NO322680B1 - System for a kontrollere en ventil - Google Patents

Abstract

Den følgende oppfinnelse angår et system for å kontrollere en ventil (100) i en undersjøisk installasjon, hvor ventilen (100) har en fjær (108) for å returnere ventilen (100) til en driftssikker stilling ved tap av kraft. Aktivatoren (10) omfatter et legeme som har en hydraulisk sylinder (12), en isolert tilførsel av fluid tilveiebrakt til sylinderen (12), den isolerte tilførselen av fluid posisjonert i et miljø som er ved et trykk annet enn atmosfæretrykk, og en aktivatoranordning (10) operativt forbundet til den hydrauliske sylinderen (12), hvor aktivatoranordningen (10) er tilpasset til å drive et stempel (14) i sylinderen (12) for å bevege et ventillegeme (102) inn i eller ut av inngrep med et ventilsete.

Description

Teknisk felt for oppfinnelsen

Den følgende oppfinnelsen angår et system for å kontrollere en ventil ved et fjerntliggende sted. Mer spesielt, angår oppfinnelsen et system for å kontrollere en ventil ved en undersjøisk installasjon, hvor ventilen har et ventilelement som er bevegelig mellom en første og en andre posisjon, og en fjær som forspenner ventilelementet til den første posisjonen. Systemet omfatter en hydraulisk sylinder med et bevegelig stempel, hvor stempelet er mekanisk forbundet til det nevnte ventilelementet, en isolert tilførsel av fluid tilveiebrakt til sylinderen, den isolerte fluidtilførselen er posisjonert i et miljø som er ved et trykk annet enn atmosfæretrykk, en fluidpumpe operativt forbundet til den hydrauliske sylinderen, hvor pumpen er tilpasset til å drive stempelet i sylinderen til en andre posisjon for å medvirke til at ventilelementet beveges til dets andre posisjon, en første hydraulisk linje operativt anordnet mellom den hydrauliske sylinderen og pumpen.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Produksjonen fra en undersjøisk brønn er kontrollert av et antall av ventiler som er sammenstilt i et ventiltre. Aktueringen av ventilene er normalt avhengig av hydraulisk fluid for å operere hydrauliske aktuatorer for ventilene og er derfor fullstendig avhengig av en ekstern kilde for tilførsel av hydraulisk fluid. Hydraulisk kraft er normalt tilført gjennom en navlestreng som løper fra en stasjon som befinner seg på et fartøy ved overflaten eller, mindre vanlig, fra en landbasert stasjon. Normalt er aktuatorene kontrollert av pilotventiler som befinner seg i en kontrollmodul som befinner seg ved eller nær den undersjøiske installasjonen, hvor pilotventilene styrer tilførselen av fluid til hver aktuator, diktert av behovet for operasjon. Pilotventilene kan være operert av elektriske anordninger og slik et system er derfor kalt et elektrohydraulisk system.

Designen av aktuatorene og ventilene for undersjøiske brønner er bestemt av strenge krav til standarden og funksjonen for disse ventilene, siden man har fare for ukontrollert utslipp av hydrokarboner. Et typisk krav er at disse ventilene må være feilsikkert lukkede, hvilket betyr at de må lukke seg ved tap av kraft eller kontroll. Den eneste praktiske anordningen i dag i undersjøiske miljøer, er å benytte fjærer som er holdt i en komprimert stilling ved det hydrauliske trykket, for å holde ventilene åpne, og som vil bli frigjort i tilfelle man taper hydraulisk trykk, og derved lukke ventilen. Fjærkraften som trengs for å lukke en ventil er avhengig både av brønntrykket og omgivelsestrykket, hvor større omgivelsestrykk krever større fjærer.

