukommelseslegeringselement (SMA).

Strukturen av sluseventilaktuatoren gir mulighet for testing av funksjonaliteten ved nødnedstenging (ESD) ved hjelp av følgende trinn: - å drive sluseventilaktuatoren videre i den første retningen i normaldriftsmodus ved hjelp av motoren, mot kraften fra det komprimerte kraftmiddelet, og - å tilbakestille aktuatoren til normaldriftsmodus ved hjelp av kraften fra det komprimerte kraftmiddelet.

Ytterligere egenskaper og fordeler som oppfinnelsen innebærer, vil bli nærmere belyst i den følgende detaljerte beskrivelse av utførelser av oppfinnelsen.

Kort beskrivelse av tegningsfigurene

Oppfinnelsen vil bli forklart mer fullstendig nedenfor med henvisning til tegningsfigurene som skjematisk illustrerer utførelser av oppfinnelsen. Tegningsfigurene forestiller som følger: Figur 1 viser i snitt en sluseventilaktuator drevet av en elektrisk motor og utstyrt med en feil-til-sikker mekanisme for å holde og frigjøre en returfjær; Figur 2 er en delvis gjennomskåret perspektivskisse som viser relevante deler av sluseventilaktuatoren på figur 1 i en større skala og i en normaldriftsmodus, idet utførelsen på figur 2 er basert på en solenoid for aktivering av en utløsermekanisme; Figur 3 er en detalj skisse som viser utløsermekanismen på figur 2 på en enda større skala; Figur 4 er en skisse som tilsvarer figur 2, og som viser sluseventilaktuatoren i en nedstengingsmodus; Figur 5 er en skisse som tilsvarer figur 3, som viser sluseventilaktuatoren i nedstengingsmodus; Figur 6 er en skisse som tilsvarer figur 2, og som viser en andre utførelse av sluseventilaktuatoren i normaldriftsmodus, idet utførelsen på figur 6 er basert på et SMA-element for aktivering av utløsermekanismen; Figur 7 er en skisse som tilsvarer figur 3, og som viser utførelsen på figur 6 på en større skala; Figur 8 er en skisse som tilsvarer figur 4, og som viser utførelsen på figur 6 i nedstengingsmodus; og Figur 9 er en skisse som tilsvarer figur 5, og som viser utførelsen på figur 6 i nedstengingsmodus.

Detaljert beskrivelse av utførelser av oppfinnelsen

Den generelle konstruksjonen av en typisk elektrisk aktuator for undersjøisk produksjonskontroll er illustrert på figur 1. Kombinasjonen av et rulleskruearrangement 3 og et PM-motordrev 2 er å regne som vanlig og er ikke en del av foreliggende oppfinnelse. Likedan er flensen 12 grensesnitt mot et ventiltre eller annet røropplegg en vanlig forekomst ved de fleste slike aktuatorer. Det sentrale ved oppfinnelsen er feil-til-sikker mekanismen, illustrert som en gruppe 5 av komponenter på figur 1.

Det presiseres at kun figur 1 illustrerer en komplett aktuator, alle andre figurer viser bare de komponentene som inngår i feil-til-sikker mekanismen. Hovedsaken ved foreliggende oppfinnelse er samvirket mellom et middel for returkraft, en motor med drivverk og en utløsermekanisme, og hensikten er å skape en aktuator med den høyeste driftssikkerhet, både når det gjelder evnen til å stenge ned et produksjonssystem på kommando og å starte og opprettholde driften av produksjonssystemet.

Grunnprinsippet er å bruke motor 2 og rulleskrue 3 som en jekk for å kjøre en stang 4 for å betjene en sluseventil inn i produksjonstilstand (steady state), nytte feil-til-sikker-mekanismen til å holde stangen 4 i denne stillingen, idet krefter påtrykt fra en returfjær 14 (eller annet ekvivalent kraftmiddel) blir nøytralisert av en utløsermekanisme og deretter straks tilbakeføre rulleskrue-sammenstillingen til ventilens sikre stilling mens ventilen forblir i produksjonsstilling. Derved er det ingen fast mekanisk forbindelse mellom sammenstillingen motor-og-rulleskrue-jekk og stangen til sluseventilaktuatoren. Rulleskruen skyver stangen for å regulere ventilen inn i normaldriftsmodus, men kan ikke bli brukt til å føre den tilbake til den sikre stillingen i nedstengingsmodus.

