一种球锁磁力式水下阀门执行器低功率保持及失效安全关断机构

摘要

本发明提供一种球锁磁力式水下阀门执行器低功率保持及失效安全关断机构，包括水下阀门主体、水下阀门前盖、水下阀门阀杆、安全关断复位弹簧、水下阀门低功率保持及失效安全关断机构。所述的水下阀门阀杆下端的圆筒内部加工有圆形凹槽；所述的水下阀门低功率保持及失效安全关断机构包括低功率保持机构外壳、锁紧球、锁紧滑块、滑块盖板、锁紧斜杆、低功率保持固定圆盘、锁紧复位弹簧、弹簧固定块、弹簧固定圆盘、过渡圆柱、磁性圆盘、电磁铁元件、电磁铁固定盖、电磁铁保护圆盘等。本发明有效的降低了水下阀门的能耗，设计的低功率保持及失效安全关断机构原理简单可靠，有效的实现了水下阀门的低功率保持及失效安全关断功能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下闸阀执行器，尤其涉及一种球锁磁力式水下阀门执行器低功率保持及失效安全关断机构，属于海洋石油工程领域。

背景技术

随着全球经济不断增长，人们对能源的需求也会不断的增加，而石油和天然气是目前世界上的主要能源之一。国际能源署(IEA)发布的世界能源发展预测，从2000～2030年，世界石油需求量会以年1.6％的速率进行增长，到2030年将达到57.69亿吨；天然气的需求量将会以年2.4％的速率增长，到2030年将达到相当于42.03亿吨油量。传统陆地上的能源已经不能满足人类因社会发展而带来的巨大需求，因此人类的步伐也从陆地逐步迈向了海洋。

水下生产系统是二十世纪六十年代发展起来的，它利用水下完井技术结合固定式平台、浮式生产平台等设施组成不同的海上油田开发形式。水下生产系统可以避免建造昂贵的海上采油平台，节省大量建设投资，受灾害影响较小，可靠性强。随着海上深水油气田及边际油田的开发，水下生产系统在结合固定平台、浮式生产设施组成完整的油气田开发方式上得到了广泛应用。

水下生产系统包括采油树、井口与管汇、接入出油管系统和控制油井的操纵设备等。安装在采油树、管汇及水下分离器上的水下阀门是控制水下采油的重要设备。水下阀门的类型主要包括闸阀、球阀、止回阀等，其中，以水下闸阀应用最为广泛，而闸阀功能的实现需要闸阀执行器的操作。目前，陆上闸阀执行器的操作一般有手动(人工操作)、气动、电动、液压、联动等动力方式。除气动和联动外，其他三种类型的执行器在水下均有应用。由于液压和电动操作具有反应迅速、驱动能力强、自动化程度高、不受水深限制等优点，一般选择二者作为主要操作方式。根据API 17D的要求，水下闸阀必须要做到失效安全，即要求一旦失去阀门操作的动力，就要求将阀门关闭。实现此功能的通行做法是通过手动方式进行关闭。

传统的水下阀门都是靠液压动力进行驱动的，液压动力需要持续的供给才能保持阀门打开，浪费能量，失效安全关断完全依靠复位弹簧来完成，而最新研发的全电式水下阀门完全靠电力进行驱动，电机在打开阀门及保持打开状态时会消耗大量的能量，而水下阀门在正常工作状态下是一直处于打开状态，这就造成了大量的能量浪费。综上所述，研究阀门打开状态下的低功耗保持技术及失效安全关断至关重要。

