CN109538813A - 一种冗余驱动水下闸阀执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种冗余驱动水下闸阀执行机构。包括：液压驱动装置，活塞与活塞杆被布置成使得活塞在主动向下移动时带动活塞杆向下移动，活塞杆在主动向下移动时与活塞分离；ROV驱动装置，具有螺纹轴、传动螺母和套筒；传动螺母和套筒部可上下移动地设置于筒部内；套筒处于传动螺母的下侧，且套筒的下端为用于活塞杆的上端接触抵靠的接触板；螺纹轴转动地安装于上盖部，且与传动螺母配合；压力补偿器，其通过支架安装于机构壳体，且压力补偿器通过补偿油管与压力补偿接头连接，以与机构壳体内部连通。可实现了液压驱动和ROV操作两种结构的分离独立，在深海高压力作用下可以保证机构壳体内外压力动态平衡。

Description

一种冗余驱动水下闸阀执行机构

技术领域

本发明涉及深海油气田开发领域，特别是涉及一种冗余驱动水下闸阀执行机构。

背景技术

水下闸阀是海洋油气田采油树及水下管汇的关键部件，在水下采油***中具有重要作用。水下闸阀执行机构是一种可以把水下闸阀驱动至全开或全关位置，或根据指令控制水下闸阀开度的驱动装置。现存在的水下闸阀执行机构多采用液压驱动、电动、ROV操作或复合式操作。但现有的复合式水下闸阀执行机构需要两种驱动互相配合或另一驱动处于指定状态才能完成开、关闸阀动作，并未实现完全独立的冗余驱动。申请号为CN201611021928.3的专利文献提出的一种高可靠性液压水下闸阀，但该装置液压驱动和螺纹传动并未完全独立，在采用螺纹传动开、关闸阀时活塞会在液压缸内联动，需要保持液压缸油口畅通以保证液压缸吸、回油而不会憋压无法开、关闸阀。而且，现有水下闸阀执行机构存在如下问题：水下闸阀执行机构工作于海底采油***，出现故障进行维修十分困难，并且需要采油***停产配合维修，严重影响水下油气田正常生产，这对水下闸阀执行机构可靠性提出了更高要求；随着水深增加，外压不断增高，需要水下闸阀执行机构承受更高外压；高压水下闸阀的开启需要闸阀执行机构具有更大的输出力。

发明内容

本发明的一个目的旨在克服现有水下闸阀开闭的至少一个缺陷，提供一种冗余驱动水下闸阀执行机构，其可实现了液压驱动和ROV操作两种结构的分离独立，可完全单独开、关闸阀，具有更高的可靠性。

本发明的另一个目的是在深海高压力作用下可以保证机构壳体内外压力动态平衡，避免了机构壳体承压。

本发明的又一个目的是要可自动保证位置指示杆与相应安装孔同轴度，降低了位置指示杆卡住风险，提高了位置指示杆可靠性。

本发明的再一个目的是要避免开、关闸阀操作时液压缸内部憋压，进一步提高了水下闸阀执行机构可靠性。

为了实现上述至少一个目的，本发明提出了一种冗余驱动水下闸阀执行机构，包括阀体端盖和可上下运动地穿设于所述阀体端盖中并与所述阀体端盖密封连接的阀杆，其中，所述冗余驱动水下闸阀执行机构还包括：

液压驱动装置，连接于所述阀体端盖，且具有活塞杆、至少一个缸体和至少一个活塞；所述活塞杆的下端与所述阀杆的上端固定连接，每个所述活塞设置于所述活塞杆上，且所述活塞与所述活塞杆被布置成使得所述活塞在主动向下移动时带动所述活塞杆向下移动，所述活塞杆在主动向下移动时与所述活塞分离；且所述活塞杆上设置有连通其上端面的回油通道，以及连通所述回油通道与每个所述缸体连通的回油孔；与每个所述缸体连通的所述回油孔处于相应所述缸体内所述活塞的下侧；

