NO20120227A1

NO20120227A1 - System og fremgangsmåte for å holde sikkerhetsventil åpen

Info

Publication number: NO20120227A1
Application number: NO20120227A
Authority: NO
Inventors: Gary B Lake; Priyesh Ranjan; Kenneth Wilson; Michael Rainone; Phillip Grisham; Samuel Sackett
Original assignee: Baker Hughes A Ge Co Llc
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2012-03-01
Also published as: GB2484865B; US20110037005A1; WO2011019644A3; AU2010282758B2; BR112012003279A2; SG178379A1; WO2011019644A2; BR112012003279B1; GB201202468D0; GB2484865A; AU2010282758A1; NO347037B1; US8398050B2

Description

Bakgrunn

På områder hvor fluider blir transportert i rør til andre steder, og spesielt når disse fluidene kan være under høyt trykk og/eller inneholde etsende kjemiske bestanddeler, blir det anvendt sikkerhetsventiler. Sikkerhetsventiler er generelt komponenter som kan åpnes på kommando og lukkes automatisk ved tap av kommandoen. En aktivering av denne typen blir vanligvis kalt «sviktsikker» siden den naturlige tilstanden til ventilen er lukket, og den vil bli beveget til denne posisjonen av seg selv hvis dette tillates av en tilknyttet styringsenhet.

Sikkerhetsventiler har tradisjonelt benyttet hydraulisk aktivering som gir et stort kraftpotensial og en meget enkel måte for å opprettholde kraften på et stempel i sikkerhetsventilen. En behøver ganske enkelt å låse den hydrauliske ledningen, og kraften forblir. I den senere tid har imidlertid miljøforskrifter i forbindelse med hydraulisk olje og sikkerhetsforskrifter på områder som krever lagring av visse store mengder hydraulisk olje, gjort bruken av hydrauliske aktuatorer mindre gunstig.

Elektrisk aktiverte sikkerhetsventiler er blitt mer interessante på mange vanlige områder innbefattende, men ikke begrenset til, borings- og kompletterings-område. Forskjellige typer elektriske motorer som innbefatter, men ikke er begrenset til, lineære motorer, roterende motorer, osv., er blitt gjenstand for økende interesse og har vist seg i stand til å åpne en sikkerhetsventil og gjøre den sviktsikker ved tap av kraft i systemet. På grunn av kraftbehovene til elektriske aktuatorer blir mange av disse aktuatortypene ikke foretrukket selv om de er i stand til å holde en sikkerhetsventil åpen. Andre anordninger som beror på et mekanisk låsearrangement reduserer kraftforbruket, men er konstruksjonsmessig mindre «sviktsikre» ettersom forskjellige konfigurasjoner benytter friksjon til å overvinne, utløse og tillate lukking av sikkerhetsventilen. De relevante tekniske områdene vil ta godt imot konstruk-sjoner og fremgangsmåter som gjør det mulig for elektrisk aktiverte sikkerhetsventiler å bli holdt åpne uten at det kreves en stor kraftforsyning og uten å måtte innføre ukvantifiserbare friksjonskrefter i sviktsikringen av sikkerhetsventilen.

Oppsummering

Et aktuator- og utbalanseringssystem innbefatter en stasjonær bærer; en mobil bærer som er bevegelig i forhold til den stasjonære bæreren; og et utbalanseringssystem i operativ kommunikasjon med den mobile bæreren og utformet for å utbalansere mindre enn 100 prosent av en returkraft fra et verktøy aktivert ved hjelp av aktuatoren.

En fremgangsmåte for å redusere kraftforbruk i en elektrisk aktuator brukt til å aktivere et verktøy innbefatter å energisere en elektrisk aktuator; å bevege en komponent i et verktøy festet til aktuatoren; og å opprettholde aktuatoren i en aktivert posisjon med et utbalanseringssystem som har en holdekapasitet som er mindre enn 100 prosent av en returfjær i en komponent i verktøyet som er aktivert ved hjelp av aktuatoren.

Et aktivator- og utbalanseringssystem innbefatter en stasjonær bærer; en mobil bærer som er bevegelig i forhold til den stasjonære bæreren; en første del av et utbalanseringssystem i operativ kommunikasjon med den mobile bæreren og utformet for å utbalansere mindre enn 100 prosent av en returkraft fra et verktøy aktivert av aktuatoren; og en annen del av utbalanseringssystemet utformet for å holde den balansen av returkraften som ikke utbalanseres av den første delen av utbalanseringssystemet.