For kontroll av undersjøiske brønner, må det etableres en forbindelse mellom brønnen og en overvåknings- og kontrollstasjon. Denne stasjonen kan enten befinne seg på et flytende fartøy nær den undersjøiske installasjonen eller på en landstasjon langt vekk. Kommunikasjonen mellom kontrollstasjonen og den undersjøiske installasjonen er normalt tilveiebrakt ved å installere en navlestreng mellom de to punktene. Navlestrengen omfatter linjer for tilførsel av hydraulisk fluid til de forskjellige aktuatorene i eller ved brønnen, elektriske linjer for tilførsel av elektrisk kraft og signaler til forskjellige overvåknings- og kontrollanordninger og linjer for signaler som kommuniseres til og fra brønnen. Denne navlestrengen er en veldig komplisert og dyr enhet, som koster flere tusen dollar pr. meter.

Det vil derfor være veldig kostbesparende å ha muligheten til å eliminere navlestrengen. Forslag er fremmet for å benytte elektrisk opererte aktuatorer for undersjøiske ventiler istedenfor den tradisjonelle hydrauliske aktuatoren, se f.eks. US patent nr. 5 497 672 og 5 984 269. Imidlertid, medfører dette installasjon av fullstendig nye aktuatorer, som resulterer i at det ikke er mulig å bygge om et hydraulisk system med en elektrisk aktuator.

I oppfinnelsen, kan standard hydrauliske linjer elimineres mens man samtidig opprettholder det standard hydrauliske fjæropererte feilsikkersystemet.

EP patentsøknad nr. 1209294 beskriver en elektrohydraulisk kontrollenhet med et stempel/sylinderarrangement hvor stempelet deler sylinderen inn i to kammer, en fluidforbindelse mellom de to kamrene og en ventil for å konfigurere strømningsmønstre slik at trykksatt hydraulisk fluid bare kan strømme i én retning, men ikke i begge retninger.

US patent nr. 6 269 874 beskriver en elektrohydraulisk overflatekontrollert undersjøisk sikkerhetsventilaktuator som omfatter en elektrisk aktivert trykkpumpe og en dumpventil som normalt er åpen slik at om man mister kraft, frigjøres trykket og sikkerhetsventilen lukkes.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et system for å kontrollere en ventil som unngår ulempene i forbindelse med de ovenfor nevnte tidligere kjente løsninger.

Sammendrag av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelse angår et system for å kontrollere en ventil ved et fjerntliggende sted, hvor ventilen har et ventilelement som er bevegelig mellom en første og en andre posisjon, og en fjær som forspenner ventilelementet i den første posisjon, hvor systemet omfatter: en hydraulisk sylinder med et bevegelig stempel, hvor stemplet er mekanisk forbundet til ventilelementet, en isolert tilførsel av fluid tilveiebrakt til sylinderen, hvor den isolerte tilførselen av fluid befinner seg i et miljø som er ved et trykk annet enn atmosfærisk trykk, en fluidpumpe operativt forbundet til den hydrauliske sylinderen, hvor pumpen er tilpasset til å drive stempelet i sylinderen til den andre posisjonen for å medvirke til at ventilelementet beveges til sin andre posisjon, en første hydraulisk linje operativt forbundet mellom den hydrauliske sylinderen og pumpen, hvor den hydrauliske linjen tilfører tilstrekkelig trykk til å bevege stempelet til den andre posisjonen, og en andre hydraulisk linje som tilveiebringer fluidkommunikasjon mellom de to sidene av stemplet for å frigjøre slik at stemplet forflytter seg til sin første posisjon. Videre er stempelet frigjørbart forbundet til ventilelementet

I en foretrukket utførelse, er det fjerntliggende stedet undersjøisk, og operasjonen av den hydrauliske aktuatoren åpner en undersjøisk ventil.

I en foretrukket utførelse, er fluidpumpen drevet av en elektrisk motor.

I en foretrukket utførelse, omfatter systemet et hydraulisk fluidtilførselsreservoar for å lagre en mengde av det tilførte fluidet, hvor fluidet er et hydraulisk fluidtilførselsreservoar ved et trykk som er mindre enn det tilstrekkelige trykket, og enveisventilen i den første hydrauliske linjen muliggjør at fluid strømmer i bare én retning fra pumpen til sylinderen.

I en foretrukket utførelse, omfatter systemet en fluidlinje som forbinder fluidtilførselsreservoaret med pumpen.

