闸阀促动器和方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN200980106612.6

申请日:

2009.02.18

公开号:

CN102016373A

公开日:

2011.04.13

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||实质审查的生效IPC(主分类):F16K 31/04申请日:20090218|||公开

IPC分类号:

F16K31/04; F16K31/00; E21B34/06

主分类号:

F16K31/04

申请人:

韦特柯格雷斯堪的纳维亚有限公司

发明人:

T·格里姆塞特; T·克约尼格森; C·博希格雷文克; J·弗利德

地址:

挪威桑维卡

优先权:

2008.02.21 NO 20080909

专利代理机构:

中国专利代理(香港)有限公司 72001

代理人:

严志军;谭祐祥

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内容摘要

公开了一种闸阀促动器,其包括可在可连接到闸阀上的促动器壳体(10)中线性地运动的杆(4),杆作用在闸阀上,以使闸阀分别在打开位置和关闭位置之间转换,其中杆(4)在第一方向上被马达驱动到稳态操作位置,并且在所述位置,杆在第二相反方向上通过作用在杆(4)上的弹簧部件(14)被朝向停机位置偏置。根据本发明,触发机构(22;25;29)布置成用于将弹簧部件保持在压缩状态下,触发机构包括可电气地控制的触发器(22),其布置成以便由于对电气地控制的触发器(22)去激励而释放弹簧部件(14)。还公开了一种用于通过闸阀促动器而使闸阀在稳态操作模式和停机模式之间转换的方法。

权利要求书

1: 一种闸阀促动器,包括可在可连接到闸阀上的促动器壳体 (10) 中线性地运动的 杆 (4),所述杆作用在所述闸阀上,以使所述闸阀分别在打开位置和关闭位置之间转换, 其中,所述杆 (4) 被马达在第一方向上驱动至稳态操作位置,并且在所述位置,所述杆 通过作用在所述杆 (4) 上的弹簧部件 (14) 在第二相反方向上被朝向停机位置偏置,其特 征在于布置成用于在保持位置将所述弹簧部件 (14) 保持在压缩状态中的触发机构 (22 ; 25 ;29),所述触发机构包括可电气地控制的触发器 (22 ;29),该触发器 (22 ;29) 布置 成以便由于对所述电气地控制的触发器 (22) 去激励而释放所述弹簧部件 (14)。
2: 根据权利要求 1 所述的促动器,其特征在于,所述触发机构包括至少一个围绕枢轴 (26) 枢转地支承在所述促动器壳体中的闩锁 (25),在所述弹簧部件 (14) 的压缩状态中, 所述闩锁的第一端与所述杆 (4) 处于操作性接合,并且所述闩锁的相对的第二端与所述 触发器 (22) 处于操作性接合。
3: 根据权利要求 2 所述的促动器,其特征在于,所述触发器包括 :可在所述促动器 壳体 (10) 中线性地运动的棒 (22) ;将所述棒 (22) 驱动到保持位置的电动驱动的触发器 促动器 (20 ;30),在所述保持位置中,所述棒与所述闩锁 (25) 相接合 ;以及触发器弹簧 (21),当对所述触发器促动器 (20 ;30) 去激励时,由所述触发器弹簧 (21) 将所述棒从所 述保持位置收回至收回位置。
4: 根据权利要求 3 所述的促动器,其特征在于,所述闩锁 (25) 通过锁销 (29) 间接地 与所述棒 (22) 相接合,所述锁销在所述保持位置中被所述棒捕获而与形成于所述闩锁的 第二端中的底座 (23) 相接合,并且在收回所述棒时,所述锁销被所述闩锁从所述底座中 推出,这样就容许所述闩锁 (25) 枢转而脱离与所述杆 (4) 的接合。
5: 根据权利要求 4 所述的促动器,其特征在于,当收回所述棒 (22) 时,所述锁销 (29) 被所述闩锁推动到形成于所述棒上的凹部 (24) 中。
6: 根据权利要求 2-5 中的任一权项所述的促动器,其特征在于,所述闩锁 (25) 在所 述释放位置中时被闩锁回位弹簧 (27) 朝向所述保持位置偏置。
7: 根据前述权利要求中任一项所述的促动器,其特征在于,所述触发器促动器 (20) 是螺线管。
8: 根据权利要求 2-6 中的任一权项所述的促动器,其特征在于,所述触发器促动器是 形状记忆合金元件 (30)。
9: 根据前述权利要求中任一项所述的促动器,其特征在于,所述触发机构 (22 ;25 ; 29) 包括成形为杠杆的闩锁 (25),通过所述枢轴 (26) 的位置,所述杠杆设计成极大地减 少了从所述弹簧部件 (14) 传递至所述触发机构上的力。
10: 根据前述权利要求中任一项所述的促动器,其特征在于,所述杆 (4) 包括或连接 到接收在包含在所述促动器壳体 (10) 中的环形缸体 (15) 中的环形活塞上,其中,所述环 形缸体包含用于在释放所述弹簧部件 (14) 时抑制所述杆 (4) 的运动的液压介质。
11: 根据权利要求 10 所述的促动器,其特征在于,所述环形缸体 (15) 中的液压介质 通过至少一个限流器开口 (17) 而与所述促动器壳体内部处于流动连通。
12: 一种用于通过闸阀促动器使闸阀在稳态操作模式和停机模式之间转换的方法, 其中,所述促动器被马达在第一方向上驱动,以用于使所述闸阀转换到所述稳态操作模 式,其特征在于如下步骤 : 2 - 布置可压缩力器件,以便在所述稳态操作模式下在与所述第一方向相反的第二方向 上对所述促动器施加偏置,和 - 在所述停机模式下通过释放所述压缩力器件在所述第二方向上驱动所述促动器。
13: 根据权利要求 12 所述的方法,其特征在于,包括以下步骤 :在所述闸阀促动器 中布置电气地控制的触发机构,以及激励所述触发机构,以保持所述力器件处于压缩状 态下。
14: 根据权利要求 13 所述的方法,其特征在于,包括通过螺线管或通过形状记忆合金 (SMA) 元件激励所述触发机构的步骤。
15: 根据权利要求 12-14 中的任一权项所述的方法,其特征在于,包括通过如下步骤 测试紧急停机 (ESD) 功能性的步骤 : - 在所述稳态操作模式期间通过操作所述马达、克服所述压缩力器件的力在所述第一 方向上进一步驱动所述闸阀促动器,和 - 通过所述压缩力器件的力使所述促动器返回到所述稳态操作模式。