发明内容

本发明的目的是为了能够实现水下阀门正常工作的低功耗、失效安全关断功能而提供一种球锁磁力式水下阀门执行器低功率保持及失效安全关断机构。

本发明的目的是这样实现的：包括水下阀门主体、与水下阀门主体上端固连的水下阀门前盖、穿过水下阀门前盖并伸入至水下阀门主体内的水下阀门阀杆、与水下阀门主体下端固连的低功率保持机构外壳，所述低功率保持机构外壳位于水下阀门阀杆内，在水下阀门前盖的下端与水下阀门阀杆之间设置有安全关断复位弹簧且安全关断复位弹簧套在水下阀门阀杆外表面上，所述低功率保持机构外壳内部的上端安装有低功率保持固定圆盘，低功率保持固定圆盘上端对称设置有一对锁紧滑块，锁紧滑块上方设置有滑块盖板，低功率保持固定圆盘下端固连有弹簧固定圆盘，弹簧固定圆盘下端固连有过渡圆柱，过渡圆柱的下端固连有电磁铁保护圆盘，电磁铁保护圆盘的下端设置有电磁铁固定盖，电磁铁元件设置在电磁铁保护圆盘与电磁铁固定盖形成的空间内，所述过渡圆柱上套有磁性圆盘，磁性圆盘上对称连接有两个锁紧斜杆，每个锁紧斜杆的上端依次穿过弹簧固定圆盘、低功率保持固定圆盘和滑块盖板，且锁紧斜杆的斜面与对应的锁紧滑块接触，每个所述锁紧斜杆上还设置有一个弹簧固定块，每个锁紧杆外还套有锁紧复位弹簧，且每个锁紧复位弹簧的上端与对应的弹簧固定块连接、下端与弹簧固定圆盘连接，所述低功率保持外壳上方对称设置有两个通孔，每个通孔内设置有一个锁紧球，且锁紧球与对应的锁紧滑块接触，水下阀门阀杆内表面设置有与两个锁紧球配合的圆形凹槽。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.本发明依靠锁紧斜面的推力、电磁铁元件的磁力实现了闸阀执行器的低功耗保持，依靠锁紧复位弹簧的弹簧力、安全关断弹簧的弹簧力实现了闸阀执行器的失效安全关断功能，解决了传统闸阀执行器完全依靠液压或者电力保持而消耗大量能量的问题，结构简单紧凑，经济适用。2.本发明通过采用锁紧斜杆斜面锁紧时小角度驱动，大角度锁紧，只需较小的磁力即可实现低功耗保持功能，摒弃了杠杆原理，结构紧凑可靠。3.本发明通过利用电磁铁带电产生磁力，断电失去磁力原理，原理简单可靠，在低功耗保持及失效安全关断功能上使用具有较高的可靠性。

附图说明

图1是本发明水下阀门执行器关闭状态剖视图；

图2是本发明水下阀门执行器开启状态剖视图；

图3是本发明上侧视示意图；

图4是本发明下侧视示意图；

图5是本发明低功率保持及安全关断机构剖视图；

图中主要标号说明：1.水下阀门阀杆，2.水下阀门前盖，3.安全关断复位弹簧，4.水下阀门主体，5.锁紧斜杆，6.滑块盖板，7.低功率保持固定圆盘，8.锁紧球，9.锁紧滑块，10.弹簧固定块，11.锁紧复位弹簧，12.弹簧固定圆盘，13.磁性圆盘，14.低功率保持机构外壳，15.电磁铁保护圆盘，16.电磁铁固定盖，17.过渡圆柱，18.电磁铁元件。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明包括水下阀门主体、水下阀门前盖、水下阀门阀杆、安全关断复位弹簧、水下阀门低功率保持及安全关断机构。所述的水下阀门前盖安装在水下阀门主体上；所述的安全关断复位弹簧安装在水下阀门前盖上；所述的水下阀门阀杆推着安全关断复位弹簧安装在水下阀门主体内，其与水下阀门前盖上的圆孔和水下阀门主体的内表面配合，可上下移动；所述的水下阀门低功率保持及失效安全关断机构包括低功率保持机构外壳、锁紧球、锁紧滑块、滑块盖板、锁紧斜杆、低功率保持固定圆盘、锁紧复位弹簧、弹簧固定块、弹簧固定圆盘、过渡圆柱、磁性圆盘、电磁铁元件、电磁铁固定盖、电磁铁保护圆盘等。所述的锁紧滑块安装在低功率保持固定圆盘上；所述的滑块盖板安装在低功率保持固定圆盘上；所述的锁紧斜杆安装在低功率保持固定圆盘上的孔内；所述的弹簧固定块安装在锁紧斜杆上；所述的弹簧固定圆盘安装在低功率保持固定圆盘上；所述的锁紧复位弹簧安装在弹簧固定块和弹簧固定圆盘上；所述的过渡圆柱安装在弹簧固定圆盘上；所述的磁性圆盘安装在锁紧斜杆上；所述的电磁铁保护圆盘安装在过渡圆柱上；所述的电磁铁元件安装在电磁铁固定盖上；所述的电磁铁固定盖安装在电磁铁保护圆盘上；所述的锁紧球安装在低功率保持外壳的圆形孔内；所述的低功率保持固定圆盘安装在低功率保持机构外壳上；所述的水下阀门低功率保持及失效安全关断机构安装在水下阀门主体上。所述的水下阀门阀杆下端的圆筒内部加工有圆形凹槽；所述的低功率保持外壳内部加工有圆形孔，圆形孔具有防止锁紧球掉落的结构。