I en foretrukket utførelse, omfatter den hydrauliske sylinderen et bevegelig stempel, som deler sylinderen i et første og et andre kammer, og hvor det første kammeret er forbundet til den første fluidlinjen, og det andre kammer er forbundet til den hydrauliske fluidtilførselen, og en omløpskontrollventil tilveiebringer fluidkommunikasjon mellom det første kammer og det andre kammer.

I en foretrukket utførelse, er omløpskontrollventilen en toveisventil som er bevegelig mellom en lukket og en åpen posisjon.

I en foretrukket utførelse, omfatter omløpskontrollventilen en fjær, hvor fjæren er tilpasset til å bevege ventilen til dens første posisjon.

I en foretrukket utførelse, er ventilen beveget til dens andre posisjon av en solenoide.

I en foretrukket utførelse, omfatter systemet en gjentagende tilførselslinje og en gjentagende tilførselskobling, hvor den gjentagende tilførselskoblingen er tilpasset til å ha en grenseflate med en ekstern kilde av fluid, og den gjentagende tilførselslinjen er posisjonert mellom den gjentagende koblingen og det hydrauliske tilførselsreservoaret.

Kort beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet med referanse til de vedføyde tegningene hvor:

Fig. 1 er en skjematisk figur av oppfinnelsen i en første arbeidsstilling, og

Fig. 2 er en skjematisk figur som viser oppfinnelsen i feilsikkerstilling.

Beskrivelse av foretrukne utførelser

På fig. 1 er det vist en aktuator 10 som har sylindrisk hus 12. Et stempel 14 er aksielt bevegbart i huset, mellom en første og andre posisjon. En stang 16 er forbundet til stempelet og strekker seg til utsiden av huset 12. En flens eller brakett 22 er tilveiebragt for å montere aktuatoren til en undersjøisk ventil. Et håndtak 24 muliggjør at aktuatoren kan transporteres og monteres med en ROV. Et lineært tilsidesettingsverktøy 20 er benyttet for manuelt å bevege stemplet, ved å benytte et ROV-verktøy.

Stemplet 14 omfatter tetninger 11 for å tette stemplet mot sylinderen. Stemplet 14 definerer første 13 og andre 15 (fig. 2) kamre i huset. En fluidlinje 42 forbinder det andre kammeret 15 med en akkumulator 44 med variabelt volum. En fluidlinje 45 forbinder akkumulatoren 44 med inntakssiden av en pumpe 47. En fluidlinje 36 forbinder det første kammeret 13 med trykksiden av pumpen 47. En enveisventil 34 er installert i fluidlinjen 36, og tillater fluid å strømme bare mot kammeret 13. En kort fluidlinje med en kobling 43 kan innarbeides i fluidlinjen 45, for å muliggjøre at fluid kan suppleres og etterfylle akkumulatoren 44.

En ytterligere fluidlinje 48 forbinder fluidlinjene 45 og 36.1 fluidlinjen 48 befinner det seg montert en toveisventil 39. Ventilen er bevegelig mellom en lukket posisjon (fig. 1) hvor man lukker fluidstrømmen gjennom linjen 48 og en åpen posisjon (fig.

2) som tillater fluid å strømme gjennom linjen 48. Som man kan se fra fig. 2, kan

fluid strømme fra det første kammeret 13 mot det andre kammeret 15 eller den andre veien, når ventilen 39 er i dens åpne posisjon. En fjær 40 er anordnet for å forspenne ventilen 39 til en åpen posisjon. En solenoide 38 kan tilføres energi til å bevege ventilen 39 til dens lukkede posisjon, mot holdekraften av fjæren.

Pumpen 47 er operert av en motor 31. Trykk- og temperatursensorer 27 og 33 er montert i fluidlinjene 36 og 45, respektivt. En filterenhet 46 kan være installert i fluidlinjen 45.

Forskjellige deler av enheten er i kommunikasjon med en elektrisk modul 50 gjennom kabler 26, 28, 30 og 32. Den elektriske modulen 50 er via en kabel 52 i kommunikasjon med en fjerntliggende stasjon (ikke vist), for å motta kraft og kommunikasjonssignaler fra denne.