说明书


闸阀促动器和方法

    本发明的技术领域
     本发明大体涉及一种用于海底碳氢化合物的生产的促动器,并且尤其涉及所存 储的能量的受控制的释放 ( 用于将闸阀从处理方式不安全的位置驱动至处理方式安全的 位置的目的 )。具体地说,本发明涉及一种闸阀促动器和用于使闸阀从稳态操作模式转换 到停机模式 - 例如紧急停机模式的方法。
     背景和现有技术
     在以下背景论述中,以及在本发明的公开中,将频繁使用以下缩略语 :
     BL 无刷式
     DC 直流
     ESD 紧急停机
     LVDT 线性可变差动变换器
     PM 永久磁体
     PSD 生产停机
     SIL 仪表化的安全水平
     SMA 形状记忆合金
     VSD 变速传动装置
     XMT, Xmas tree 采油树
     用于碳氢化合物生产的现有技术的闸阀促动器包括液压控制和电气控制两者。 在本发明的上下文中,电气促动器是现有技术装置中最为相关的。
     利用旋转电马达作为原动力驱动器并将这种旋转运动变换成线性运动以用于操 作平板闸阀的概念是很普遍的。 在当代设计中,存在这样的倾向 :选择 BL DC PM 马达 作为用于高扭矩性能的马达技术,以及行星滚柱丝杠用于机械的旋转 - 线性变换,但是 其它马达类型以及其它旋转 - 线性变换系统也是很常见的。
     用于控制穿过海底采油树的碳氢化合物流量的平板闸阀和促动器的关键特征是 为紧急操作至安全位置而提供的机构。 在发生动力供应故障时,阀必须仍 ( 可 ) 从生产 位置 ( 较不安全位置 ) 回复至安全位置 ( 非生产位置 )。
     在促动器设计和用于紧急操作的触发机构方面 ( 两者 ), US7,172,169(Biester) 和 US6572076(Appleford) 被认为代表了当代的设计和这个领域中的良好的当前努力的示 例。
     本发明涉及一种所谓的故障安全促动器,即,在失去动力时或响应于某类 ESD 将其控制的阀从两个可能的位置驱动至 ( 处理方式 ) 安全的位置的促动器。 例如,当应 用于采油树的主阀或翼阀时,阀在失去控制时作为策略的一部分将去到关闭位置,以保 护油井安全屏障。
     因而任务是实现一种促动器,其在常规操作中是非常可靠的,并且其在失去主 动控制时会转至安全位置。 历史上在失去对关键的 XMT 阀以及其它类似功能的阀的安 全关闭的控制时,最被广泛接受的将启动的能源是机械弹簧的释放,其在较不安全的阀
     位置中被保持预张紧,以提供克服摩擦力以及其它阻碍运动 ( 视情况而关闭或打开 ;某 些类型的阀将会在紧急停机期间打开 ) 的力而使平板闸门移动所需的动力源。 对于液压 促动器,故障安全机构通常以持续激励的电磁阀的形式而嵌入在电动液压控制系统中。 对于电气地操作的促动器的情况,在大多数情况下通过电磁装置释放弹簧。 在近些年 来,还存在促动器在 ESD 模式中,在蓄电池或其它用于储存电能的装置的动力供应下回 复至安全位置的示例。 这种设计通常依赖于驱动马达用于 ESD 操作的电子变速传动装置 (VSD),从而对这些电路设置了非常高的可靠性要求。
     出于本发明的目的,已经假定机械弹簧是可得到的最可靠的能源。
     本发明的一个目的是提供一种高可靠的触发机构,其用于释放弹簧作用,从而 最大限度地增加了 ESD 过程的可靠性并因而保护了高的 SIL 等级。
     存在为了实现一种可靠的触发机构而设计的许多机制。 本发明基于一种电气 地控制的触发器与杠杆机构的组合,以便如果通信或动力供应即将失效时,触发弹簧作 用,从而立即关闭例如主阀。 触发机构设计成可处理弹簧的全部力,从而避免 ESD 过程 中涉及任何中间传动系构件。
     在基于使用机械弹簧提供紧急动力的许多现有技术的促动器中,弹簧在所有时 间都随着闸门的运动而运动。 这通常意味着阀只是被主动地驱动到最不安全的位置 ( 通 常稳态生产模式 ),并且总是在弹簧作用下返回至安全位置。这种方案只包括针对单个象 限操作 ( 只在一个方向上主动驱动,而没有发电机操作 ) 而设计的马达和驱动电路。 其 它设计基于对机械弹簧只预张紧一次和来回地主动驱动阀。 明显这是两象限操作。 实现 两象限操作的电气 / 电子电路的复杂性的提升相对不大。 另外,通过将滚柱丝杠的运动 和弹簧的运动分开而节省动力的内在优势被认为是少量的和不重要的。 ESD 功能的可靠 性与常规操作的可靠性共同代表了用于实现主题的任何促动器设计的本质。
     通过将弹簧搁置在触发机构上而使弹簧力平衡的挑战在于,针对足够力的弹簧 来实现一种在低功耗下操作的高可靠性的故障安全机构。 对于石油工业所需要的某些促 动器,所需力对于 5” 平板闸阀可能高达 40 吨 - 一个典型的数量级,或者对于 7” 阀的 情况甚至明显更高。
     例如在现有技术 US6,572,076 中可观测到用于触发 ESD 的装置需要触发动力克服 主故障安全弹簧的力来起作用,因而在抵消回位弹簧在稳态条件下的内在力时将涉及相 当大的力和动力水平。
     本发明的一个目的是提供闸阀促动器,通过它,稳态条件中的操作所需要的动 力小,并且显著地小于主回位弹簧在压缩下所施加的力,因而只抵消局部和辅助的弹簧 力。
     所参照的现有技术的另一特征是当从稳态操作模式转换至停机模式时随着闸门 操作杆收缩而发生磨损效应的可能性。
     本发明的另一目的是提供一种闸阀促动器,其能够释放非常大的力而没有磨损 效应。
     发明概述
     通过独立权利要求中所限定的闸阀促动器和方法,实现了这些目的,并且基本 上消除了现有技术的缺陷。 在从属权利要求中限定了由本发明提供的进一步有利的特征和实施例。
     简要地说,本发明提供了一种闸阀促动器,其包括可在促动器壳体中线性地运 动的杆,促动器壳体可连接到闸阀上,杆作用在闸阀上,以使闸阀分别在打开位置和关 闭位置之间转换,其中杆被马达在第一方向上驱动到稳态操作位置,并且在所述位置 中,杆在第二相反方向上通过作用在该杆上的弹簧部件而被朝向停机位置偏置。 这种促 动器特征在于一种触发机构,其布置成用于在保持位置将弹簧部件保持在压缩状态下, 所述触发机构包括可电气地控制的触发器,该触发器布置成用于作为对电气地控制的触 发器去激励的结果释放弹簧部件。
     这样实现了一种在常规操作中非常可靠并且在失去主动控制时转至安全位置的 促动器。
     触发机构在结构上可以不同的方式来实现。 触发机构的一个有利的实施例包括 至少一个围绕枢轴枢转地支承在促动器壳体中的闩锁,使得在弹簧部件的压缩状态下, 闩锁的第一端与杆处于操作性接合,并且闩锁的相对的第二端与触发器处于操作性接 合。
     这样可将机构设计成可提供杠杆功能,其极大地减少了弹簧部件的动力,并因 而减少了包含在触发机构中的构件之间的接触压力。 在一个优选的实施例中,触发器包括可在促动器壳体中线性地运动的棒,和将 棒驱动至保持位置的电气地驱动的触发器促动器,其中棒与闩锁相接合,并且当对触发 器促动器去激励时,通过对触发器促动弹簧进行偏置而将棒从保持位置中收回。
     这样就减少了将机构保持在稳态操作模式下所需要的动力,并且只抵消了不与 主回位弹簧的力相关的局部和辅助的弹簧力。
     优选的是,闩锁布置成以便间接地通过锁销而与棒相接合,锁销在保持位置被 棒捕获,从而与形成于闩锁第二端中的底座相接合,并且在收回棒时通过枢转的闩锁将 该锁销从底座中推出,这样就容许闩锁枢转而脱离与杆的接合。
     锁销可为圆柱形段,以便在释放时提供滚动作用和最小的摩擦,并且除了杠杆 机构所导致的低的机械接触压力之外,这种方式进一步确保回位弹簧的释放可在没有任 何磨损效应的条件下发生。
     在收回棒时,可通过使闩锁枢转到形成于棒上的凹部中而推动锁销。
     在停机模式中,闩锁回位弹簧优选布置成以便使闩锁朝向保持位置偏置。
     触发器促动器可以螺线管的形式、或备选地以形状记忆合金 (SMA) 元件的形式 来实现。