机构壳体，连接于所述阀体端盖或所述液压驱动装置，所述机构壳体上安装有压力补偿接头；

复位组件，设置于所述机构壳体内，且包括压缩弹簧和勾筒；所述活塞杆的上端连接于所述勾筒，以与所述勾筒同步运动；所述压缩弹簧配置成在所述勾筒向下运动时压缩蓄能，以促使所述勾筒向上运动；

上端盖，设置于所述机构壳体的上端，且具有上盖部和从所述上盖部向下延伸出并***所述勾筒的筒部；

阀杆位置指示组件，其具有位置指示杆、复位弹簧和球形接触座；所述球形接触座与所述勾筒的上端接触抵靠；所述位置指示杆可上下移动地安装于所述上盖部，且所述位置指示杆的上端伸出所述上端盖，下端安装于所述球形接触座；所述复位弹簧套装于所述位置指示杆，配置成促使所述位置指示杆向下移动；和

ROV驱动装置，其具有螺纹轴、传动螺母和套筒；所述传动螺母和所述套筒部可上下移动地设置于所述筒部内；所述套筒处于所述传动螺母的下侧，且所述套筒的下端为用于所述活塞杆的上端接触抵靠的接触板；所述接触板的中央开设有与所述回油通道同轴设置的回油通孔；所述螺纹轴转动地安装于所述上盖部，且与所述传动螺母配合，以在转动时带动所述传动螺母上升或下降；以及

压力补偿器，其通过支架安装于所述机构壳体，且所述压力补偿器通过补偿油管与所述压力补偿接头连接，以与所述机构壳体内部连通。

可选地，所述至少一个缸体包括第一缸体；所述第一缸体包括第一筒状部，封闭所述第一筒状部上端的第一盖部，以及从所述第一筒状部的下端向外延伸以封闭所述机构壳体下端的环形盖部；

所述至少一个活塞包括第一活塞，所述第一活塞设置于所述第一筒状部内。

可选地，所述至少一个缸体还包括第二缸体，所述第二缸体包括第二筒状部，以及封闭所述第二筒状部上端的第二盖部；所述第二筒状部的外壁面与所述机构壳体的外壁面平齐；且

所述至少一个活塞还包括第二活塞，所述第二活塞设置于所述第二筒状部内；

所述阀体端盖设置于所述第二筒状部的下端。

可选地，所述活塞杆包括第一子杆和第二子杆，所述第一子杆设置于所述第二子杆的上侧；所述第一活塞套装于所述第一子杆；所述第二活塞套装于所述第二子杆；所述第一子杆与所述第二子杆固定连接。

可选地，所述第一子杆和所述第二子杆均包括杆部和位于杆部下端的连接块；所述连接块的直径大于所述杆部的直径，以与相应所述第一活塞或所述第二活塞接触抵靠；所述连接块具有开口朝下的连接孔；

所述第二子杆或所述阀杆的上端***相应所述连接孔。

可选地，每个所述活塞与所述活塞杆之间设置有锁紧机构，所述锁紧机构具有固定套装于所述活塞杆的固定环，以及从所述固定环向下延伸出的多个锁紧片；多个所述锁紧片沿所述固定环的周向方向均布，且每相邻两个所述锁紧片间隔设置；