Et utbalanseringssystem innbefatter en første struktur som enten kan motta et magnetfelt eller som er utformet for å frembringe et magnetfelt; og en annen struktur som enten kan motta et magnetfelt eller er utformet for å tilveiebringe et magnetfelt, hvor en av den første strukturen og den andre strukturen er i operativ kommunikasjon med en bevegelig del av et aktuatorsystem, og den andre av den første strukturen og den andre strukturen er posisjonsmessig fiksert i forhold til aktuatoren, idet den første strukturen og den andre strukturen når de er brakt sammen, tiltrekker hverandre tilstrekkelig til å frembringe en kraft som er mindre enn 100 prosent av en returkraft i et verktøy aktivert ved hjelp av aktuatoren.

Kort beskrivelse av tegningene

Det vises nå til tegningene hvor like elementer er nummerert likt på de forskjellige figurene: Figur 1 er en perspektivskisse av en elektrisk aktuator for en sikkerhetsventil med en anordning for å holde den åpen som beskrevet her.

Detaljert beskrivelse

Det vises til figur 1 hvor en elektrisk aktuator 10 maken til den som er beskrevet i US-patentsøknad med serienummer: 12/540931, Attorney Docket No. SSV4-49602-US (BAO0354US), med tittel «PERMANENT MAGNET LINEAR MOTOR ACTUATED SAFETY VALVE AND METHOD» inngitt 13. august 2009 (hvis innhold i sin helhet herved inkorporeres ved referanse) på en sikkerhetsventil som illustrert. Aktuatoren 10 er utformet med en mobil bærer 12 som kan være en ytre bærer som illustrert, eller en indre bærer og en ikke bevegelig eller stasjonær bærer

14 som kan være en indre bærer som illustrert eller en ytre bærer. De ytre og indre bærerne er innrettet for å reagere på magnetisk energi uansett om dette er basert på permanentmagneter, basert på indusert felt, spolebasert eller en kombinasjon av noen av disse. I en spesiell utførelsesform blir permanentmagnetene 16 båret av en bærer 12 (synlig på grunn av illustrasjon av bæreren 12 som gjennomsiktig) og spoler blir båret av bæreren 14. Spolene blir energisert av en kilde som kan være en kilde på overflaten eller en annen fjerntliggende kilde, eller en lokal kilde, hvor kildene innbefatter batterier, generatorviklede kilder slik som TEC, optiske kilder osv. Spolene blir styrt for å generere magnetfelter i en sekvens utformet for å bevege den ytre bæreren 12 mot den fullstendig aktiverte posisjonen som, som vist, er mot det øvre høyre hjørne avtegningsfiguren. Den aktuatoren som er beskrevet der, innbefatter et utbalanseringssystem 18 som selv innbefatter en åpenholdningsstruktur 20 som vekselvirker med den mobile bæreren, og som kan være ringformet som vist eller som kan ha en annen form og være posisjonert atskilt i forhold til bæreren 12 når den er i den ikke aktiverte posisjonen, og i nærheten eller i kontakt med bæreren 12 når den er i den aktiverte posisjonen. Strukturen 20 kan være montert på den stasjonære bæreren eller et verktøy-hus osv. Posisjonering av strukturen 20 blir overført til det fullstendig tilsiktede slaget til bæreren 12 og er følgelig under drift i stand til hovedsakelig å holde bæreren 12 i den aktiverte stillingen. Strukturen 20 omfatter enten en magnetfeltproduserende konfigurasjon eller en magnetfeltreagerende konfigurasjon. I en utførelsesform hvor strukturen 20 produserer et magnetfelt, kan det genereres av en eller flere permanentmagneter eller en eller flere spoler 22.1 en utførelsesform hvor strukturen 20 omfatter en magnetfeltreagerende konfigurasjon, kan den være av et metall slik som for eksempel stål, jern osv. En komplementær magnetfeltproduserende struktur 24 som omfatter en eller flere permanentmagneter eller en eller flere spoler eller et komplementært magnetfeltreagerende materiale, er anordnet ved en ende av bæreren 12. For tydelighets skyld kan numrene 22 og 24 være magnetiske, 22 kan være magnetisk mens 24 reagerer på magnetfelter, eller 22 kan reagere mens 24 er magnetisk. I en utførelsesform hvor både 22 og 24 produserer magnetfelter, er de orientert for å ha motsatt polaritet slik at de tiltrekker hverandre. Tiltrekningskraften til 22 og 24 vil tilveiebringe en holdekraft til bæreren for å bidra til å opprettholde bæreren 12 i den aktiverte posisjonen. Denne utførelsesformen vil tilveiebringe en sterkere åpenholdende kraft enn utførelsesformer hvor bare en av 22 eller 24 frembringer et magnetfelt.