Når stangen og sluseventilen er brakt i produksjonsstilling og sikret i denne stillingen ved hjelp av feil-til-sikker mekanismen, blir rulleskruearrangementet straks drevet ved aktivering av motor 2 i reversretning tilbake til den stengte ventil-stillingen, slik at en mulig ESD-handling iverksettes. Selv om ventilen skulle gå tilbake til sikker tilstand selv med rulleskruen i uttrukket stilling, blir sannsynligheten for å oppnå en vellykket ESD forsterket ved at den utkjørte rulleskruen befinner seg i denne stillingen i bare om lag 1-2 minutter per aktivering. Fordi ESD av den klassen som krever ustyrt og krafttilførselsfri avstenging (slik ordet normalt forstås) forekommer ekstremt sjeldent, vil SIL-klassen som blir oppnådd være basert nesten utelukkende på påliteligheten til feil-til-sikker utløsermekanismen som er beskrevet nedenfor.

Rulleskruen har fri tilbakekjøringskarakteristikk, dvs. i tilfelle en ESD blir aktivert når rulleskruesammenstillingen fortsatt befinner seg i produksjonsstilling, vil dette ikke forhindre ESD, men rulleskruen vil bli drevet, i tillegg til motorvirkning, under påvirkning av returfjæren til sikker stilling. Det finnes altså (når det gjelder rulleskruevirke-måte) to, dvs. redundante, opsjoner for å oppnå ESD, begge med svært høy pålitelighet. Dette er essensen av undersjøiske konstruksjonsstrategier, å skaffe redundans i funksjonalitet der det er nødvendig og med begge innbyrdes redundante funksjoner med høy pålitelighet.

SIL er et statistisk konsept av natur og logaritmisk i skala. Det er et uttrykk for den statistiske sannsynligheten for vellykket utførelse av en ESD på kommando når som helst, uansett driftsmodus. To redundante strategier, hvert med høy pålitelighet, må nødvendigvis ha en fordelaktig innvirkning på SIL-klassifisering (SIL rating).

Merk at i denne sammenhengen der normalt, i prosedyrer som praktiseres av de fleste operatører, kun én ventil blir aktivert av gangen på enhver ventiltre, slik at også i den korte tiden jekksystemet er i ESD-banen, er treet til enhver tid intakt, som en sikkerhetsbarriere.

Flyttingen fra produksjonsposisjon til sikker posisjon faller i to distinkte kategorier:

1 ESD (flere klasser)

2 Produksjonsavstenging

En ESD-situasjon av en mer alvorlig kategori (i noen olje-provinser kalles den ESD 0 og ESD 1) kan enkelt avbryte krafttilførselen, eller krafttilførselen kan bli brutt ved et uhell ved at kontrollkabelen blir skadet av ytre årsaker. I denne situasjonen vil den primære utløseren eller utløser-aktuatoren (solenoide 20 eller SMA-innretning 30) frigjøre en hjelpeutløserfjær 21, og låsen med låsearmer (latching dogs) 25 vil gå i ulåst stilling og derved frigjøre returfjæren 14, og ventilen vil gå tilbake til sikker posisjon.

I de mindre alvorlige ESD-moduser (i noen områder kalt vari-asjoner av ESD-klasse 2, eksemplifisert ved en gasslekkasje-alarm på vertsplattformen) og i PSD-modus vil styresystemet bli brukt aktivt (dersom det skulle kreves nedstenging) til å kjøre prosessinstallasjonen til sikkerhetstilstand. I denne situasjonen blir rulleskruen kjørt ut for å ta kraften fra returfjæren vekk fra utløsermekanismen før utløseren blir aktivert, slik at utløseren i disse mer vanlige og hyppige situasjoner frigjøres med null krefter på feil-til-sikker utløsermekanismen bortsett fra virkningen av de mindre hjelpefjærene i selve utløseren. Disse situasjonene vil ikke forårsake noe slitasje av betydning på utløseren i det hele tatt, idet kreftene typisk blir redusert fra de 400 kN fra returfjæren 14 til typisk noen få hundre Newton fra hjelpe-fjæren 21 (tallene gjelder for en 5" aktuator f.eks.).