每个所述活塞的中央孔洞内设置有环形槽，所述环形槽内设置有密封圈。

可选地，所述上盖部上从上向下依次设置有让位孔和转动孔；

所述转动孔内安装有轴承，所述螺纹轴安装于所述轴承；

所述让位孔的底部设置有封盖所述转动孔的轴承压盖；

所述上盖部的上表面设置有封盖所述让位孔的ROV接口盖。

可选地，所述勾筒的底板上设置有通孔；

所述活塞杆的上端设置有挡环和挡片；所述挡环设置于所述挡片和所述勾筒的底板之间。

本发明的冗余驱动水下闸阀执行机构，由于活塞与活塞杆之间分离设置，可实现了液压驱动和ROV操作两种结构的分离独立，可完全单独开、关闸阀，具有更高的可靠性。

进一步地，由于具有压力补偿器，在深海高压力作用下可以保证机构壳体内外压力动态平衡，避免了机构壳体承压。

进一步地，由于阀杆位置指示组件中的球形接触座与勾筒非刚性连接，可自动保证位置指示杆与相应安装孔同轴度，降低了位置指示杆卡住风险，提高了位置指示杆可靠性。

进一步地，由于活塞杆上具有回油通道和回油孔，套筒上具有回油通孔，可避免开、关闸阀操作时液压缸内部憋压，进一步提高了该冗余驱动水下闸阀执行机构的可靠性。

进一步地，由于可具有至少两个缸体和两个活塞，即采用相互独立的双液压缸，具有更高的可靠性，对高压水下闸阀具有更大的开启力。而且在一个缸体驱动***发生损坏时，另一缸体驱动***可继续工作。

进一步地，由于每个活塞与活塞杆之间具有锁紧机构，锁紧机构的特殊结构能够尽可能地防止液压油向活塞的下侧流动，保证密封性能。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的冗余驱动水下闸阀执行机构的示意性主视图；

图2是图1所示冗余驱动水下闸阀执行机构的示意性俯视图；

图3是图2中A-A向的示意性剖视图；

图4是图3中B-B向的示意性剖视图。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的冗余驱动水下闸阀执行机构的示意性主视图。如图1所示，并参考图2至图4，本发明实施例提供了一种冗余驱动水下闸阀执行机构。该冗余驱动水下闸阀执行机构包括阀体端盖20、可上下运动地穿设于阀体端盖20中并与阀体端盖20密封连接的阀杆21、液压驱动装置30、机构壳体40、复位组件50、上端盖60、阀杆位置指示组件70、ROV驱动装置80和压力补偿器90。

液压驱动装置30连接于阀体端盖20，且具有活塞杆、至少一个缸体和至少一个活塞。每个活塞位于一个缸体内。活塞杆的下端与阀杆21的上端固定连接，每个活塞设置于活塞杆上。活塞与活塞杆被布置成使得活塞在主动向下移动时带动活塞杆向下移动，活塞杆在主动向下移动时与活塞分离。活塞杆上设置有连通其上端面的回油通道31，以及连通回油通道31与每个缸体连通的回油孔；与每个缸体连通的回油孔处于相应缸体内活塞的下侧。

机构壳体40可连接于阀体端盖20或液压驱动装置30，机构壳体40上安装有压力补偿接头91。复位组件50设置于机构壳体40内，且包括压缩弹簧51和勾筒52。活塞杆的上端连接于勾筒52，以与勾筒52同步运动。压缩弹簧51配置成在勾筒52向下运动时压缩蓄能，以促使勾筒52向上运动。上端盖60设置于机构壳体40的上端，且具有上盖部61和从上盖部61向下延伸出并***勾筒52的筒部62。活塞杆和勾筒52可对压缩弹簧51进行预压缩。

阀杆位置指示组件70具有位置指示杆71、复位弹簧72和球形接触座73。球形接触座73与勾筒52的上端接触抵靠。位置指示杆71可上下移动地安装于上盖部61，且位置指示杆71的上端伸出上端盖60，下端安装于球形接触座73。复位弹簧72套装于位置指示杆71，配置成促使位置指示杆71向下移动。通过与勾筒52的球面接触可以实现位置指示杆71与相应安装孔的自动调整同轴度，提高位置指示杆71可靠性。

ROV驱动装置80具有螺纹轴81、传动螺母82和套筒83。传动螺母82和套筒部62可上下移动地设置于筒部62内。套筒83处于传动螺母82的下侧，且套筒83的下端为用于活塞杆的上端接触抵靠的接触板。接触板的中央开设有与回油通道31同轴设置的回油通孔。螺纹轴81转动地安装于上盖部61，且与传动螺母82配合，以在转动时带动传动螺母82上升或下降。活塞与活塞杆被布置成使得活塞在主动向下移动时带动活塞杆向下移动，活塞杆在主动向下移动时与活塞分离，保证了ROV操作时不需要液压缸吸回油，实现了ROV操作的完全独立。