     触发机构优选包括闩锁,其形状如杠杆,并设计成在稳态操作模式下通过其枢 转位置而极大地减少从弹簧部件传递至触发机构的力。
     杆可布置成包括或连接到环形活塞上,环形活塞接收在包含于促动器壳体内的 环形缸体中,以便运动,由此环形缸体包含用于在释放弹簧部件时抑制杆运动的液压介 质。 环形缸体中的所述液压介质然后通过至少一个限流器开口而与促动器壳体内部处于 流动连通。 在液压介质的流动路径 / 多个流动路径中可布置止回阀和微粒过滤器。
     上面简要论述的闸阀促动器以一种方法进行操作,用于使闸阀在稳态操作模式 和停机模式之间转换。 该方法包括如下步骤 :
     - 通过马达在第一方向上驱动促动器,用于使闸阀转换到稳态操作模式 ;
     - 布置可压缩力器件,以便在稳态操作模式下沿着与第一方向相反的第二方向对 促动器施加偏置,并
     - 在停机模式下通过释放压缩力器件在第二方向上驱动促动器。
     另外的从属的方法步骤包括 :
     - 在闸阀促动器中布置电气地控制的触发机构 ;
     - 激励触发机构,用于将力器件保持在压缩状态下 ;
     - 通过螺线管,或通过形状记忆合金元件来激励触发机构。
     闸阀促动器的结构通过如下步骤而提供了紧急停机 (ESD) 功能性的测试 :
     - 在稳态操作模式期间通过操作马达、克服压缩力器件的力而在第一方向上进一 步驱动闸阀促动器,和
     - 通过压缩力器件的力使促动器返回到稳态操作模式。
     从本发明实施例的以下详细说明中将进一步理解本发明所提供的进一步的特征 和优势。
     图纸简要说明
     以下将参照附图更完整地解释本发明,其示意性地显示了本发明的实施例。 图中: 图 1 以截面图显示了一种闸阀促动器,其被电马达驱动并装备有用于捕获和释 放回位弹簧的故障安全机构 ;
     图 2 是部分剖切的透视图,其以更大的比例并在稳态操作模式下显示了图 1 的闸 阀促动器的相关部分,图 2 的实施例基于用于促动触发机构的螺线管 ;
     图 3 是详图,其以更大的比例显示了图 2 的触发机构 ;
     图 4 是与图 2 相对应的视图,其显示了处于停机模式下的闸阀促动器 ;
     图 5 是与图 3 相对应的视图,其显示了处于停机模式下的闸阀促动器 ;
     图 6 是与图 2 相对应的视图,其显示了处于稳态操作模式下的闸阀促动器的第二 实施例,图 6 的实施例基于用于促动触发机构的 SMA 元件 ;
     图 7 是与图 3 相对应的视图,其以更大的比例显示了图 6 的实施例 ;
     图 8 是与图 4 相对应的视图,其显示了处于停机模式下的图 6 实施例,且
     图 9 是与图 5 相对应的视图,其显示了处于停机模式下的图 6 实施例。
     本发明实施例的详细说明
     图 1 中显示了用于海底生产控制的典型的电气促动器的总体布局。 滚柱丝杠布 置 3 和 PM 马达驱动器 2 的组合被认为是很常见的,并且不是本发明的一部分。 同样地, 与树或者其它管道的阀帽 12 接口是大多数这种促动器的共同特征。 本发明的焦点是故障 安全机构,其示为图 1 中构件组 5。
     应该注意的是,只有图 1 显示了完整的促动器,所有其它图纸只显示了包括在 故障安全机构中的构件。 本发明的本质是在返回力器件、马达传动系和触发机构之间的 相互作用,其意图是在根据命令停止生产系统以及还有开始和保持生产系统操作的能力 两方面产生具有最高操作可靠性的促动器。
     基本的操作原理是使用马达 2 和滚柱丝杠 3 作为使杆 4 运行的支撑物 (jack),以
     操作闸阀进入生产 ( 稳态 ) 条件,应用故障安全机构以将杆 4 保持在这个位置,其中由回 位弹簧 14( 或其它等效力器件 ) 施加的力通过触发机构进行平衡,然后立即使滚柱丝杠组 件返回至阀安全位置,同时阀仍保持在生产位置。 因而在马达 - 滚柱丝杠支撑物组件和 闸阀促动器的杆之间没有固定的机械连接。 滚柱丝杠推动杆,用于操作阀进入稳态操作 模式,但在停机模式下不能用于使其返回至安全位置。
     当杆与闸门被带入到生产位置并通过故障安全机构的作用而固定在那个位置上 时,通过沿反方向启动马达 2 回到关闭的阀位置可立即驱动滚柱丝杠布置,因而避开可 能的 ESD 作用。 虽然阀将返回至安全条件 ( 即使滚柱丝杠处于伸展位置 ),但是伸展的滚 柱丝杠增强了实现成功的 ESD 的可能性,其在每次促动时只在那个位置大约 1-2 分钟。 因为需要不受控制且无动力的关井 (shut in)( 从词语字面的正常意义上来说 ) 的 ESD 类型 是极端稀有的,所以实现的 SIL 等级将几乎唯一依赖于以下公开的故障安全触发机构的 可靠性。
     滚柱丝杠具有自由的反向驱动特性,即在滚柱丝杠组件仍处于生产位置时启动 ESD 的情况下,其将不会防止 ESD,但除了马达作用之外,在到达安全位置的回位弹簧 的作用下,滚柱丝杠也将被驱动。 因而存在 ( 就滚柱丝杠作用而言 ) 两个 ( 即冗余 ) 选 项来实现 ESD,这两者都具有非常高的可靠性。 这就是海底设计策略的本质 - 在需要的 任何地方以及以具有高可靠性两个相互冗余的功能来提供功能性方面的冗余。 SIL 在性质上是统计概念,并且衡量时是用对数表示的。 在任何时候,不管操 作模式如何,它都是根据命令执行 ESD 成功的统计概率的表达式。 因而两个冗余的机制 ( 各自有高的可靠性 ) 必须对 SIL 标定具有有利的影响。
     在该上下文中应该注意,正常说来,通过大多数操作员所实践的步骤,当时在 任何树上只有一个阀是被启动的,因而即使对于支撑物系统处于 ESD 路径中的短的持续 时间,树作为安全屏障也一直是完好的。
     从生产位置至安全位置的移动分成两种不同的种类 :
     1.ESD( 若干种类 )
     2. 生产关井
     更严重类别的 ESD 情形 ( 在某些油区被称为 ESD0 和 ESD1) 可简单地切断动力 供应,或者可由于外因切断控制脐带而偶然地切断动力供应。 在这种情形下,主触发器 或触发器促动器 ( 螺线管 20 或 SMA 装置 30) 将释放辅助触发弹簧 21,并且闩锁或闩钩 25 将进入解锁位置,因而释放回位弹簧 14,并且阀将返回安全位置。
     在较不严重的 ESD 模式 ( 在某些区被称为 ESD 类 2 的变体,例如主机平台上的 气体泄漏警告 ) 和 PSD 模式中,控制系统将主动地 ( 如果将需要停机 ) 被用于将处理装备 转到安全模式。 在这种情形下,滚柱丝杠伸展以便在触发器被启动之前从触发机构上卸 去回位弹簧的力,因而对于这种更普通且频繁的情形,触发器被释放,其中除了触发器 本身的小的辅助弹簧 ( 一个或者多个 ) 起作用之外,在故障安全触发机构上没有力。 这 些情形将根本不会对触发器造成任何显著磨损,力通常从回位弹簧 14 的 40 吨减少至辅助 弹簧 21 的通常几百牛顿 ( 例如,标号用 5” 促动器来表示 )。
     参看图 1 至图 9,马达 2 通过 VSD 单元 ( 未显示 ) 驱动滚柱丝杠 3,以使阀杆 4 运行至生产位置。 当位置检测系统 ( 通常为 LVDT,未显示 ) 检测到到达到所需位置时,
     螺线管 20 或 SMA 元件 30 对抗辅助触发弹簧 21 而拉动,以便通过锁销 29 与形成于闩钩 25 的所述 (subject) 端部中的底座 23 的接合而与闩钩 25 相接合。 锁销 29 就防止了闩钩 的运动 ( 只要连接在和 / 或作用在棒状触发器 22 上的主触发器 / 触发器促动器 SMA30 或 螺线管 20 受到激励 )。 一旦主触发器 / 触发器促动器 20 或 30 作为 ESD 过程的一部分而 被去激励时,锁销 29 就移出底座 23 中的阻塞位置,进入到形成于触发器棒 22 上的凹部 24 中,并且回位弹簧 14 可自由将杆 4 推回到更安全的位置。 闩钩 25 通过其枢轴 26 的被 移动的位置而提供了一种杠杆机构,从而将回位弹簧 14 和闩钩之间的高的接触压力减少 至闩钩 25 和锁销 29 之间低得多的接触压力。 闩钩 25 和相关联的锁销 29 应优选布置成 围绕促动器的中心线进行均匀地分布。 优选应使用三个或更多个闩钩 25/ 锁销 29。
