WO2023148217A1 - Linearaktor zum betätigen eines prozessventils - Google Patents

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WO2023148217A1
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linear actuator
hydraulic
piston rod
piston
housing
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Markus KUBACKI
Gottfried Hendrix
Alexandre ORTH
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a linear actuator for actuating a process valve and a system comprising the linear actuator.
  • process valves are used with which the volume flow of the medium to be pumped can be regulated or shut off.
  • process valves are actuated by means of electro-hydraulic actuators, such as a hydrostatic linear actuator.
  • electro-hydraulic actuators such as a hydrostatic linear actuator.
  • This can contain a hydraulic cylinder with one or more springs which, if the hydraulic drive fails, moves the piston of the hydraulic cylinder into a predetermined position. This puts the process valve in a safe position in the event of an error.
  • DE 10 2020 200 263 A1 shows a hydrostatic linear actuator which, in an emergency, exerts a tractive force on a safety-relevant component, with the tractive force being initially generated by an emergency spring which relaxes.
  • a hydraulic accumulator is switched on via a path-dependent control, the pressure medium of which is conveyed into a cylinder chamber that acts on a piston to which the component is coupled.
  • a disadvantage of a linear actuator according to DE 10 2020 200 263 A1 is its increased weight due to the safety elements (spring systems, additional hydraulic components) integrated in the actuator. This makes it difficult to replace a defective linear actuator at great depths using an underwater vehicle (Remote Operated Vehicle - ROV). Disclosure of Invention
  • the invention provides a compact and simple linear actuator that requires only a few elements to actuate a process valve and is therefore light in weight.
  • the linear actuator can be coupled to a safety device using a standard interface.
  • the linear actuator according to the invention for the linear actuation of a process valve has a housing in which an electronic control device, at least one electric drive unit and at least one hydraulic drive are arranged.
  • the hydraulic drive includes at least one hydraulic cylinder with a piston and a piston rod.
  • the piston rod extends outwardly through an opening of the housing.
  • the hydraulic drive is set up to convert an electrical drive power of the electrical drive unit into a hydraulic drive force that generates a linear movement of the piston of the at least one hydraulic cylinder in a first direction.
  • a linear movement of the piston of the hydraulic cylinder in a second direction opposite to the first direction is generated by a restoring force acting on the piston rod outside the housing and not by a spring force of a mechanical spring of the linear actuator.
  • no hydraulic driving force is applied to the opposite side of the piston to move it in the second direction.
  • the housing preferably serves as a tank for the hydraulic drive and is filled with a pressure fluid.
  • the pressure fluid preferably also serves to resist an external pressure acting on the linear actuator and to protect against corrosion and to lubricate the elements of the safety device.
  • the pressure fluid can be hydraulic oil, for example.
  • the hydraulic drive preferably includes at least one pump and at least one hydraulic cylinder.
  • the electric drive unit can be an electric motor that drives the pump via a common shaft.
  • the hydraulic cylinder is preferably designed as a synchronous cylinder.
  • the pump preferably conveys pressurized fluid from an interior space of the linear actuator via a line into a working space of the hydraulic cylinder.
  • a check valve is particularly preferably arranged downstream of the pump.
  • the hydraulic fluid conveyed into the working chamber causes a hydraulic drive force on the piston, which causes the piston rod of the hydraulic cylinder to move in a first direction.
  • the piston rod of the hydraulic cylinder is moved in a second direction, opposite to the first direction, by a restoring force acting on the piston rod outside the housing and which is greater than the instantaneous driving force.
  • the driving force should then expediently be as small as possible or zero.
  • the electric drive unit can first be switched off and then the hydraulic fluid can be drained from the working chamber of the hydraulic cylinder or pressed out by the return movement of the piston.
  • the linear actuator preferably has at least one relief valve which is set up to reduce the hydraulic drive force.
  • the relief valve is arranged in a line between the working space of the hydraulic cylinder and the interior of the linear actuator. It is preferably an electrical relief valve that can be opened and closed by means of a control current/control voltage.
  • the relief valve is particularly preferably closed when energized or open when de-energized (NO, normally open). As long as the pump delivers pressure fluid to build up the hydraulic drive force in the working chamber of the hydraulic cylinder, the relief valve can be controlled so that it is in a closed position. To reduce the hydraulic drive force, the relief valve can be opened by switching off the control current, so that the hydraulic fluid can flow out of the working chamber of the hydraulic cylinder into the interior of the linear actuator.
  • the relief valve is expediently a normally open valve (NO, normally open) that opens when the control voltage drops. Since the relief valve is open without current, the hydraulic driving force is automatically released if the control fails, which increases the safety of the system.
  • the linear actuator preferably contains at least one variable throttle valve which is set up to control the reduction in the hydraulic drive force.
  • the variable throttle valve is preferably arranged upstream of the relief valve in the line between the working chamber of the hydraulic cylinder and the interior of the linear actuator. An opening cross section of the throttle valve and thus a flow through the throttle valve can preferably be controlled.
  • the variable throttle valve is particularly preferably an electric valve whose cross section can be varied by means of a control current or a control voltage.
  • the electronic control unit can contain predetermined values/characteristic curves for the activation signal, with which various force reduction characteristics can be set. It is also possible for the hydraulic drive force to be reduced in a controlled manner. For this purpose, for example, the piston position of the hydraulic cylinder can be measured and the opening cross section of the throttle valve can be adjusted in such a way that the piston assumes the desired position at all times during the force reduction.
  • the throttle valve is expediently a normally open valve (NO, normally open) that opens when the control voltage drops. Since the throttle valve is open without current, the reduction of the hydraulic driving force is not hindered in the event of a control failure, which increases the safety of the system.
  • the linear actuator preferably also has a pressure compensation device which is set up to bring about a pressure equalization between an environment and an interior space of the linear actuator.
  • the pressure compensation device is preferably a diaphragm accumulator or a bladder accumulator which has a fluid connection with a housing opening.
  • the pressure compensation device is particularly advantageous when using the linear actuator in underwater applications.
  • the pressure compensation device is particularly preferably a bladder accumulator.
  • the bladder accumulator can be configured with a flexible wall that encloses a predeterminable bladder accumulator volume and can move axially and radially in response to the pressure prevailing inside the accumulator.
  • the flexible wall of the bladder accumulator can e.g. B. made of an elastomer and fluid-tight and resistant to contact with seawater under high pressure.
  • the pressure compensation device is particularly preferably set up to set a pressure in the interior of the linear actuator in a range between ambient pressure and 10 bar above the ambient pressure. This can be done, for example, by means of a spring take place, which biases a membrane attached to the pressure compensation device.
  • the pressure in the interior of the pressure compensation device can be set to a desired value above the ambient pressure by means of the prestressing force of the spring.
  • the linear actuator preferably also has at least one mechanical interface, by means of which a safety device can be connected to the linear actuator.
  • the mechanical interface can preferably be a quick-release fastener, in particular a rotary fastener (i.e. a connection that can be closed by rotating one of the components involved, preferably by a maximum of 360°, a maximum of 180°, a maximum of 90° or a maximum of 45°), e.g. a bayonet fastener or a quick-release fastener according to EN ISO 13628-8, "Linear (push) interface", type A or type C included.
  • This quick-release fastener includes a flange with recesses on one side, which is arranged around a first shank.
  • Claw-shaped projections of a second shank on an opposite side can be inserted axially into the recesses of the flange and the two sides of the quick-release fastener can be connected to one another by rotating the second shank clockwise by 45°.
  • By rotating the second shaft by 45° clockwise its claw-shaped projections rest axially and radially on the flange of the first shaft, so that a form-fitting connection is established between the two sides of the quick-release fastener.
  • the safety device may have one side of the quick-release fastener described above, and the linear actuator may have the second side of the quick-release fastener.
  • the safety device can include a housing and a piston rod, the piston rod being mounted in the housing in a linearly displaceable manner and being connectable to a process valve.
  • the safety device can also have a piston, which is connected to the piston rod, and at least one spring, which is clamped between the piston and an end face of the housing. This means that the piston rod with the piston is held in a predetermined position (end position) by the spring force as long as no hydraulic drive force of the linear actuator acts against and greater than the spring force on the piston rod.
