NO333313B1

NO333313B1 - Electro-hydraulic actuator for valve maneuvering located on the seabed

Info

Publication number: NO333313B1
Application number: NO20093332A
Authority: NO
Inventors: Per Ragnar Dahl
Original assignee: Apply Nemo As
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2013-04-29
Also published as: NO20093332A1

Abstract

Det er vist en elektrohydraulisk aktuator (1) som er designet for manøvrering av en ventil (IA) plassert på sjøbunnen. Aktuatoren i seg selv er feilsikker i den forstand at den går til stengning av ventilen (IA) i det tilfellet at en feil oppstår, så som strømbrudd. Aktuatoren (1) er avtakbart integrert med ventilen (IA) og er en hydraulisk betjent lineærmotor som omfatter et stempel (4) med stempelstang (4b) som står i mekanisk forbindelse med en ventilaksel. En returfjær (9) i lineærmotoren virker mot stempelets (4) bevegelse under åpning av ventilen (IA) og spennes av bevegelsen for oppnåelse av den feilsikre funksjon idet den returnerer stemplet (4) og lukker ventilen (IA) i tilfelle nevnte feil eller annen svikt oppstår.An electrohydraulic actuator (1) is shown, which is designed for maneuvering a valve (IA) located on the seabed. The actuator itself is fault-safe in the sense that it goes to the valve (IA) closure in the event of an error, such as a power failure. The actuator (1) is detachably integrated with the valve (IA) and is a hydraulically actuated linear motor comprising a piston (4) with piston rod (4b) which is mechanically connected to a valve shaft. A return spring (9) in the linear motor acts against the movement of the piston (4) during opening of the valve (IA) and is tensioned by the movement to achieve the fail-safe function as it returns the piston (4) and closes the valve (IA) in the case of said failure or other failure occurs.

Description

Elektrohydraulisk aktuator for manøvrering av ventiler plassert på sjøbunnen Electrohydraulic actuator for maneuvering valves located on the seabed

Foreliggende oppfinnelse vedrører en elektrohydraulisk aktuator designet for manøvrering av ventiler plassert på sjøbunnen, der aktuatoren i seg selv er feilsikker i den forstand at den går til stengning av ventilen i tilfelle en feil oppstår, så som strømbrudd, og er del av en utskiftbar modul som omfatter alt som trengs av styringselektronikk, kraftgenerering, sensorer, mekaniske og elektromekaniske komponenter for å overvåke og operere denne ventilen, samt har et hydraulikksystem som er hermetisk lukket. The present invention relates to an electrohydraulic actuator designed for maneuvering valves located on the seabed, where the actuator itself is fail-safe in the sense that it closes the valve in the event of an error, such as a power failure, and is part of a replaceable module which includes everything needed from control electronics, power generation, sensors, mechanical and electromechanical components to monitor and operate this valve, as well as having a hydraulic system that is hermetically sealed.

En elektrohydraulisk aktuator av liknende type er kjent fra NO 2008 2217 og US 3572032A. An electrohydraulic actuator of a similar type is known from NO 2008 2217 and US 3572032A.

Undervannssystemer for produksjon av olje og gass har i mange år omfattet fjernstyrte ventiler. Til å begynne med ble disse ventiler betjent ved hjelp av direkte hydraulikk. Det betyr at de hydrauliske kraftenheter og styringsventiler var alle plassert på installasjoner på havoverflaten. I dag er de fleste systemer som leveres elektrohydrauliske, dvs ventilene blir hydraulisk betjente, men styringsventiler, sensorer og elektronikken befinner seg under vann i opphentbare kontrollmoduler. Hydraulisk væske blir levert fra overflaten, vanligvis gjennom umbilikaler som inneholder både hydrauliske og elektriske ledninger. Underwater systems for the production of oil and gas have for many years included remote-controlled valves. Initially, these valves were operated using direct hydraulics. This means that the hydraulic power units and control valves were all located on installations on the sea surface. Today, most systems supplied are electro-hydraulic, i.e. the valves are operated hydraulically, but control valves, sensors and the electronics are located underwater in retrievable control modules. Hydraulic fluid is supplied from the surface, usually through umbilicals containing both hydraulic and electrical lines.

I senere år har det vært gjort fremstøt mot å introdusere elektriske systemer, som In recent years there has been a push to introduce electric systems, such as

dermed eliminerer behovet for å levere hydraulisk væske fra en overflateinstallasjon. Så langt har disse systemer inkludert elektromekaniske aktuatorer bestående av en elektrisk motor og en mekanisk overføringsmekanisme som manøvrerer ventilen. Slike systemer kan være fordelaktige for ventiler som ikke krever feilsikker virkning (beveger seg til en sikker stilling ved tap av kraft). Elektromekanisk aktivisering med feilsikker virkning har også vært implementert for forholdsvis små ventiler, slik som ventiltre-ventiler. Men for store sikkerhetsventiler, slik som sikkerhetsventiler for isolering av rørledninger, kan det være vanskelig å oppnå tilstrekkelig pålitelighet i kombinasjon med moderat elektrisk kraftforbruk og spenning. thus eliminating the need to supply hydraulic fluid from a surface installation. So far, these systems have included electromechanical actuators consisting of an electric motor and a mechanical transmission mechanism that operates the valve. Such systems may be advantageous for valves that do not require fail-safe action (moving to a safe position upon loss of power). Electromechanical activation with a fail-safe effect has also been implemented for relatively small valves, such as valve tree valves. However, for large safety valves, such as pipeline isolation safety valves, it may be difficult to achieve sufficient reliability in combination with moderate electrical power consumption and voltage.