Med henvisning til figurene 1 til og med 9 blir rulleskruen 3 drevet av motoren 2 ved hjelp av en VSD-enhet (ikke vist) for å kjøre ventilstangen 4 til produksjonsposisjonen. Når posisjons-detektorsystemet (vanligvis en LVDT, ikke vist) detekterer at ønsket posisjon er oppnådd, vil solenoiden 20 eller SMA-elementet 30 dra mot hjelpeutløserfjær 21 for å gå i inngrep med låsearmer 25 ved hjelp av låsepinner 29 som griper inn i seter 23 utformet i enden av låsearmene 25. Låsepinner 29 vil da hindre låsearmene fra å bevege seg, så lenge den primære utløseren/utløseraktuatoren SMA 30 eller solenoiden 20, som er forbundet med og/eller påvirker en stangformet utløser 22, er energisert. Så snart den primære utløseren/utløseraktuatoren 20 eller 30 er de-energisert som et ledd i en ESD-prosess, blir låsepinnene 29 beveget ut av blokkeringsposisjonen i setene 23 og inn i utsparinger 24 utformet på utløserstangen 22, og returfjæren 14 er fri til å skyve stangen 4 tilbake til den sikrere posisjonen. Låsearmene 25 sørger, ut fra den forflytt-ede posisjonen til deres dreietapper 26, for en vektstangmekanisme som reduserer det høye kontakttrykket mellom returfjæren 14 og låsearmene til et meget lavere kontakttrykk mellom låsearmene 25 og låsepinner 29. Låsearmene 25 og de tilknyttede låsepinnene 29 bør fortrinnsvis være innrettet jevnt fordelt omkring senterlinjen for aktuatoren. Fortrinnsvis bør en bruke tre eller flere låsearmer 25/låsepinner 29.

I det tilfellet der låsepinnene 29 har sylindrisk tverrsnitt som i de illustrerte utførelsene, er det sikret at den rullende virkningen av låsepinnene 29 ved frigjøring, i tillegg til det lave mekaniske kontakttrykket som er oppnådd ved vektstang-virkning fra låsene 25, fører til at frigjøring kan finne sted ved lav friksjonsmotstand og uten noen slitasjevirkning.

Låsearmsreturfjærer 27 tjener til å returnere låsene til inngrepsposisjon i påvente av neste aktivering av jekksystemet.

Ved fullføring av slaget fra den sikrere posisjonen til produksjonsposisjonen gir rulleskruen og motoren all energien som kreves for å forspenne returfjæren 14, dvs. solenoid 20 eller SMA-innretning 30 er ikke påkrevd for å holde returfjæren 14 i en sammentrykt tilstand, utløseraktuatorene 20 og 30 er bare nødvendige for å holde utløserfjæren 21 sammentrykket. Dette reduserer den nødvendige kraften og dermed det elektriske kraftforbruket i normaldriftsmodus tilsvarende.

For å forhindre overdreven hastighet i tilbake-til-sikker-posisjon finnes det en annulær dempesylinder 15, tilbakeslags-ventil(er) 16 og strømbegrenser(e) 17 samt tetninger 19. Filtre 18 kan tjene til å fange opp partikkelkontaminasjon i olje-volumet og kan med fordel kombineres med enkle tilbakeslagsventiler (ikke vist) for å sikre at avfall ikke blir frigjort fra filtrene.

En SMA eller en solenoidstyrt utløsermekanisme har begge en ønskelig karakteristikk for en undersjøisk ESD-applikasjon, dvs. treg respons. Denne egenskapen, som ofte er ufordelaktig i mange industrielle applikasjoner, gjør disse innretningene ufølsomme for forstyrrelser i kraft- og kommunikasjonssystemer uten støtte fra dedikerte tidmålere inkludert i konstruksjonen. Den forsinkede reaksjonen er tvert imot en del av driftsprin-sippet, og mer utpreget for en SMA-innretning enn for en solenoidtype-innretning. Sistnevnte lar seg bare konstruere fornuftig for en forsinkelse på om lag 1 sekund (størrelses-orden) i forbindelse med en undersjøisk aktuator som beskrevet i denne patentsøknaden. For de fleste konstruksjoner vil dette være tilstrekkelig. En større forsinkelse kan bli oppnådd ved å tilføye en kondensator over solenoideviklingen når den natur-lige og innebygde forsinkelse i en respons blir funnet å være utilstrekkelig.