  • a process valve connected to the safety device is preferably in a safe position when the piston rod is in this end position.
  • the safe position is particularly preferably a closed position of the process valve.
  • the safety device therefore serves to accelerate the reduction of the hydraulic drive force of the linear actuator in the event of a fault, for example a power failure, and to bring the process valve into a safe position in a short time.
  • the decoupling of the safety device from the linear actuator makes it possible to reduce its weight in such a way that it can be interchanged with an ROV via the mechanical interface. This can be done without removing or opening the safety device. This leads to a significant simplification in the maintenance and assembly of the linear actuator, especially at great depths.
  • the linear actuator particularly preferably has a hydraulic circuit for tensioning at least one spring of the safety device. This makes it possible to open the process valve using the linear actuator without having to overcome the spring force of the safety device. Thus, a lower hydraulic drive force of the linear actuator is required.
  • the safety device can have a separate mechanical interface for preloading the spring, for example an additional shaft, via which a force can be exerted on the spring. A piston rod of a hydraulic cylinder can act on this shaft.
  • the hydraulic circuit for tensioning the at least one spring of the safety device preferably comprises a hydraulic cylinder with a first cylinder chamber which is connected to the pump via a first line and to a relief valve via a second line.
  • pressurized fluid can be enclosed via a shut-off valve.
  • hydraulic fluid is first pumped into the first cylinder chamber, causing the piston rod of the hydraulic cylinder to move in the direction of the safety device and exerting a force on the separate mechanical interface of the safety device.
  • the shut-off valve on the second cylinder chamber can be closed and the position of the piston rod can thus be fixed.
  • Deviations from the set piston rod position due to leakage of hydraulic fluid from the second cylinder chamber can be compensated for by permanently connecting the first cylinder chamber to the pump. If there is a power failure, both the relief valve on the first cylinder chamber and the shut-off valve on the second cylinder chamber open, so that no more power from the hydraulic cylinder is transferred to the spring. Thus, the function of the safety device is guaranteed even if the spring is separately preloaded.
  • the at least one hydraulic cylinder comprises three cylinder chambers, one of which is hermetically sealed, so that a vacuum forms therein when the piston rod moves.
  • the hydraulic cylinder is preferably a double-rod cylinder on which a third, hermetically sealed cylinder chamber is additionally arranged or can be produced at an outer end of the piston rod of the double-rod cylinder. This can mean that this cylinder chamber is at least partially formed or delimited by the piston rod.
  • a volume of the hermetically sealed cylinder chamber can be changed by means of the piston rod, and can also be zero when the piston rod stops.
  • a change in volume of the third cylinder chamber when the piston moves suitably corresponds to a change in volume of the portion of the piston rod outside the housing. This enables the piston rod to be moved without changing the volume of the pressure compensation device, i.e. the oscillating volume of the hydraulic cylinder can be reduced.
  • the cylinder chamber subjected to vacuum is a vacuum bushing or vacuum sleeve. It is possible for the hermetically sealed cylinder chamber to be designed as a separate component.
  • the linear actuator further includes at least one sensor configured to detect the position of the linear actuator and a display device configured to display the position of the linear actuator on an outside of its housing.
  • the linear actuator can contain pressure sensors for monitoring the pressure in the individual chambers of the linear actuator.
  • the indicator may include a physical indicator (e.g., a moving arrow) that indicates the position of the linear actuator (e.g., the position of the piston or piston rod of the hydraulic cylinder) on the outside of the housing.
  • the physical indicator may be mechanically connected to the piston and/or piston rod of the linear actuator's hydraulic cylinder.
  • the display device may be used by an ROV and/or monitored via a camera.
  • the system according to the invention comprises a linear actuator for the linear actuation of a process valve and at least one safety device as described above.
  • the safety device is connected to the linear actuator by means of a mechanical interface as described above.
  • FIGS. 1a and 1b show a preferred embodiment of a linear actuator according to the invention, each in a three-dimensional external view and in a longitudinal section;
  • FIG. 2 shows a hydraulic circuit diagram of a linear actuator according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a hydraulic circuit diagram of a linear actuator according to a further preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows an example of a mechanical interface between a linear actuator and a safety device according to a preferred embodiment of the invention in longitudinal section;
  • FIG. 5 shows a linear actuator and a safety device according to a preferred embodiment of the invention in a three-dimensional external view. Detailed description of the drawing
  • Figures 1a and 1b show a preferred embodiment of the linear actuator 20 according to the invention.
  • the linear actuator 20 is shown in a three-dimensional external view.
  • Standardized handles 204, 205 for the assembly/disassembly of the linear actuator 20 by means of an ROV are attached to the cylindrical surface of the linear actuator housing 200 and to its end face on the left in the figure.
  • a plug-in connection 203 on the left end face of the linear actuator 20, to which the power and signal supply of the linear actuator 20 is connected.
  • a display device 206 which displays the position of the linear actuator 20 can also be seen on the end face of the linear actuator 20 .
  • Figure 1b shows the linear actuator in a longitudinal section.
  • An electronic control unit (not shown), an electric drive unit (not shown) and a hydraulic drive are arranged in the housing 200 .
  • the hydraulic drive comprises a pump (not shown) and a hydraulic cylinder 21.
  • a piston rod 23 is arranged in the hydraulic cylinder 21 and is firmly connected to a piston 24. The piston rod can be moved to the right in the figure and then extends outside the housing 200.
  • the linear actuator 20 shown has a mechanical interface 22 to which a safety device can be coupled. The mechanical interface 22 is described in more detail below in connection with FIG.
  • FIG. 2 shows a hydraulic circuit diagram of a linear actuator 20 according to a preferred embodiment of the invention.
  • a linear actuator 20 and a safety device 10, which is connected to the linear actuator 20 by means of a mechanical interface 2a, are shown.
  • the mechanical interface 2a of the safety device 10 is coupled to a corresponding interface 22 of the linear actuator 20 .
  • a further interface 2b is arranged on the safety device 10 on a side of the safety device 10 opposite the first interface 2a , by means of which it can be connected to a process valve 30 .
  • the linear actuator 20 is attached, for example, to the safety device with interlocking interfaces 22, 2a and rotated by 45°.
  • a spring 6 is clamped between the piston 4 and an end face of the housing 1 .
  • the housing 1 of the safety device 10 can be filled with a pressurized fluid.
  • the process valve 30 shown comprises a disk 31 which opens and closes a valve channel 34 as a result of a movement of the piston rod 3 of the safety device 10 .
  • the linear actuator 20 shown in FIG. 2 contains an electronic control unit 40 with e.g. analog and digital inputs and outputs, which can receive signals from pressure and position sensors (not shown) and can control/regulate the electric and hydraulic drive.
  • the linear actuator 20 contains a pump 27 which is driven by an electric motor 41 and conveys pressure fluid from an interior T of the linear actuator 20 via a line 25 into a working chamber 21 aa of a hydraulic cylinder 21 .
  • the hydraulic cylinder 21 shown is designed as a synchronous cylinder and includes a piston rod 23 to which a piston 24 is attached.
  • the piston 24 delimits the working chamber 21aa from a second cylinder chamber 21ab, which is hydraulically connected to the interior of the linear actuator 20.
  • the linear actuator 20 contains a relief valve 28 which is also connected to the working chamber 21aa of the hydraulic cylinder 21 via the line 25 .
  • FIG. 2 shows the position of the hydraulic cylinder 21 with the relief valve 28 open, in which the working chamber 21aa has the minimum size, while the opposite cylinder chamber 21ab has the maximum size.
  • a hermetically sealed cylinder chamber 21ac is arranged or can be generated, in which a vacuum forms when the piston rod 23 moves.
  • a change in volume of the cylinder chamber 21ac upon movement of the piston suitably corresponds to a change in volume of the portion of the piston rod outside the housing, i.e. the oscillating volume of the hydraulic cylinder 21 can be reduced.
  • a check valve 26 is arranged in the line 25, the reverse flow of the pressure fluid in the pump 27 is prevented when the working chamber 21aa is relieved.
  • a variable throttle valve 28aa upstream of the pressure relief valve 28 there is a variable throttle valve 28aa, with which a quantity of the pressure fluid flowing out of the working chamber 21aa can be controlled/regulated.