Den nå foreslåtte elektrohydrauliske aktuator er beregnet på å kunne manøvrere både en kuleventil eller en sluseventil på havbunnen. Aktuatoren skal som selvstendig enhet kunne hentes opp til overflaten og skiftes ut. Installasjon og opphenting av den elektrohydrauliske aktuator vil bli foretatt ved bruk av et dedikert verktøy, enten et standard verktøy eller et verktøy utviklet for den aktuelle ventil og aktuator. Som nevnt er dens eneste forbindelse til overflaten når den installert på ventilen via en elektrisk kabel for kraft og signal. The now proposed electrohydraulic actuator is intended to be able to maneuver both a ball valve or a sluice valve on the seabed. As an independent unit, the actuator must be able to be brought up to the surface and replaced. Installation and retrieval of the electrohydraulic actuator will be carried out using a dedicated tool, either a standard tool or a tool developed for the relevant valve and actuator. As mentioned, its only connection to the surface when installed on the valve is via an electrical cable for power and signal.

En halvautomatisk eller helautomatisk test av seg selv er også gjort mulig. Under denne test blir en automatisk sekvens bestående av delvis lukking av ventilen utført. Resultatet av denne test blir kommunisert til kontrollstasjonen på overflaten og feilrapport generert dersom testen ikke er tilfredsstillende. På denne måten blir økt pålitelighet oppnådd. A semi-automatic or fully automatic self-test is also made possible. During this test, an automatic sequence consisting of partial closure of the valve is performed. The result of this test is communicated to the control station on the surface and an error report generated if the test is not satisfactory. In this way, increased reliability is achieved.

Fra US 2008/0264646 Al er det kjent en aktuator som er beregnet på undervannsventiler og -utstyr. Aktuatoren omfatter en hydraulisk aktuator, i det minste ett hus og et selvstendig og lukket hydraulisk tilførselssystem plassert inne i det minst ene hus. Denne aktuator er imidlertid ikke av en type som kan betegnes som en selvstendig feilsikker enhet. Med det menes en aktuator som bringes tilbake til sikker posisjon ved tap av ytre energikilde. From US 2008/0264646 Al, an actuator is known which is intended for underwater valves and equipment. The actuator comprises a hydraulic actuator, at least one housing and an independent and closed hydraulic supply system located inside the at least one housing. However, this actuator is not of a type that can be described as an independent fail-safe unit. By that is meant an actuator that is brought back to a safe position when the external energy source is lost.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en elektrohydraulisk aktuator av den innledningsvis nevnte type som er kjennetegnet ved at aktuatoren er avtakbart integrert med ventilen, at aktuatoren er en hydraulisk betjent lineærmotor omfattende et stempel med stempelstang som står i mekanisk forbindelse med ventilakselen, at en returfjær i lineærmotoren virker mot stempelets bevegelse under åpning av ventilen og spennes av bevegelsen for oppnåelse av den feilsikre funksjon idet den returnerer stemplet og lukker ventilen i tilfelle nevnte feil eller annen svikt oppstår. In accordance with the present invention, an electrohydraulic actuator of the initially mentioned type is provided, which is characterized by the fact that the actuator is removably integrated with the valve, that the actuator is a hydraulically operated linear motor comprising a piston with a piston rod that is in mechanical connection with the valve shaft, that a return spring in the linear motor acts against the movement of the piston during opening of the valve and is energized by the movement to achieve the fail-safe function as it returns the piston and closes the valve in the event of said failure or other failure.

I en hensiktsmessig utførelse er en solenoidaktivisert styringsventil anordnet i den hydrauliske krets, hvilken styringsventil er i stand til å rette det hydrauliske trykk mot i det minste en side av stempelet når solenoiden er aktivisert og returnerer styringsventilen dersom solenoiden blir deaktivisert, så som ved tap av elektrisk kraft. In a suitable embodiment, a solenoid-activated control valve is provided in the hydraulic circuit, which control valve is capable of directing the hydraulic pressure to at least one side of the piston when the solenoid is activated and returns the control valve if the solenoid is deactivated, such as by loss of electrical power.

I en utførelse er aktuatoren dobbeltvirkende idet hydraulisk væske kan dirigeres til begge sider av stempelet respektivt for å åpne/lukke ventilen. In one embodiment, the actuator is double-acting in that hydraulic fluid can be directed to both sides of the piston respectively to open/close the valve.

I en andre utførelse er aktuatoren enkeltvirkende idet hydraulisk væske kan dirigeres til kun den ene siden av stempelet for å åpne ventilen og returfjæren besørger eventuell lukking av ventilen. In a second embodiment, the actuator is single-acting in that hydraulic fluid can be directed to only one side of the piston to open the valve and the return spring ensures eventual closing of the valve.

Hensiktsmessig omfatter aktuatoren et lokalt, selvstendig, lukket hydraulisk system som kun står i forbindelse med overflaten via kraftkabler og signallinjer, så som vanlige elektriske ledninger, og/eller fiberoptiske ledere. Appropriately, the actuator comprises a local, self-contained, closed hydraulic system which is only connected to the surface via power cables and signal lines, such as ordinary electrical wires, and/or fiber optic conductors.

Det lokale, selvstendige hydrauliske system kan omfatte en hydraulisk pumpe som er drevet av en elektrisk motor, en akkumulator til oppbygning av manøvreringstrykk, et rørsystem, en lavtrykks returtrykkompensator og respektive retningsventiler, stengeventiler og enveisventiler. The local, independent hydraulic system may include a hydraulic pump driven by an electric motor, an accumulator for building up maneuvering pressure, a piping system, a low-pressure return pressure compensator and respective directional valves, shut-off valves and one-way valves.

Aktuatoren kan omfatte en lokal styringskrets som registrerer funksjonsparametre og styrer det hydrauliske system. Normalt vil kommandoer for operasjon av ventilen foregå gjennom kommunikasjon med en kontrollstasjon på overflaten. Det er også mulig at nedstengningssignaler kan genereres lokalt ved ventilen. The actuator can include a local control circuit that registers functional parameters and controls the hydraulic system. Normally, commands for operation of the valve will take place through communication with a control station on the surface. It is also possible that shutdown signals can be generated locally at the valve.