Foreliggende oppfinnelse går ut fra at det blir brukt en BL-DC-PM-motor med høyt dreiemoment (det finnes et stort utvalg av slike), eller andre typer elektrisk motor, som driver en planetær rulleskrue (typisk av vanlig konstruksjon slik det finnes på markedet og i katalogmateriale) med lav stigning for å oppnå maksimum lineær kraft per dreiemomentenhet som leveres av BL-DC-PM-motoren. Ingen av disse elementene utgjør noen del av oppfinnelsen, idet de forekommer i en mengde aktuator-konstruksjoner og derfor er veletablert i det offentlige rom. Andre former av roterende-til-lineær omforming vil også kunne brukes. I det følgende er bare beskrevet en rulleskrue, men det presiseres at hvilken som helst roterende-til-lineær omdann-ingsenhet ville kunne brukes.

Selv om en slik rulleskrue kan konstrueres med en bestemt stigning for å gi fri tilbakekjøring (der den forspente returfjæren driver rulleskruen i revers retning), er foreliggende oppfinnelse basert på konstruksjon av rulleskruen for minste praktiske stigning for å utnytte motorens dreiemoment til det ytterste. Rulleskruen vil fortsatt ha fri tilbakekjøring. Kombinasjonen av et høyt utvekslingsforhold og at rulleskruen langvarig blir utsatt for en svært høy kraft kan imidlertid sette spørsmåls-tegn ved langtidspåliteligheten for tilbakekjøringen. Det presiseres at tilbakekjøringspålitelighet ikke er et binært problem: Jo høyere utvekslingsforholdet i den mekaniske drivverk er, desto lavere er virkningsgraden for den mekaniske kjeden, jo høyere den utsettes for kraften fra returfjæren, desto flere problemer oppstår når det gjelder påliteligheten ved den frie tilbakekjøringsevnen.

Utløsermekanismen omfatter en elektromagnetisk eller en SMA-element utløseraktuator og en vektstangmekanisme. Sistnevnte er i prinsippet den samme for begge utførelser, der utløser-aktuatoren representerer differansen mellom de to beskrevne utførelsene. Hensikten med vektstangmekanismen er å redusere den mekaniske kraften slik at den kan behandles av utløseren, fra typisk 400 kN for en 5" aktuator til en vesentlig mindre verdi, og også for å gi en frigjøringsmekanisme som ikke er utsatt for slitasje, dvs. kontrollert eksponering for trykk mellom to mekaniske deler i bevegelse.

I en utførelse består den termoelektriske utløseraktuatoren av en SMA-basert aktiveringsoperasjon. Den omfatter typisk en SMA-type tråd/stang (typisk NiTi-legeringer) som leder en elektrisk strøm i normal produksjonsmodus for å holde tråden på en viss temperatur høyere enn omgivelsene (olje). I ESD-modus er kraft-tilførselen koblet ut, SMA-tråden blir avkjølt av den omgivende oljen, SMA-innretningen går tilbake til sin alternative form, og returfjæren blir frigjort så den kan drive ventilen til den sikre stillingen. Ved oppstart fra kald tilstand blir utløser-aktuatoren satt til å holde ventilen i den mindre sikre stillingen så snart denne stillingen er nådd.

Egenskapene ved SMA-materialer er vel dokumentert, og det er kjent at slike inngår i konstruksjon av aktuatorer, så foreliggende patentsøknad gjør ikke noe forsøk på å beskrive slike, bortsett fra å konstatere hensikten med bruken av dem, fase-endringen ved slike materialer som f.eks. NiTi som respons på temperaturendringer, som fører til en dramatisk endring i deres e-modul og derved gjør det mulig å lage "aktuatorer uten bevegelige deler". Slike aktuatorer kan konstrueres for store krefter og presterer typisk 2-3 prosent forlengelse over en lang levetid, dvs. en stang på 1 meter vil utvide seg/trekke seg sammen 3 cm som respons på en temperaturendring under passende driftstilstander. Grunntrekkene ved SMA-konstruksjon har vært kjent i mer enn 20 år, og bruken av dem betraktes å være fritt tilgjengelig.

De foreslåtte SMA-kretsene er blitt vist i en forenklet versjon, uten elektrisk isolasjon, ledninger for krafttil-førsel, transformator, koblingsinnretninger og andre elementer som kreves for å få til en fungerende konstruksjon. For fagfolk innen feltet utgjør konstruksjon av SMA-innretninger for industrielle formål et kjent felt som krever kunnskaper som er relativt sjeldne, men fritt tilgjengelige.