Det skal bemerkes at holdekraften «bidrar» til å holde bæreren i den be-skrevne posisjonen. Den er spesielt ikke av en størrelse som er tilstrekkelig til å holde bæreren i den fullt aktiverte posisjonen. Åpenholdningskraften som genereres ved/med strukturen 20, representerer, sagt på en annen måte, mindre enn 100 prosent av returkraften til et verktøy aktivert av aktuatoren. Dette er for å sikre sviktsikker drift av et verktøy som er aktivert på denne måten, slik som en sikkerhetsventil. I en utførelsesform er prosentandelen av returkraften som holdes av utbalanseringssystemet større enn fra omkring 75 prosent til mindre enn 100 prosent.

For hver spesiell utførelsesform hvor anordningen vil bli brukt, bør tiltrekningskraften til magnetene 22 og 24 (eller de reagerende strukturene) være fastsatt ved en prosentandel av en returkraftkomponent for verktøyet. Hvis verktøyet for eksempel er en sikkerhetsventil, vil kraftfjæren være returanordning (velkjent for en vanlig fagkyndig på området). Kraftfjæren vil ha en utformet fjærkonstant for den spesielle ventilen. For å forenkle diskusjonen betraktes et rundt tall på 200 pund. Tiltrekningskraften til magnetene 22 og 24 (eller reaksjonsstrukturene) må være en prosentandel av 200 pund. Jo større prosentandelen er, jo mindre kraft er nødvendig i lineærmotoren for å holde bæreren i den aktiverte tilstanden fordi mindre av kraften til fjæren blir overført til bæreren. Hvis kraften til magnetene 22 og 24 (eller reaksjonsstrukturene) er satt til 180 pund, så er det en fjærkraft på 20 pund som overføres til bæreren 12. Størrelsen på kraften som da er nødvendig for å holde lineærmotoren eller en hvilken som helst annen elektrisk basert konstruksjon på plass, behøver bare å være tilstrekkelig til å understøtte en last på 20 pund i mot-setning til en last på 200 pund hvis det utbalanserende magnetsystemet ikke var på plass. Det skal bemerkes at den hypotetiske fjærkraften på 200 pund ikke er ment å være begrensende på noen måte, men er bare ment som et eksempel.

Fordi utbalanseringssystemet bare holder en del av lasten fra en drivfjær eller en annen returanordning, blir betraktninger om sviktsikkerhet med hensyn til utbalanseringssystemet betraktet som om utbalanseringssystemet selv ikke kan holde bæreren 12 i den aktiverte posisjonen, men vil kreve kraft tilført til aktuatoren. Kraft som aktuatoren i dette systemet behøver, er betydelig lavere enn den ville være i lignende systemer uten utbalanseringssystemet. Dette er på grunn av den direkte reduksjonen av last på aktuatoren som skyldes utbalanseringen. I en utførelsesform vil kraftforbruket falle fra 200 watt til 50 watt eller helt ned til 20 watt i noen utførelsesformer, på grunn av utbalanseringssystemet. Det er ikke nødvendig å levere noe kraft til utbalanseringssystemet, og det er ikke noe mekanisk inngrep i dette systemet slik det er i tidligere kjente utførelsesformer for å holde sikkerhetsventilen åpen.

Selv om en utførelsesform er vist og beskrevet ved å bruke magnetfeltproduserende strukturer på begge sider av gapet i den ikke aktiverte posisjonen, skal det bemerkes at en magnetfeltproduserende struktur på en side av gapet, det vil si 22 eller 24, vil ganske enkelt et magnetfeltreagerende materiale slik som jern, stål osv., ved den andre av 22 eller 24 også virke, men med proporsjonalt mindre kraft. Siden det skjematisk ikke er noen forskjell i utseende, er figur 1 tilstrekkelig til å illustrere også disse utførelsesformene.

I alle de utførelsesformene som er beskrevet ovenfor, er det nødvendig å holde selve aktuatoren aktiv for å bære den del av returlasten fra verktøyet som er aktivert, og som ikke bæres av utbalanseringssystemet. I en annen utførelsesform vil imidlertid utbalanseringen holde hele lasten, men den del av lasten som ellers ville (i en foregående utførelsesform) bli båret av aktuatoren, vil bli båret av en svikt-sikringsanordning i utbalanseringssystemet. Aktuatoren kan tillates å «gå i dvale». I denne utførelsesformen er den samme eller en annen spole inkorporert i utbalanseringssystemet ved 22 eller 24, eller begge steder, hvor spolen bærer den utbalanseringen av returlasten som ikke bæres av de funksjonelle karakteristikkene til utbalanseringssystemet som beskrevet ovenfor. Ved å bruke de samme kraft-tallene som ovenfor, vil utbalanseringssystemet i denne utførelsesformen holde 180 pund, og en spesiell aktivert spole eller en av spolene som er nevnt ovenfor, vil holde mer enn 20 pund, det vil si resten av lasten. Siden hele lasten til drivfjæren blir understøttet i denne utførelsesformen, er det ikke nødvendig å fortsette å energisere aktuatoren. Sviktsikringsfunksjonen vil bli elektrisk overført til elektromagneten. I en utførelsesform hvor utbalanseringen er basert på permanentmagneter, vil en ytter-ligere spole være nødvendig, men der hvor en spole allerede er en del av utbalanseringen, er det ikke mulig å få denne spolen til å generere en sterkere holdekraft for å utjevne eller overskride returkraften. I tillegg er det alltid mulig å holde de samme spolene og deres utforming som i tidligere utførelsesformer hvor utbalanseringskraften nødvendigvis er mindre enn 100 prosent av returkraften, og tilføye en annen spole som er sviktsikker og utformet for å levere tilstrekkelig kraft til å holde den del av returkraften som ikke holdes av utbalanseringsdelen. Representasjonen på figur 1 gjelder også for denne utførelsesformen.