  • An opening cross section of the throttle valve 28aa and thus a flow through the throttle valve 28aa can preferably be controlled.
  • the variable throttle valve 28aa is particularly preferably an electric valve whose cross section can be varied by means of a control current or a control voltage.
  • Electronic control unit 40 can contain predetermined values/characteristic curves for the activation signal, with which various force reduction characteristics can be set.
  • the hydraulic drive force can be reduced in a controlled manner.
  • the piston position or the pressure in the hydraulic cylinder 21 can be measured and the opening cross section of the throttle valve 28aa can be adjusted in such a way that the piston 24 assumes the desired position at all times during the force reduction.
  • the spring force of the spring 6 of the safety device 10 acts on its piston 4 and shifts - via the piston rod 3 of the safety device 10 and the interface 2a, 22 between the safety device 10 and the linear actuator 20 - the piston rod 23 with the Piston 24 until the working chamber 21aa has reached its minimum volume.
  • the disk 31 of the process valve 30 is connected to the piston rod 3 of the safety device 10 by means of the interface 2b. Due to the movement of the piston rod 3 in the direction of the spring force, the disc 31 closes the valve channel 34.
  • FIG. 3 shows a hydraulic circuit diagram of a linear actuator according to a further preferred embodiment of the system according to the invention.
  • the linear actuator 20 contains, in addition to the elements described in Figure 2, an additional hydraulic circuit for tensioning the spring 6 of the safety device 10.
  • the piston 4 of the safety device 10 is not fixed, but unidirectional with the piston rod 3 of the safety device via a driver 3c 10 connected. This allows the piston 4 to be displaced and thus the spring 6 to be preloaded independently of the movement of the piston rod 3 of the safety device 10.
  • the additional hydraulic circuit according to FIG. 3 contains a hydraulic cylinder 21b with a first cylinder chamber 21ba, which is connected to the pump 27 via a line 25b.
  • a relief valve 28b is connected to the first cylinder chamber 21ba via a connection 29b.
  • the second cylinder space 21bb of the hydraulic cylinder 21b is connected to a shut-off valve 42, by means of which pressure fluid can be enclosed in the second cylinder space 21bb.
  • the piston rod 23b of the hydraulic cylinder 21b acts via a mechanical interface 22b, 2a1 on a shaft 4a of the safety device 10, which in turn acts on the spring 6 via the piston 4.
  • the spring 6 is still completely relaxed and the piston 24b of the hydraulic cylinder is in its initial position.
  • hydraulic fluid is first pumped into the first cylinder chamber 21ba, as a result of which the piston rod 23b moves in the direction of the safety device 10 by means of the piston 24b and exerts a force on the spring 6 of the safety device 10 via the shaft 4a and the piston 4 .
  • the shut-off valve 42 on the second cylinder space 21bb can be closed and the position of the piston rod 23b can thus be fixed. Deviations from the set piston rod position due to leakage of pressure fluid from the second cylinder space 21 bb can be compensated for by the permanent connection of the first cylinder space 21 ba to the pump 27 .
  • both the relief valve 28b, which is connected to the first cylinder chamber 21 ba, and the shut-off valve 42, which opens with the second cylinder chamber 21 bb is connected. Consequently, power is no longer transmitted to the spring 6 from the hydraulic cylinder 21b. Therefore, the spring 6 can expand in the direction of the linear actuator 10 and move the piston 4 to its end position (predetermined position). In this way, the piston 4 comes into contact with the driver 3c of the piston rod, so that the piston rod 3 also moves into its end position and brings the process valve 30 into a safe position.
  • FIG. 4 shows an example of a mechanical interface between a linear actuator 20 and a safety device 10 according to a preferred embodiment of the invention in longitudinal section.
  • a section of the safety device 10 is shown, which shows parts of the piston rod 3, the piston 4 and the spring 6 and an end face 1a of the housing 1 facing the linear actuator 20 with the first mechanical interface 2a.
  • the interface 2a is designed according to EN ISO 13628-8 as a quick release ("linear (push) interface", type A or type C). It comprises a first shank 2aa around which a flange 2ab with recesses (not shown) is arranged.
  • the linear actuator 20 is coupled to this interface 2a by means of the interface 22, which represents the counterpart of the quick-release fastener.
  • the section of the linear actuator 20 shown on the left-hand side of Figure 4 shows, in addition to the interface 22, a part of the hydraulic cylinder 21 with the piston rod 23 which faces the safety device 10.
  • the interface 22 of the linear actuator 20 comprises a second shaft 22aa with claw-shaped projections 22ab which grasp the flange 2ab of the safety device 10.
  • the claw-shaped projections 22ab are inserted in the axial direction into the recesses (not shown) of the flange 2ab and are brought into engagement with the flange 2ab by rotating the linear actuator 20 clockwise by 45°.
  • the claw-shaped projections 22ab are in axial and radial contact with the flange 2ab of the first shaft, so that a form-fit connection of the two sides of the quick-release fastener 2a, 22 is established. Due to this connection by means of the quick-release fastener 2a, 22, the opposite ends of the piston rods 23, 3 of the linear actuator 20 and the safety device 10 are non-positively connected to one another.
  • the quick-release fastener 2a, 22 makes it possible to exchange the linear actuator 20 with an ROV without having to remove or open the safety device. This leads to a significant simplification in the maintenance and assembly of the linear actuator, especially at great depths.
  • FIG. 5 shows a linear actuator 20 and a safety device 10 according to a preferred embodiment of the system according to the invention in a three-dimensional external view.
  • the linear actuator 20 and the safety device 10 are connected by means of the quick-release fastener 2a, 22, as shown in FIG.
  • Standardized handles 202, 204, 205 are attached to the outside of the linear actuator 20 for assembly/disassembly of the linear actuator 20 using an ROV
  • a display device 206 (shown schematically) is arranged on the end face of the linear actuator 20, which displays the position of the piston 24, 4 and/or the piston rod 23, 3 of the linear actuator 20 and the safety device 10.
  • the display device is in position U ("unlocked"), i. H. the system of linear actuator 20 and safety device 10 is in a normal operating state in which the working chamber 21 aa of the hydraulic cylinder 21 is pressurized and occupies its maximum volume, so that neither the piston 24 of the hydraulic cylinder nor the piston 4 of the safety device at their end stops (see FIG. 2).
  • the handle 202 allows the ROV to disconnect the electrical wiring of the linear actuator 20 at connector 203 .
  • the power supply to the pump 27 and the relief valve 28 is thus interrupted, so that the relief valve 28 opens and the pressure in the working chamber 21 aa of the hydraulic cylinder 21 drops. Consequently, the pistons 4, 24 of the safety device 10 and the linear actuator 20 are pushed into their respective end stops by the spring force of the spring 6 (cf. FIG. 2) and the display device changes to the position L ("locked").
  • the ROV can then use the handle 204 and the quick-release fastener 2a, 22 (cf. FIG. 5) to separate the linear actuator 20 from the safety device 10 by rotating it counterclockwise by 45°.
  • the handle 205 can subsequently be used to transport the linear actuator 20 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Linearaktor (20) zur linearen Betätigung eines Prozessventils (30), der ein Gehäuse (200) aufweist, wobei in dem Gehäuse (200) ein elektronisches Steuergerät (40), mindestens eine elektrische Antriebseinheit (41) und mindestens ein hydraulischer Antrieb (27, 21) angeordnet sind. Der hydraulische Antrieb (27, 21) umfasst mindestens einen hydraulischen Zylinder (21) mit einem Kolben (24) und einer Kolbenstange (23), wobei sich die Kolbenstange (23) durch eine Öffnung des Gehäuses (200) nach außen erstreckt, Der hydraulische Antrieb (27, 21) ist dazu eingerichtet, eine elektrische Antriebsleistung der elektrischen Antriebseinheit (41) in eine hydraulische Antriebskraft umzuwandeln, die eine lineare Bewegung des mindestens einen hydraulischen Zylinders (21) in eine erste Richtung erzeugt. Eine lineare Bewegung des Kolbens (23) des hydraulischen Zylinders (21) in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung wird durch eine außerhalb des Gehäuses (200) an der Kolbenstange (23) angreifende Rückstellkraft auf die Kolbenstange (23) erzeugt.

