用于驱动海底阀门的新混合概念

在石油和天然气海底生产系统中，海底“圣诞树”安装在井口上。每棵树通过多个过程阀控制其各自井的石油和天然气生产。每个过程阀均由海底阀门执行器 (SVA) 驱动，该执行器必须能够在每种操作状态下安全关闭阀门，即使在电源故障期间也是如此。

对海底生产系统的要求非常高。操作可用性和安全性对于生产石油和天然气以保护人员和环境的水下系统尤为重要。此外，保护海洋免受传统 SVA 中使用的液压油的处置造成的污染现在也成为一个关键优先事项。

混合 SVA 的新概念将机电和电动液压装置结合在一个紧凑的单元中，用于深海应用，例如操作 2" 闸阀（图 1）。这种混合 SVA 旨在满足高达 SIL3 的安全要求，可承受外部在盐水环境中压力高达 300 bar，能耗降低高达 75%，在 25 年的使用寿命中每天 24 小时运行，维护可能性有限。

带静液压驱动的独立轴

最近开发的 SVA 为以前使用的用于打开和关闭闸阀的传统液压或机电执行器提供了一种节能且安全的替代方案（图 2）。混合 SVA 是独立的模块，具有自己的封闭流体回路，仅包含几升环保液压油。变速电动机驱动耐用的液压泵，该泵产生驱动液压缸所需的流量。油缸杆与井的闸阀杆机械耦合，可根据需要打开或关闭。

SVA 内部带有机械弹簧的安全阀可确保在电源出现故障时气缸也能安全缩回至故障保护位置，而无需外部电源或电池。此外，气缸可以由水下机器人通过超控从外部驱动。传动系统的所有关键部件均采用冗余方式安装。总之，SVA 通过冗余控制、故障保护弹簧和外部干预选项提供不同级别的安全性。

将解决方案与当前执行器技术状态进行比较时，混合 SVA 的优势显而易见。全球使用的绝大多数水下执行器仍然基于传统的液压系统。这种通用结构在过去 50 年中已经证明了它的耐用性和长期安全性。然而，运营商希望减少管理井阀所需的工作量，因为传统的液压系统通常需要在上部安装大型中央液压动力单元 (HPU)。这些通过管线（称为脐带）和长达数公里的跨接器为井阀致动器提供流体。在 3,000 米的工作深度，仅管线中就可以积聚数百升流体。此外，这种传统设置需要额外的液压蓄能器和方向阀来控制和指挥驱动。

作为替代方案，设备供应商尝试设计纯机电解决方案。这些只需要通过电源线供电，并通过数据线连接到位于顶部或海床上的执行器控制模块 (ACM)。然而，由于他们没有选择外部机械干预来进行调整，因此机电解决方案具有与安全相关的缺点。由于与液压系统相比，它们的功率密度较低，因此它们还需要更大的外壳和电池。该设计导致高摩擦，导致动力传输机械磨损并缩短所需的 25 年运行期。由于这些原因，当需要故障安全紧急关闭时，机电解决方案在海底应用中处于严重劣势。

能源消耗减少多达 75%

混合 SVA 结合了液压和机电解决方案的优点，并消除了现有的缺点。分散的独立流体回路意味着流体不再需要顶部 HPU、海底液压控制模块和千米长的脐带管线。 SVA 需要海底仪表接口标准化 (SIIS) 规定的电源和数据线——类似于机电致动器。

在运行过程中，一个高效的定排量/可变旋转液压泵产生流量来驱动低摩擦缸。由于不需要比例阀，因此简化了液压系统，从而显着提高了能源效率。与纯机电执行器相比，SVA 在峰值性能时消耗的功率最多可降低 75%。

考虑到用于操作海底油田的所有执行器，与使用机电执行器相比，单独的电力基础设施（电力电缆、变压器、变频器等）可以节省大量成本（图 3）。驱动液压泵的电动机可以配置得更小，但与执行器的调节力相同，这反过来又节省了安装空间和成本。用电动脐带代替液压脐带也可以实现更多的成本节约，并且无需处理传统液压执行器所需的液压油。

此外，SVA 提供状态监控功能，内置传感器技术，可连续记录执行器内的运行状态并将其报告给更高级别的主控制器。然后可以分析趋势，从而尽早发现和解决偏差。

来自工业应用的成熟技术

SVA 的工作原理来自于工业应用中常见的独立轴的公认使用。 SVA 的单个组件是在质量管理体系下大规模生产的，例如用于工业机器的组件。这种标准化降低了成本并为生产创造了长期可用性。此外，SVA 中使用的传感器和电子设备已在汽车应用中证明了可靠性。如有需要，对组件进行了修改，以符合在深达 6,000 米的深海使用的条件。系统和核心部件还满足不同船级社对船用、近海和海底使用的特殊要求。

在 SVA 内，由于冗余压力补偿系统，每个深度都有两个超压条。这可以防止盐水的渗透以及对具有压力中性设计的大型外壳的需求。除标准要求外，轴内仅使用海底额定接线和连接。所有非海底等级的电气元件也采用耐压部件进行机械和电气封装。

与领先的设备供应商和运营商密切合作，最新的仿真技术被用于创建概念验证和现场试验原型。这种创新的驱动技术结合了最好的机电和液压技术，有助于确保在海底进行安全可靠的运动控制，有助于将“全海底工厂”的愿景变为现实。

本文由 Bosch Rexroth Corp.（密歇根州普利茅斯）的海洋和海底技术负责人 Alexandre Orth 博士和测试工程师 Amadeu Placido Neto 撰写。如需更多信息，请访问此处 .