活塞杆内有回油通道31，可以保证液压驱动时液压缸下部的液压油排到执行机构壳体40内，防止液压缸憋压无法开启闸阀。ROV操作时因活塞杆与阀杆21直径差异，导致液压缸体积变化，回油通道31和套筒83上回油通孔配合一起实现吸、回油，防止憋压，确保更可靠开启、关闭闸阀。

压力补偿器90通过支架92安装于机构壳体40。且压力补偿器90通过补偿油管93与压力补偿接头91连接，以与机构壳体40内部连通。机构壳体40和压力补偿器90内部充满液压油，压力补偿器90一侧与执行机构壳体40连通，另一侧与海水连通，实现机构壳体40内部与外部海水压力动态平衡。即在深海高压力作用下可以保证机构壳体40内外压力动态平衡，避免机构壳体40承压。

在本发明的一些实施例中，至少一个缸体包括第一缸体32。第一缸体32包括第一筒状部，封闭第一筒状部上端的第一盖部，以及从第一筒状部的下端向外延伸以封闭机构壳体40下端的环形盖部。至少一个活塞包括第一活塞33，第一活塞33设置于第一筒状部内。

在本发明的一些实施例中，可采用多液压缸驱动模式，可以一个液压缸工作，其余的液压缸备用，或者多液压缸同时驱动。例如，至少一个缸体还包括第二缸体34，第二缸体34包括第二筒状部，以及封闭第二筒状部上端的第二盖部。第二筒状部的外壁面与机构壳体40的外壁面平齐。且至少一个活塞还包括第二活塞35，第二活塞35设置于第二筒状部内。阀体端盖20设置于第二筒状部的下端。

进一步地，活塞杆可一体成型，也可包括第一子杆36和第二子杆37，第一子杆36设置于第二子杆37的上侧。第一活塞33套装于第一子杆36。第二活塞35套装于第二子杆37。第一子杆36与第二子杆37固定连接。第一子杆36和第二子杆37均包括杆部和位于杆部下端的连接块。连接块的直径大于杆部的直径，以与相应第一活塞33或第二活塞35接触抵靠。连接块具有开口朝下的连接孔。第二子杆37或阀杆21的上端***相应连接孔。

进一步地，环形盖部的上侧可设置有弹簧座53。弹簧座53安装在三瓣弹簧座挡片54上，弹簧座挡片54安置于机构壳体40内部沟槽内，使机构壳体40、第一缸体32、第二缸体34、阀体端盖20紧固连接。阀体端盖20、第一缸体32、第二缸体34、弹簧座53依次采用螺柱22和螺母23连接，并安装有防水螺帽24防止海水渗入。

第二活塞35安装于第二缸体34内并贯穿在第二子杆37上，第二子杆37与阀杆21采用螺纹连接，第二活塞35杆采用第二盖部上设置的液压缸压盖45与第二缸体34定位，阀杆21采用安装于阀体端盖20内表面的端盖压盖46与阀体端盖20定位。第一活塞33安装于第一缸体32内并贯穿在第一子杆36上，第二子杆37与第一子杆36采用螺纹连接，第一子杆36采用第一缸体32与第一盖部上的液压缸压盖47定位。连接孔为螺纹孔。第一缸体32上还设置有油路，可包括第一进油口38和第一出油口；第二缸体34上也设置有油路，可包括第二进油口39和第二出油口。

在本发明的一些实施例中，每个活塞与活塞杆之间设置有锁紧机构，锁紧机构具有固定套装于活塞杆的固定环，以及从固定环向下延伸出的多个锁紧片。多个锁紧片沿固定环的周向方向均布，且每相邻两个锁紧片间隔设置。进一步地，每个活塞的中央孔洞内设置有环形槽，环形槽内设置有密封圈。

在本发明的一些实施例中，上盖部61上从上向下依次设置有让位孔和转动孔。转动孔内安装有轴承，螺纹轴81安装于轴承。轴承可包括第一轴承63和第二轴承64。让位孔的底部设置有封盖转动孔的轴承压盖65，例如可通过螺栓66连接。上盖部61的上表面设置有封盖让位孔的ROV接口盖67。ROV接口盖67通过螺柱75和螺栓76安装于上盖部61，并安装有防水螺帽77防止海水渗入。勾筒52的底板上设置有通孔。活塞杆的上端设置有挡环57和挡片56。挡环57设置于挡片56和勾筒52的底板之间。

