專利名稱：閘閥促動器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及一種用于海底碳?xì)浠衔锏纳a(chǎn)的促動器，并且尤其涉及所存 儲的能量的受控制的釋放(用于將閘閥從處理方式不安全的位置驅(qū)動至處理方式安全的 位置的目的)。具體地說，本發(fā)明涉及一種閘閥促動器和用于使閘閥從穩(wěn)態(tài)操作模式轉(zhuǎn)換 到停機(jī)模式_例如緊急停機(jī)模式的方法。背景和現(xiàn)有技術(shù)在以下背景論述中，以及在本發(fā)明的公開中，將頻繁使用以下縮略語BL無刷式DC 直流ESD緊急停機(jī)LVDT線性可變差動變換器PM永久磁體PSD生產(chǎn)停機(jī) SIL儀表化的安全水平SMA形狀記憶合金VSD變速傳動裝置XMT，Xmas tree 采油樹用于碳?xì)浠衔锷a(chǎn)的現(xiàn)有技術(shù)的閘閥促動器包括液壓控制和電氣控制兩者。 在本發(fā)明的上下文中，電氣促動器是現(xiàn)有技術(shù)裝置中最為相關(guān)的。利用旋轉(zhuǎn)電馬達(dá)作為原動力驅(qū)動器并將這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變換成線性運(yùn)動以用于操 作平板閘閥的概念是很普遍的。在當(dāng)代設(shè)計(jì)中，存在這樣的傾向選擇BL DC PM馬達(dá) 作為用于高扭矩性能的馬達(dá)技術(shù)，以及行星滾柱絲杠用于機(jī)械的旋轉(zhuǎn)-線性變換，但是 其它馬達(dá)類型以及其它旋轉(zhuǎn)_線性變換系統(tǒng)也是很常見的。用于控制穿過海底采油樹的碳?xì)浠衔锪髁康钠桨彘l閥和促動器的關(guān)鍵特征是 為緊急操作至安全位置而提供的機(jī)構(gòu)。在發(fā)生動力供應(yīng)故障時，閥必須仍(可)從生產(chǎn) 位置(較不安全位置)回復(fù)至安全位置(非生產(chǎn)位置)。在促動器設(shè)計(jì)和用于緊急操作的觸發(fā)機(jī)構(gòu)方面(兩者)，US7,172,169 (Biester) 和US6572076 (Appleford)被認(rèn)為代表了當(dāng)代的設(shè)計(jì)和這個領(lǐng)域中的良好的當(dāng)前努力的示例。本發(fā)明涉及一種所謂的故障安全促動器，S卩，在失去動力時或響應(yīng)于某類ESD 將其控制的閥從兩個可能的位置驅(qū)動至(處理方式)安全的位置的促動器。例如，當(dāng)應(yīng) 用于采油樹的主閥或翼閥時，閥在失去控制時作為策略的一部分將去到關(guān)閉位置，以保 護(hù)油井安全屏障。因而任務(wù)是實(shí)現(xiàn)一種促動器，其在常規(guī)操作中是非?？煽康模⑶移湓谑ブ?動控制時會轉(zhuǎn)至安全位置。歷史上在失去對關(guān)鍵的XMT閥以及其它類似功能的閥的安 全關(guān)閉的控制時，最被廣泛接受的將啟動的能源是機(jī)械彈簧的釋放，其在較不安全的閥位置中被保持預(yù)張緊，以提供克服摩擦力以及其它阻礙運(yùn)動(視情況而關(guān)閉或打開；某 些類型的閥將會在緊急停機(jī)期間打開)的力而使平板閘門移動所需的動力源。對于液壓 促動器，故障安全機(jī)構(gòu)通常以持續(xù)激勵的電磁閥的形式而嵌入在電動液壓控制系統(tǒng)中。 對于電氣地操作的促動器的情況，在大多數(shù)情況下通過電磁裝置釋放彈簧。在近些年 來，還存在促動器在ESD模式中，在蓄電池或其它用于儲存電能的裝置的動力供應(yīng)下回 復(fù)至安全位置的示例。這種設(shè)計(jì)通常依賴于驅(qū)動馬達(dá)用于ESD操作的電子變速傳動裝置 (VSD)，從而對這些電路設(shè)置了非常高的可靠性要求。
出于本發(fā)明的目的，已經(jīng)假定機(jī)械彈簧是可得到的最可靠的能源。本發(fā)明的一個目的是提供一種高可靠的觸發(fā)機(jī)構(gòu)，其用于釋放彈簧作用，從而 最大限度地增加了 ESD過程的可靠性并因而保護(hù)了高的SIL等級。存在為了實(shí)現(xiàn)一種可靠的觸發(fā)機(jī)構(gòu)而設(shè)計(jì)的許多機(jī)制。本發(fā)明基于一種電氣 地控制的觸發(fā)器與杠桿機(jī)構(gòu)的組合，以便如果通信或動力供應(yīng)即將失效時，觸發(fā)彈簧作 用，從而立即關(guān)閉例如主閥。觸發(fā)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成可處理彈簧的全部力，從而避免ESD過程 中涉及任何中間傳動系構(gòu)件。