I den foretrukne utførelsen, er motoren 31 en børsteløs DC-motor. Også i den foretrukne utførelsen, omfatter den elektriske modulen et batteri 54 for å tilveiebringe primærkraft til motoren og solenoiden. Batteriet er vedlikeholdslagret fra en lokal kraftkilde eller fra overflaten. På grunn av dette, er bare en liten kabel nødvendig for å tilveiebringe kraft til batteriet. Alternativt, kan primær DC-kraft tilføres fra den fjerntliggende stasjonen.

På fig. 2 er det vist en ventil 100 som kan opereres ved å benytte aktuatoren. Ventilen har et ventilelement 102 forbundet til en ventilstang 104, hvor ventilstangen strekker seg inn i og gjennom et fjærhus 106. En fjær 108 befinner seg i fjærhuset 106. Ventilstangen 104 har en fjæraktueringsflens 110 fast forbundet til denne. Ventilstangen avsluttes i en standard grenseflatemekanisme 112. Stempelstangen 16 har ved dens ende en korresponderende grenseflate, som tillater ventilstangen 104 å operativt forbindes med stempelstangen 16.

For å bevege ventilelementet 102 til dets åpne posisjon er solenoiden 38 tilført energi for å bevege toveisventilen 39 til den lukkede posisjonen vist på fig. 1, mot kraften av fjæren 40. Deretter er motoren 31 operert for å drive pumpen 47. Pumpen vil overføre fluid fra det andre kammeret 15 til det første kammeret 13 av aktuatoren 10 for å forflytte stempelet 14 til dets andre posisjon, vist på fig. 1.

Dette gir at ventilstangen 104 vil beveges, som forårsaker at ventilelementet 102 åpnes. Trykksensor 27 avleser trykket i fluidlinjen 36, og kutter kraften til motoren 31 når trykket har nådd et forhåndsbestemt nivå tilstrekkelig for å drive ventilstangen 106 mot kraften av fjæren 108. Derved sikrer enveisventil 34 og toveisventilen 39 at ventilelementet holdes i denne posisjonen.

Når det er nødvendig å lukke ventilen, eller i en nødssituasjon, stenges kraften til solenoiden 38 av. Dette forårsaker toveisventilen 39 til å beveges til sin åpne posisjon vist på fig. 2. Dette åpner fluidkommunikasjonsstrømningsveien mellom første 13 og andre 15 kammer. Siden trykket nå er utlignet på hver side av stemplet, vil fjæren 108 dytte stempelstangen 16 bakover til dens første posisjon og ventilen 100 vil lukke når fluid er overført til kammer 15 fra kammer 13.

Solenoiden 39 er av den trykkbalanserte typen, hvor fluidkreftene er utlignet over ventilen. Fjæren kan derfor være veldig liten og holdekraften av solenoiden tilsvarende liten. Akkumulatoren 44 med variabelt volum jevner ut trykkopphopninger i returneringssystemet og tilveiebringer også ekstra fluidkapasitet, slik det er vel kjent innen fagområdet.

Aktuatoren kan gjøres veldig liten og kompakt. Den er frigjørbart forbundet til ventilen 100 som gjør det enkelt å gjenoppta og erstatte ved reparasjoner og vedlikehold. Det modulariserte arrangementet gjør det også mulig å bytte denne aktuatoren med en fullstendig elektrisk aktuator. Det er også mulig å ettermontere en aktuator på en tidligere manuell ventil. Aktuatoren krever veldig liten kraft for å holde ventilen i en åpen posisjon. Ventiler som benyttes ved undersjøiske installasjoner slik som ventiltrær, er normalt operert med lange tidsintervaller. Batteriet krever bare å ha nok energi for én operasjonssyklus. Imidlertid, vil det normalt være gitt en størrelse slik at det muliggjøres å levere kraft til i det minste to sykler i tilfelle ventilen må åpnes hurtig etter en nedstengning.

Det skal forstås at mens den foreliggende oppfinnelse er blitt beskrevet i forbindelse med foretrukne utførelser av denne, vil en fagmann innen området utvikle mindre variasjoner av strukturen og operasjonsdetaljene uten å avvike fra prinsippene av oppfinnelsen, slik den er definert i de etterfølgende kravene. F.eks., kan oppfinnelsen benyttes med en trykkforsterker i stedet for en pumpe.