     在如所示实施例中的圆柱形段的锁销 29 的情况中,除了由于来自闩锁 25 的杠杆 作用而获得的低的机械接触压力之外,锁销 29 在释放时的滚动作用,确保了可在低摩擦 阻力且没有任何磨损效应的条件下发生释放。
     提供闩钩回位弹簧 27,以便使闩锁返回接合位置,等待支撑物系统的下一次推 动。
     在完成从更安全位置至生产位置的行程之后,滚柱丝杠和马达提供了预张紧回 位弹簧 14 所需要的所有能量,因而不需要螺线管 20 或 SMA 装置 30 将回位弹簧 14 保持 在压缩状态下,而只需要触发器促动器 20 和 30 使触发弹簧 21 保持压缩。 这减少了所需 要的动力,并因而相应地减少了稳态生产模式下的电功率消耗。
     为了防止返回安全位置的行程超速,提供了环形阻尼缸体 15、止回阀 16( 一个 或多个 ) 和限流器 17( 一个或多个 ) 以及密封件 19。 过滤器 18 可用于捕获油容积中的 微粒污染,并可有利地与简单的止回阀 ( 未显示 ) 结合,以确保不会从过滤器中释放出碎 屑。
     SMA 或螺线管控制的触发机构两者都具有海底 ESD 应用中所需要的特征,即粘 滞响应。 这种特征 ( 其在许多工业应用中时常是个缺点 ) 使得这些装置在不受益于包含在 设计中的专用定时器的情况下对动力和通信系统中的小故障不敏感。 延迟作用在操作原 理中天生就是不利的,与对于螺线管类型的装置而言相比,其对于 SMA 装置更是如此。 如本发明公开中所述,对于应用于海底促动器,螺线管类型的装置只能针对大约 1 秒 ( 数 量级 ) 的延迟来以敏感的方式设计。 这对于大多数设计将是足够的。 不论何时如果认为 响应中的自然且固有的延迟不够时,都可通过在螺线管绕组上增加电容器来获得更大的 延迟。
     本发明设想使用高扭矩的 BL DC PM 马达 ( 可得到广泛的选择 ) 或其它电马达 ( 驱动低螺距的行星滚柱丝杠 ( 通常为如普遍在市场上和材料目录中找到的这种设计 )), 来取得由 BL DC PM 电机所提供的每单位扭矩的最大线性力。 这些元件中任一个都不形 成本发明的一部分,因为它们出现在众多促动器设计中,并因而是在公共领域中沿用已 久的。 还可使用其它形式的旋转 - 线性变换。 以下只描述滚柱丝杠,但是应该懂得可采 用任何旋转 - 线性变换单元。
     虽然可将这种滚柱丝杠设计成具有某一螺距以提供自由的反向驱动 ( 预张紧的 回位弹簧将滚柱丝杠驱动至反方向 ),但是本发明是以针对最小的可行螺距而设计滚柱丝 杠以便最大程度地利用马达扭矩为基础的。 滚柱丝杠将仍然具有自由的反向驱动。 然而,高的齿轮比和滚柱丝杠长时间暴露于非常高的力的组合可能引起关于反向驱动的长 期可靠性的问题。 应该注意,反向驱动的可靠性不是双重问题 :机械传动系的齿轮比越 高,机械传动系的效率越低,暴露于回位弹簧的力越高,则会引起关于自由反向驱动能 力的可靠性的更多问题。
     触发机构包括电磁部件或 SMA 部件的触发器促动器和杠杆机构。 后者 ( 杠杆机 构 ) 在原理上对于这两个实施例是相同的 ;触发器促动器代表了这两个公开的实施例之 间的差异。 杠杆机构的目的是减少触发器通过杠杆机构所处理的机械力,通常从 5 英寸 促动器的 40 吨至小得多的值,并且还提供一种释放机构,其不会让其本身发生磨损,即 受控制地暴露于运动中的两个机械部分之间的压力下。
     在一个实施例中,热电触发器促动器包括基于 SMA 的促动操作。 其通常包括 SMA 类型的导线 / 棒 ( 通常为 NiTi 合金 ),在稳态生产模式中传导电流,以便将导线保 持在比环境 ( 油 ) 更高的某一温度下。 在 ESD 模式中,动力供应被切断, SMA 导线被 周围的油冷却下来, SMA 装置返回其备选形状,并且释放回位弹簧以将阀驱动至安全位 置。 在从冷的条件启动时,触发器促动器设置成一旦达到这个位置时就可将阀保持在较 不安全的位置。 SMA 材料的性质在公共领域内,并且对于促动器设计的元件而言是已知的,除 了陈述其应用的目的之外,不会作为本发明公开的一部分来 ( 提供 ) 尝试描述其性质,诸 如 ( 例如 )NiTi 的材料响应于温度变化的相态变化,以显著的方式有效地改变其 e- 模块 (mould),因而有利于提供 “没有运动部件的促动器”。 这种促动器可针对大的力设计, 且通常对于长的寿命时间提供 2% -3%的延长,即在合适的操作条件下,1 米的棒将响应 温度变化而延伸 / 收缩 3 厘米。 SMA 设计的基础已知了超过 20 年,并且其用途被认为 属于公共领域。
     因而,提出的 SMA 电路是以简化的方案来显示的,省略了电绝缘、用于功率供 应的导线、变压器、开关装置以及提供可操作性设计所需要的其它特征。 对于本领域中 的技术人员,用于工业目的的 SMA 装置的设计代表已知的领域,需要较罕见但属于公共 领域的技巧。
     在第二个优选的实施例中,主触发器是在当前存在于大量的工业应用中的传统 的电子机械螺线管。 除了提供在实现按命令 ESD 和按命令生产两方面具有高可靠性的 促动器之外,所提出的促动器还有利于一种在生产不关井的条件下测试 ESD 功能性的方 法。 原则上,合乎需要的是所有 ESD 功能性都基于常规进行测试。 然而,从来都不认 为为了屏障测试的目的而按照比一个月一次更频繁的频率停止高生产率的海底生产或注 入井是明智的。
     所提出的促动器概念有利于 ESD 能力的测试而没有牺牲生产且对设备没有很大 的磨损。 当 ESD 测试被认为合乎需要时,马达和滚柱丝杠用于使支撑物和杆延伸至打开 的阀位置,其足以从故障安全机构上卸去负载。 之后容许回位弹簧 14 将滚柱丝杠驱动返 回微小的距离,对应于微小的行程百分比,但足以通过 LVDT 或通过测量马达 ( 现在作为 同步发电机运转 ) 中的发电机效应而检测到回退运动。 一旦检测到杆的运动,就将全部 扭矩应用于马达上,以驱动闸阀回到最终的生产位置。 整个来回运动可小至 1-2mm,并 且如果合适的话可被闸阀设计中的交迭所覆盖,使得流量截面积在测试期间根本不受影
     响。 当然本发明并不以任何方式局限于上述实施例。 相反,在不脱离诸如所附的权 利要求中所限定的本发明的基本思想的条件下,对其修改的许多可能性对本领域中的普 通技术人员而言将是显而易见的。
     参照列表
     1( 未使用 )
     2 是驱动马达,通常是永久磁体或鼠笼绕组单元
     3 是旋转 - 线性变换单元 ( 通常是行星滚柱丝杠 )
     4 是促动器的杆,其在一端处将促动器连接到闸阀上,并且在相对端处包括或连 接在具有阻尼功能的活塞上
     5 显示了故障安全机构的位置
     6-9( 未使用 )
     10 是促动器的壳体
     11 是带有触发机构接口的尾部阀帽
     12 是用于连接到树或其它类型的管道上的前部阀帽
     13( 未使用 ) 14 是为故障安全作用提供能量的回位弹簧 15 是环形阻尼缸体 16 是入口止回阀 17 是限流器 ( 一个或多个 ) 18 是微粒过滤器 19 是阻尼缸体密封件 20 是电磁体 ( 螺线管 ) 21 是触发器促动弹簧 ( 辅助弹簧 ) 22 是闩锁启动棒 23 是形成于闩锁第二端中的底座 24 是形成于包含在触发机构中的棒上的凹部 25 是闩锁 / 闩钩 26 是闩钩枢轴点 27 是闩钩回位弹簧 28 是用于闩钩回位弹簧的保持器 29 是锁销 30 是 SMA 元件 ( 或多个元件 ) 31 是电连接点和绝缘体