在基于使用機(jī)械彈簧提供緊急動力的許多現(xiàn)有技術(shù)的促動器中，彈簧在所有時 間都隨著閘門的運(yùn)動而運(yùn)動。這通常意味著閥只是被主動地驅(qū)動到最不安全的位置(通 常穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)模式)，并且總是在彈簧作用下返回至安全位置。這種方案只包括針對單個象 限操作(只在一個方向上主動驅(qū)動，而沒有發(fā)電機(jī)操作)而設(shè)計(jì)的馬達(dá)和驅(qū)動電路。其 它設(shè)計(jì)基于對機(jī)械彈簧只預(yù)張緊一次和來回地主動驅(qū)動閥。明顯這是兩象限操作。實(shí)現(xiàn) 兩象限操作的電氣/電子電路的復(fù)雜性的提升相對不大。另外，通過將滾柱絲杠的運(yùn)動 和彈簧的運(yùn)動分開而節(jié)省動力的內(nèi)在優(yōu)勢被認(rèn)為是少量的和不重要的。ESD功能的可靠 性與常規(guī)操作的可靠性共同代表了用于實(shí)現(xiàn)主題的任何促動器設(shè)計(jì)的本質(zhì)。通過將彈簧擱置在觸發(fā)機(jī)構(gòu)上而使彈簧力平衡的挑戰(zhàn)在于，針對足夠力的彈簧 來實(shí)現(xiàn)一種在低功耗下操作的高可靠性的故障安全機(jī)構(gòu)。對于石油工業(yè)所需要的某些促 動器，所需力對于5”平板閘閥可能高達(dá)40噸-一個典型的數(shù)量級，或者對于7”閥的 情況甚至明顯更高。例如在現(xiàn)有技術(shù)US6,572,076中可觀測到用于觸發(fā)ESD的裝置需要觸發(fā)動力克服 主故障安全彈簧的力來起作用，因而在抵消回位彈簧在穩(wěn)態(tài)條件下的內(nèi)在力時將涉及相 當(dāng)大的力和動力水平。本發(fā)明的一個目的是提供閘閥促動器，通過它，穩(wěn)態(tài)條件中的操作所需要的動 力小，并且顯著地小于主回位彈簧在壓縮下所施加的力，因而只抵消局部和輔助的彈簧 力。所參照的現(xiàn)有技術(shù)的另一特征是當(dāng)從穩(wěn)態(tài)操作模式轉(zhuǎn)換至停機(jī)模式時隨著閘門 操作桿收縮而發(fā)生磨損效應(yīng)的可能性。本發(fā)明的另一目的是提供一種閘閥促動器，其能夠釋放非常大的力而沒有磨損 效應(yīng)。發(fā)明_既述通過獨(dú)立權(quán)利要求中所限定的閘閥促動器和方法，實(shí)現(xiàn)了這些目的，并且基本 上消除了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。在從屬權(quán)利要求中限定了由本發(fā)明提供的進(jìn)一步有利的特征和實(shí)施例。簡要地說，本發(fā)明提供了一種閘閥促動器，其包括可在促動器殼體中線性地運(yùn) 動的桿，促動器殼體可連接到閘閥上，桿作用在閘閥上，以使閘閥分別在打開位置和關(guān) 閉位置之間轉(zhuǎn)換，其中桿被馬達(dá)在第一方向上驅(qū)動到穩(wěn)態(tài)操作位置，并且在所述位置 中，桿在第二相反方向上通過作用在該桿上的彈簧部件而被朝向停機(jī)位置偏置。這種促 動器特征在于一種觸發(fā)機(jī)構(gòu)，其布置成用于在保持位置將彈簧部件保持在壓縮狀態(tài)下， 所述觸發(fā)機(jī)構(gòu)包括可電氣地控制的觸發(fā)器，該觸發(fā)器布置成用于作為對電氣地控制的觸 發(fā)器去激勵的結(jié)果釋放彈簧部件。這樣實(shí)現(xiàn)了一種在常規(guī)操作中非?？煽坎⑶以谑ブ鲃涌刂茣r轉(zhuǎn)至安全位置的 促動器。觸發(fā)機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上可以不同的方式來實(shí)現(xiàn)。觸發(fā)機(jī)構(gòu)的一個有利的實(shí)施例包括 至少一個圍繞樞軸樞轉(zhuǎn)地支承在促動器殼體中的閂鎖，使得在彈簧部件的壓縮狀態(tài)下， 閂鎖的第一端與桿處于操作性接合，并且閂鎖的相對的第二端與觸發(fā)器處于操作性接合。這樣可將機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成可提供杠桿功能，其極大地減少了彈簧部件的動力，并因 而減少了包含在觸發(fā)機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件之間的接觸壓力。