Ölfeldventile müssen unter Druck, Vibration und rauen Wetterbedingungen arbeiten. Gleichzeitig lassen Bohrausrüstungen und Offshore-Plattformen oft wenig Platz für einen Antrieb.

Ein hydraulischer Drehzylinder wandelt den Flüssigkeitsdruck in eine kontrollierte Drehbewegung um. Bei Vierteldreh-Kugel-, -Klappen- und -Kegelventilen kann er die 90°-Bewegung bereitstellen, die zum Öffnen oder Schließen des Strömungswegs erforderlich ist.

Sind die Einbauverhältnisse beengt, sind schräge Drehantriebe eine Überlegung wert. Ein zuverlässiger Ventilbetrieb hängt jedoch von der kompletten Baugruppe ab: Antrieb, Kupplung, Steuerung, Hydraulikversorgung und Notbetätigungssystem.

Inhalt

• Was ist ein hydraulischer Ölfelddrehzylinder?
• Wie funktioniert ein schrägverzahnter Drehantrieb?
• Wie lassen sich Drehantriebskonstruktionen vergleichen?
• Wie soll das Ventildrehmoment geprüft werden?
• Wie viel Öl und Durchfluss sind erforderlich?
• Was macht einen Antrieb für den Ölfeldeinsatz geeignet?
• Was sind die wichtigsten Konstruktionsgrenzen?
• Welche Informationen werden für eine kundenspezifische Lösung benötigt?

Was ist ein hydraulischer Ölfelddrehzylinder?

Ein hydraulischer Drehzylinder ist ein Schwenkantrieb mit begrenztem Winkel, der eine Abtriebswelle oder einen Flansch dreht. Über eine geeignete Kupplung mit einer Ventilspindel verbunden, stellt er das Drehmoment bereit, das erforderlich ist, um das Ventil zwischen seinen Betriebsstellungen zu bewegen.

Typische Anwendungen sind Vierteldrehventile an Prozessleitungen, Verteilern und ausgewählten Bohrsystemen.

Allerdings nutzt nicht jedes Ölfeldventil eine Drehbewegung. Viele Schieber und Oberflächen-Sicherheitsventile erfordern Linearantriebe. Daher müssen Ventiltyp und Spindelbewegung bestätigt werden, bevor ein Antrieb gewählt wird.

Wie funktioniert ein schrägverzahnter Drehantrieb?

Ein schrägverzahnter Drehantrieb verwendet einen internen Mechanismus, um den Kolbenhub in eine Drehung umzuwandeln.

In einem typischen Schiebekeilwellen-Design:

1. Hydrauliköl tritt in eine Druckkammer ein.
2. Der Druck bewegt den Kolben entlang des Antriebskörpers.
3. Schräge Keilnuten führen die beweglichen Teile und drehen die Abtriebswelle.
4. Die Welle überträgt das Drehmoment über die Kupplung auf die Ventilspindel.
5. Umgekehrt wird die Bewegung, wenn die Druckversorgung umgekehrt wird.

Diese Anordnung platziert die Bewegungsumwandlung in einem kompakten Gehäuse. Andere schräge Konstruktionen verwenden unterschiedliche interne Mechanismen, daher müssen die Ausgangseigenschaften mit dem ausgewählten Modell überprüft werden. 

Schräg vs. Zahnstange und Ritzel vs. Flügelzellenantriebe

Jedes Design bietet Vorteile. Die beste Wahl hängt von der Ventilbelastung ab und nicht von einer einzigen Leistungsangabe.

Schrägverzahnte Antriebe können beengte Einbausituationen eignen, wie kommerzielle Vierteldrehventilantriebskonstruktionen zeigen. Dennoch sind sie nicht automatisch die beste Option für jedes Ölfeldventil.

Veröffentlichte Drehmoment- und Positionierungswerte gehören zu bestimmten Produkten. Sie sollten nicht als allgemeine Bewertung für alle schrägen Zylinder behandelt werden.