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1、10申请公布号CN102016373A43申请公布日20110413CN102016373ACN102016373A21申请号200980106612622申请日200902182008090920080221NOF16K31/04200601F16K31/00200601E21B34/0620060171申请人韦特柯格雷斯堪的纳维亚有限公司地址挪威桑维卡72发明人T格里姆塞特T克约尼格森C博希格雷文克J弗利德74专利代理机构中国专利代理香港有限公司72001代理人严志军谭祐祥54发明名称闸阀促动器和方法57摘要公开了一种闸阀促动器,其包括可在可连接到闸阀上的促动器壳体10中线性地运动的杆4,。

2、杆作用在闸阀上,以使闸阀分别在打开位置和关闭位置之间转换,其中杆4在第一方向上被马达驱动到稳态操作位置,并且在所述位置,杆在第二相反方向上通过作用在杆4上的弹簧部件14被朝向停机位置偏置。根据本发明,触发机构22;25;29布置成用于将弹簧部件保持在压缩状态下,触发机构包括可电气地控制的触发器22,其布置成以便由于对电气地控制的触发器22去激励而释放弹簧部件14。还公开了一种用于通过闸阀促动器而使闸阀在稳态操作模式和停机模式之间转换的方法。30优先权数据85PCT申请进入国家阶段日2010082086PCT申请的申请数据PCT/IB2009/0002852009021887PCT申请的公布数据。

3、WO2009/104072EN2009082751INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书8页附图9页CN102016383A1/2页21一种闸阀促动器,包括可在可连接到闸阀上的促动器壳体10中线性地运动的杆4,所述杆作用在所述闸阀上,以使所述闸阀分别在打开位置和关闭位置之间转换,其中,所述杆4被马达在第一方向上驱动至稳态操作位置,并且在所述位置,所述杆通过作用在所述杆4上的弹簧部件14在第二相反方向上被朝向停机位置偏置,其特征在于布置成用于在保持位置将所述弹簧部件14保持在压缩状态中的触发机构22;25;29,所述触发机构包括可电气地控制的触发器22;2。

4、9,该触发器22;29布置成以便由于对所述电气地控制的触发器22去激励而释放所述弹簧部件14。2根据权利要求1所述的促动器,其特征在于,所述触发机构包括至少一个围绕枢轴26枢转地支承在所述促动器壳体中的闩锁25,在所述弹簧部件14的压缩状态中,所述闩锁的第一端与所述杆4处于操作性接合,并且所述闩锁的相对的第二端与所述触发器22处于操作性接合。3根据权利要求2所述的促动器,其特征在于,所述触发器包括可在所述促动器壳体10中线性地运动的棒22;将所述棒22驱动到保持位置的电动驱动的触发器促动器20;30,在所述保持位置中,所述棒与所述闩锁25相接合;以及触发器弹簧21,当对所述触发器促动器20;3。

5、0去激励时,由所述触发器弹簧21将所述棒从所述保持位置收回至收回位置。4根据权利要求3所述的促动器,其特征在于,所述闩锁25通过锁销29间接地与所述棒22相接合,所述锁销在所述保持位置中被所述棒捕获而与形成于所述闩锁的第二端中的底座23相接合,并且在收回所述棒时,所述锁销被所述闩锁从所述底座中推出,这样就容许所述闩锁25枢转而脱离与所述杆4的接合。5根据权利要求4所述的促动器,其特征在于,当收回所述棒22时,所述锁销29被所述闩锁推动到形成于所述棒上的凹部24中。6根据权利要求25中的任一权项所述的促动器,其特征在于,所述闩锁25在所述释放位置中时被闩锁回位弹簧27朝向所述保持位置偏置。7根据。

6、前述权利要求中任一项所述的促动器,其特征在于,所述触发器促动器20是螺线管。8根据权利要求26中的任一权项所述的促动器,其特征在于,所述触发器促动器是形状记忆合金元件30。9根据前述权利要求中任一项所述的促动器,其特征在于,所述触发机构22;25;29包括成形为杠杆的闩锁25,通过所述枢轴26的位置,所述杠杆设计成极大地减少了从所述弹簧部件14传递至所述触发机构上的力。10根据前述权利要求中任一项所述的促动器,其特征在于,所述杆4包括或连接到接收在包含在所述促动器壳体10中的环形缸体15中的环形活塞上,其中,所述环形缸体包含用于在释放所述弹簧部件14时抑制所述杆4的运动的液压介质。11根据权利。

7、要求10所述的促动器,其特征在于,所述环形缸体15中的液压介质通过至少一个限流器开口17而与所述促动器壳体内部处于流动连通。12一种用于通过闸阀促动器使闸阀在稳态操作模式和停机模式之间转换的方法,其中,所述促动器被马达在第一方向上驱动,以用于使所述闸阀转换到所述稳态操作模式,其特征在于如下步骤权利要求书CN102016373ACN102016383A2/2页3布置可压缩力器件,以便在所述稳态操作模式下在与所述第一方向相反的第二方向上对所述促动器施加偏置,和在所述停机模式下通过释放所述压缩力器件在所述第二方向上驱动所述促动器。13根据权利要求12所述的方法,其特征在于,包括以下步骤在所述闸阀促动。

8、器中布置电气地控制的触发机构,以及激励所述触发机构,以保持所述力器件处于压缩状态下。14根据权利要求13所述的方法,其特征在于,包括通过螺线管或通过形状记忆合金SMA元件激励所述触发机构的步骤。15根据权利要求1214中的任一权项所述的方法,其特征在于,包括通过如下步骤测试紧急停机ESD功能性的步骤在所述稳态操作模式期间通过操作所述马达、克服所述压缩力器件的力在所述第一方向上进一步驱动所述闸阀促动器,和通过所述压缩力器件的力使所述促动器返回到所述稳态操作模式。权利要求书CN102016373ACN102016383A1/8页4闸阀促动器和方法0001本发明的技术领域0002本发明大体涉及一种用。

9、于海底碳氢化合物的生产的促动器,并且尤其涉及所存储的能量的受控制的释放用于将闸阀从处理方式不安全的位置驱动至处理方式安全的位置的目的。具体地说,本发明涉及一种闸阀促动器和用于使闸阀从稳态操作模式转换到停机模式例如紧急停机模式的方法。0003背景和现有技术0004在以下背景论述中,以及在本发明的公开中,将频繁使用以下缩略语0005BL无刷式0006DC直流0007ESD紧急停机0008LVDT线性可变差动变换器0009PM永久磁体0010PSD生产停机0011SIL仪表化的安全水平0012SMA形状记忆合金0013VSD变速传动装置0014XMT,XMASTREE采油树0015用于碳氢化合物生产。