在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，觸發(fā)器包括可在促動器殼體中線性地運(yùn)動的棒，和將 棒驅(qū)動至保持位置的電氣地驅(qū)動的觸發(fā)器促動器，其中棒與閂鎖相接合，并且當(dāng)對觸發(fā) 器促動器去激勵時，通過對觸發(fā)器促動彈簧進(jìn)行偏置而將棒從保持位置中收回。這樣就減少了將機(jī)構(gòu)保持在穩(wěn)態(tài)操作模式下所需要的動力，并且只抵消了不與 主回位彈簧的力相關(guān)的局部和輔助的彈簧力。優(yōu)選的是，閂鎖布置成以便間接地通過鎖銷而與棒相接合，鎖銷在保持位置被 棒捕獲，從而與形成于閂鎖第二端中的底座相接合，并且在收回棒時通過樞轉(zhuǎn)的閂鎖將 該鎖銷從底座中推出，這樣就容許閂鎖樞轉(zhuǎn)而脫離與桿的接合。鎖銷可為圓柱形段，以便在釋放時提供滾動作用和最小的摩擦，并且除了杠桿 機(jī)構(gòu)所導(dǎo)致的低的機(jī)械接觸壓力之外，這種方式進(jìn)一步確?；匚粡椈傻尼尫趴稍跊]有任 何磨損效應(yīng)的條件下發(fā)生。在收回棒時，可通過使閂鎖樞轉(zhuǎn)到形成于棒上的凹部中而推動鎖銷。在停機(jī)模式中，閂鎖回位彈簧優(yōu)選布置成以便使閂鎖朝向保持位置偏置。觸發(fā)器促動器可以螺線管的形式、或備選地以形狀記憶合金(SMA)元件的形式 來實(shí)現(xiàn)。觸發(fā)機(jī)構(gòu)優(yōu)選包括閂鎖，其形狀如杠桿，并設(shè)計(jì)成在穩(wěn)態(tài)操作模式下通過其樞 轉(zhuǎn)位置而極大地減少從彈簧部件傳遞至觸發(fā)機(jī)構(gòu)的力。桿可布置成包括或連接到環(huán)形活塞上，環(huán)形活塞接收在包含于促動器殼體內(nèi)的 環(huán)形缸體中，以便運(yùn)動，由此環(huán)形缸體包含用于在釋放彈簧部件時抑制桿運(yùn)動的液壓介 質(zhì)。環(huán)形缸體中的所述液壓介質(zhì)然后通過至少一個限流器開口而與促動器殼體內(nèi)部處于 流動連通。在液壓介質(zhì)的流動路徑/多個流動路徑中可布置止回閥和微粒過濾器。上面簡要論述的閘閥促動器以一種方法進(jìn)行操作，用于使閘閥在穩(wěn)態(tài)操作模式 和停機(jī)模式之間轉(zhuǎn)換。該方法包括如下步驟
-通過馬達(dá)在第一方向上驅(qū)動促動器，用于使閘閥轉(zhuǎn)換到穩(wěn)態(tài)操作模式；_布置可壓縮力器件，以便在穩(wěn)態(tài)操作模式下沿著與第一方向相反的第二方向?qū)?促動器施加偏置，并-在停機(jī)模式下通過釋放壓縮力器件在第二方向上驅(qū)動促動器。另外的從屬的方法步驟包括-在閘閥促動器中布置電氣地控制的觸發(fā)機(jī)構(gòu)；-激勵觸發(fā)機(jī)構(gòu)，用于將力器件保持在壓縮狀態(tài)下；-通過螺線管，或通過形狀記憶合金元件來激勵觸發(fā)機(jī)構(gòu)。閘閥促動器的結(jié)構(gòu)通過如下步驟而提供了緊急停機(jī)(ESD)功能性的測試-在穩(wěn)態(tài)操作模式期間通過操作馬達(dá)、克服壓縮力器件的力而在第一方向上進(jìn)一 步驅(qū)動閘閥促動器，和-通過壓縮力器件的力使促動器返回到穩(wěn)態(tài)操作模式。從本發(fā)明實(shí)施例的以下詳細(xì)說明中將進(jìn)一步理解本發(fā)明所提供的進(jìn)一步的特征 和優(yōu)勢。圖紙簡要說明以下將參照附圖更完整地解釋本發(fā)明，其示意性地顯示了本發(fā)明的實(shí)施例。圖 中

圖1以截面圖顯示了一種閘閥促動器，其被電馬達(dá)驅(qū)動并裝備有用于捕獲和釋 放回位彈簧的故障安全機(jī)構(gòu)；圖2是部分剖切的透視圖，其以更大的比例并在穩(wěn)態(tài)操作模式下顯示了圖1的閘 閥促動器的相關(guān)部分，圖2的實(shí)施例基于用于促動觸發(fā)機(jī)構(gòu)的螺線管；圖3是詳圖，其以更大的比例顯示了圖2的觸發(fā)機(jī)構(gòu)；圖4是與圖2相對應(yīng)的視圖，其顯示了處于停機(jī)模式下的閘閥促動器；圖5是與圖3相對應(yīng)的視圖，其顯示了處于停機(jī)模式下的閘閥促動器；圖6是與圖2相對應(yīng)的視圖，其顯示了處于穩(wěn)態(tài)操作模式下的閘閥促動器的第二 實(shí)施例，圖6的實(shí)施例基于用于促動觸發(fā)機(jī)構(gòu)的SMA元件；圖7是與圖3相對應(yīng)的視圖，其以更大的比例顯示了圖6的實(shí)施例；圖8是與圖4相對應(yīng)的視圖，其顯示了處于停機(jī)模式下的圖6實(shí)施例，且圖9是與圖5相對應(yīng)的視圖，其顯示了處于停機(jī)模式下的圖6實(shí)施例。