Selv om foretrukne utførelsesformer er blitt vist og beskrevet, kan modifika-sjoner og utskiftninger av disse gjøres uten å avvike fra oppfinnelsens ramme. Det skal følgelig bemerkes at foreliggende oppfinnelse er blitt beskrevet som en illustrasjon og ikke som noen begrensning.

Claims

1. Aktuator- og utbalanseringssystem som omfatter: en stasjonær bærer; en mobil bærer som er bevegelig i forhold til den stasjonære bæreren; og et utbalanseringssystem i operativ kommunikasjon med den mobile bæreren og utformet for å utbalansere mindre enn 100 prosent av en returkraft for et verktøy aktivert av aktuatoren.

2. System ifølge krav 1, hvor utbalanseringssystemet omfatter en magnetfeltproduserende struktur posisjonert i avstand fra den mobile bæreren når aktuatoren er uaktivert og i et nært forhold til den mobile bæreren når aktuatoren er aktivert.

3. System ifølge krav 1, hvor utbalanseringssystemet omfatter en magnetfeltproduserende struktur posisjonert ved en ende av den mobile bæreren.

4. System ifølge krav 2, hvor den magnetfeltproduserende strukturen omfatter en eller flere permanentmagneter.

5. System ifølge krav 2, hvor den magnetfeltproduserende strukturen omfatter en enkelt permanentmagnet.

6. System ifølge krav 2, hvor den magnetfeltproduserende strukturen er en eller flere spoler.

7. System ifølge krav 3, hvor den magnetfeltproduserende strukturen omfatter en eller flere permanentmagneter.

8. System ifølge krav 3, hvor den magnetfeltproduserende strukturen omfatter en enkelt permanentmagnet.

9. System ifølge krav 3, hvor den magnetfeltproduserende strukturen er en eller flere spoler.

10. System ifølge krav 1, hvor utbalanseringssystemet er montert på den mobile bæreren.

11. System ifølge krav 1, hvor utbalanseringssystemet er mer enn omkring 75 prosent og mindre enn 100 prosent av en returkraft for det verktøyet som er aktivert av aktuatoren.

12. Fremgangsmåte for å redusere kraftforbruk i en elektrisk aktuator brukt til å aktivere et verktøy, omfattende: å energisere en elektrisk aktuator; å bevege en komponent i et verktøy festet til aktuatoren; og å holde aktuatoren i en aktivert posisjon med et utbalanseringssystem som har en holdekapasitet mindre enn 100 prosent av en returkraft for en komponent i verktøyet som er aktivert av aktuatoren.

13. Aktuator- og utbalanseringssystem som omfatter: en stasjonær bærer; en mobil bærer som er bevegelig i forhold til den stasjonære bæreren; en første del av et utbalanseringssystem i operativ kommunikasjon med den mobile bæreren og utformet for å utbalansere mindre enn 100 prosent av en returkraft for et verktøy som er aktivert av aktuatoren; og en annen del av utbalanseringssystemet utformet for å holde resten av returkraften som ikke holdes av den første delen av utbalanseringssystemet.

14. Utbalanseringssystem, omfattende: en første struktur som enten reagerer på et magnetfelt eller som er utformet for å frembringe et magnetfelt; og en annen struktur som enten reagerer på et magnetfelt eller som er utformet for å frembringe et magnetfelt, der en av den første strukturen og den andre strukturen er i operativ kommunikasjon med en mobil del av et aktuatorsystem og den andre av den føreste strukturen og den andre strukturen er posisjonsmessig fiksert i forhold til aktuatoren, i det den første strukturen og den andre strukturen når de er bragt sammen, tiltrekker hverandre tilstrekkelig til å frembringe en kraft mindre enn 100 prosent av en returkraft i et verktøy som er aktivert av aktuatoren.