本發(fā)明涉及一種水下閘閥執(zhí)行器，尤其涉及一種球鎖磁力式水下閥門執(zhí)行器低功率保持及失效安全關(guān)斷機(jī)構(gòu)，屬于海洋石油工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著全球經(jīng)濟(jì)不斷增長，人們對能源的需求也會不斷的增加，而石油和天然氣是目前世界上的主要能源之一。國際能源署(IEA)發(fā)布的世界能源發(fā)展預(yù)測，從2000～2030年，世界石油需求量會以年1.6％的速率進(jìn)行增長，到2030年將達(dá)到57.69億噸；天然氣的需求量將會以年2.4％的速率增長，到2030年將達(dá)到相當(dāng)于42.03億噸油量。傳統(tǒng)陸地上的能源已經(jīng)不能滿足人類因社會發(fā)展而帶來的巨大需求，因此人類的步伐也從陸地逐步邁向了海洋。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)是二十世紀(jì)六十年代發(fā)展起來的，它利用水下完井技術(shù)結(jié)合固定式平臺、浮式生產(chǎn)平臺等設(shè)施組成不同的海上油田開發(fā)形式。水下生產(chǎn)系統(tǒng)可以避免建造昂貴的海上采油平臺，節(jié)省大量建設(shè)投資，受災(zāi)害影響較小，可靠性強(qiáng)。隨著海上深水油氣田及邊際油田的開發(fā)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)在結(jié)合固定平臺、浮式生產(chǎn)設(shè)施組成完整的油氣田開發(fā)方式上得到了廣泛應(yīng)用。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括采油樹、井口與管匯、接入出油管系統(tǒng)和控制油井的操縱設(shè)備等。安裝在采油樹、管匯及水下分離器上的水下閥門是控制水下采油的重要設(shè)備。水下閥門的類型主要包括閘閥、球閥、止回閥等，其中，以水下閘閥應(yīng)用最為廣泛，而閘閥功能的實(shí)現(xiàn)需要閘閥執(zhí)行器的操作。目前，陸上閘閥執(zhí)行器的操作一般有手動(人工操作)、氣動、電動、液壓、聯(lián)動等動力方式。除氣動和聯(lián)動外，其他三種類型的執(zhí)行器在水下均有應(yīng)用。由于液壓和電動操作具有反應(yīng)迅速、驅(qū)動能力強(qiáng)、自動化程度高、不受水深限制等優(yōu)點(diǎn)，一般選擇二者作為主要操作方式。根據(jù)API 17D的要求，水下閘閥必須要做到失效安全，即要求一旦失去閥門操作的動力，就要求將閥門關(guān)閉。實(shí)現(xiàn)此功能的通行做法是通過手動方式進(jìn)行關(guān)閉。