本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)說明圖1中顯示了用于海底生產(chǎn)控制的典型的電氣促動器的總體布局。滾柱絲杠布 置3和PM馬達(dá)驅(qū)動器2的組合被認(rèn)為是很常見的，并且不是本發(fā)明的一部分。同樣地， 與樹或者其它管道的閥帽12接口是大多數(shù)這種促動器的共同特征。本發(fā)明的焦點(diǎn)是故障 安全機(jī)構(gòu)，其示為圖1中構(gòu)件組5。應(yīng)該注意的是，只有圖1顯示了完整的促動器，所有其它圖紙只顯示了包括在 故障安全機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件。本發(fā)明的本質(zhì)是在返回力器件、馬達(dá)傳動系和觸發(fā)機(jī)構(gòu)之間的 相互作用，其意圖是在根據(jù)命令停止生產(chǎn)系統(tǒng)以及還有開始和保持生產(chǎn)系統(tǒng)操作的能力 兩方面產(chǎn)生具有最高操作可靠性的促動器?；镜牟僮髟硎鞘褂民R達(dá)2和滾柱絲杠3作為使桿4運(yùn)行的支撐物(jack)，以操作閘閥進(jìn)入生產(chǎn)(穩(wěn)態(tài))條件，應(yīng)用故障安全機(jī)構(gòu)以將桿4保持在這個位置，其中由回 位彈簧14 (或其它等效力器件)施加的力通過觸發(fā)機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡，然后立即使?jié)L柱絲杠組 件返回至閥安全位置，同時閥仍保持在生產(chǎn)位置。因而在馬達(dá)-滾柱絲杠支撐物組件和 閘閥促動器的桿之間沒有固定的機(jī)械連接。滾柱絲杠推動桿，用于操作閥進(jìn)入穩(wěn)態(tài)操作 模式，但在停機(jī)模式下不能用于使其返回至安全位置。當(dāng)桿與閘門被帶入到生產(chǎn)位置并通過故障安全機(jī)構(gòu)的作用而固定在那個位置上 時，通過沿反方向啟動馬達(dá)2回到關(guān)閉的閥位置可立即驅(qū)動滾柱絲杠布置，因而避開可 能的ESD作用。雖然閥將返回至安全條件(即使?jié)L柱絲杠處于伸展位置)，但是伸展的滾 柱絲杠增強(qiáng)了實(shí)現(xiàn)成功的ESD的可能性，其在每次促動時只在那個位置大約1-2分鐘。 因?yàn)樾枰皇芸刂魄覠o動力的關(guān)井(shutin)(從詞語字面的正常意義上來說)的ESD類型 是極端稀有的，所以實(shí)現(xiàn)的SIL等級將幾乎唯一依賴于以下公開的故障安全觸發(fā)機(jī)構(gòu)的 可靠性。滾柱絲杠具有自由的反向驅(qū)動特性，即在滾柱絲杠組件仍處于生產(chǎn)位置時啟動 ESD的情況下，其將不會防止ESD，但除了馬達(dá)作用之外，在到達(dá)安全位置的回位彈簧 的作用下，滾柱絲杠也將被驅(qū)動。因而存在(就滾柱絲杠作用而言)兩個(即冗余)選 項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)ESD，這兩者都具有非常高的可靠性。這就是海底設(shè)計(jì)策略的本質(zhì)-在需要的 任何地方以及以具有高可靠性兩個相互冗余的功能來提供功能性方面的冗余。SIL在性質(zhì)上是統(tǒng)計(jì)概念，并且衡量時是用對數(shù)表示的。在任何時候，不管操 作模式如何，它都是根據(jù)命令執(zhí)行ESD成功的統(tǒng)計(jì)概率的表達(dá)式。因而兩個冗余的機(jī)制 (各自有高的可靠性)必須對SIL標(biāo)定具有有利的影響。在該上下文中應(yīng)該注意，正常說來，通過大多數(shù)操作員所實(shí)踐的步驟，當(dāng)時在 任何樹上只有一個閥是被啟動的，因而即使對于支撐物系統(tǒng)處于ESD路徑中的短的持續(xù) 時間，樹作為安全屏障也一直是完好的。從生產(chǎn)位置至安全位置的移動分成兩種不同的種類1.ESD (若干種類)2.生產(chǎn)關(guān)井更嚴(yán)重類別的ESD情形(在某些油區(qū)被稱為ESDO和ESDI)可簡單地切斷動力 供應(yīng)，或者可由于外因切斷控制臍帶而偶然地切斷動力供應(yīng)。在這種情形下，主觸發(fā)器 或觸發(fā)器促動器(螺線管20或SMA裝置30)將釋放輔助觸發(fā)彈簧21，并且閂鎖或閂鉤 25將進(jìn)入解鎖位置，因而釋放回位彈簧14，并且閥將返回安全位置。在較不嚴(yán)重的ESD模式(在某些區(qū)被稱為ESD類2的變體，例如主機(jī)平臺上的 氣體泄漏警告)和PSD模式中，控制系統(tǒng)將主動地(如果將需要停機(jī))被用于將處理裝備 轉(zhuǎn)到安全模式。