10、的现有技术的闸阀促动器包括液压控制和电气控制两者。在本发明的上下文中,电气促动器是现有技术装置中最为相关的。0016利用旋转电马达作为原动力驱动器并将这种旋转运动变换成线性运动以用于操作平板闸阀的概念是很普遍的。在当代设计中,存在这样的倾向选择BLDCPM马达作为用于高扭矩性能的马达技术,以及行星滚柱丝杠用于机械的旋转线性变换,但是其它马达类型以及其它旋转线性变换系统也是很常见的。0017用于控制穿过海底采油树的碳氢化合物流量的平板闸阀和促动器的关键特征是为紧急操作至安全位置而提供的机构。在发生动力供应故障时,阀必须仍可从生产位置较不安全位置回复至安全位置非生产位置。0018在促动器设计和用于。

11、紧急操作的触发机构方面两者,US7,172,169BIESTER和US6572076APPLEFORD被认为代表了当代的设计和这个领域中的良好的当前努力的示例。0019本发明涉及一种所谓的故障安全促动器,即,在失去动力时或响应于某类ESD将其控制的阀从两个可能的位置驱动至处理方式安全的位置的促动器。例如,当应用于采油树的主阀或翼阀时,阀在失去控制时作为策略的一部分将去到关闭位置,以保护油井安全屏障。0020因而任务是实现一种促动器,其在常规操作中是非常可靠的,并且其在失去主动控制时会转至安全位置。历史上在失去对关键的XMT阀以及其它类似功能的阀的安全关闭的控制时,最被广泛接受的将启动的能源是机。

12、械弹簧的释放,其在较不安全的阀说明书CN102016373ACN102016383A2/8页5位置中被保持预张紧,以提供克服摩擦力以及其它阻碍运动视情况而关闭或打开;某些类型的阀将会在紧急停机期间打开的力而使平板闸门移动所需的动力源。对于液压促动器,故障安全机构通常以持续激励的电磁阀的形式而嵌入在电动液压控制系统中。对于电气地操作的促动器的情况,在大多数情况下通过电磁装置释放弹簧。在近些年来,还存在促动器在ESD模式中,在蓄电池或其它用于储存电能的装置的动力供应下回复至安全位置的示例。这种设计通常依赖于驱动马达用于ESD操作的电子变速传动装置VSD,从而对这些电路设置了非常高的可靠性要求。00。

13、21出于本发明的目的,已经假定机械弹簧是可得到的最可靠的能源。0022本发明的一个目的是提供一种高可靠的触发机构,其用于释放弹簧作用,从而最大限度地增加了ESD过程的可靠性并因而保护了高的SIL等级。0023存在为了实现一种可靠的触发机构而设计的许多机制。本发明基于一种电气地控制的触发器与杠杆机构的组合,以便如果通信或动力供应即将失效时,触发弹簧作用,从而立即关闭例如主阀。触发机构设计成可处理弹簧的全部力,从而避免ESD过程中涉及任何中间传动系构件。0024在基于使用机械弹簧提供紧急动力的许多现有技术的促动器中,弹簧在所有时间都随着闸门的运动而运动。这通常意味着阀只是被主动地驱动到最不安全的位。

14、置通常稳态生产模式,并且总是在弹簧作用下返回至安全位置。这种方案只包括针对单个象限操作只在一个方向上主动驱动,而没有发电机操作而设计的马达和驱动电路。其它设计基于对机械弹簧只预张紧一次和来回地主动驱动阀。明显这是两象限操作。实现两象限操作的电气/电子电路的复杂性的提升相对不大。另外,通过将滚柱丝杠的运动和弹簧的运动分开而节省动力的内在优势被认为是少量的和不重要的。ESD功能的可靠性与常规操作的可靠性共同代表了用于实现主题的任何促动器设计的本质。0025通过将弹簧搁置在触发机构上而使弹簧力平衡的挑战在于,针对足够力的弹簧来实现一种在低功耗下操作的高可靠性的故障安全机构。对于石油工业所需要的某些促。

15、动器,所需力对于5”平板闸阀可能高达40吨一个典型的数量级,或者对于7”阀的情况甚至明显更高。0026例如在现有技术US6,572,076中可观测到用于触发ESD的装置需要触发动力克服主故障安全弹簧的力来起作用,因而在抵消回位弹簧在稳态条件下的内在力时将涉及相当大的力和动力水平。0027本发明的一个目的是提供闸阀促动器,通过它,稳态条件中的操作所需要的动力小,并且显著地小于主回位弹簧在压缩下所施加的力,因而只抵消局部和辅助的弹簧力。0028所参照的现有技术的另一特征是当从稳态操作模式转换至停机模式时随着闸门操作杆收缩而发生磨损效应的可能性。0029本发明的另一目的是提供一种闸阀促动器,其能够释。

16、放非常大的力而没有磨损效应。0030发明概述0031通过独立权利要求中所限定的闸阀促动器和方法,实现了这些目的,并且基本上消除了现有技术的缺陷。在从属权利要求中限定了由本发明提供的进一步有利的特征说明书CN102016373ACN102016383A3/8页6和实施例。0032简要地说,本发明提供了一种闸阀促动器,其包括可在促动器壳体中线性地运动的杆,促动器壳体可连接到闸阀上,杆作用在闸阀上,以使闸阀分别在打开位置和关闭位置之间转换,其中杆被马达在第一方向上驱动到稳态操作位置,并且在所述位置中,杆在第二相反方向上通过作用在该杆上的弹簧部件而被朝向停机位置偏置。这种促动器特征在于一种触发机构,其。

17、布置成用于在保持位置将弹簧部件保持在压缩状态下,所述触发机构包括可电气地控制的触发器,该触发器布置成用于作为对电气地控制的触发器去激励的结果释放弹簧部件。0033这样实现了一种在常规操作中非常可靠并且在失去主动控制时转至安全位置的促动器。0034触发机构在结构上可以不同的方式来实现。触发机构的一个有利的实施例包括至少一个围绕枢轴枢转地支承在促动器壳体中的闩锁,使得在弹簧部件的压缩状态下,闩锁的第一端与杆处于操作性接合,并且闩锁的相对的第二端与触发器处于操作性接合。0035这样可将机构设计成可提供杠杆功能,其极大地减少了弹簧部件的动力,并因而减少了包含在触发机构中的构件之间的接触压力。0036在。

18、一个优选的实施例中,触发器包括可在促动器壳体中线性地运动的棒,和将棒驱动至保持位置的电气地驱动的触发器促动器,其中棒与闩锁相接合,并且当对触发器促动器去激励时,通过对触发器促动弹簧进行偏置而将棒从保持位置中收回。0037这样就减少了将机构保持在稳态操作模式下所需要的动力,并且只抵消了不与主回位弹簧的力相关的局部和辅助的弹簧力。0038优选的是,闩锁布置成以便间接地通过锁销而与棒相接合,锁销在保持位置被棒捕获,从而与形成于闩锁第二端中的底座相接合,并且在收回棒时通过枢转的闩锁将该锁销从底座中推出,这样就容许闩锁枢转而脱离与杆的接合。0039锁销可为圆柱形段,以便在释放时提供滚动作用和最小的摩擦,。

19、并且除了杠杆机构所导致的低的机械接触压力之外,这种方式进一步确保回位弹簧的释放可在没有任何磨损效应的条件下发生。0040在收回棒时,可通过使闩锁枢转到形成于棒上的凹部中而推动锁销。0041在停机模式中,闩锁回位弹簧优选布置成以便使闩锁朝向保持位置偏置。0042触发器促动器可以螺线管的形式、或备选地以形状记忆合金SMA元件的形式来实现。0043触发机构优选包括闩锁,其形状如杠杆,并设计成在稳态操作模式下通过其枢转位置而极大地减少从弹簧部件传递至触发机构的力。0044杆可布置成包括或连接到环形活塞上,环形活塞接收在包含于促动器壳体内的环形缸体中,以便运动,由此环形缸体包含用于在释放弹簧部件时抑制杆。