傳統(tǒng)的水下閥門都是靠液壓動力進(jìn)行驅(qū)動的，液壓動力需要持續(xù)的供給才能保持閥門打開，浪費(fèi)能量，失效安全關(guān)斷完全依靠復(fù)位彈簧來完成，而最新研發(fā)的全電式水下閥門完全靠電力進(jìn)行驅(qū)動，電機(jī)在打開閥門及保持打開狀態(tài)時(shí)會消耗大量的能量，而水下閥門在正常工作狀態(tài)下是一直處于打開狀態(tài)，這就造成了大量的能量浪費(fèi)。綜上所述，研究閥門打開狀態(tài)下的低功耗保持技術(shù)及失效安全關(guān)斷至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了能夠?qū)崿F(xiàn)水下閥門正常工作的低功耗、失效安全關(guān)斷功能而提供一種球鎖磁力式水下閥門執(zhí)行器低功率保持及失效安全關(guān)斷機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：包括水下閥門主體、與水下閥門主體上端固連的水下閥門前蓋、穿過水下閥門前蓋并伸入至水下閥門主體內(nèi)的水下閥門閥桿、與水下閥門主體下端固連的低功率保持機(jī)構(gòu)外殼，所述低功率保持機(jī)構(gòu)外殼位于水下閥門閥桿內(nèi)，在水下閥門前蓋的下端與水下閥門閥桿之間設(shè)置有安全關(guān)斷復(fù)位彈簧且安全關(guān)斷復(fù)位彈簧套在水下閥門閥桿外表面上，所述低功率保持機(jī)構(gòu)外殼內(nèi)部的上端安裝有低功率保持固定圓盤，低功率保持固定圓盤上端對稱設(shè)置有一對鎖緊滑塊，鎖緊滑塊上方設(shè)置有滑塊蓋板，低功率保持固定圓盤下端固連有彈簧固定圓盤，彈簧固定圓盤下端固連有過渡圓柱，過渡圓柱的下端固連有電磁鐵保護(hù)圓盤，電磁鐵保護(hù)圓盤的下端設(shè)置有電磁鐵固定蓋，電磁鐵元件設(shè)置在電磁鐵保護(hù)圓盤與電磁鐵固定蓋形成的空間內(nèi)，所述過渡圓柱上套有磁性圓盤，磁性圓盤上對稱連接有兩個(gè)鎖緊斜桿，每個(gè)鎖緊斜桿的上端依次穿過彈簧固定圓盤、低功率保持固定圓盤和滑塊蓋板，且鎖緊斜桿的斜面與對應(yīng)的鎖緊滑塊接觸，每個(gè)所述鎖緊斜桿上還設(shè)置有一個(gè)彈簧固定塊，每個(gè)鎖緊桿外還套有鎖緊復(fù)位彈簧，且每個(gè)鎖緊復(fù)位彈簧的上端與對應(yīng)的彈簧固定塊連接、下端與彈簧固定圓盤連接，所述低功率保持外殼上方對稱設(shè)置有兩個(gè)通孔，每個(gè)通孔內(nèi)設(shè)置有一個(gè)鎖緊球，且鎖緊球與對應(yīng)的鎖緊滑塊接觸，水下閥門閥桿內(nèi)表面設(shè)置有與兩個(gè)鎖緊球配合的圓形凹槽。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：1.本發(fā)明依靠鎖緊斜面的推力、電磁鐵元件的磁力實(shí)現(xiàn)了閘閥執(zhí)行器的低功耗保持，依靠鎖緊復(fù)位彈簧的彈簧力、安全關(guān)斷彈簧的彈簧力實(shí)現(xiàn)了閘閥執(zhí)行器的失效安全關(guān)斷功能，解決了傳統(tǒng)閘閥執(zhí)行器完全依靠液壓或者電力保持而消耗大量能量的問題，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，經(jīng)濟(jì)適用。2.本發(fā)明通過采用鎖緊斜桿斜面鎖緊時(shí)小角度驅(qū)動，大角度鎖緊，只需較小的磁力即可實(shí)現(xiàn)低功耗保持功能，摒棄了杠桿原理，結(jié)構(gòu)緊湊可靠。3.本發(fā)明通過利用電磁鐵帶電產(chǎn)生磁力，斷電失去磁力原理，原理簡單可靠，在低功耗保持及失效安全關(guān)斷功能上使用具有較高的可靠性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明水下閥門執(zhí)行器關(guān)閉狀態(tài)剖視圖；

圖2是本發(fā)明水下閥門執(zhí)行器開啟狀態(tài)剖視圖；

圖3是本發(fā)明上側(cè)視示意圖；

圖4是本發(fā)明下側(cè)視示意圖；

圖5是本發(fā)明低功率保持及安全關(guān)斷機(jī)構(gòu)剖視圖；

圖中主要標(biāo)號說明：1.水下閥門閥桿，2.水下閥門前蓋，3.安全關(guān)斷復(fù)位彈簧，4.水下閥門主體，5.鎖緊斜桿，6.滑塊蓋板，7.低功率保持固定圓盤，8.鎖緊球，9.鎖緊滑塊，10.彈簧固定塊，11.鎖緊復(fù)位彈簧，12.彈簧固定圓盤，13.磁性圓盤，14.低功率保持機(jī)構(gòu)外殼，15.電磁鐵保護(hù)圓盤，16.電磁鐵固定蓋，17.過渡圓柱，18.電磁鐵元件。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