在這種情形下，滾柱絲杠伸展以便在觸發(fā)器被啟動之前從觸發(fā)機(jī)構(gòu)上卸 去回位彈簧的力，因而對于這種更普通且頻繁的情形，觸發(fā)器被釋放，其中除了觸發(fā)器 本身的小的輔助彈簧(一個或者多個)起作用之外，在故障安全觸發(fā)機(jī)構(gòu)上沒有力。這 些情形將根本不會對觸發(fā)器造成任何顯著磨損，力通常從回位彈簧14的40噸減少至輔助 彈簧21的通常幾百牛頓(例如，標(biāo)號用5”促動器來表示)。參看圖1至圖9，馬達(dá)2通過VSD單元(未顯示)驅(qū)動滾柱絲杠3，以使閥桿4 運(yùn)行至生產(chǎn)位置。當(dāng)位置檢測系統(tǒng)(通常為LVDT，未顯示)檢測到到達(dá)到所需位置時，螺線管20或SMA元件30對抗輔助觸發(fā)彈簧21而拉動，以便通過鎖銷29與形成于閂鉤 25的所述(subject)端部中的底座23的接合而與閂鉤25相接合。鎖銷29就防止了閂鉤 的運(yùn)動(只要連接在和/或作用在棒狀觸發(fā)器22上的主觸發(fā)器/觸發(fā)器促動器SMA30或 螺線管20受到激勵)。一旦主觸發(fā)器/觸發(fā)器促動器20或30作為ESD過程的一部分而 被去激勵時，鎖銷29就移出底座23中的阻塞位置，進(jìn)入到形成于觸發(fā)器棒22上的凹部 24中，并且回位彈簧14可自由將桿4推回到更安全的位置。閂鉤25通過其樞軸26的被 移動的位置而提供了一種杠桿機(jī)構(gòu)，從而將回位彈簧14和閂鉤之間的高的接觸壓力減少 至閂鉤25和鎖銷29之間低得多的接觸壓力。閂鉤25和相關(guān)聯(lián)的鎖銷29應(yīng)優(yōu)選布置成 圍繞促動器的中心線進(jìn)行均勻地分布。優(yōu)選應(yīng)使用三個或更多個閂鉤25/鎖銷29。在如所示實(shí)施例中的圓柱形段的鎖銷29的情況中，除了由于來自閂鎖25的杠桿 作用而獲得的低的機(jī)械接觸壓力之外，鎖銷29在釋放時的滾動作用，確保了可在低摩擦 阻力且沒有任何磨損效應(yīng)的條件下發(fā)生釋放。提供閂鉤回位彈簧27，以便使閂鎖返回接合位置，等待支撐物系統(tǒng)的下一次推動。在完成從更安全位置至生產(chǎn)位置的行程之后，滾柱絲杠和馬達(dá)提供了預(yù)張緊回 位彈簧14所需要的所有能量，因而不需要螺線管20或SMA裝置30將回位彈簧14保持 在壓縮狀態(tài)下，而只需要觸發(fā)器促動器20和30使觸發(fā)彈簧21保持壓縮。這減少了所需 要的動力，并因而相應(yīng)地減少了穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)模式下的電功率消耗。為了防止返回安全位置的行程超速，提供了環(huán)形阻尼缸體15、止回閥16(—個 或多個)和限流器17(—個或多個)以及密封件19。過濾器18可用于捕獲油容積中的 微粒污染，并可有利地與簡單的止回閥(未顯示)結(jié)合，以確保不會從過濾器中釋放出碎屑。SMA或螺線管控制的觸發(fā)機(jī)構(gòu)兩者都具有海底ESD應(yīng)用中所需要的特征，即粘 滯響應(yīng)。這種特征(其在許多工業(yè)應(yīng)用中時常是個缺點(diǎn))使得這些裝置在不受益于包含在 設(shè)計(jì)中的專用定時器的情況下對動力和通信系統(tǒng)中的小故障不敏感。延遲作用在操作原 理中天生就是不利的，與對于螺線管類型的裝置而言相比，其對于SMA裝置更是如此。 如本發(fā)明公開中所述，對于應(yīng)用于海底促動器，螺線管類型的裝置只能針對大約1秒(數(shù) 量級)的延遲來以敏感的方式設(shè)計(jì)。這對于大多數(shù)設(shè)計(jì)將是足夠的。不論何時如果認(rèn)為 響應(yīng)中的自然且固有的延遲不夠時，都可通過在螺線管繞組上增加電容器來獲得更大的 延遲。本發(fā)明設(shè)想使用高扭矩的BL DC PM馬達(dá)(可得到廣泛的選擇)或其它電馬達(dá) (驅(qū)動低螺距的行星滾柱絲杠(通常為如普遍在市場上和材料目錄中找到的這種設(shè)計(jì)))， 來取得由BL DC PM電機(jī)所提供的每單位扭矩的最大線性力。這些元件中任一個都不形 成本發(fā)明的一部分，因?yàn)樗鼈兂霈F(xiàn)在眾多促動器設(shè)計(jì)中，并因而是在公共領(lǐng)域中沿用已 久的。還可使用其它形式的旋轉(zhuǎn)-線性變換。以下只描述滾柱絲杠，但是應(yīng)該懂得可采 用任何旋轉(zhuǎn)-線性變換單元。