Videre kan styreventilen være en to-trinns retningsventil som under drift blir kontinuerlig aktivisert av en solenoid i styreventilen. Furthermore, the control valve can be a two-stage directional valve which, during operation, is continuously activated by a solenoid in the control valve.

Ventilen kan omfatte grensebrytere og sensorer for å måle ventilposisjonen, og for å overvåke den hydrauliske krets. The valve may include limit switches and sensors to measure the valve position and to monitor the hydraulic circuit.

Med fordel kan grensesnittet mellom aktuatoren og isolasjonsventilen være et standard grensesnitt. Flere slike grensesnitt er tilgjengelige i dag, og valget vil bli foretatt av ventilens sluttbruker. Advantageously, the interface between the actuator and the isolation valve can be a standard interface. Several such interfaces are available today, and the choice will be made by the end user of the valve.

Med en elektrohydraulisk aktuator av denne type oppnår man følgende funksjoner/fordeler: • Skal brukes under vann som isolasjonsventil med sikkerhetsfunksjoner With an electrohydraulic actuator of this type, the following functions/advantages are achieved: • To be used underwater as an isolation valve with safety functions

(eksisterende elektrohydrauliske enheter benyttes på land/overflate) (existing electrohydraulic units are used on land/surface)

• Eneste tilkobling er en elektrisk kabel for å betjene ventilen. Brytes denne tilkoblingen går ventilen i "Fail-safe" posisjon • Alt som trengs av styringselektronikk, kraftgenerering, sensorer, mekaniske og elektromekaniske komponenter for å overvåke og operere denne ventilen er del av en utskiftbar modul. Tas opp til overflaten med et eget verktøy, og byttes ved feil. o Innpakkingen er spesiell for subsea utstyr (elektronikk i 1 atm beholdere, trykk-kompensering av hydraulikk og oljefylt volum rundt komponentene. • Hydraulikksystem er "hermetisk" lukket. Potensiell lekkasje går fra trykksiden til returside i kretsen. • Oljevolumer i systemet er kompensert mot hverandre slik at egne store reservoarer unngås. • Only connection is an electrical cable to operate the valve. If this connection is broken, the valve goes into the "Fail-safe" position • Everything needed from control electronics, power generation, sensors, mechanical and electromechanical components to monitor and operate this valve is part of a replaceable module. Raised to the surface with a separate tool, and replaced in the event of a fault. o The packaging is special for subsea equipment (electronics in 1 atm containers, pressure compensation of hydraulics and oil-filled volume around the components. • Hydraulic system is "hermetically" closed. Potential leakage goes from the pressure side to the return side in the circuit. • Oil volumes in the system are compensated against each other so that own large reservoirs are avoided.

o Ventilaktuatoren (stående) er i prinsippet dobbetvirkende, slik at ved o The valve actuator (standing) is in principle double-acting, so that

operasjon er det to nær like store volumer som bytter plass. operation, there are two nearly equal volumes that change places.

o Alternativt kan en (liggende) aktuator med enkeltvirkende stempel benyttes. I dette tilfellet benyttes en skillekompensator for å separere skitten olje fra fjærkammeret fra den rene hydraulikkvæsken. o Alternatively, a (horizontal) actuator with a single-acting piston can be used. In this case, a separator compensator is used to separate dirty oil from the spring chamber from the clean hydraulic fluid.

Monitorering av ventilposisjon og operasjon er inkorporert Monitoring of valve position and operation is incorporated

Automatisk selvtest av ventilen er bygget inn slik at ventilfunksjonen kan få en Automatic self-test of the valve is built in so that the valve function can receive a

meget høy pålitelighet og benyttes til meget kritiske anvendelser. very high reliability and used for very critical applications.

Det elektriske systemet på selve aktuatoren utgjør en egen enhet slik at "vått oppkoblede" interne elektriske forbindelser ikke er nødvendig. The electrical system on the actuator itself constitutes a separate unit so that "wet-connected" internal electrical connections are not necessary.

o Om ønskelig kan imidlertid eksterne sensorer utenom aktuator modulen kobles til. o If desired, however, external sensors other than the actuator module can be connected.

Andre og ytterlige formål, særtrekk og fordeler vil fremgå av den følgende beskrivelse av foretrukne utførelser av oppfinnelsen, som er gitt for beskrivelsesformål og gitt i forbindelse med de vedlagte tegninger, hvor: Other and additional purposes, special features and advantages will be apparent from the following description of preferred embodiments of the invention, which is given for description purposes and given in connection with the attached drawings, where:

Fig. 1 viser skjematisk en første utførelse av en elektrohydraulisk aktuator med hydraulisk og elektrisk krets skjematisk inntegnet, Fig. 2 viser skjematisk en andre utførelse av en elektrohydraulisk aktuator med hydraulisk og elektrisk krets skjematisk inntegnet, Fig. 3 viser en variant av den vist i figur 2 hvor aktuatorens fjærkammer er separat kompensert mot omgivelsene, Fig. 4 viser en praktisk utførelse av den elektrohydrauliske aktuator vist i fig. 1 med vertikalt orientert aktuatorsylinder og stempel, og Fig. 5 viser en praktisk utførelse av den elektrohydrauliske aktuator vist i fig. 2 med horisontalt orientert aktuatorsylinder og stempel. Fig. 1 schematically shows a first embodiment of an electrohydraulic actuator with a hydraulic and electrical circuit schematically drawn, Fig. 2 schematically shows a second embodiment of an electrohydraulic actuator with a hydraulic and electrical circuit schematically drawn, Fig. 3 shows a variant of the one shown in figure 2 where the actuator's spring chamber is separately compensated against the surroundings, Fig. 4 shows a practical embodiment of the electrohydraulic actuator shown in fig. 1 with vertically oriented actuator cylinder and piston, and Fig. 5 shows a practical embodiment of the electrohydraulic actuator shown in fig. 2 with horizontally oriented actuator cylinder and piston.