Claims (11)

1. Et system for å kontrollere en ventil (100) ved et fjerntliggende sted hvor systemet omfatter: en hydraulisk sylinder med et bevegelig stempel (14), hvor stempelet (14) er mekanisk forbindbart til et ventilelement (102) av ventilen (100), en isolert tilførsel av fluid tilveiebrakt til sylinderen, den isolerte fluidtilførselen befinner seg i et miljø som er ved et trykk annet enn atmosfæretrykk, en fluidpumpe (47) operativt forbundet til den hydrauliske sylinderen, hvor pumpen (47) er tilpasset til å drive stemplet (14) i sylinderen til en andre posisjon for å forårsake at ventilelementet (102) beveges til dens andre posisjon, en første hydraulisk linje (36) operativt forbundet mellom den hydrauliske sylinderen og pumpen (47), den hydrauliske linjen (36) tilfører tilstrekkelig trykk for å bevege stemplet (14) til den andre posisjonen, og en andre hydraulisk linje (42, 45) som tilveiebringer fluidkommunikasjon mellom de to sidene av stemplet (14) for å frigjøre trykket for dermed å medføre at stemplet (14) beveges tilbake til dens første posisjon,karakterisert vedat hvor systemet er frigjørbart forbindbart til ventilen (100) og hvor ventilelementet (102) av ventilen (100) er bevegbart mellom en første og en andre posisjon og forspent av en fjær (108) som forspenner ventilelementet (102) til den første posisjon.

2. System i henhold til krav 1, karakterisert vedat det fjerntliggende stedet er undersjøisk, og operasjonen av den hydrauliske aktuatoren (10) åpner en undersjøisk ventil (100).

3. System i henhold til krav 1, karakterisert vedat fluidpumpen (47) er drevet av en elektrisk motor.

4. System i henhold til krav 1, karakterisert vedat stemplet (47) er frigjørbart forbundet til ventilelementet (102).

5. System i henhold til krav 1, karakterisert vedat det videre omfatter et hydraulisk fluidtilførselsreservoar for å lagre en mengde av den nevnte tilførsel av fluid, hvor fluidet i det nevnte hydrauliske fluidtilførselsreservoaret er ved et trykk som er mindre enn tilstrekkelig trykk, og en enveisventil (34) i den første hydrauliske linjen muliggjør fluid til å strømme i bare én retning fra pumpen (47) til sylinderen.

6. System i henhold til krav 1, karakterisert vedat det videre omfatter en fluidlinje som forbinder fluidtilførselsreservoaret med pumpen (47).

7. System i henhold til krav 1, karakterisert vedat den hydrauliske sylinderen omfatter et bevegelig stempel (14), som deler sylinderen i et første kammer (13) og et andre kammer (15), og hvori det første kammer (13) er forbundet til den første fluidlinjen og det andre kammer (15) er forbundet med den hydrauliske fluidtilførselen (42), og en omløpskontrollventil (39) tilveiebringer fluidkommunikasjon mellom det første kammer og det andre kammer.

8. System i henhold til krav 7, karakterisert vedat omløpskontrollventilen er en toveisventil (39) som er bevegelig mellom en lukket og en åpen posisjon.

9. System i henhold til krav 8, karakterisert vedat omløpskontrollventilen (39) omfatter en fjær (40), hvor fjæren er tilpasset til å bevege ventilen til dens første posisjon.

10. System i henhold til krav 8, karakterisert vedat ventilen (39) er beveget til dens andre posisjon av en solenoide (38).

11. System i henhold til krav 1, karakterisert vedat den videre omfatter en gjentagende tilførselslinje og en gjentagende tilførselskobling, hvor nevnte tilførselskobling (43) er tilpasset til å ha en grenseflate med en ekstern kilde av fluid, og den nevnte tilførselslinjen er posisjonert mellomliggende tilførselskoblingen og det nevnte hydrauliske tilførselsreservoaret.