雖然可將這種滾柱絲杠設(shè)計(jì)成具有某一螺距以提供自由的反向驅(qū)動(預(yù)張緊的 回位彈簧將滾柱絲杠驅(qū)動至反方向)，但是本發(fā)明是以針對最小的可行螺距而設(shè)計(jì)滾柱絲 杠以便最大程度地利用馬達(dá)扭矩為基礎(chǔ)的。滾柱絲杠將仍然具有自由的反向驅(qū)動。然而，高的齒輪比和滾柱絲杠長時間暴露于非常高的力的組合可能引起關(guān)于反向驅(qū)動的長 期可靠性的問題。應(yīng)該注意，反向驅(qū)動的可靠性不是雙重問題機(jī)械傳動系的齒輪比越 高，機(jī)械傳動系的效率越低，暴露于回位彈簧的力越高，則會引起關(guān)于自由反向驅(qū)動能 力的可靠性的更多問題。觸發(fā)機(jī)構(gòu)包括電磁部件或SMA部件的觸發(fā)器促動器和杠桿機(jī)構(gòu)。后者(杠桿機(jī) 構(gòu))在原理上對于這兩個實(shí)施例是相同的；觸發(fā)器促動器代表了這兩個公開的實(shí)施例之 間的差異。杠桿機(jī)構(gòu)的目的是減少觸發(fā)器通過杠桿機(jī)構(gòu)所處理的機(jī)械力，通常從5英寸 促動器的40噸至小得多的值，并且還提供一種釋放機(jī)構(gòu)，其不會讓其本身發(fā)生磨損，即 受控制地暴露于運(yùn)動中的兩個機(jī)械部分之間的壓力下。在一個實(shí)施例中，熱電觸發(fā)器促動器包括基于SMA的促動操作。其通常包括 SMA類型的導(dǎo)線/棒(通常為NiTi合金)，在穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)模式中傳導(dǎo)電流，以便將導(dǎo)線保 持在比環(huán)境(油)更高的某一溫度下。在ESD模式中，動力供應(yīng)被切斷，SMA導(dǎo)線被 周圍的油冷卻下來，SMA裝置返回其備選形狀，并且釋放回位彈簧以將閥驅(qū)動至安全位 置。在從冷的條件啟動時，觸發(fā)器促動器設(shè)置成一旦達(dá)到這個位置時就可將閥保持在較 不安全的位置。SMA材料的性質(zhì)在公共領(lǐng)域內(nèi)，并且對于促動器設(shè)計(jì)的元件而言是已知的，除 了陳述其應(yīng)用的目的之外，不會作為本發(fā)明公開的一部分來(提供)嘗試描述其性質(zhì)，諸 如(例如)NiTi的材料響應(yīng)于溫度變化的相態(tài)變化，以顯著的方式有效地改變其e_模塊 (mould),因而有利于提供“沒有運(yùn)動部件的促動器”。這種促動器可針對大的力設(shè)計(jì)， 且通常對于長的壽命時間提供2%-3%的延長，即在合適的操作條件下，1米的棒將響應(yīng) 溫度變化而延伸/收縮3厘米。SMA設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)已知了超過20年，并且其用途被認(rèn)為 屬于公共領(lǐng)域。因而，提出的SMA電路是以簡化的方案來顯示的，省略了電絕緣、用于功率供 應(yīng)的導(dǎo)線、變壓器、開關(guān)裝置以及提供可操作性設(shè)計(jì)所需要的其它特征。對于本領(lǐng)域中 的技術(shù)人員，用于工業(yè)目的的SMA裝置的設(shè)計(jì)代表已知的領(lǐng)域，需要較罕見但屬于公共 領(lǐng)域的技巧。在第二個優(yōu)選的實(shí)施例中，主觸發(fā)器是在當(dāng)前存在于大量的工業(yè)應(yīng)用中的傳統(tǒng) 的電子機(jī)械螺線管。除了提供在實(shí)現(xiàn)按命令ESD和按命令生產(chǎn)兩方面具有高可靠性的 促動器之外，所提出的促動器還有利于一種在生產(chǎn)不關(guān)井的條件下測試ESD功能性的方 法。原則上，合乎需要的是所有ESD功能性都基于常規(guī)進(jìn)行測試。然而，從來都不認(rèn) 為為了屏障測試的目的而按照比一個月一次更頻繁的頻率停止高生產(chǎn)率的海底生產(chǎn)或注 入井是明智的。所提出的促動器概念有利于ESD能力的測試而沒有犧牲生產(chǎn)且對設(shè)備沒有很大 的磨損。當(dāng)ESD測試被認(rèn)為合乎需要時，馬達(dá)和滾柱絲杠用于使支撐物和桿延伸至打開 的閥位置，其足以從故障安全機(jī)構(gòu)上卸去負(fù)載。之后容許回位彈簧14將滾柱絲杠驅(qū)動返 回微小的距離，對應(yīng)于微小的行程百分比，但足以通過LVDT或通過測量馬達(dá)(現(xiàn)在作為 同步發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn))中的發(fā)電機(jī)效應(yīng)而檢測到回退運(yùn)動。一旦檢測到桿的運(yùn)動，就將全部 扭矩應(yīng)用于馬達(dá)上，以驅(qū)動閘閥回到最終的生產(chǎn)位置。整個來回運(yùn)動可小至l-2mm，并 且如果合適的話可被間閥設(shè)計(jì)中的交迭所覆蓋，使得流量截面積在測試期間根本不受影響。當(dāng)然本發(fā)明并不以任何方式局限于上述實(shí)施例。相反，在不脫離諸如所附的權(quán) 利要求中所限定的本發(fā)明的基本思想的條件下，對其修改的許多可能性對本領(lǐng)域中的普 通技術(shù)人員而言將是顯而易見的。