Det vises først til fig. 1 som er en skjematisk fremstilling av en elektrohydraulisk aktuator 1 og tilhørende hydraulisk og elektrisk krets i sin grunnutførelse. Selve aktuatoren 1 er mekanisk oppbygd og omfatter et omsluttende hus 10 som avgenser en hydraulisk sylinder 3, et hydraulisk stempel 4 som kan bevege seg frem og tilbake i den hydrauliske sylinder 3 og en aktuatorfjær 9 som er i stand til å returnere det hydrauliske stempelet 4 tilbake til en utgangsposisjon. Fjæren 9 virker i sin ene ende mot husets ene endevegg 10a og i motsatt ende mot en tallerken 4a som i sin tur er festet til stempelets 4 stempelstang 4b. Den hydrauliske sylinder 3, stempelet 4 og stempelstangen 4b har hver for seg samme diameter i hele sin lengdeutstrekning. Reference is first made to fig. 1 which is a schematic representation of an electrohydraulic actuator 1 and associated hydraulic and electrical circuit in its basic design. The actuator 1 itself is mechanically structured and comprises an enclosing housing 10 which encloses a hydraulic cylinder 3, a hydraulic piston 4 which can move back and forth in the hydraulic cylinder 3 and an actuator spring 9 which is able to return the hydraulic piston 4 back to a starting position. The spring 9 acts at one end against one end wall 10a of the housing and at the opposite end against a plate 4a which in turn is attached to the piston 4 piston rod 4b. The hydraulic cylinder 3, the piston 4 and the piston rod 4b each have the same diameter throughout their entire length.

Stempelstangen 4b omformer en lineær stempelbevegelse til en 90° dreiebevegelse av en ventils IA ventilspindel (ikke vist) ved hjelp av en transmisjonsmekanisme 2 på i og for seg kjent måte. The piston rod 4b transforms a linear piston movement into a 90° turning movement of a valve IA valve stem (not shown) by means of a transmission mechanism 2 in a manner known per se.

Som det fremgår av figur 1 kan aktuatoren 1 være dobbeltvirkende med en hydraulisk inngang Hi på oversiden av stemplet 4 og en inngang H2i nedre ende av sylinderen 3. Hele den hydrauliske krets blir drevet av en hydraulisk pumpe 5 som i sin tur blir drevet av en elektrisk motor M, som indikert på figuren. Motoren M kan for eksempel være en elektrisk induksjonsmotor. En tilbakeslagsventil Vi er plassert på utgangen fra den hydrauliske pumpen 5. To akkumulatorer, en høytrykksakkumulator Ai og en lavtrykksakkumulator A2i form av en returtrykkompensator, inngår i kretsen som indikert på figuren. En styringsventil 6 og et antall filtre F er anordnet i kretsen. Filtrene F beskytter pumpen 5 og øvrige følsomme komponenter mot store partikler som måtte bli generert i pumpen 5 eller den hydrauliske sylinderen 3. Filtrene F kan med fordel utstyres med trykkaktivisert omløpsventil, slik at tette filtre ikke fører til blokkering av kretsen. I tillegg er det anordnet en sikkerhetsventil 7 i kretsen som åpner dersom det hydrauliske trykk ut fra pumpen 5 blir for høyt. Styringsventilen 6 er i stand til valgvis å rette det hydrauliske trykk mot inngangen Hi eller sammenkoble inngangene Hi og H2. As can be seen from Figure 1, the actuator 1 can be double-acting with a hydraulic input Hi on the upper side of the piston 4 and an input H2 at the lower end of the cylinder 3. The entire hydraulic circuit is driven by a hydraulic pump 5 which in turn is driven by a electric motor M, as indicated in the figure. The motor M can, for example, be an electric induction motor. A non-return valve Vi is placed at the output of the hydraulic pump 5. Two accumulators, a high-pressure accumulator Ai and a low-pressure accumulator A2i in the form of a return pressure compensator, are included in the circuit as indicated in the figure. A control valve 6 and a number of filters F are arranged in the circuit. The filters F protect the pump 5 and other sensitive components against large particles that may be generated in the pump 5 or the hydraulic cylinder 3. The filters F can advantageously be equipped with a pressure-activated bypass valve, so that clogged filters do not lead to blockage of the circuit. In addition, a safety valve 7 is arranged in the circuit which opens if the hydraulic pressure from the pump 5 becomes too high. The control valve 6 is able to optionally direct the hydraulic pressure towards the input Hi or connect the inputs Hi and H2.

Alternativt kan en annen type styringsventil benyttes, som valgvis retter det hydrauliske trykk mot inngangen Hi eller H2. Dermed kan hydraulikktrykket assistere virkningen av aktuatorfjæren 9 eller helt erstatte denne. Alternatively, another type of control valve can be used, which optionally directs the hydraulic pressure towards the input Hi or H2. Thus, the hydraulic pressure can assist the action of the actuator spring 9 or completely replace it.