Description

Linearaktor zum Betätigen eines Prozessventils
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearaktor zum Betätigen eines Prozessventils und ein System umfassend den Linearaktor.
Hintergrund der Erfindung
Im Rahmen von Erdöl- oder Erdgasförderanlagen, die auf See in großen Tiefen betrieben werden, kommen Prozessventile zum Einsatz, mit denen der Volumenstrom des zu fördernden Mediums geregelt oder abgesperrt werden kann. Diese Prozessventile werden mittels elektrohydraulischer Stellantriebe, wie beispielsweise einem hydrostatischen Linearaktor, betätigt. Dieser kann einen hydraulischen Zylinder mit einer oder mehreren Federn enthalten, die bei Ausfall des hydraulischen Antriebs, den Kolben des hydraulischen Zylinders in eine vorbestimmte Position bewegt. Dadurch wird das Prozessventil im Fehlerfall in eine sichere Stellung gebracht.
DE 10 2020 200 263 A1 zeigt einen hydrostatischen Linearaktor, der in einem Notfall eine Zugkraft auf ein sicherheitsrelevantes Bauteil ausübt, wobei die Zugkraft zunächst durch eine sich entspannende Notfeder erzeugt wird. In einem letzten Teil der Bewegung wird über eine wegabhängige Steuerung ein Hydrospeicher zugeschaltet, dessen Druckmittel in einen Zylinderraum gefördert wird, der auf einen Kolben wirkt, an den das Bauteil gekoppelt ist.
Nachteilig an einem Linearaktor gemäß DE 10 2020 200 263 A1 ist dessen erhöhtes Gewicht aufgrund der in dem Aktuator integrierten Sicherheitselemente (Federsysteme, zusätzliche hydraulische Bauteile). Dies erschwert den Austausch eines defekten Linearaktors in großen Tiefen mittels eines Unterwasserfahrzeugs (Remote Operated Vehicle - ROV). Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Linearaktor zum Betätigen eines Prozessventils und ein System umfassend den Linearaktor mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung stellt einen kompakten und einfache Linearaktor bereit, der nur wenige Elemente zum Betätigen eines Prozessventils benötigt und daher ein geringes Gewicht aufweist. Der Linearaktor kann mittels einer Standardschnittstelle mit einer Sicherheitsvorrichtung gekoppelt werden.
Der erfindungsgemäße Linearaktor zur linearen Betätigung eines Prozessventils weist ein Gehäuse auf, in dem ein elektronisches Steuergerät, mindestens eine elektrische Antriebseinheit und mindestens ein hydraulischer Antrieb angeordnet sind. Der hydraulische Antrieb umfasst mindestens einen hydraulischen Zylinder mit einem Kolben und einer Kolbenstange. Die Kolbenstange erstreckt sich durch eine Öffnung des Gehäuses nach außen. Der hydraulische Antrieb ist dazu eingerichtet, eine elektrische Antriebsleistung der elektrischen Antriebseinheit in eine hydraulische Antriebskraft umzuwandeln, die eine lineare Bewegung des Kolbens des mindestens einen hydraulischen Zylinders in eine erste Richtung erzeugt. Eine lineare Bewegung des Kolbens des hydraulischen Zylinders in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung wird durch eine außerhalb des Gehäuses an der Kolbenstange angreifende Rückstellkraft auf die Kolbenstange erzeugt, und insbesondere nicht durch eine Federkraft einer mechanischen Feder des Linearaktors. Insbesondere wird auch keine hydraulische Antriebskraft auf die gegenüberliegende Seite des Kolbens ausgeübt, um diesen in die zweite Richtung zu bewegen.
Vorzugsweise dient das Gehäuse als Tank für den hydraulischen Antrieb und ist mit einer Druckflüssigkeit gefüllt. Die Druckflüssigkeit dient bevorzugt auch zum Widerstand gegen einen auf den Linearaktor wirkenden Außendruck sowie zum Korrosionsschutz und der Schmierung der Elemente der Sicherheitsvorrichtung. Bei der Druckflüssigkeit kann es sich beispielsweise um Hydrauliköl handeln. Bevorzugt umfasst der hydraulische Antrieb mindestens eine Pumpe sowie mindestens einen hydraulischen Zylinder. Bei der elektrischen Antriebseinheit kann es sich um einen Elektromotor handeln, der die Pumpe über eine gemeinsame Welle antreibt. Der hydraulische Zylinder ist vorzugsweise als Gleichgangzylinder ausgeführt. Bevorzugt fördert die Pumpe Druckflüssigkeit aus einem Innenraum des Linearaktors über eine Leitung in einen Arbeitsraum des hydraulischen Zylinders. Besonders bevorzugt ist stromabwärts der Pumpe ein Rückschlagventil angeordnet. Die in den Arbeitsraum geförderte Druckflüssigkeit bewirkt eine hydraulische Antriebskraft auf den Kolben, durch die eine Bewegung der Kolbenstange des hydraulischen Zylinders in eine erste Richtung erzeugt wird. In eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzt Richtung wird die Kolbenstange des hydraulischen Zylinders durch eine außerhalb des Gehäuses an der Kolbenstange angreifende Rückstellkraft auf die Kolbenstange bewegt, die größer als die momentane Antriebskraft ist. Zweckmäßigerweise sollte dann die Antriebskraft möglichst klein bzw. null sein. Dazu kann zunächst die elektrische Antriebseinheit abgeschaltet und nachfolgend die Druckflüssigkeit aus dem Arbeitsraum des hydraulischen Zylinders abgelassen bzw. durch die Rückbewegung des Kolbens herausgedrückt werden.
Bevorzugt weist der Linearaktor mindestens ein Entlastungsventil auf, das dazu eingerichtet ist, die hydraulische Antriebskraft abzubauen. Das Entlastungsventil ist in einer Leitung zwischen dem Arbeitsraum des hydraulischen Zylinders und dem Innenraum des Linearaktors angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich um ein elektrisches Entlastungsventil, das mittels eines Ansteuerstroms/einer Ansteuerspannung geöffnet und geschlossen werden kann. Besonders bevorzugt ist das Entlastungsventil im bestromten Zustand geschlossen bzw. stromlos geöffnet (NO, normally open). Solange die Pumpe Druckflüssigkeit zum Aufbau der hydraulischen Antriebskraft in den Arbeitsraum des hydraulischen Zylinders fördert, kann das Entlastungsventil angesteuert werden, so dass es sich in einer geschlossen Stellung befindet. Zum Abbau der hydraulischen Antriebskraft kann das Entlastungsventil durch Abschalten des Ansteuerstroms geöffnet werden, so dass die Druckflüssigkeit aus dem Arbeitsraum des hydraulischen Zylinders in den Innenraum des Linearaktors abfließen kann. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Entlastungsventil um ein stromlos geöffnetes Ventil (NO, normally open), das bei Abfall der Steuerspannung öffnet. Da das Entlastungsventil stromlos geöffnet ist, wird die hydraulische Antriebskraft bei Ausfall der Steuerung automatisch abgebaut, wodurch die Sicherheit der Anlage erhöht wird. Vorzugsweise enthält der Linearaktor mindestens ein variables Drosselventil, das dazu eingerichtet, den Abbau der hydraulischen Antriebskraft zu steuern. Bevorzugt ist das variable Drosselventil stromaufwärts des Entlastungsventils in der Leitung zwischen dem Arbeitsraum des hydraulischen Zylinders und dem Innenraum des Linearaktors angeordnet. Vorzugsweise kann ein Öffnungsquerschnitt des Drosselventils und damit ein Durchfluss durch das Drosselventil gesteuert werden. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem variablen Drosselventil um ein elektrisches Ventil, dessen Querschnitt mittels eines Ansteuerstroms bzw. einer Ansteuerspannung variiert werden kann. Das elektronische Steuergerät kann vorbestimmte Werte/Kennlinien für das Ansteuersignal enthalten, mit denen verschiedene Kraftabbaucharakteristiken eingestellt werden können. Es ist ebenso möglich, dass der Abbau der hydraulischen Antriebskraft geregelt erfolgt. Dazu kann beispielsweise die Kolbenposition des hydraulischen Zylinders gemessen und der Öffnungsquerschnitt des Drosselventils derart eingestellt werden, dass der Kolben während des Kraftabbaus jederzeit die gewünschte Position einnimmt. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Drosselventil um ein stromlos geöffnetes Ventil (NO, normally open), das bei Abfall der Steuerspannung öffnet. Da das Drosselventil stromlos geöffnet ist, wird der Abbau der hydraulischen Antriebskraft bei Ausfall der Steuerung nicht behindert, wodurch die Sicherheit der Anlage erhöht wird.