0096]參照列表
0097]1 (未使用)
0098]2是驅(qū)動馬達(dá)，通常是永久磁體或鼠籠繞組單元
0099]3是旋轉(zhuǎn)_線性變換單元(通常是行星滾柱絲杠)
0100]4是促動器的桿，其在一端處將促動器連接到間閥上，并且在相對端處包括或連 接在具有阻尼功能的活塞上
0101]5顯示了故障安全機(jī)構(gòu)的位置
0102]6-9 (未使用)
0103]10是促動器的殼體
0104]11是帶有觸發(fā)機(jī)構(gòu)接口的尾部閥帽
0105]12是用于連接到樹或其它類型的管道上的前部閥帽
0106]13(未使用)
0107]14是為故障安全作用提供能量的回位彈簧
0108]15是環(huán)形阻尼缸體
0109]16是入口止回閥
0110]17是限流器(一個或多個)
0111]18是微粒過濾器
0112]19是阻尼缸體密封件
0113]20是電磁體(螺線管)
0114]21是觸發(fā)器促動彈簧(輔助彈簧)
0115]22是閂鎖啟動棒
0116]23是形成于閂鎖第二端中的底座
0117]24是形成于包含在觸發(fā)機(jī)構(gòu)中的棒上的凹部
0118]25是閂鎖:/閂鉤
0119]26是閂鉤樞軸點(diǎn)
0120]27是閂鉤回位彈簧
0121]28是用于閂鉤回位彈簧的保持器
0122]29是鎖銷
0123]30是SMA元件(或多個元件)
0124]31是電連接點(diǎn)和絕緣體
權(quán)利要求
1.一種閘閥促動器，包括可在可連接到閘閥上的促動器殼體(10)中線性地運(yùn)動的 桿(4)，所述桿作用在所述閘閥上，以使所述閘閥分別在打開位置和關(guān)閉位置之間轉(zhuǎn)換， 其中，所述桿(4)被馬達(dá)在第一方向上驅(qū)動至穩(wěn)態(tài)操作位置，并且在所述位置，所述桿 通過作用在所述桿(4)上的彈簧部件(14)在第二相反方向上被朝向停機(jī)位置偏置，其特 征在于布置成用于在保持位置將所述彈簧部件(14)保持在壓縮狀態(tài)中的觸發(fā)機(jī)構(gòu)(22; 25； 29)，所述觸發(fā)機(jī)構(gòu)包括可電氣地控制的觸發(fā)器(22; 29)，該觸發(fā)器(22; 29)布置 成以便由于對所述電氣地控制的觸發(fā)器(22)去激勵而釋放所述彈簧部件(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的促動器，其特征在于，所述觸發(fā)機(jī)構(gòu)包括至少一個圍繞樞軸 (26)樞轉(zhuǎn)地支承在所述促動器殼體中的閂鎖(25)，在所述彈簧部件(14)的壓縮狀態(tài)中， 所述閂鎖的第一端與所述桿(4)處于操作性接合，并且所述閂鎖的相對的第二端與所述 觸發(fā)器(22)處于操作性接合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的促動器，其特征在于，所述觸發(fā)器包括可在所述促動器 殼體(10)中線性地運(yùn)動的棒(22)；將所述棒(22)驅(qū)動到保持位置的電動驅(qū)動的觸發(fā)器 促動器(20; 30)，在所述保持位置中，所述棒與所述閂鎖(25)相接合；以及觸發(fā)器彈簧 (21)，當(dāng)對所述觸發(fā)器促動器(20 ； 30)去激勵時，由所述觸發(fā)器彈簧(21)將所述棒從所 述保持位置收回至收回位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的促動器，其特征在于，所述閂鎖(25)通過鎖銷(29)間接地 與所述棒(22)相接合，所述鎖銷在所述保持位置中被所述棒捕獲而與形成于所述閂鎖的 第二端中的底座(23)相接合，并且在收回所述棒時，所述鎖銷被所述閂鎖從所述底座中 推出，這樣就容許所述閂鎖(25)樞轉(zhuǎn)而脫離與所述桿(4)的接合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的促動器，其特征在于，當(dāng)收回所述棒(22)時，所述鎖銷 (29)被所述閂鎖推動到形成于所述棒上的凹部(24)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求2-5中的任一權(quán)項(xiàng)所述的促動器，其特征在于，所述閂鎖(25)在所 述釋放位置中時被閂鎖回位彈簧(27)朝向所述保持位置偏置。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的促動器，其特征在于，所述觸發(fā)器促動器(20) 是螺線管。