Ved drift av den hydrauliske pumpe 5 hentes hydraulisk væske fra retursiden av den hydrauliske sylinder 3, hever trykket og sender den hydrauliske væsken inn på høytrykksiden av sylinderen 3. Ettersom den hydrauliske sylinder 3, stempelet 4 og stempelstangen 4b hver for seg har samme diameter i hele sin lengdeutstrekning, vil det samme volum av hydraulisk væske hele tiden ventileres til returdelen som det volum som injiseres på høytrykksiden når pumpen 5 er i drift. Dermed er det lite behov for store hydrauliske reservoarer. During operation of the hydraulic pump 5, hydraulic fluid is collected from the return side of the hydraulic cylinder 3, raises the pressure and sends the hydraulic fluid into the high-pressure side of the cylinder 3. As the hydraulic cylinder 3, the piston 4 and the piston rod 4b each have the same diameter in throughout its length, the same volume of hydraulic fluid will constantly be vented to the return part as the volume that is injected on the high pressure side when the pump 5 is in operation. There is thus little need for large hydraulic reservoirs.

Den omtalte styringsventil 6 blir aktivisert av elektrisk kraft slik at den står i en åpen stilling. For lukking av ventilen blir styringsventilen 6 deaktivisert slik at aktuatorsylinderens høytrykksside blir satt i kommunikasjon med retursiden. Aktuatorfjæren 9 vil så presse hydraulisk væske tilbake fra høytrykkssiden til retursiden. Aktiviseringen oppnås ved å ha en kontinuerlig elektrisk aktivisert solenoid i forbindelse med styringsventilen 6. Når den elektriske kraft til solenoiden går tapt, vil det hydrauliske trykk mot aktuatorstemplet 4 automatisk bli rettet fra høytrykkssiden til retursiden, og aktuatorfjæren 9 beveger dermed ventilen til sikker stilling. The aforementioned control valve 6 is activated by electrical power so that it is in an open position. To close the valve, the control valve 6 is deactivated so that the high pressure side of the actuator cylinder is put in communication with the return side. The actuator spring 9 will then push hydraulic fluid back from the high-pressure side to the return side. The activation is achieved by having a continuously electrically activated solenoid in connection with the control valve 6. When the electrical power to the solenoid is lost, the hydraulic pressure against the actuator piston 4 will automatically be directed from the high pressure side to the return side, and the actuator spring 9 thus moves the valve to the safe position.

Styringsventilen 6 kan være en to-trinns ventil, hvorav pilotdelen er solenoidaktivert, som igjen hydraulisk aktiverer hovedtrinnet. På den måten oppnås et meget lavt elektrisk effektbehov, mens hovedtrinnet kan ha betydelig hydraulisk kapasitet. Slike ventiler er standard komponenter i undervanns kontrollsystemer. For å beskytte pilotventilen kan den utstyres med et separat filter. Dersom nødvendig ut fra pålitelighetskrav, kan pilotventilen utstyres med doble solenoider, hvor hver solenoid er i stand til å operere ventilen. Aktivering av en solenoid er tilstrekkelig for å åpne ventilen, mens begge solenoidene må være deaktivert for at ventilen lukkes. The control valve 6 can be a two-stage valve, the pilot part of which is solenoid-activated, which in turn hydraulically activates the main stage. In this way, a very low electrical power requirement is achieved, while the main stage can have significant hydraulic capacity. Such valves are standard components in underwater control systems. To protect the pilot valve, it can be fitted with a separate filter. If necessary based on reliability requirements, the pilot valve can be equipped with double solenoids, where each solenoid is capable of operating the valve. Activation of one solenoid is sufficient to open the valve, while both solenoids must be deactivated for the valve to close.

Lavtrykksakkumulatoren A2, eller returtrykkompensatoren, blir ventilert til omgivelsene slik at returtrykket blir holdt likt med det omgivende hydrostatiske trykk. Dermed er det kun behov for små akkumulatorer for å få til en jevn drift av pumpen 5. Ved å ha små akkumulatorer vil det være pumpens 5 kapasitet som avgjør ventilens åpningstid. Dersom det er ønskelig med hurtig åpningstid av ventilen, kan akkumulatorene dimensjoneres slik at deres kapasitet er tilstrekkelig til å åpne ventilen. I begge tilfeller vil imidlertid lukking av ventilen skje hurtig. Lavtrykksakkumulatoren A2kan også utstyres med en fjærmekanisme slik at den holder et lite overtrykk i forhold til omgivelsene. The low-pressure accumulator A2, or the return pressure compensator, is vented to the surroundings so that the return pressure is kept equal to the surrounding hydrostatic pressure. Thus, there is only a need for small accumulators to achieve smooth operation of the pump 5. By having small accumulators, it will be the pump's 5 capacity that determines the valve's opening time. If a quick opening time of the valve is desired, the accumulators can be dimensioned so that their capacity is sufficient to open the valve. In both cases, however, the valve will close quickly. The low-pressure accumulator A2 can also be equipped with a spring mechanism so that it maintains a small excess pressure in relation to the surroundings.

Posisjonsindikerende instrumenter GH, GL, GI er anordnet på aktuatorens 1 stempelstang 4b. GH indikerer en åpen posisjonsbryter. GL indikerer en lukket posisjonsbryter. GI indikerer en kontinuerlig 1-100% posisjonsindikator. I tillegg kan slike instrumenter anordnes på selve isolasjonsventilen. Diverse trykkfølere PT er også anordnet i kretsen, blant annet for styring av pumpen 5. Elektronikk for hastighetsstyring av pumpen 5, styringsventilen 6, overvåking av følerne og kommunikasjon til overflaten befinner seg i en nitrogenfylt beholder SEM (Subsea Electronic Module) med atmosfærisk trykk. Om ønsket vil elektronikken være (dobbelt sikret) dublert for økt pålitelighet (redundans). Position indicating instruments GH, GL, GI are arranged on the actuator's 1 piston rod 4b. GH indicates an open position switch. GL indicates a closed position switch. GI indicates a continuous 1-100% position indicator. In addition, such instruments can be arranged on the isolation valve itself. Various pressure sensors PT are also arranged in the circuit, among other things for controlling the pump 5. Electronics for speed control of the pump 5, control valve 6, monitoring of the sensors and communication to the surface are located in a nitrogen-filled container SEM (Subsea Electronic Module) with atmospheric pressure. If desired, the electronics will be (double secured) duplicated for increased reliability (redundancy).