Bevorzugt weist der Linearaktor zudem eine Druckkompensationsvorrichtung auf, die dazu eingerichtet ist einen Druckausgleich zwischen einer Umgebung und einem Innenraum des Linearaktors zu bewirken. Bevorzugt ist die Druckkompensationsvorrichtung ein Membranspeicher oder ein Blasenspeicher, der eine Fluidverbindung mit einer Gehäuseöffnung hat. Die Druckkompensationsvorrichtung ist insbesondere bei Einsatz des Linearaktors in Unterwasseranwendungen vorteilhaft. Besonders bevorzugt ist die Druckkompensationsvorrichtung ein Blasenspeicher. Der Blasenspeicher kann mit einer flexiblen Wand ausgeführt sein, die ein vorgebbares Blasenspeichervolumen einschließt und sich axial und radial in Reaktion auf den im Inneren des Speichers vorherrschenden Druck bewegen kann. Die flexible Wand des Blasenspeichers kann z. B. aus einem Elastomer gefertigt und fluiddicht und beständig hinsichtlich eines Kontakts mit Seewasser unter hohem Druck ausgeführt sein.
Besonders bevorzugt ist die Druckkompensationsvorrichtung dazu eingerichtet, einen Druck im Innenraum des Linearaktors in einem Bereich zwischen Umgebungsdruck und 10 bar oberhalb des Umgebungsdrucks einzustellen. Dies kann beispielsweise mittels einer Feder erfolgen, welche eine an der Druckkompensationsvorrichtung angebrachte Membran vorspannt. Mittels der Vorspannkraft der Feder kann der Druck im Innenraum der Druckkompensationsvorrichtung auf einen gewünschten Wert oberhalb des Umgebungsdrucks eingestellt werden.
Bevorzugt weist der Linearaktor zudem mindestens eine mechanische Schnittstelle auf, mittels derer eine Sicherheitsvorrichtung mit dem Linearaktor verbindbar ist. Bevorzugt kann die mechanische Schnittstelle einen Schnellverschluss, insbesondere einen Drehverschluss (d.h. eine durch Drehen eines der beteiligten Bauteile, vorzugsweise um höchstens 360°, höchstens 180°, höchsten 90° oder höchstens 45° verschließbaren Verbindung), z.B. einen Bajonettverschluss oder einen Schnellverschluss nach EN ISO 13628-8, "Linear (push) interface", Typ A oder Typ C enthalten. Dieser Schnellverschluss enthält auf einer Seite einen Flansch mit Aussparungen, der um einen ersten Schaft angeordnet ist. In die Aussparungen des Flansches können klauenförmige Vorsprünge eines zweiten Schafts einer Gegenseite axial eingeführt und die beiden Seiten des Schnellverschlusses durch Drehen des zweiten Schafts um 45° im Uhrzeigersinn miteinander verbunden werden. Durch die Drehung des zweiten Schafts um 45° im Uhrzeigersinn liegen dessen klauenförmige Vorsprünge axial und radial an dem Flansch des ersten Schafts an, so dass eine formschlüssige Verbindung der beiden Seiten des Schnellverschlusses hergestellt wird.
Die Sicherheitsvorrichtung kann eine Seite des oben beschriebenen Schnellverschlusses aufweisen, und der Linearaktor kann die zweite Seite des Schnellverschlusses aufweisen.
Die Sicherheitsvorrichtung kann ein Gehäuse und eine Kolbenstange umfassen, wobei die Kolbenstange in dem Gehäuse linear verschiebbar gelagert und mit einem Prozessventil verbindbar ist. Die Sicherheitsvorrichtung kann zudem einen Kolben, der mit der Kolbenstange verbunden ist, sowie mindestens eine Feder aufweisen, die zwischen dem Kolben und einer Stirnseite des Gehäuses eingespannt ist. Dies bedeutet, dass die Kolbenstange mit dem Kolben durch die Federkraft in einer vorbestimmten Position (Endlage) gehalten wird, solange keine hydraulische Antriebskraft des Linearaktors entgegen und größer der Federkraft auf die Kolbenstange wirkt. Bevorzugt befindet sich ein mit der Sicherheitsvorrichtung verbundenes Prozessventil bei dieser Endlage der Kolbenstange in einer sicheren Stellung. Besonders bevorzugt ist die sichere Stellung eine geschlossene Position des Prozessventils. Die Sicherheitsvorrichtung dient demzufolge dazu, im Fehlerfall, beispielsweise bei einem Stromausfall, den Abbau der hydraulischen Antriebskraft des Linearaktors zu beschleunigen und das Prozessventil in kurzer Zeit in eine sichere Stellung zu bringen.
Die Entkopplung der Sicherheitsvorrichtung von dem Linearaktor ermöglicht es, dessen Gewicht derart zu senken, dass er mittels der mechanische Schnittstelle mit einem ROV getauscht werden kann. Dies kann erfolgen, ohne dass die Sicherheitsvorrichtung ausgebaut oder geöffnet werden muss. Dies führt zu einer deutlichen Vereinfachung bei der Wartung und Montage des Linearaktors, insbesondere in großen Tiefen.
Besonders bevorzugt weist der Linearaktor einen hydraulischen Kreis zum Spannen mindestens einer Feder der Sicherheitsvorrichtung auf. Dies ermöglicht es, das Prozessventil mittels des Linearaktors zu öffnen, ohne dass die Federkraft der Sicherheitsvorrichtung überwunden werden muss. Somit wird eine geringere hydraulische Antriebskraft des Linearaktors benötigt. Die Sicherheitsvorrichtung kann zur Vorspannung der Feder über eine separate mechanische Schnittstelle verfügen, beispielsweise über einen zusätzlichen Schaft, über den eine Kraft auf die Feder ausgeübt werden kann. An diesem Schaft kann eine Kolbenstange eines hydraulischen Zylinders angreifen.
Der hydraulische Kreis zum Spannen der mindestens einen Feder der Sicherheitsvorrichtung enthält vorzugsweise einen hydraulischen Zylinder mit einem ersten Zylinderraum, der über eine erste Leitung mit der Pumpe und über eine zweite Leitung mit einem Entlastungsventil verbunden ist. In dem zweiten Zylinderraum des hydraulischen Zylinders kann über ein Absperrventil Druckflüssigkeit eingeschlossen werden. Zum Spannen der mindestens einen Feder der Sicherheitsvorrichtung wird zunächst Druckflüssigkeit in den ersten Zylinderraum gefördert, wodurch sich die Kolbenstange des hydraulischen Zylinders in Richtung der Sicherheitsvorrichtung bewegt und eine Kraft auf die separate mechanische Schnittstelle der Sicherheitsvorrichtung ausübt. Ist die gewünschte Vorspannung der Feder erreicht, kann das Absperrventil an dem zweiten Zylinderraum geschlossen und damit die Stellung der Kolbenstange fixiert werden. Abweichungen von der eingestellten Kolbenstangenstellung durch Leckage von Druckflüssigkeit aus dem zweiten Zylinderraum können durch die dauerhafte Verbindung des ersten Zylinderraums mit der Pumpe ausgeglichen werden. Kommt es zu einem Stromausfall, so öffnet sich sowohl das Entlastungsventil an dem ersten Zylinderraum als auch das Absperrventil an dem zweiten Zylinderraum, so dass keine Kraft mehr von dem hydraulischen Zylinder auf die Feder übertragen wird. Somit ist die Funktion der Sicherheitsvorrichtung auch bei separater Vorspannung der Feder gewährleistet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der mindestens eine hydraulische Zylinder drei Zylinderkammern, von denen eine hermetisch abgeschlossen ist, so dass sich bei einer Bewegung der Kolbenstange darin ein Vakuum bildet. Bevorzugt handelt es sich bei dem hydraulischen Zylinder um einen Gleichgangzylinder, an dem zusätzlich eine dritte, hermetisch abgeschlossene Zylinderkammer an einem äußeren Ende der Kolbenstange des Gleichgangzylinders angeordnet ist bzw. erzeugbar ist. Das kann bedeuten, dass diese Zylinderkammer zumindest teilweise von der Kolbenstange gebildet bzw. begrenzt ist. Insbesondere kann ein Volumen der hermetisch abgeschlossenen Zylinderkammer mittels der Kolbenstange veränderbar sein, und in einem Anschlag der Kolbenstange auch null sein. Eine Volumenänderung der dritten Zylinderkammer bei Bewegung des Kolbens entspricht zweckmäßigerweise einer Volumenänderung des Anteils der Kolbenstange außerhalb des Gehäuses. Dies ermöglicht eine Bewegung der Kolbenstange ohne Volumenänderung der Druckkompensationsvorrichtung, d.h. das Pendelvolumen des hydraulischen Zylinders kann reduziert werden.