Wie wählen Sie das erforderliche Drehmoment aus?

Beginnen Sie mit den Drehmomentdaten des Ventilherstellers unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen.

Prüfen:

• Losbrechmoment: Das erforderliche Drehmoment, um die Bewegung zu beginnen, nachdem das Ventil stillgestanden hat.
• Laufmoment: Das während des Hubs erforderliche Drehmoment.
• Dichtsitz- und Losbrechmoment: Das in der Nähe der geschlossenen Position erforderliche Drehmoment.
• Serviceeffekte: Differenzdruck, Temperatur, Ablagerungen, Korrosion und Zeit zwischen den Betätigungen.

Vergleichen Sie dann den Drehmomentbedarf des Ventils mit der verfügbaren Leistung des Antriais während des gesamten Hubs unter Verwendung des minimal verfügbaren Hydraulikdrucks.

Wenden Sie die mit dem Ventillieferanten und der Projektspezifikation vereinbarte Marge an. Überprüfen Sie außerdem das maximal zulässige Drehmoment der Ventilspindel. Ein überdimensionierter Antrieb kann Spindel, Sitze oder Kupplung beschädigen, wenn der Druck nicht richtig begrenzt wird.

Zusätzliches Drehmoment ersetzt nicht die Inspektion eines festsitzenden oder beschädigten Ventils.

Wie viel Öl und Durchfluss benötigt der Antrieb?

Für eine erste Schätzung:

Betriebszeit in Sekunden ≈ 60 × Hubvolumen in Litern ÷ Durchfluss in Litern pro Minute

Zum Beispiel würde ein Antrieb, der 0,5 Liter für einen 90°-Hub benötigt, bei 5 Litern pro Minute etwa 6 Sekunden brauchen.

Dies ist eine ideale Schätzung. Die tatsächliche Zeit hängt von den Ventilbeschränkungen, der Last, der Öltemperatur, der Leckage und dem verfügbaren Druck ab.

Öffnungs- und Schließzeiten können ebenfalls unterschiedlich sein. Geben Sie daher beide Richtungen getrennt an und bestätigen Sie die Leistung durch Tests.

Warum hydraulische Betätigung für Ölfeldventile in Betracht ziehen?

Hydraulische Betätigung kann innerhalb einer kompakten Installation ein erhebliches Drehmoment bereitstellen. Außerdem kann das Aggregat weg vom Ventil platziert werden, wobei Schläuche oder Rohrleitungen den Druck zum Antrieb leiten.

Mit geeigneter Steuerung kann das System unterstützen:

• Fernbedienung des Ventils.
• Gesteuerte Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten.
• Positionsrückmeldung.
• Notbewegung mit gespeicherter Energie.
• Integration in ein elektrohydraulisches Steuerungspaket.

Hydraulischer Druck allein garantiert jedoch keine stabile Positionierung, Stoßfestigkeit oder sichere Abschaltung. Diese Funktionen hängen vom Kreislauf und der mechanischen Konstruktion ab.

Positions- und Fail-Safe-Bewegung sind unterschiedlich

Ein Ventil muss möglicherweise nach einem Stromausfall in Position bleiben, sich automatisch schließen oder automatisch öffnen. Die erforderliche Maßnahme ergibt sich aus der Prozesssicherheitsbeurteilung.

Positionsstabilität kann vorgesteuerte Rückschlagventile oder eine andere geeignete Haltevorrichtung verwenden. Leckage, Temperaturänderungen und eingeschlossener Druck müssen dennoch berücksichtigt werden.

Fail-Safe-Bewegung erfordert eine zuverlässige Energiequelle und einen Steuerweg. Je nach Konstruktion kann dies eine Rückholfeder oder einen Hydraulikspeicher beinhalten.

Ein Akkumulator muss für den erforderlichen Hub, den minimalen Betriebsdruck, den Temperaturbereich und die Reservekapazität dimensioniert werden. Seine Fähigkeit, eine Notfunktion abzuschließen, muss überprüft werden.