Alle komponenter er godkjent for undervannsbruk og har høy kvalitet og pålitelighet. All components are approved for underwater use and have high quality and reliability.

Under drift vil hydraulikkpumpen 5 være innstilt til å levere et driftstrykk innen bestemte marginer. For dette formål er kretsen utstyrt med trykktransdusere PT på innløpssiden og utløpssiden. Driftstrykket vil være forskjellen mellom de to trykkene. Dersom driftstrykket blir for lavt starter pumpen 5, og ved ønsket trykk stopper den, dvs motoren M stopper. Motoren M kan gå ved fast turtall, men det er også mulig å styre pumpen med variabelt turtall ved hjelp av en frekvensomformer. På denne måten kan pumpen gå meget langsomt ved små trykkforskjeller, typisk hvor en ønsker å gjenopprette trykket på grunn av interne lekkasjer i systemet, mens pumpen vil gå med høyere turtall ved større trykkforskjeller, slik som ved operasjon av aktuatoren. During operation, the hydraulic pump 5 will be set to deliver an operating pressure within certain margins. For this purpose, the circuit is equipped with pressure transducers PT on the inlet side and the outlet side. The operating pressure will be the difference between the two pressures. If the operating pressure becomes too low, the pump 5 starts, and at the desired pressure it stops, i.e. the motor M stops. The motor M can run at a fixed speed, but it is also possible to control the pump with a variable speed using a frequency converter. In this way, the pump can run very slowly at small pressure differences, typically where you want to restore the pressure due to internal leaks in the system, while the pump will run at a higher speed at larger pressure differences, such as when operating the actuator.

Høytrykkskretsen har høytrykks akkumulatoren Ai som både er pulsasjonsdemper og fungerer til å sikre praktisk regulering av pumpen 5. Volumet på høytrykksakkumulatoren Ai kan økes dersom en ønsker rask åpning av ventilen. The high-pressure circuit has the high-pressure accumulator Ai, which is both a pulsation damper and functions to ensure practical regulation of the pump 5. The volume of the high-pressure accumulator Ai can be increased if one wishes to quickly open the valve.

Returkretsen har lavtrykksakkumulatoren A2som er ventilert mot omgivelsene, også kalt en returkompensator. På denne måten vil returkretsen alltid ha tilnærmet samme trykk som omgivelsene, uansett vanndyp. Kompensatoren kan også utstyres med fjærmekanisme, dersom det er ønskelig å holde returtrykket positivt noe høyere enn omgivelsestrykket. Returkompensatoren vil også fungere som reservoar ved operasjon, og i tilfelle små endringer i hydraulikkvolum. The return circuit has the low-pressure accumulator A2, which is ventilated to the surroundings, also called a return compensator. In this way, the return circuit will always have approximately the same pressure as the surroundings, regardless of the water depth. The compensator can also be equipped with a spring mechanism, if it is desired to keep the return pressure somewhat higher than the ambient pressure. The return compensator will also act as a reservoir during operation, and in case of small changes in hydraulic volume.

Ved manuell kommando om åpning, typisk fra operatør på nærliggende plattform, vil elektronikken sørge for at det blir levert et spenningssignal til solenoiden på styringsventilen 6, og denne åpner for hydraulikktrykk til aktuatoren. Dermed vil stempelet i aktuatoren bevege ventilen til åpen posisjon. Hydraulisk væske fra baksiden av stempelet vil presses ut i returkretsen, og går under åpning inn i kompensator og etter hvert til pumpens 5 sugeside. Ventilposisjonen kan positivt leses gjennom posisjonsindikatorene. Så lenge styringsventilens 6 solenoid er aktivert vil ventilen stå i åpen posisjon. Den trykkstyrte hydraulikkpumpen vil sørge for å kompensere for interne lekkasjer i systemet. In the event of a manual command to open, typically from an operator on a nearby platform, the electronics will ensure that a voltage signal is delivered to the solenoid on the control valve 6, and this opens for hydraulic pressure to the actuator. Thus, the piston in the actuator will move the valve to the open position. Hydraulic fluid from the back of the piston will be forced out into the return circuit, and during opening goes into the compensator and eventually to the pump's 5 suction side. The valve position can be positively read through the position indicators. As long as the control valve's 6 solenoid is activated, the valve will remain in the open position. The pressure-controlled hydraulic pump will compensate for internal leaks in the system.

Styreventilen er feilsikker, slik at når spenning blir borte, enten ved kommando eller ved bortfall av strømtilførsel, vil en fjær sørge for at ventilen går i åpen posisjon. Dermed kobles aktuatorens trykkside sammen med retursiden. Aktuatoren er også feilsikker og aktuatorfjæren 9 vil da sørge for at aktuatoren lukker. Fjæren presser da hydraulikkvæsken fra aktuatorens returvolum tilbake til stemplets trykkside. Under normal drift vil ventilens posisjon kunne avleses via posisjonsgivere. The control valve is fail-safe, so that when voltage is lost, either by command or by a power failure, a spring will ensure that the valve goes into the open position. This connects the pressure side of the actuator with the return side. The actuator is also fail-safe and the actuator spring 9 will then ensure that the actuator closes. The spring then pushes the hydraulic fluid from the actuator's return volume back to the pressure side of the piston. During normal operation, the valve's position can be read via position sensors.

Ved bortfall av strøm skjer det samme. Ventilen går i sikker posisjon, men så lenge spenningen er borte, vil også strømtilførselen til posisjonsgiverne være borte. Spenningen må derfor gjenopptas dersom en ønsker positiv bekreftelse på ventilposisjon. In the event of a power failure, the same thing happens. The valve goes into a safe position, but as long as the voltage is gone, the power supply to the position sensors will also be gone. The voltage must therefore be resumed if positive confirmation of the valve position is desired.