Vorzugsweise ist die mit Vakuum beaufschlagte Zylinderkammer eine Vakuumbuchse oder Vakuumhülse. Es ist möglich, dass die hermetisch abgeschlossene Zylinderkammer als separates Bauteil ausgeführt ist.
Vorzugsweise umfasst der Linearaktor ferner mindestens einen Sensor, der dazu eingerichtet ist, die Position des Linearaktors zu detektieren und eine Anzeigevorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Position des Linearaktors auf einer Außenseite seines Gehäuses anzuzeigen. Des Weiteren kann der Linearaktor Drucksensoren zur Überwachung des Drucks in den einzelnen Kammern des Linearaktors enthalten. Die Anzeigevorrichtung kann eine physische Anzeige (z. B. einen beweglichen Pfeil) enthalten, welche die Position des Linearaktors (z. B. die Position des Kolbens oder der Kolbenstange des hydraulischen Zylinders) auf der Außenseite des Gehäuses anzeigt. Die physische Anzeige kann mechanisch mit dem Kolben und/oder der Kolbenstange des hydraulischen Zylinders des Linearaktors verbunden sein. Die Anzeigevorrichtung kann von einem ROV verwendet und/oder über eine Kamera überwacht werden. Das erfindungsgemäße System umfasst einen Linearaktor zur linearen Betätigung eines Prozessventils und mindestens eine Sicherheitsvorrichtung wie vorstehend beschrieben. Die Sicherheitsvorrichtung ist mittels einer mechanischen Schnittstelle, wie vorstehend beschrieben, mit dem Linearaktor verbunden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
Figuren 1a und 1b zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearaktors jeweils in räumlicher Außenansicht und im Längsschnitt;
Figur 2 zeigt einen hydraulischen Schaltplan eines Linearaktors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 3 zeigt einen hydraulischen Schaltplan eines Linearaktors gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 4 zeigt ein Beispiel für eine mechanische Schnittstelle zwischen einem Linearaktor und einer Sicherheitsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt; und
Figur 5 zeigt einen Linearaktor und eine Sicherungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer räumlichen Außenansicht. Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
Figuren 1a und 1b zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearaktors 20. In Figur 1a ist der Linearaktor 20 in einer räumlichen Außenansicht dargestellt. Auf der zylindrischen Oberfläche des Linearaktorgehäuses 200 sowie an dessen in der Figur linken Stirnseite sind beispielhaft standardisierte Griffe 204, 205 für die Montage/Demontage des Linearaktors 20 mittels eines ROV angebracht.
Zudem befindet sich an der linken Stirnseite des Linearaktors 20 eine Steckverbindung 203, an welche die Strom- und Signalversorgung des Linearaktors 20 angeschlossen wird. Weiters ist an der Stirnseite des Linearaktors 20 eine Anzeigevorrichtung 206 erkennbar, welche die Position des Linearaktors 20 anzeigt.
Figur 1b zeigt den Linearaktor in einem Längsschnitt. In dem Gehäuse 200 sind ein elektronisches Steuergerät (nicht dargestellt), eine elektrische Antriebseinheit (nicht dargestellt) und ein hydraulischer Antrieb angeordnet. Der hydraulische Antrieb umfasst eine Pumpe (nicht dargestellt) sowie einen hydraulischen Zylinder 21. In dem hydraulischen Zylinder 21 ist eine Kolbenstange 23 angeordnet, die mit einem Kolben 24 fest verbunden ist. Die Kolbenstange ist in der Figur nach rechts bewegbar und erstreckt sich dann außerhalb des Gehäuses 200. Zudem weist der dargestellt Linearaktor 20 eine mechanische Schnittstelle 22 auf, an die eine Sicherheitsvorrichtung gekoppelt werden kann. Die mechanische Schnittstelle 22 wird nachfolgend im Zusammenhang mit Figur 4 näher beschrieben.
Figur 2 zeigt einen hydraulischen Schaltplan eines Linearaktors 20 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt sind ein Linearaktor 20 und eine Sicherheitsvorrichtung 10, die mittels einer mechanischen Schnittstelle 2a mit dem Linearaktor 20 verbunden ist. Dazu ist die mechanische Schnittstelle 2a der Sicherheitsvorrichtung 10 mit einer korrespondierenden Schnittstelle 22 des Linearaktors 20 gekoppelt. Auf einer der ersten Schnittstelle 2a gegenüberliegenden Seite der Sicherheitsvorrichtung 10 ist eine weitere Schnittstelle 2b an der Sicherheitsvorrichtung 10 angeordnet, mittels derer diese mit einem Prozessventil 30 verbunden werden kann. Zur Kopplung wird der Linearaktor 20 beispielsweise an der Sicherheitsvorrichtung mit ineinandergreifenden Schnittstellen 22, 2a angesetzt und um 45° gedreht. Die Sicherheitsvorrichtung 10 nach Figur 2 enthält neben den Schnittstellen 2a, 2b ein Gehäuse 1 , in dem eine axial bewegbare Kolbenstange 3 mit einem fest mit der Kolbenstange 3 verbundenen Kolben 4 angeordnet ist. Zwischen dem Kolben 4 und einer Stirnseite des Gehäuses 1 ist eine Feder 6 eingespannt. Das Gehäuse 1 der Sicherheitsvorrichtung 10 kann mit einer Druckflüssigkeit gefüllt sein.
Das gezeigte Prozessventil 30 umfasst eine Scheibe 31 , die in Folge einer Bewegung der Kolbenstange 3 der Sicherheitsvorrichtung 10 einen Ventilkanal 34 öffnet und schließt.
Der in Figur 2 gezeigte Linearaktor 20 enthält ein elektronisches Steuergerät 40 mit z.B. analogen und digitalen Ein- und Ausgängen, das Signale von Druck- und Positionssensoren (nicht dargestellt) empfangen kann und den elektrischen und hydraulischen Antrieb steu- ern/regeln kann. Zudem enthält der Linearaktor 20 eine Pumpe 27, die über einen Elektromotor 41 angetrieben wird, und Druckflüssigkeit aus einem Innenraum T des Linearaktors 20 über eine Leitung 25 in einen Arbeitsraum 21 aa eines hydraulischen Zylinders 21 fördert.
Der dargestellte hydraulische Zylinder 21 ist als Gleichgangzylinder ausgeführt und umfasst eine Kolbenstange 23, an der ein Kolben 24 befestigt ist. Der Kolben 24 grenzt den Arbeitsraum 21aa gegen einen zweiten Zylinderraum 21ab ab, der hydraulisch mit dem Innenraum des Linearaktors 20 verbunden ist. Zudem enthält der Linearaktor 20 ein Entlastungsventil 28, das ebenfalls über die Leitung 25 mit dem Arbeitsraum 21aa des hydraulischen Zylinders 21 verbunden ist. Figur 2 zeigt dabei die Stellung des hydraulischen Zylinders 21 bei geöffnetem Entlastungsventil 28, in welcher der Arbeitsraum 21 aa minimale Größe hat, während der gegenüberliegende Zylinderraum 21 ab maximale Größe hat.