进一步地，传动螺母82可为六边形螺母，套筒83与传动螺母82之间通过螺栓84连接。套筒83的侧面可设置有出油孔。在不使用ROV驱动时，套筒83与活塞杆处于不接触完全分离状态。上端盖60与机构壳体40通过螺柱45和螺母46连接，并安装有防水螺帽47防止海水渗入。位置指示杆71与球形接触座73可通过螺纹连接。上端盖60外侧设置有位置指示牌78，作位置指示杆71的参考。

本发明实施例的冗余驱动水下闸阀执行机构在工作时，可先可用第一缸体32和第一活塞33推动活塞杆向下运动，进而带动阀杆21向下运动实现开启闸阀。活塞杆带动勾筒52向下移动，对压缩弹簧51进行压缩。勾筒52上端面的位置指示杆71在复位弹簧72的作用下一起向下运动，指示闸阀开启。保持第一缸体32内的液压油油压不变，闸阀处于常开状态。可替代地，可先用第二缸体34和第二活塞35推动活塞杆向下运动。还可替代地，同时用第一缸体32、第一活塞33、第二缸体34和第二活塞35推动活塞杆向下运动。需要关闭闸阀时，撤回液压油压力，压缩弹簧51在回复力作用下推动勾筒52，勾筒52带动活塞杆、阀杆21向上运动实现关闭闸阀，勾筒52上端面的位置指示杆71在勾筒52推力作用下一起向上运动，指示闸阀关闭。其中一个液压缸出现故障时，另一个液压缸也可单独实现开启、关闭闸阀。

ROV驱动装置80可在多个液压缸均出现故障时工作，也可在其他情况下进行工作。具体地，需要开启闸阀时，水下扭力工具带动螺纹轴81旋转，螺纹轴81通过螺纹带动传动螺母82和套筒83向下运动，套筒83的接触板向下运动，推动活塞杆、阀杆21一起向下运动，同时活塞杆经挡环拉动勾筒52对压缩弹簧51进行压缩，勾筒52上端面的位置指示杆71在位置指示复位弹簧72作用下一起向下运动，指示闸阀开启。保持扭力工具不旋转，闸阀处于常开状态。需要关闭闸阀时，扭力工具带动螺纹轴81反向旋转，螺纹轴81通过螺纹带动传动螺母82和套筒83向上运动，压缩弹簧51在回复力作用下推动勾筒52，勾筒52带动活塞杆、阀杆21向上运动实现关闭闸阀，勾筒52上端面的位置指示杆71在勾筒52推力作用下一起向上运动，指示闸阀关闭。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (8)

1.一种冗余驱动水下闸阀执行机构，包括阀体端盖和可上下运动地穿设于所述阀体端盖中并与所述阀体端盖密封连接的阀杆，其特征在于，所述冗余驱动水下闸阀执行机构还包括：

液压驱动装置，连接于所述阀体端盖，且具有活塞杆、至少一个缸体和至少一个活塞；所述活塞杆的下端与所述阀杆的上端固定连接，每个所述活塞设置于所述活塞杆上，且所述活塞与所述活塞杆被布置成使得所述活塞在主动向下移动时带动所述活塞杆向下移动，所述活塞杆在主动向下移动时与所述活塞分离；且所述活塞杆上设置有连通其上端面的回油通道，以及连通所述回油通道与每个所述缸体连通的回油孔；与每个所述缸体连通的所述回油孔处于相应所述缸体内所述活塞的下侧；

机构壳体，连接于所述阀体端盖或所述液压驱动装置，所述机构壳体上安装有压力补偿接头；

复位组件，设置于所述机构壳体内，且包括压缩弹簧和勾筒；所述活塞杆的上端连接于所述勾筒，以与所述勾筒同步运动；所述压缩弹簧配置成在所述勾筒向下运动时压缩蓄能，以促使所述勾筒向上运动；