Fig 2 viser skjematisk en andre utførelse av den elektrohydrauliske aktuator 10 som benytter en mer konvensjonell hydraulisk aktuator, dvs enkeltvirkende stempel 40. Som før omfatter aktuatoren 10 et omsluttende hus 100 som avgenser en hydraulisk sylinder 30, et hydraulisk stempel 40 som kan bevege seg frem og tilbake i den hydrauliske sylinder 30 og en fjær 90 som er i stand til å returnere det hydrauliske stempelet 40 tilbake til en utgangsposisjon. Imidlertid er det omsluttende hus 100 sammensatt av en hoveddel som rommer fjæren 90 og en sekundærdel som utgjør den hydrauliske sylinder 30 som styrer stemplet 40. Sylinderen 30 er en forlengelse av husets hoveddel. Fjæren 90 virker som før i sin ene ende mot husets ene endevegg 100a og i motsatt ende mot en tallerken 40a som i sin tur er festet til stempelets 40 stempelstang 40b. Fig 2 schematically shows a second embodiment of the electro-hydraulic actuator 10 which uses a more conventional hydraulic actuator, i.e. single-acting piston 40. As before, the actuator 10 comprises an enclosing housing 100 which encloses a hydraulic cylinder 30, a hydraulic piston 40 which can move forward and back into the hydraulic cylinder 30 and a spring 90 capable of returning the hydraulic piston 40 back to an initial position. However, the enclosing housing 100 is composed of a main part which houses the spring 90 and a secondary part which constitutes the hydraulic cylinder 30 which controls the piston 40. The cylinder 30 is an extension of the main part of the housing. The spring 90 acts as before at one end against the one end wall 100a of the housing and at the opposite end against a plate 40a which in turn is attached to the piston rod 40b of the piston 40.

Denne type elektrohydraulisk aktuator 10 er vanligvis montert slik at sylinderen er horisontal og forbundet til ventilspindelen via et kulissedrev, girmekanisme eller liknende. Ved drift vil fjærkammerets volum endre seg og det er forbundet til retursystemet. For å unngå forurensing inn i den hydrauliske væsken er en separerende kompensator S innarbeidet. I alle andre henseender er denne utførelse lik med grunnutførelsen vist i figur 1. This type of electrohydraulic actuator 10 is usually mounted so that the cylinder is horizontal and connected to the valve spindle via a pulley drive, gear mechanism or the like. During operation, the volume of the spring chamber will change and it is connected to the return system. To avoid contamination into the hydraulic fluid, a separating compensator S is incorporated. In all other respects, this design is similar to the basic design shown in Figure 1.

Stempelstangen 40b omformer en lineær stempelbevegelse til en 90° dreiebevegelse av en ventilspindel (ikke vist) ved hjelp av en transmisjonsmekanisme 20 på i og for seg kjent måte. The piston rod 40b transforms a linear piston movement into a 90° turning movement of a valve spindle (not shown) by means of a transmission mechanism 20 in a manner known per se.

Som det fremgår av figur 2 er aktuatoren 10 enkeltvirkende med en hydraulisk inngang I på oversiden av stemplet 40 og en utgang U i nedre ende av fjærkammeret. Hele den hydrauliske krets blir drevet av en hydraulisk pumpe 50 som indikert på figuren. En tilbakeslagsventil V2er plassert på utgangen fra den hydrauliske pumpen 50. To akkumulatorer, en høytrykksakkumulator A3og en lavtrykksakkumulator A4i form av en returtrykkompensator, inngår i kretsen som indikert på figuren. En styringsventil 60 er anordnet i kretsen. Styringsventilen 60 er i stand til valgvis å rette det hydrauliske trykk mot inngangen I, eller isolere høytrykkslinjen fra I samtidig som inngangen I kobles mot retursystemet. I tillegg er det anordnet en sikkerhetsventil 70 i kretsen som åpner dersom det hydrauliske trykk ut fra pumpen 50 blir for høyt. As can be seen from Figure 2, the actuator 10 is single-acting with a hydraulic input I on the upper side of the piston 40 and an output U at the lower end of the spring chamber. The entire hydraulic circuit is driven by a hydraulic pump 50 as indicated in the figure. A non-return valve V2 is placed at the output of the hydraulic pump 50. Two accumulators, a high-pressure accumulator A3 and a low-pressure accumulator A4 in the form of a return pressure compensator, are included in the circuit as indicated in the figure. A control valve 60 is arranged in the circuit. The control valve 60 is able to optionally direct the hydraulic pressure towards the input I, or to isolate the high pressure line from I at the same time that the input I is connected to the return system. In addition, a safety valve 70 is arranged in the circuit which opens if the hydraulic pressure from the pump 50 becomes too high.

En ventilaktuator med enkeltvirkende stempel kan også ha hydraulisk sylinder og fjærkammer fullstendig adskilt. Et eksempel på dette er vist på figur 3. Her har en også valgt separat kompensering av fjærkammeret. Fig. 4 viser en praktisk utførelse av den vertikale elektrohydrauliske aktuator 1 som er skjematisk fremstilt i figur 1. Aktuatoren 1 betjener ventilen IA som er montert til en rørledning Li. Fig. 5 viser en praktisk utførelse av den horisontale elektrohydrauliske aktuator 10 som er skjematisk fremstilt i figur 2. Aktuatoren 10 betjener ventilen 10A som er montert til en rørledning L2. A valve actuator with a single-acting piston can also have the hydraulic cylinder and spring chamber completely separate. An example of this is shown in figure 3. Here, separate compensation of the spring chamber has also been chosen. Fig. 4 shows a practical embodiment of the vertical electrohydraulic actuator 1 which is schematically shown in figure 1. The actuator 1 operates the valve IA which is mounted to a pipeline Li. Fig. 5 shows a practical embodiment of the horizontal electrohydraulic actuator 10 which is schematically shown in figure 2. The actuator 10 operates the valve 10A which is mounted to a pipeline L2.