Kommerzielle Fail-Safe-Systeme verwenden Federrückstell- oder Akkumulatoranordnungen, um Ventile in eine definierte sichere Position zu bewegen.

Welchen Schutz erfordert die Ölfeldumgebung?

Der Außen- und Offshore-Einsatz kann Antriebe Salznebel, Staub, Vibrationen und großen Temperaturänderungen aussetzen.

Material-, Beschichtungs-, Befestigungs- und Dichtungswahlen sollten an diese Bedingungen angepasst werden. Die Dichtungswahl muss auch die Hydraulikflüssigkeit und die Betriebstemperatur berücksichtigen.

Die Eignung für explosionsgefährdete Bereiche erfordert eine Überprüfung des gesamten Pakets, einschließlich Magneten, Schaltern, Sensoren und potenziellen Zündquellen. Eine gute Abdichtung allein begründet keinen Explosionsschutz.

Ebenso ist ein Antrieb, der für die Deinstallation geeignet ist, nicht automatisch für den Unterwassereinsatz geeignet. Der Unterwassereinsatz erfordert Prüfungen auf externen Druck, Druckausgleich, Anschlüsse und eine ROV-Override-Schnittstelle.

Wo kann das System schlecht abschneiden?

Die Leistung kann unzureichend sein, wenn der Antrieb nur nach Nenndrehmoment ausgewählt wird.

Häufige Probleme sind unzureichender Versorgungsdruck, übermäßiger Rücklaufdruck, schlechte Kupplungsausrichtung, verschmutztes Öl und ungeeignete Dichtungen.

Andere Grenzen erfordern besondere Aufmerksamkeit:

• Vibration: Hydraulische Dämpfung verhindert allein keine unerwünschte Ventilbewegung.
• Genauigkeit reisen: Eine genaue Wellenpositionierung beweist nicht, dass das Ventil richtig dichtet.
• Schneller Verschluss: Die Antriebsdämpfung verringert die mechanische Stoßbelastung, aber der Pipelineschwung erfordert eine separate Prozessprüfung.
• Notbetrieb: Ein Halteventil kann nicht die Energie bereitstellen, die erforderlich ist, um einen Abschalthub abzuschließen.

Die Schließzeit sollte daher sowohl nach der Abschaltbedingung als auch nach dem Transientverhalten der Rohrleitung eingestellt werden.

Was sollten Sie für einen benutzerdefinierten Antriebsreview bereitstellen?

Für eine nützliche technische Diskussion:

• Ventiltyp, Größe, Druckklasse und Prozessbedingungen.
• Drehmomentanforderungen über den Betriebshub.
• Maximal zulässiges Spindeldrehmoment.
• Erforderliche Reise- und Öffnungs-/Schließzeiten.
• Minimaler und maximaler Hydraulikdruck.
• Montagezeichnungen, Kupplungsabmessungen und Raumbegrenzungen.
• Temperatur-, Korrosions-, Vibrations- und Gefahrenbereichsanforderungen.
• Erforderliche Reaktion auf Verlust des Strom- oder Hydraulikversorgung.
• Feedback-, Override-, Inspektions- und Testanforderungen.

Besprechen Sie Ihr Ölfeldventilprojekt mit Shellppon

Ein kompakter schrägverzahnter Antrieb kann ein starker Kandidat für Vierteldreh-Ölfeldventile sein. Die endgültige Wahl sollte überprüfte Drehmomentdaten, Installationsgrenzen und eine klar definierte Notreaktion folgen.

Shellppon Hydraulic bietet Hydraulikzylinderfertigung und OEM/ODM-Dienstleistungen. Um die Komponentenauswahl oder ein kundenspezifisches Projekt zu besprechen, wenden Sie sich an Shellppon mit Ihren Ventildaten, Zeichnungen und Betriebsanforderungen.