本發(fā)明包括水下閥門主體、水下閥門前蓋、水下閥門閥桿、安全關(guān)斷復(fù)位彈簧、水下閥門低功率保持及安全關(guān)斷機(jī)構(gòu)。所述的水下閥門前蓋安裝在水下閥門主體上；所述的安全關(guān)斷復(fù)位彈簧安裝在水下閥門前蓋上；所述的水下閥門閥桿推著安全關(guān)斷復(fù)位彈簧安裝在水下閥門主體內(nèi)，其與水下閥門前蓋上的圓孔和水下閥門主體的內(nèi)表面配合，可上下移動；所述的水下閥門低功率保持及失效安全關(guān)斷機(jī)構(gòu)包括低功率保持機(jī)構(gòu)外殼、鎖緊球、鎖緊滑塊、滑塊蓋板、鎖緊斜桿、低功率保持固定圓盤、鎖緊復(fù)位彈簧、彈簧固定塊、彈簧固定圓盤、過渡圓柱、磁性圓盤、電磁鐵元件、電磁鐵固定蓋、電磁鐵保護(hù)圓盤等。所述的鎖緊滑塊安裝在低功率保持固定圓盤上；所述的滑塊蓋板安裝在低功率保持固定圓盤上；所述的鎖緊斜桿安裝在低功率保持固定圓盤上的孔內(nèi)；所述的彈簧固定塊安裝在鎖緊斜桿上；所述的彈簧固定圓盤安裝在低功率保持固定圓盤上；所述的鎖緊復(fù)位彈簧安裝在彈簧固定塊和彈簧固定圓盤上；所述的過渡圓柱安裝在彈簧固定圓盤上；所述的磁性圓盤安裝在鎖緊斜桿上；所述的電磁鐵保護(hù)圓盤安裝在過渡圓柱上；所述的電磁鐵元件安裝在電磁鐵固定蓋上；所述的電磁鐵固定蓋安裝在電磁鐵保護(hù)圓盤上；所述的鎖緊球安裝在低功率保持外殼的圓形孔內(nèi)；所述的低功率保持固定圓盤安裝在低功率保持機(jī)構(gòu)外殼上；所述的水下閥門低功率保持及失效安全關(guān)斷機(jī)構(gòu)安裝在水下閥門主體上。所述的水下閥門閥桿下端的圓筒內(nèi)部加工有圓形凹槽；所述的低功率保持外殼內(nèi)部加工有圓形孔，圓形孔具有防止鎖緊球掉落的結(jié)構(gòu)。

結(jié)合圖1-5，水下閥門前蓋2安裝在水下閥門主體4上；安全關(guān)斷復(fù)位彈簧3安裝在水下閥門前蓋2上；水下閥門閥桿1推著安全關(guān)斷復(fù)位彈簧3安裝在水下閥門主體4內(nèi)，其與水下閥門前蓋2上的圓孔和水下閥門主體4的內(nèi)表面配合，可上下移動；鎖緊滑塊9安裝在低功率保持固定圓盤7上；滑塊蓋板6安裝在低功率保持固定圓盤7上；鎖緊斜桿5安裝在低功率保持固定圓盤7上的孔內(nèi)；彈簧固定塊10安裝在鎖緊斜桿5上；彈簧固定圓盤12安裝在低功率保持固定圓盤7上；鎖緊復(fù)位彈簧11安裝在彈簧固定塊10和彈簧固定圓盤12上；過渡圓柱17安裝在彈簧固定圓盤12上；磁性圓盤13安裝在鎖緊斜桿5上；電磁鐵保護(hù)圓盤15安裝在過渡圓柱17上；電磁鐵元件安裝在電磁鐵固定蓋16上；電磁鐵固定蓋16安裝在電磁鐵保護(hù)圓盤15上；鎖緊球8安裝在低功率保持機(jī)構(gòu)外殼14上的圓形孔內(nèi)；低功率保持固定圓盤7安裝在低功率保持機(jī)構(gòu)外殼14上；低功率保持機(jī)構(gòu)外殼14安裝在水下閥門主體4上。