Med aktuatorens 1,10 pålitelighet menes gjerne dens evne til å holde isolasjonsventilen IA, 10A åpen, slik at ikke unødvendige nedstengninger eller funksjonsfeil hindrer produksjonen gjennom rørledningen. For å sikre høy pålitelighet kan man, i tillegg til å velge høyeste kvalitet på komponenter, dublere elektronikk, sensorer, solenoider og hydraulikkpumper. With the actuator's 1.10 reliability is usually meant its ability to keep the isolation valve IA, 10A open, so that unnecessary shutdowns or malfunctions do not prevent production through the pipeline. In order to ensure high reliability, in addition to choosing the highest quality components, electronics, sensors, solenoids and hydraulic pumps can be duplicated.

Med aktuatorens 1, 10 sikkerhetsnivå menes dens evne til å lukke isolasjonsventilen IA, 10A når dette er påkrevd. For å oppnå et høyt sikkerhetsnivå benyttes en feilsikker design, høykvalitetskomponenter og hyppig testing av ventilens lukkefunksjon. Derfor vil aktuatoren være utstyrt med en automatisk funksjon for selvtest, en sekvens for delvis lukking av ventilen. Ved aktivering av denne funksjonen, vil elektronikken sørge for at solenoidventilen deaktiveres, og ventilen begynner å lukke. Etter en forhåndsinnstilt tid vil solenoidventilen aktiveres, og ventilen går tilbake til fullt åpen posisjon. Dersom signifikant signal for lukking av ventilen er mottatt, er testen vellykket. Hyppigheten av en slik test vil være med på å bestemme ventilens/aktuatorens sikkerhetsnivå. With the actuator's 1, 10 safety level is meant its ability to close the isolation valve IA, 10A when this is required. To achieve a high level of safety, a fail-safe design, high-quality components and frequent testing of the valve's closing function are used. Therefore, the actuator will be equipped with an automatic self-test function, a sequence for partially closing the valve. Upon activation of this function, the electronics will ensure that the solenoid valve is deactivated and the valve begins to close. After a preset time, the solenoid valve will activate and the valve will return to the fully open position. If a significant signal for closing the valve is received, the test is successful. The frequency of such a test will help determine the valve/actuator's safety level.

Ved feil i aktuator som fører til at den mister sin funksjonalitet eller sikkerhetsnivå, vil aktuatoren skiftes ut ved hjelp av et eget verktøy som betjenes av en ROV. In the event of a fault in the actuator that causes it to lose its functionality or safety level, the actuator will be replaced using a separate tool operated by an ROV.

Claims

1. Electro-hydraulic actuator (1) designed for maneuvering a valve (IA) located on the seabed, where the actuator itself is fail-safe in the sense that it goes to close the valve (IA) in the event that a fault occurs, such as a power failure, and is part of a replaceable module that includes everything needed from control electronics, power generation, sensors, mechanical and electromechanical components to monitor and operate this valve, as well as having a hydraulic system that is hermetically sealed, characterized by the fact that the actuator (1) is removably integrated with the valve (IA), that the actuator (1) is a hydraulically operated linear motor comprising a piston (4) with piston rod (4b) which is in mechanical connection with a valve shaft, that a return spring (9) in the linear motor acts against the movement of the piston (4) during opening of the valve (IA) and is energized by the movement to achieve the fail-safe function as it returns the piston (4) and closes the valve (IA) in the event of said error or other failure occurring year.

2. Electrohydraulic actuator as stated in claim 1, characterized in that a solenoid-activated control valve (6) is arranged in the hydraulic circuit of the actuator (1), which control valve (6) is able to direct the hydraulic pressure towards at least one side of the piston (4 ) when the solenoid is activated and returns the control valve (6) if the solenoid is deactivated, such as by loss of electrical power.

3. Electrohydraulic actuator as specified in claim 1 or 2, characterized in that the actuator (1) is double-acting in that hydraulic fluid can be directed to both sides of the piston (4) respectively to open/close the valve (IA).

4. Electro-hydraulic actuator as specified in claim 1 or 2, characterized in that the actuator (10) is single-acting, in that hydraulic fluid can be directed to only one side of the piston (40) to open the valve (10A) and the return spring (90) ensures eventual closing of the valve (10A).

5. Electrohydraulic actuator as specified in one of claims 1-4, characterized in that the actuator comprises a local, independent hydraulic system which is only connected to the surface via power cables and signal lines.

6. Electrohydraulic actuator as stated in one of claims 1-5, characterized in that the local, independent hydraulic system comprises a hydraulic pump (5; 50) which is driven by an electric motor (M), an accumulator (Ai) for building up maneuvering pressure, a pipe system, a low-pressure return pressure compensator (A2) and respective directional valves, shut-off valves and one-way valves.

7. Electro-hydraulic actuator as specified in one of claims 1-6, characterized in that the actuator comprises a local control circuit which registers functional parameters and controls the hydraulic system and communicates with a control station on the surface.

8. Electrohydraulic actuator as specified in one of claims 1-7, characterized in that the control valve (6; 60) is continuously activated during operation by a solenoid in the control valve.

9. Electrohydraulic actuator as specified in one of claims 1-8, characterized in that the valve (IA, 10A) comprises limit switches and sensors to measure the valve position, and to monitor the hydraulic circuit.

10. Electrohydraulic actuator as specified in one of claims 1-9, characterized in that the interface between the actuator and the valve (IA, 10A) is a standard interface.