上端盖，设置于所述机构壳体的上端，且具有上盖部和从所述上盖部向下延伸出并***所述勾筒的筒部；

阀杆位置指示组件，其具有位置指示杆、复位弹簧和球形接触座；所述球形接触座与所述勾筒的上端接触抵靠；所述位置指示杆可上下移动地安装于所述上盖部，且所述位置指示杆的上端伸出所述上端盖，下端安装于所述球形接触座；所述复位弹簧套装于所述位置指示杆，配置成促使所述位置指示杆向下移动；和

ROV驱动装置，其具有螺纹轴、传动螺母和套筒；所述传动螺母和所述套筒部可上下移动地设置于所述筒部内；所述套筒处于所述传动螺母的下侧，且所述套筒的下端为用于所述活塞杆的上端接触抵靠的接触板；所述接触板的中央开设有与所述回油通道同轴设置的回油通孔；所述套筒的侧壁上设置有出油孔；所述螺纹轴转动地安装于所述上盖部，且与所述传动螺母配合，以在转动时带动所述传动螺母上升或下降；以及

压力补偿器，其通过支架安装于所述机构壳体，且所述压力补偿器通过补偿油管与所述压力补偿接头连接，以与所述机构壳体内部连通。

2.根据权利要求1所述的冗余驱动水下闸阀执行机构，其特征在于，

所述至少一个缸体包括第一缸体；所述第一缸体包括第一筒状部，封闭所述第一筒状部上端的第一盖部，以及从所述第一筒状部的下端向外延伸以封闭所述机构壳体下端的环形盖部；

所述至少一个活塞包括第一活塞，所述第一活塞设置于所述第一筒状部内。

3.根据权利要求2所述的冗余驱动水下闸阀执行机构，其特征在于，

所述至少一个缸体还包括第二缸体，所述第二缸体包括第二筒状部，以及封闭所述第二筒状部上端的第二盖部；所述第二筒状部的外壁面与所述机构壳体的外壁面平齐；且

所述至少一个活塞还包括第二活塞，所述第二活塞设置于所述第二筒状部内；

所述阀体端盖设置于所述第二筒状部的下端。

4.根据权利要求3所述的冗余驱动水下闸阀执行机构，其特征在于，

所述活塞杆包括第一子杆和第二子杆，所述第一子杆设置于所述第二子杆的上侧；所述第一活塞套装于所述第一子杆；所述第二活塞套装于所述第二子杆；所述第一子杆与所述第二子杆固定连接。

5.根据权利要求4所述的冗余驱动水下闸阀执行机构，其特征在于，

所述第一子杆和所述第二子杆均包括杆部和位于杆部下端的连接块；所述连接块的直径大于所述杆部的直径，以与相应所述第一活塞或所述第二活塞接触抵靠；所述连接块具有开口朝下的连接孔；

所述第二子杆或所述阀杆的上端***相应所述连接孔。

6.根据权利要求1所述的冗余驱动水下闸阀执行机构，其特征在于，

每个所述活塞与所述活塞杆之间设置有锁紧机构，所述锁紧机构具有固定套装于所述活塞杆的固定环，以及从所述固定环向下延伸出的多个锁紧片；多个所述锁紧片沿所述固定环的周向方向均布，且每相邻两个所述锁紧片间隔设置；

每个所述活塞的中央孔洞内设置有环形槽，所述环形槽内设置有密封圈。

7.根据权利要求1所述的冗余驱动水下闸阀执行机构，其特征在于，

所述上盖部上从上向下依次设置有让位孔和转动孔；

所述转动孔内安装有轴承，所述螺纹轴安装于所述轴承；

所述让位孔的底部设置有封盖所述转动孔的轴承压盖；

所述上盖部的上表面设置有封盖所述让位孔的ROV接口盖。

8.根据权利要求1所述的冗余驱动水下闸阀执行机构，其特征在于，

所述勾筒的底板上设置有通孔；

所述活塞杆的上端设置有挡环和挡片；所述挡环设置于所述挡片和所述勾筒的底板之间。