I en andre foretrukket utførelse er den primære utløseren en konvensjonell elektromekanisk solenoide, slik en finner i en mengde industrielle applikasjoner. I tillegg til å fremskaffe en aktuator med høy pålitelighet for å oppnå både ESD på kommando og produksjon på kommando, muliggjør den foreslåtte aktuatoren også en fremgangsmåte for testing av ESD-funksjonalitet uten å stanse produksjonen. I prinsippet er det ønskelig at all ESD-funksjonalitet blir testet regelmessig. Det har imidlertid aldri blitt regnet som akseptabelt å stenge en høyproduktiv undersjøisk produksjonsbrønn eller injeksjonsbrønn for å foreta barrieretest oftere enn én gang i måneden.

De foreslåtte aktuatorkonseptene gjør det mulig å teste ESD-evnen uten å ofre produksjon og uten nevneverdig slitasje på utstyret. Når det bedømmes å være ønskelig med en ESD-test, blir motor og rulleskrue brukt til å forlenge jekken og stangen til åpen ventilstilling, tilstrekkelig til å ta av belastningen fra feil-til-sikker mekanismen. En lar så returfjæren 14 drive rulleskruen bakover et lite stykke, tilsvarende en liten prosentdel av slaglengden men tilstrekkelig til å detektere bakoverbevegelse enten ved hjelp av LVDT eller ved måling av generatorvirkningen i motoren som nå kjører som en synkron-generator. Dersom bevegelse av stangen blir detektert, blir fullt dreiemoment påtrykket motoren for å kjøre sluseventilen tilbake til den endelige produksjonsstillingen. Hele bevegelsen frem og tilbake kan være så liten som 1-2 mm og kunne dersom det var aktuelt, dekkes av en overlapping i sluseventil-konstruksjonen, slik at strømningstverrsnittet ikke blir påvirket i det hele tatt under testing.

Foreliggende oppfinnelse er selvsagt ikke på noen måte begrenset til de utførelsene som er beskrevet ovenfor. Tvert imot vil mange muligheter for modifikasjoner av oppfinnelsen være åpenbare for en fagperson, uten å fravike grunnideen ved oppfinnelsen slik den er definert i de vedlagte patentkravene.

Liste over henvisninger på tegningsfigurene

1 (ikke brukt)

2 er driftmotoren, typisk en permanentmagnet- eller kortslutningsenhet (squirell cage unit) 3 er konverteringsenheten roterende-til-lineær (typisk en planetrulleskrue) 4 er aktuatorstangen som forbinder aktuatoren med sluseventilen i en ende og som i motsatt ende omfatter eller er forbundet med et stempel med dempefunksjon 5 viser plasseringen av feil-til-sikker mekanismen 6-9 (ikke brukt)

10 er kapslingen av aktuatoren

11 er bakre flens med utløsermekanisme-grensesnitt

12 er fremre flens for tilkobling til treet eller andre typer røropplegg

13 (ikke brukt)

14 er returfjæren som sørger for energi for feil-til-sikker-virkningen

15 er den annulære dempesylinderen

16 inntaktilbakeslagsventil(er)

17 strømningsbegrenser(e)

18 er partikkelfiltre

19 er dempesylindre-tetninger

20 er en elektromagnet (solenoide)

21 er utløseraktiveringsfjæren (hjelpefjær)

22 er låseaktiveringsstangen

23 er et sete utformet i en andre ende av låsen

24 er en utsparing dannet på stangen inkludert i utløsermekanismen

25 er lås/låsearmer

26 er låsedreiepunkter

27 er låsereturfjærer

28 er holdere for låsereturfjærene

29 er låsepinner

30 er SMA-elementet (eller elementene)

31 er elektriske koblingspunkter og isolatorer

Claims (13)

1. Sluseventilaktuator som omfatter en stang (4) som er bevegelig lineært i en aktuatorkapsling (10) som kan kobles til sluseventilen, der stangen virker på sluseventilen slik at sluseventilen forflyttes mellom henholdsvis åpen og lukket stilling, idet stangen (4) er drevet av en motor i en første retning inn i en normaldriftsposisjon, og i nevnte posisjon er stangen forspent i en andre motsatt retning mot en nedstengingsposisjon ved hjelp av et fjærelement (14) som virker på stangen (4), og som videre omfatter en utløsermekanisme (22;

25; 29) som er innrettet til å holde fjærelementet (14) i sammenpresset tilstand i en holdeposisjon, der utløsermekan-ismen omfatter en elektrisk styrbar utløser (22; 29) som er innrettet til å frigjøre fjærelementet (14) som følge av de-energisering av den elektrisk styrte utløseren (22), karakterisert ved at utløsermekanismen omfatter minst en lås (25) dreibart festet i aktuatorkapslingen om en dreietapp (26), en første ende av låsen (25) i operativt inngrep med stangen (4), mens motstående andre enden av låsen (25) er i operativt inngrep med utløseren (22), i den sammenpressede tilstanden av fjærelementet (14).