本發(fā)明采用以下安裝步驟是：

第一步：將水下閥門前蓋2安裝在水下閥門主體4上；

第二步：將安全關(guān)斷復(fù)位彈簧3安裝在水下閥門前蓋2上；

第三步：將水下閥門閥桿1推著安全關(guān)斷復(fù)位彈簧3安裝在水下閥門主體4內(nèi)；

第四步：將幾個(gè)鎖緊滑塊9安裝在低功率保持固定圓盤7上，滑塊蓋板6安裝在低功率保持固定圓盤7上；

第五步：將鎖緊斜桿5安裝在低功率保持固定圓盤7上的孔內(nèi)，彈簧固定塊10安裝在鎖緊斜桿5上；

第六步：將彈簧固定圓盤12安裝在低功率保持固定圓盤7上，鎖緊復(fù)位彈簧11安裝在彈簧固定塊10和彈簧固定圓盤12上；

第七步：將過渡圓柱17安裝在彈簧固定圓盤12上，磁性圓盤13安裝在鎖緊斜桿5上；

第八步：將電磁鐵保護(hù)圓盤15安裝在過渡圓柱17上；

第九步：將電磁鐵元件安裝在電磁鐵固定蓋16上，電磁鐵固定蓋16安裝在電磁鐵保護(hù)圓盤15上；

第十步：將幾個(gè)鎖緊球8安裝在低功率保持機(jī)構(gòu)外殼14上的圓形孔內(nèi)；

第十一步：將低功率保持固定圓盤7安裝在低功率保持機(jī)構(gòu)外殼14上；

第十二步：將低功率保持機(jī)構(gòu)外殼14安裝在水下閥門主體4上。

本發(fā)明工作原理是：

水下閥門執(zhí)行器通過液壓或者電力等驅(qū)動機(jī)構(gòu)通過低功率保持機(jī)構(gòu)外殼14上的孔推動水下閥門閥桿1從關(guān)閉狀態(tài)到開啟狀態(tài)；在開啟狀態(tài)時(shí)，鎖緊球8與水下閥門閥桿1內(nèi)部的凹槽在一個(gè)水平線上，給電磁鐵元件18通電，電磁鐵產(chǎn)生磁力吸住磁性圓盤13向下移動，此時(shí)鎖緊斜桿5克服鎖緊復(fù)位彈簧11的彈簧力向下移動，通過鎖緊斜桿5上的斜面推動鎖緊滑塊9向外移動，進(jìn)而推動鎖緊球8進(jìn)入到水下閥門閥桿1內(nèi)部的凹槽內(nèi)，此時(shí)停止液壓或者電力等動力，安全關(guān)斷復(fù)位彈簧3給鎖緊球8及鎖緊滑塊9一個(gè)向心力，鎖緊保持時(shí)向心力與鎖緊斜桿5斜面的角度較大，故無論這個(gè)力多大，傳輸?shù)芥i緊斜桿5移動方向上的力都很小，只需要較小的磁力即可保持，實(shí)現(xiàn)了水下閥門執(zhí)行器的低功率保持功能。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障失效時(shí)，電磁鐵元件18斷電失去磁力，鎖緊復(fù)位彈簧11推動鎖緊斜桿5向上移動，此時(shí)鎖緊球8受到安全關(guān)斷復(fù)位彈簧3的推力向內(nèi)推動鎖緊滑塊9，當(dāng)鎖緊球8完全進(jìn)入到低功率保持機(jī)構(gòu)外殼14內(nèi)時(shí)，水下閥門在安全關(guān)斷復(fù)位彈簧3的作用下從開啟狀態(tài)到關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了水下閥門的失效安全關(guān)斷功能。

綜上，本發(fā)明通過鎖緊斜桿上的斜面和電磁鐵的磁力實(shí)現(xiàn)低功率保持和安全關(guān)斷功能，有效的降低了水下閥門的能耗，設(shè)計(jì)的低功率保持及失效安全關(guān)斷機(jī)構(gòu)原理簡單可靠，有效的實(shí)現(xiàn)了水下閥門的低功率保持及失效安全關(guān)斷功能。