20、运动的液压介质。环形缸体中的所述液压介质然后通过至少一个限流器开口而与促动器壳体内部处于流动连通。在液压介质的流动路径/多个流动路径中可布置止回阀和微粒过滤器。0045上面简要论述的闸阀促动器以一种方法进行操作,用于使闸阀在稳态操作模式和停机模式之间转换。该方法包括如下步骤说明书CN102016373ACN102016383A4/8页70046通过马达在第一方向上驱动促动器,用于使闸阀转换到稳态操作模式;0047布置可压缩力器件,以便在稳态操作模式下沿着与第一方向相反的第二方向对促动器施加偏置,并0048在停机模式下通过释放压缩力器件在第二方向上驱动促动器。0049另外的从属的方法步骤包括00。

21、50在闸阀促动器中布置电气地控制的触发机构;0051激励触发机构,用于将力器件保持在压缩状态下;0052通过螺线管,或通过形状记忆合金元件来激励触发机构。0053闸阀促动器的结构通过如下步骤而提供了紧急停机ESD功能性的测试0054在稳态操作模式期间通过操作马达、克服压缩力器件的力而在第一方向上进一步驱动闸阀促动器,和0055通过压缩力器件的力使促动器返回到稳态操作模式。0056从本发明实施例的以下详细说明中将进一步理解本发明所提供的进一步的特征和优势。0057图纸简要说明0058以下将参照附图更完整地解释本发明,其示意性地显示了本发明的实施例。图中0059图1以截面图显示了一种闸阀促动器,其。

22、被电马达驱动并装备有用于捕获和释放回位弹簧的故障安全机构;0060图2是部分剖切的透视图,其以更大的比例并在稳态操作模式下显示了图1的闸阀促动器的相关部分,图2的实施例基于用于促动触发机构的螺线管;0061图3是详图,其以更大的比例显示了图2的触发机构;0062图4是与图2相对应的视图,其显示了处于停机模式下的闸阀促动器;0063图5是与图3相对应的视图,其显示了处于停机模式下的闸阀促动器;0064图6是与图2相对应的视图,其显示了处于稳态操作模式下的闸阀促动器的第二实施例,图6的实施例基于用于促动触发机构的SMA元件;0065图7是与图3相对应的视图,其以更大的比例显示了图6的实施例;006。

23、6图8是与图4相对应的视图,其显示了处于停机模式下的图6实施例,且0067图9是与图5相对应的视图,其显示了处于停机模式下的图6实施例。0068本发明实施例的详细说明0069图1中显示了用于海底生产控制的典型的电气促动器的总体布局。滚柱丝杠布置3和PM马达驱动器2的组合被认为是很常见的,并且不是本发明的一部分。同样地,与树或者其它管道的阀帽12接口是大多数这种促动器的共同特征。本发明的焦点是故障安全机构,其示为图1中构件组5。0070应该注意的是,只有图1显示了完整的促动器,所有其它图纸只显示了包括在故障安全机构中的构件。本发明的本质是在返回力器件、马达传动系和触发机构之间的相互作用,其意图是。

24、在根据命令停止生产系统以及还有开始和保持生产系统操作的能力两方面产生具有最高操作可靠性的促动器。0071基本的操作原理是使用马达2和滚柱丝杠3作为使杆4运行的支撑物JACK,以说明书CN102016373ACN102016383A5/8页8操作闸阀进入生产稳态条件,应用故障安全机构以将杆4保持在这个位置,其中由回位弹簧14或其它等效力器件施加的力通过触发机构进行平衡,然后立即使滚柱丝杠组件返回至阀安全位置,同时阀仍保持在生产位置。因而在马达滚柱丝杠支撑物组件和闸阀促动器的杆之间没有固定的机械连接。滚柱丝杠推动杆,用于操作阀进入稳态操作模式,但在停机模式下不能用于使其返回至安全位置。0072当杆。

25、与闸门被带入到生产位置并通过故障安全机构的作用而固定在那个位置上时,通过沿反方向启动马达2回到关闭的阀位置可立即驱动滚柱丝杠布置,因而避开可能的ESD作用。虽然阀将返回至安全条件即使滚柱丝杠处于伸展位置,但是伸展的滚柱丝杠增强了实现成功的ESD的可能性,其在每次促动时只在那个位置大约12分钟。因为需要不受控制且无动力的关井SHUTIN从词语字面的正常意义上来说的ESD类型是极端稀有的,所以实现的SIL等级将几乎唯一依赖于以下公开的故障安全触发机构的可靠性。0073滚柱丝杠具有自由的反向驱动特性,即在滚柱丝杠组件仍处于生产位置时启动ESD的情况下,其将不会防止ESD,但除了马达作用之外,在到达安。

26、全位置的回位弹簧的作用下,滚柱丝杠也将被驱动。因而存在就滚柱丝杠作用而言两个即冗余选项来实现ESD,这两者都具有非常高的可靠性。这就是海底设计策略的本质在需要的任何地方以及以具有高可靠性两个相互冗余的功能来提供功能性方面的冗余。0074SIL在性质上是统计概念,并且衡量时是用对数表示的。在任何时候,不管操作模式如何,它都是根据命令执行ESD成功的统计概率的表达式。因而两个冗余的机制各自有高的可靠性必须对SIL标定具有有利的影响。0075在该上下文中应该注意,正常说来,通过大多数操作员所实践的步骤,当时在任何树上只有一个阀是被启动的,因而即使对于支撑物系统处于ESD路径中的短的持续时间,树作为安。

27、全屏障也一直是完好的。0076从生产位置至安全位置的移动分成两种不同的种类00771ESD若干种类00782生产关井0079更严重类别的ESD情形在某些油区被称为ESD0和ESD1可简单地切断动力供应,或者可由于外因切断控制脐带而偶然地切断动力供应。在这种情形下,主触发器或触发器促动器螺线管20或SMA装置30将释放辅助触发弹簧21,并且闩锁或闩钩25将进入解锁位置,因而释放回位弹簧14,并且阀将返回安全位置。0080在较不严重的ESD模式在某些区被称为ESD类2的变体,例如主机平台上的气体泄漏警告和PSD模式中,控制系统将主动地如果将需要停机被用于将处理装备转到安全模式。在这种情形下,滚柱丝。

28、杠伸展以便在触发器被启动之前从触发机构上卸去回位弹簧的力,因而对于这种更普通且频繁的情形,触发器被释放,其中除了触发器本身的小的辅助弹簧一个或者多个起作用之外,在故障安全触发机构上没有力。这些情形将根本不会对触发器造成任何显著磨损,力通常从回位弹簧14的40吨减少至辅助弹簧21的通常几百牛顿例如,标号用5”促动器来表示。0081参看图1至图9,马达2通过VSD单元未显示驱动滚柱丝杠3,以使阀杆4运行至生产位置。当位置检测系统通常为LVDT,未显示检测到到达到所需位置时,说明书CN102016373ACN102016383A6/8页9螺线管20或SMA元件30对抗辅助触发弹簧21而拉动,以便通过。

29、锁销29与形成于闩钩25的所述SUBJECT端部中的底座23的接合而与闩钩25相接合。锁销29就防止了闩钩的运动只要连接在和/或作用在棒状触发器22上的主触发器/触发器促动器SMA30或螺线管20受到激励。一旦主触发器/触发器促动器20或30作为ESD过程的一部分而被去激励时,锁销29就移出底座23中的阻塞位置,进入到形成于触发器棒22上的凹部24中,并且回位弹簧14可自由将杆4推回到更安全的位置。闩钩25通过其枢轴26的被移动的位置而提供了一种杠杆机构,从而将回位弹簧14和闩钩之间的高的接触压力减少至闩钩25和锁销29之间低得多的接触压力。闩钩25和相关联的锁销29应优选布置成围绕促动器的中。