2. Aktuator i henhold til krav 1, karakterisert ved at utløseren omfatter en stang (22) som er bevegelig lineært i aktuatorkapslingen (10), en elektrisk drevet utløseraktuator (20; 30) som driver stangen (22) inn i en holdeposisjon, idet stangen går i inngrep med låsen (25), og en utløserfjær (21) som trekker stangen tilbake fra holdeposisjonen til en tilbake-trukket posisjon ved de-energisering av utløseraktuatoren (20;

30) .

3. Aktuator i henhold til krav 2, karakterisert ved at låsen (25) går i inngrep med stangen (22) indirekte via en låsepinne (29) som i holdeposisjonen er sperret av stangen (22) fra å gå i inngrep med et sete (23) utformet i den andre enden av låsen, og som når stangen blir trukket tilbake blir skjøvet av låsen ut fra setet, slik at låsen (25) er fri til å dreie ut av inngrep med stangen (4).

4. Aktuator i henhold til krav 3, karakterisert ved at når stangen (22) blir trukket tilbake blir låsepinnen (29) skjøvet av låsen inn i et utsparring (24) utformet i stangen.

5. Aktuator i henhold til hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert ved at låsen (25) i frigjort stilling er forspent mot holdeposisjonen av en låsereturfjær (27).

6. Aktuator i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene, idet utløser aktuatoren (20) er en solenoide.

7. Aktuator i henhold til hvilket som helst av kravene 1 til 5, idet utløseraktuatoren er et hukommelseslegeringselement (30).

8. Aktuator i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene, idet utløsermekanismen (22; 25; 29) omfatter en lås (25) formet som en vektstang som på grunn av plasseringen av dreietappen (26) er konstruert for å redusere kraften betydelig som blir overført fra fjærelementet (14) til utløsermekanismen.

9. Aktuator i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene, karakterisert ved at stangen (4) omfatter eller er forbundet med et annulært stempel som er montert i en annulær sylinder (15) inkludert i aktuatorkapslingen (10), idet den annulære sylinderen inneholder et hydraulisk medium for å dempe bevegelsen av stangen (4) ved frigjøring av fjærelementet (14).

10. Aktuator i henhold til krav 9, idet det hydrauliske mediet i den annulære sylinderen (15) er i strømningskommunikasjon med det indre av aktuatorkapslingen via minst én strømningsbegrens-eråpning (17).

11. Fremgangsmåte for å veksle en sluseventil mellom en normaldriftsmodus og en nedstengingsmodus ved hjelp av en sluseventilaktuator i henhold til hvilket som helst av kravene 1 til 10, idet aktuatoren blir drevet av en motor i en første retning for å sette sluseventilen til normaldriftsmodus, inkludert følgende trinn: - å innrette et komprimerbart kraftmiddel for å påtrykke, i normaldriftsmodus, en forspenning på aktuatoren i en andre retning motsatt den første retningen, - å innrette i sluseventilaktuatoren en elektrisk styrt utløsermekanisme og energisere utløsermekanismen for å bibeholde kraftmiddelet i komprimert tilstand, - å drive aktuatoren i den andre retningen ved frigjøring av det komprimerte kraftmiddelet gjennom de-energisering av elektrisk kontrollerte utløsermekanisme i nedstengingsmodus.

12. Fremgangsmåte i henhold til krav 11, som omfatter trinnet med å energisere utløsermekanismen ved hjelp av en solenoide eller ved hjelp av et hukommelseslegeringselement.

13. Fremgangsmåte i henhold til krav 11 eller 12, som omfatter trinnet med testing av nødnedstengingens funksjonalitet ved å: - drive sluseventilaktuatoren videre i den første retningen under normaldriftsmodus ved å kjøre motoren mot kraften fra det komprimerte kraftmiddelet, og - kjøre aktuatoren tilbake til normaldriftsmodus ved kraften fra det komprimerte kraftmiddelet.