An einem äußeren Ende der Kolbenstange 23 ist eine hermetisch abgeschlossene Zylinderkammer 21 ac angeordnet bzw. erzeugbar, in der sich bei Bewegung der Kolbenstange 23 ein Vakuum bildet. Eine Volumenänderung der Zylinderkammer 21ac bei Bewegung des Kolbens entspricht zweckmäßigerweise einer Volumenänderung des Anteils der Kolbenstange außerhalb des Gehäuses, d.h. das Pendelvolumen des hydraulischen Zylinders 21 kann reduziert werden.
Zwischen der Pumpe 27 und dem Anschluss 29 des Druckentlastungsventils 28 ist in der Leitung 25 ein Rückschlagventil 26 angeordnet, das ein Rückströmen der Druckflüssigkeit in die Pumpe 27 bei Entlastung des Arbeitsraums 21aa verhindert. Zudem befindet sich stromaufwärts des Druckentlastungsventils 28 ein variables Drosselventil 28aa, mit der eine Menge der aus dem Arbeitsraum 21aa strömender Druckflüssigkeit gesteuert/geregelt werden kann. Vorzugsweise kann ein Öffnungsquerschnitt des Drosselventils 28aa und damit ein Durchfluss durch das Drosselventil 28aa gesteuert werden. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem variablen Drosselventil 28aa um ein elektrisches Ventil, dessen Querschnitt mittels eines Ansteuerstroms bzw. einer Ansteuerspannung variiert werden kann. Das elektronische Steuergerät 40 kann vorbestimmte Werte/Kennlinien für das Ansteuersignal enthalten, mit denen verschiedene Kraftabbaucharakteristiken eingestellt werden können. Es ist ebenso möglich, dass der Abbau der hydraulischen Antriebskraft geregelt erfolgt. Dazu kann beispielsweise die Kolbenposition oder der Druck in dem hydraulischen Zylinders 21 gemessen und der Öffnungsquerschnitt des Drosselventils 28aa derart eingestellt werden, dass der Kolben 24 während des Kraftabbaus jederzeit die gewünschte Position einnimmt.
Wird das Entlastungsventil 28 geöffnet, so wirkt die Federkraft der Feder 6 der Sicherheitsvorrichtung 10 auf deren Kolben 4 und verschiebt - über die Kolbenstange 3 der Sicherheitsvorrichtung 10 und die Schnittstelle 2a, 22 zwischen der Sicherheitsvorrichtung 10 und dem Linearaktor 20 - die Kolbenstange 23 mit dem Kolben 24, bis der Arbeitsraum 21aa sein minimales Volumen erreicht hat. In diesem, in Figur 2 dargestellten Zustand befindet sich die Kolbenstange 3 mit dem Kolben 4 der Sicherheitsvorrichtung 10 in einer vorbestimmten Position (Endlage) und der Ventilkanal 34 des Prozessventils 30 ist durch die Scheibe 31 verschlossen. Die Scheibe 31 des Prozessventils 30 ist mittels der Schnittstelle 2b mit der Kolbenstange 3 der Sicherheitsvorrichtung 10 verbunden. Durch die Bewegung der Kolbenstange 3 in Richtung der Federkraft verschließt die Scheibe 31 den Ventilkanal 34.
Wird hingegen das Entlastungsventil 28 geschlossen und Druckflüssigkeit von der Pumpe 27 in den Arbeitsraum 21 aa gefördert, wirkt die Kraft des hydraulischen Zylinders 21 gegen die Federkraft der Feder 6 der Sicherheitsvorrichtung 10, so dass die Feder 6 vorgespannt/zu- sammengedrückt wird. Die Kolbenstangen 23, 3 des Linearaktors 20 und der Sicherheitsvorrichtung 10 bewegen sich entgegen der Richtung der Federkraft und verschieben die damit verbundene Scheibe 31 des Prozessventils 30 derart, dass der Ventilkanal 34 geöffnet wird (nicht dargestellt). Figur 3 zeigt einen hydraulischen Schaltplan eines Linearaktors gemäß einer weiteren bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems. In diesem Fall enthält der Linearaktor 20 neben den in Figur 2 beschriebenen Elementen einen zusätzlichen hydraulischen Kreis zum Spannen der Feder 6 der Sicherheitsvorrichtung 10. Dabei ist der Kolben 4 der Sicherheitsvorrichtung 10 nicht fest, sondern über einen Mitnehmer 3c unidirektional mit der Kolbenstange 3 der Sicherheitsvorrichtung 10 verbunden. Dies ermöglicht eine Verschiebung des Kolbens 4 und damit ein Vorspannen der Feder 6 unabhängig von der Bewegung der Kolbenstange 3 der Sicherheitsvorrichtung 10.
Der zusätzliche hydraulische Kreis gemäß Figur 3 enthält einen hydraulischen Zylinder 21b mit einem ersten Zylinderraum 21 ba, der über eine Leitung 25b mit der Pumpe 27 verbunden ist. Über einen Anschluss 29b ist ein Entlastungsventil 28b an den ersten Zylinderraum 21 ba angeschlossen. Der zweite Zylinderraum 21 bb des hydraulischen Zylinders 21b ist mit einem Absperrventil 42 verbunden, mittels dessen Druckflüssigkeit in dem zweiten Zylinderraum 21 bb eingeschlossen werden kann.
Die Kolbenstange 23b des hydraulischen Zylinders 21 b wirkt über eine mechanische Schnittstelle 22b, 2a1 auf einen Schaft 4a der Sicherheitsvorrichtung 10, der wiederum über den Kolben 4 auf die Feder 6 wirkt. In dem in Figur 3 gezeigten Zustand ist die Feder 6 noch vollständig entspannt und der Kolben 24b des hydraulischen Zylinders befindet sich in seiner Ausgangslage.
Zum Spannen der Feder 6 wird zunächst Druckflüssigkeit in den ersten Zylinderraum 21 ba gefördert, wodurch sich die Kolbenstange 23b mittels des Kolbens 24b in Richtung der Sicherheitsvorrichtung 10 bewegt und über den Schaft 4a und den Kolben 4 eine Kraft auf die Feder 6 der Sicherheitsvorrichtung 10 ausübt. Ist die gewünschte Vorspannung der Feder 6 erreicht, kann das Absperrventil 42 an dem zweiten Zylinderraum 21 bb geschlossen und damit die Stellung der Kolbenstange 23b fixiert werden. Abweichungen von der eingestellten Kolbenstangenstellung durch Leckage von Druckflüssigkeit aus dem zweiten Zylinderraum 21 bb können durch die dauerhafte Verbindung des ersten Zylinderraums 21 ba mit der Pumpe 27 ausgeglichen werden.
Kommt es zu einem Stromausfall, so öffnet sich sowohl das Entlastungsventil 28b, das mit dem ersten Zylinderraum 21 ba verbunden ist, als auch das Absperrventil 42, das mit dem zweiten Zylinderraum 21 bb verbunden ist. Folglich wird keine Kraft mehr von dem hydraulischen Zylinder 21b auf die Feder 6 übertragen. Daher kann die Feder 6 in Richtung des Linearaktors 10 expandieren und den Kolben 4 in seine Endlage (vorbestimmte Position) bewegen. Auf diesem Weg kommt der Kolben 4 an dem Mitnehmer 3c der Kolbenstange zur Anlage, so dass sich die Kolbenstange 3 ebenfalls in ihre Endlage bewegt und das Prozessventil 30 in eine sichere Stellung bringt.