30、心线进行均匀地分布。优选应使用三个或更多个闩钩25/锁销29。0082在如所示实施例中的圆柱形段的锁销29的情况中,除了由于来自闩锁25的杠杆作用而获得的低的机械接触压力之外,锁销29在释放时的滚动作用,确保了可在低摩擦阻力且没有任何磨损效应的条件下发生释放。0083提供闩钩回位弹簧27,以便使闩锁返回接合位置,等待支撑物系统的下一次推动。0084在完成从更安全位置至生产位置的行程之后,滚柱丝杠和马达提供了预张紧回位弹簧14所需要的所有能量,因而不需要螺线管20或SMA装置30将回位弹簧14保持在压缩状态下,而只需要触发器促动器20和30使触发弹簧21保持压缩。这减少了所需要的动力,并因而相应。

31、地减少了稳态生产模式下的电功率消耗。0085为了防止返回安全位置的行程超速,提供了环形阻尼缸体15、止回阀16一个或多个和限流器17一个或多个以及密封件19。过滤器18可用于捕获油容积中的微粒污染,并可有利地与简单的止回阀未显示结合,以确保不会从过滤器中释放出碎屑。0086SMA或螺线管控制的触发机构两者都具有海底ESD应用中所需要的特征,即粘滞响应。这种特征其在许多工业应用中时常是个缺点使得这些装置在不受益于包含在设计中的专用定时器的情况下对动力和通信系统中的小故障不敏感。延迟作用在操作原理中天生就是不利的,与对于螺线管类型的装置而言相比,其对于SMA装置更是如此。如本发明公开中所述,对于应。

32、用于海底促动器,螺线管类型的装置只能针对大约1秒数量级的延迟来以敏感的方式设计。这对于大多数设计将是足够的。不论何时如果认为响应中的自然且固有的延迟不够时,都可通过在螺线管绕组上增加电容器来获得更大的延迟。0087本发明设想使用高扭矩的BLDCPM马达可得到广泛的选择或其它电马达驱动低螺距的行星滚柱丝杠通常为如普遍在市场上和材料目录中找到的这种设计,来取得由BLDCPM电机所提供的每单位扭矩的最大线性力。这些元件中任一个都不形成本发明的一部分,因为它们出现在众多促动器设计中,并因而是在公共领域中沿用已久的。还可使用其它形式的旋转线性变换。以下只描述滚柱丝杠,但是应该懂得可采用任何旋转线性变换单。

33、元。0088虽然可将这种滚柱丝杠设计成具有某一螺距以提供自由的反向驱动预张紧的回位弹簧将滚柱丝杠驱动至反方向,但是本发明是以针对最小的可行螺距而设计滚柱丝杠以便最大程度地利用马达扭矩为基础的。滚柱丝杠将仍然具有自由的反向驱动。然说明书CN102016373ACN102016383A7/8页10而,高的齿轮比和滚柱丝杠长时间暴露于非常高的力的组合可能引起关于反向驱动的长期可靠性的问题。应该注意,反向驱动的可靠性不是双重问题机械传动系的齿轮比越高,机械传动系的效率越低,暴露于回位弹簧的力越高,则会引起关于自由反向驱动能力的可靠性的更多问题。0089触发机构包括电磁部件或SMA部件的触发器促动器和杠。

34、杆机构。后者杠杆机构在原理上对于这两个实施例是相同的;触发器促动器代表了这两个公开的实施例之间的差异。杠杆机构的目的是减少触发器通过杠杆机构所处理的机械力,通常从5英寸促动器的40吨至小得多的值,并且还提供一种释放机构,其不会让其本身发生磨损,即受控制地暴露于运动中的两个机械部分之间的压力下。0090在一个实施例中,热电触发器促动器包括基于SMA的促动操作。其通常包括SMA类型的导线/棒通常为NITI合金,在稳态生产模式中传导电流,以便将导线保持在比环境油更高的某一温度下。在ESD模式中,动力供应被切断,SMA导线被周围的油冷却下来,SMA装置返回其备选形状,并且释放回位弹簧以将阀驱动至安全位。

35、置。在从冷的条件启动时,触发器促动器设置成一旦达到这个位置时就可将阀保持在较不安全的位置。0091SMA材料的性质在公共领域内,并且对于促动器设计的元件而言是已知的,除了陈述其应用的目的之外,不会作为本发明公开的一部分来提供尝试描述其性质,诸如例如NITI的材料响应于温度变化的相态变化,以显著的方式有效地改变其E模块MOULD,因而有利于提供“没有运动部件的促动器”。这种促动器可针对大的力设计,且通常对于长的寿命时间提供23的延长,即在合适的操作条件下,1米的棒将响应温度变化而延伸/收缩3厘米。SMA设计的基础已知了超过20年,并且其用途被认为属于公共领域。0092因而,提出的SMA电路是以简。

36、化的方案来显示的,省略了电绝缘、用于功率供应的导线、变压器、开关装置以及提供可操作性设计所需要的其它特征。对于本领域中的技术人员,用于工业目的的SMA装置的设计代表已知的领域,需要较罕见但属于公共领域的技巧。0093在第二个优选的实施例中,主触发器是在当前存在于大量的工业应用中的传统的电子机械螺线管。除了提供在实现按命令ESD和按命令生产两方面具有高可靠性的促动器之外,所提出的促动器还有利于一种在生产不关井的条件下测试ESD功能性的方法。原则上,合乎需要的是所有ESD功能性都基于常规进行测试。然而,从来都不认为为了屏障测试的目的而按照比一个月一次更频繁的频率停止高生产率的海底生产或注入井是明智。

37、的。0094所提出的促动器概念有利于ESD能力的测试而没有牺牲生产且对设备没有很大的磨损。当ESD测试被认为合乎需要时,马达和滚柱丝杠用于使支撑物和杆延伸至打开的阀位置,其足以从故障安全机构上卸去负载。之后容许回位弹簧14将滚柱丝杠驱动返回微小的距离,对应于微小的行程百分比,但足以通过LVDT或通过测量马达现在作为同步发电机运转中的发电机效应而检测到回退运动。一旦检测到杆的运动,就将全部扭矩应用于马达上,以驱动闸阀回到最终的生产位置。整个来回运动可小至12MM,并且如果合适的话可被闸阀设计中的交迭所覆盖,使得流量截面积在测试期间根本不受影说明书CN102016373ACN102016383A8。

38、/8页11响。0095当然本发明并不以任何方式局限于上述实施例。相反,在不脱离诸如所附的权利要求中所限定的本发明的基本思想的条件下,对其修改的许多可能性对本领域中的普通技术人员而言将是显而易见的。0096参照列表00971未使用00982是驱动马达,通常是永久磁体或鼠笼绕组单元00993是旋转线性变换单元通常是行星滚柱丝杠01004是促动器的杆,其在一端处将促动器连接到闸阀上,并且在相对端处包括或连接在具有阻尼功能的活塞上01015显示了故障安全机构的位置010269未使用010310是促动器的壳体010411是带有触发机构接口的尾部阀帽010512是用于连接到树或其它类型的管道上的前部阀帽0。

39、10613未使用010714是为故障安全作用提供能量的回位弹簧010815是环形阻尼缸体010916是入口止回阀011017是限流器一个或多个011118是微粒过滤器011219是阻尼缸体密封件011320是电磁体螺线管011421是触发器促动弹簧辅助弹簧011522是闩锁启动棒011623是形成于闩锁第二端中的底座011724是形成于包含在触发机构中的棒上的凹部011825是闩锁/闩钩011926是闩钩枢轴点012027是闩钩回位弹簧012128是用于闩钩回位弹簧的保持器012229是锁销012330是SMA元件或多个元件012431是电连接点和绝缘体说明书CN102016373ACN102。

40、016383A1/9页12图1说明书附图CN102016373ACN102016383A2/9页13图2说明书附图CN102016373ACN102016383A3/9页14图3说明书附图CN102016373ACN102016383A4/9页15图4说明书附图CN102016373ACN102016383A5/9页16图5说明书附图CN102016373ACN102016383A6/9页17图6说明书附图CN102016373ACN102016383A7/9页18图7说明书附图CN102016373ACN102016383A8/9页19图8说明书附图CN102016373ACN102016383A9/9页20图9说明书附图CN102016373A。

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