结合图1-5，水下阀门前盖2安装在水下阀门主体4上；安全关断复位弹簧3安装在水下阀门前盖2上；水下阀门阀杆1推着安全关断复位弹簧3安装在水下阀门主体4内，其与水下阀门前盖2上的圆孔和水下阀门主体4的内表面配合，可上下移动；锁紧滑块9安装在低功率保持固定圆盘7上；滑块盖板6安装在低功率保持固定圆盘7上；锁紧斜杆5安装在低功率保持固定圆盘7上的孔内；弹簧固定块10安装在锁紧斜杆5上；弹簧固定圆盘12安装在低功率保持固定圆盘7上；锁紧复位弹簧11安装在弹簧固定块10和弹簧固定圆盘12上；过渡圆柱17安装在弹簧固定圆盘12上；磁性圆盘13安装在锁紧斜杆5上；电磁铁保护圆盘15安装在过渡圆柱17上；电磁铁元件安装在电磁铁固定盖16上；电磁铁固定盖16安装在电磁铁保护圆盘15上；锁紧球8安装在低功率保持机构外壳14上的圆形孔内；低功率保持固定圆盘7安装在低功率保持机构外壳14上；低功率保持机构外壳14安装在水下阀门主体4上。

本发明采用以下安装步骤是：

第一步：将水下阀门前盖2安装在水下阀门主体4上；

第二步：将安全关断复位弹簧3安装在水下阀门前盖2上；

第三步：将水下阀门阀杆1推着安全关断复位弹簧3安装在水下阀门主体4内；

第四步：将几个锁紧滑块9安装在低功率保持固定圆盘7上，滑块盖板6安装在低功率保持固定圆盘7上；

第五步：将锁紧斜杆5安装在低功率保持固定圆盘7上的孔内，弹簧固定块10安装在锁紧斜杆5上；

第六步：将弹簧固定圆盘12安装在低功率保持固定圆盘7上，锁紧复位弹簧11安装在弹簧固定块10和弹簧固定圆盘12上；

第七步：将过渡圆柱17安装在弹簧固定圆盘12上，磁性圆盘13安装在锁紧斜杆5上；

第八步：将电磁铁保护圆盘15安装在过渡圆柱17上；

第九步：将电磁铁元件安装在电磁铁固定盖16上，电磁铁固定盖16安装在电磁铁保护圆盘15上；

第十步：将几个锁紧球8安装在低功率保持机构外壳14上的圆形孔内；

第十一步：将低功率保持固定圆盘7安装在低功率保持机构外壳14上；

第十二步：将低功率保持机构外壳14安装在水下阀门主体4上。

本发明工作原理是：

水下阀门执行器通过液压或者电力等驱动机构通过低功率保持机构外壳14上的孔推动水下阀门阀杆1从关闭状态到开启状态；在开启状态时，锁紧球8与水下阀门阀杆1内部的凹槽在一个水平线上，给电磁铁元件18通电，电磁铁产生磁力吸住磁性圆盘13向下移动，此时锁紧斜杆5克服锁紧复位弹簧11的弹簧力向下移动，通过锁紧斜杆5上的斜面推动锁紧滑块9向外移动，进而推动锁紧球8进入到水下阀门阀杆1内部的凹槽内，此时停止液压或者电力等动力，安全关断复位弹簧3给锁紧球8及锁紧滑块9一个向心力，锁紧保持时向心力与锁紧斜杆5斜面的角度较大，故无论这个力多大，传输到锁紧斜杆5移动方向上的力都很小，只需要较小的磁力即可保持，实现了水下阀门执行器的低功率保持功能。

当系统出现故障失效时，电磁铁元件18断电失去磁力，锁紧复位弹簧11推动锁紧斜杆5向上移动，此时锁紧球8受到安全关断复位弹簧3的推力向内推动锁紧滑块9，当锁紧球8完全进入到低功率保持机构外壳14内时，水下阀门在安全关断复位弹簧3的作用下从开启状态到关闭状态，实现了水下阀门的失效安全关断功能。

综上，本发明通过锁紧斜杆上的斜面和电磁铁的磁力实现低功率保持和安全关断功能，有效的降低了水下阀门的能耗，设计的低功率保持及失效安全关断机构原理简单可靠，有效的实现了水下阀门的低功率保持及失效安全关断功能。