Figur 4 zeigt ein Beispiel für eine mechanische Schnittstelle zwischen einem Linearaktor 20 und einer Sicherheitsvorrichtung 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt. Auf der rechten Seite von Figur 5 ist ein Ausschnitt der Sicherheitsvorrichtung 10 dargestellt, welcher Teile der Kolbenstange 3, des Kolbens 4 und der Feder 6 sowie eine dem Linearaktor 20 zugewandte Stirnseite 1a des Gehäuses 1 mit der ersten mechanischen Schnittstelle 2a zeigt. Die Schnittstelle 2a ist gemäß EN ISO 13628-8 als Schnellverschluss ("Linear (push) interface", Typ A oder Typ C) ausgeführt. Sie umfasst einen ersten Schaft 2aa, um den ein Flansch 2ab mit Aussparungen (nicht dargestellt) angeordnet ist. An dieser Schnittstelle 2a ist der Linearaktor 20 mittels der Schnittstelle 22, die das Gegenstück des Schnellverschlusses darstellt, angekoppelt. Der auf der linken Seite von Figur 4 dargestellte Ausschnitt des Linearaktors 20 zeigt neben der Schnittstelle 22 einen der Sicherheitsvorrichtung 10 zugewandten Teil des hydraulischen Zylinders 21 mit der Kolbenstange 23. Die Schnittstelle 22 des Linearaktors 20 umfasst einen zweiten Schaft 22aa mit klauenförmigen Vorsprüngen 22ab, die den Flansch 2ab der Sicherheitsvorrichtung 10 umgreifen. Um den Linearaktor 20 mit der Sicherheitsvorrichtung 10 zu verbinden, werden die klauenförmigen Vorsprünge 22ab in axialer Richtung in die Aussparungen (nicht gezeigt) des Flansches 2ab eingeschoben und durch Drehung des Linearaktors 20 um 45° im Uhrzeigersinn mit dem Flansch 2ab in Eingriff gebracht. Damit liegen in dem in Figur 4 gezeigten geschlossenen Zustand des Schnellverschlusses 2a, 22 die klauenförmige Vorsprünge 22ab axial und radial an dem Flansch 2ab des ersten Schafts an, so dass eine formschlüssige Verbindung der beiden Seiten des Schnellverschlusses 2a, 22 hergestellt wird. Aufgrund dieser Verbindung mittels des Schnellverschlusses 2a, 22 sind die gegenüberliegenden Enden der Kolbenstangen 23, 3 des Linearaktors 20 und der Sicherheitsvorrichtung 10 kraftschlüssig miteinander verbunden.
Der Schnellverschluss 2a, 22 ermöglicht es, den Linearaktor 20 mit einem ROV zu tauschen, ohne dass die Sicherheitsvorrichtung ausgebaut oder geöffnet werden muss. Dies führt zu einer deutlichen Vereinfachung bei der Wartung und Montage des Linearaktors, insbesondere in großen Tiefen.
Figur 5 zeigt einen Linearaktor 20 und eine Sicherungsvorrichtung 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems in einer räumlichen Außenansicht. In dieser Figur sind der Linearaktor 20 und die Sicherungsvorrichtung 10 mittels des Schnellverschlusses 2a, 22, wie in Figur 4 gezeigt, verbunden. An der Außenseite des Linearaktors 20 sind standardisierte Griffe 202, 204, 205 für die Montage/Demontage des Linearaktors 20 mittels eines ROV angebracht
Zudem befindet sich an der Stirnseite des Linearaktors 20 eine Kabelführung 201 , die zu einer Steckverbindung 203 führt, an der die Strom- und Signalversorgung des Linearaktors 20 angeschlossen ist.
Weiters ist auf der Stirnseite des Linearaktors 20 eine Anzeigevorrichtung 206 (schematisch dargestellt) angeordnet, welche die Position des Kolbens 24, 4 und/oder der Kolbenstange 23, 3 des Linearaktors 20 und der Sicherheitsvorrichtung 10 anzeigt. Gemäß Figur 6 befindet sich die Anzeigevorrichtung in der Stellung U ("unlocked"), d. h. das System aus Linearaktor 20 und Sicherheitsvorrichtung 10 befindet sich in einem normalen Betriebszustand, in dem der Arbeitsraum 21 aa des hydraulischen Zylinders 21 druckbeaufschlagt ist und sein maximales Volumen einnimmt, so dass weder der Kolben 24 des hydraulischen Zylinders noch der Kolben 4 der Sicherheitsvorrichtung an ihren Endanschlägen anliegen (vgl. Figur 2).
Der Griff 202 erlaubt es dem ROV, die elektrische Verkabelung des Linearaktors 20 an der Steckverbindung 203 zu trennen. Damit wird die Stromversorgung der Pumpe 27 und des Entlastungsventils 28 unterbrochen, so dass das Entlastungsventil 28 öffnet und der Druck im Arbeitsraum 21 aa des hydraulischen Zylinders 21 abfällt. Demzufolge werden die Kolben 4, 24 der Sicherheitsvorrichtung 10 und des Linearaktors 20 durch die Federkraft der Feder 6 in ihre jeweiligen Endanschläge geschoben (vgl. Figur 2) und die Anzeigevorrichtung wechselt auf die Stellung L ("locked"). Nachfolgend kann das ROV mittels des Griffs 204 und des Schnellverschlusses 2a, 22 (vgl. Figur 5) den Linearaktor 20 durch eine Drehung um 45° gegen den Uhrzeigersinn von der Sicherungsvorrichtung 10 trennen. Der Griff 205 kann nachfolgend zum Transport des Linearaktors 20 verwendet werden.

Claims

Ansprüche
1. Linearaktor (20) zur linearen Betätigung eines Prozessventils (30), der ein Gehäuse (200) aufweist, wobei in dem Gehäuse (200) ein elektronisches Steuergerät (40), mindestens eine elektrische Antriebseinheit (41), und mindestens ein hydraulischer Antrieb (27, 21) angeordnet sind, wobei der hydraulische Antrieb (27, 21) mindestens einen hydraulischen Zylinder (21) mit einem Kolben (24) und einer Kolbenstange (23) umfasst, wobei sich die Kolbenstange (23) durch eine Öffnung des Gehäuses (200) nach außen erstreckt, und der hydraulische Antrieb (27, 21) dazu eingerichtet ist, eine elektrische Antriebsleistung der elektrischen Antriebseinheit (41) in eine hydraulische Antriebskraft umzuwandeln, die eine lineare Bewegung des Kolbens (23) des mindestens einen hydraulischen Zylinders (21) in eine erste Richtung erzeugt, wobei eine lineare Bewegung des Kolbens (23) des hydraulischen Zylinders (21) in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung, durch eine außerhalb des Gehäuses (200) an der Kolbenstange (23) angreifende Rückstellkraft auf die Kolbenstange (23) erzeugt wird.
2. Linearaktor (20) gemäß Anspruch 1 , der mindestens ein Entlastungsventil (28) aufweist, das dazu eingerichtet ist, die hydraulische Antriebskraft abzubauen.
3. Linearaktor (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, der mindestens ein variables Drosselventil (28aa) aufweist, das dazu eingerichtet, den Abbau der hydraulischen Antriebskraft zu steuern.
4. Linearaktor (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (200) mit einer Druckflüssigkeit gefüllt ist.
5. Linearaktor (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, der eine Druckkompensationsvorrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist einen Druckausgleich zwischen einer Umgebung und einem Innenraum des Linearaktors (20) zu bewirken.
6. Linearaktor gemäß Anspruch 5, wobei die Druckkompensationsvorrichtung dazu eingerichtet ist, einen Druck im Innenraum des Linearaktors (20) in einem Bereich zwischen Umgebungsdruck und 10 bar oberhalb des Umgebungsdrucks einzustellen.
7. Linearaktor (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, der mindestens eine mechanische Schnittstelle (22) aufweist, mittels derer eine Sicherheitsvorrichtung (10) zum Erzeugen der Rückstellkraft mit dem Linearaktor (20) verbindbar ist.
8. Linearaktor (20) gemäß Anspruch 7, der einen hydraulischen Kreis zum Spannen mindestens einer Feder (6) der Sicherheitsvorrichtung (10) aufweist.
9. Linearaktor (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der mindestens ein hydraulischer Zylinder (21) drei Zylinderkammern (21aa, 21ab, 21ac) aufweist, von denen eine Zylinderkammer (21 ac) hermetisch abgeschlossen ist, so dass sich bei einer Bewegung der Kolbenstange (23) ein Vakuum bildet.
10. Linearaktor (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche ferner umfassend mindestens einen Sensor, der dazu eingerichtet ist, die Position des Linearaktors
(20) zu detektieren, und eine Anzeigevorrichtung (206), die dazu eingerichtet ist, die Position des Linearaktors (20) auf einer Außenseite seines Gehäuses (200) anzuzeigen.
11 . System zur linearen Betätigung eines Prozessventils (30), umfassend einen Linearaktor (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, und mindestens eine Sicherheitsvorrichtung (10), die mittels der mechanischen Schnittstelle (2, 2a) mit dem Linearaktor (20) verbunden ist.
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