8.根據(jù)權(quán)利要求2-6中的任一權(quán)項(xiàng)所述的促動器，其特征在于，所述觸發(fā)器促動器是 形狀記憶合金元件(30)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的促動器，其特征在于，所述觸發(fā)機(jī)構(gòu)(22;25； 29)包括成形為杠桿的閂鎖(25)，通過所述樞軸(26)的位置，所述杠桿設(shè)計(jì)成極大地減 少了從所述彈簧部件(14)傳遞至所述觸發(fā)機(jī)構(gòu)上的力。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的促動器，其特征在于，所述桿(4)包括或連接 到接收在包含在所述促動器殼體(10)中的環(huán)形缸體(15)中的環(huán)形活塞上，其中，所述環(huán) 形缸體包含用于在釋放所述彈簧部件(14)時抑制所述桿(4)的運(yùn)動的液壓介質(zhì)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的促動器，其特征在于，所述環(huán)形缸體(15)中的液壓介質(zhì) 通過至少一個限流器開口(17)而與所述促動器殼體內(nèi)部處于流動連通。
12.—種用于通過閘閥促動器使閘閥在穩(wěn)態(tài)操作模式和停機(jī)模式之間轉(zhuǎn)換的方法， 其中，所述促動器被馬達(dá)在第一方向上驅(qū)動，以用于使所述閘閥轉(zhuǎn)換到所述穩(wěn)態(tài)操作模 式，其特征在于如下步驟_布置可壓縮力器件，以便在所述穩(wěn)態(tài)操作模式下在與所述第一方向相反的第二方向 上對所述促動器施加偏置，和-在所述停機(jī)模式下通過釋放所述壓縮力器件在所述第二方向上驅(qū)動所述促動器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，包括以下步驟在所述閘閥促動器 中布置電氣地控制的觸發(fā)機(jī)構(gòu)，以及激勵所述觸發(fā)機(jī)構(gòu)，以保持所述力器件處于壓縮狀 態(tài)下。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，包括通過螺線管或通過形狀記憶合金 (SMA)元件激勵所述觸發(fā)機(jī)構(gòu)的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求12-14中的任一權(quán)項(xiàng)所述的方法，其特征在于，包括通過如下步驟 測試緊急停機(jī)(ESD)功能性的步驟-在所述穩(wěn)態(tài)操作模式期間通過操作所述馬達(dá)、克服所述壓縮力器件的力在所述第一 方向上進(jìn)一步驅(qū)動所述間閥促動器，和-通過所述壓縮力器件的力使所述促動器返回到所述穩(wěn)態(tài)操作模式。
全文摘要
公開了一種閘閥促動器，其包括可在可連接到閘閥上的促動器殼體(10)中線性地運(yùn)動的桿(4)，桿作用在閘閥上，以使閘閥分別在打開位置和關(guān)閉位置之間轉(zhuǎn)換，其中桿(4)在第一方向上被馬達(dá)驅(qū)動到穩(wěn)態(tài)操作位置，并且在所述位置，桿在第二相反方向上通過作用在桿(4)上的彈簧部件(14)被朝向停機(jī)位置偏置。根據(jù)本發(fā)明，觸發(fā)機(jī)構(gòu)(22；25；29)布置成用于將彈簧部件保持在壓縮狀態(tài)下，觸發(fā)機(jī)構(gòu)包括可電氣地控制的觸發(fā)器(22)，其布置成以便由于對電氣地控制的觸發(fā)器(22)去激勵而釋放彈簧部件(14)。還公開了一種用于通過閘閥促動器而使閘閥在穩(wěn)態(tài)操作模式和停機(jī)模式之間轉(zhuǎn)換的方法。
文檔編號F16K31/00GK102016373SQ200980106612
公開日2011年4月13日 申請日期2009年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月21日
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