油田用バルブは、圧力・振動・過酷な気象条件下で動作しなければなりません。同時に、掘削装置や洋上プラットフォームでは、アクチュエータ用のスペースがほとんど確保できないことがよくあります。

油圧式ロータリーシリンダは、流体圧力を制御された回転運動に変換します。90°回転式のボールバルブ、バタフライバルブ、プラグバルブに対して、流路を開閉するために必要な90°の動きを提供できます。

設置スペースが限られている場所では、ヘリカル式ロータリーアクチュエータが検討に値します。ただし、バルブの信頼性ある動作は、アクチュエータ、カップリング、制御装置、油圧供給装置、緊急操作システムといったシステム全体に依存します。

目次

• 油田用油圧式ロータリーシリンダとは？
• ヘリカル式ロータリーアクチュエータの動作原理
• 各種ロータリーアクチュエータ設計の比較
• バルブのトルク確認方法
• 必要な油量と流量
• 油田用途に適したアクチュエータの条件
• 主な設計上の制限
• カスタムソリューションに必要な情報

油田用油圧式ロータリーシリンダとは？

油圧式ロータリーシリンダは、出力軸やフランジを回転させる有限角アクチュエータです。適切なカップリングを介してバルブステムに接続され、バルブを動作位置間で移動させるために必要なトルクを提供します。

一般的な用途としては、プロセスライン、マニホールド、特定の掘削システムにおける90°回転式バルブが挙げられます。

ただし、すべての油田用バルブが回転運動を使用するわけではありません。多くのゲートバルブや地上安全弁は直動アクチュエータを必要とします。したがって、アクチュエータを選定する前に、バルブの種類とステムの動作を確認する必要があります。

ヘリカル式ロータリーアクチュエータの動作原理

ヘリカル式ロータリーアクチュエータは、内部機構を用いてピストンの移動を回転運動に変換します。

一般的なスライドスプライン設計の場合：

1. 作動油が圧力室に流入する
2. 圧力によりピストンがアクチュエータ本体内を移動する
3. ヘリカルスプラインが可動部を案内し、出力軸を回転させる
4. 軸がカップリングを介してバルブステムにトルクを伝達する
5. 圧力供給を切り替えると動作が反転する

この構成により、コンパクトなハウジング内に運動変換機構を収めることができます。他のヘリカル設計では異なる内部機構を使用するため、出力特性は選定モデルごとに確認する必要があります。

ヘリカル式 vs ラックアンドピニオン式 vs ベーン式アクチュエータ

各設計にはそれぞれ利点があります。最適な選択は、単一の性能仕様ではなく、バルブの使用条件に基づいて決定されます。

ヘリカルアクチュエータは、市販の90°回転式バルブ用アクチュエータの設計例が示すように、狭所への設置に適しています。ただし、すべての油田用バルブに自動的に最適というわけではありません。

公開されているトルクや位置決め精度の数値は、特定の製品に属するものです。すべてのヘリカルシリンダに共通する定格値として扱うべきではありません。

必要なトルクの選定方法は？

実際の使用条件下におけるバルブメーカーのトルクデータから開始します。

以下を確認してください：

• 始動トルク： バルブが静止した状態から動作を開始するために必要なトルク
• 作動トルク： 移動中に必要なトルク
• 着座・離座トルク： 閉位置付近で必要なトルク
• 使用環境の影響： 差圧、温度、堆積物、腐食、動作間隔

次に、最小使用油圧を用いて、ストローク全体にわたるアクチュエータの出力可能トルクとバルブの必要トルクを比較します。

バルブサプライヤーやプロジェクト仕様で合意された安全率を適用します。また、バルブステムの最大許容トルクも確認してください。圧力が適切に制限されていない場合、定格オーバーのアクチュエータはステム、シート、カップリングを損傷する可能性があります。

固着や損傷のあるバルブの点検を、余分なトルクで代替してはなりません。

アクチュエータに必要な油量と流量は？

初期見積もりとして：

動作時間（秒） ≈ 60 × ストローク容積（リットル） ÷ 流量（リットル/分）

例：90°ストロークに0.5リットルを必要とするアクチュエータは、流量5リットル/分で約6秒かかります。

これは理想的な見積もりです。実際の時間は、バルブの抵抗、負荷、油温、漏れ、利用可能圧力に依存します。

開閉時間が異なる場合もあります。そのため、両方向の動作時間を個別に指定し、試験により性能を確認してください。

油田用バルブに油圧式アクチュエーションを選ぶ理由は？

油圧式アクチュエーションは、コンパクトな設置スペース内で大きなトルクを提供できます。また、パワーユニットをバルブから離れた場所に設置し、ホースや配管で圧力をアクチュエータに伝送することができます。

適切な制御装置を使用することで、システムは以下をサポートできます：

• 遠隔操作によるバルブ操作
• 制御された開閉速度
• 位置フィードバック
• 蓄圧を利用した緊急動作
• 電気油圧制御パッケージとの統合

ただし、油圧だけでは位置決めの安定性、耐衝撃性、安全な遮断が保証されるわけではありません。これらの機能は回路設計と機械設計に依存します。

位置保持とフェイルセーフ動作は別物です

バルブは、停電後も現位置を保持する、自動的に閉じる、または自動的に開く必要がある場合があります。必要な動作はプロセス安全評価によって決定されます。

位置保持はパイロットチェック弁やその他の適切な保持装置を使用します。漏れ、温度変化、閉じ込め圧力も考慮する必要があります。

フェイルセーフ動作には信頼性のあるエネルギー源と制御経路が必要です。設計に応じて、リターンスプリングや油圧アキュムレータを使用する場合があります。

アキュムレータは、必要なストローク、最小動作圧力、温度範囲、予備容量に合わせて容量設定する必要があります。緊急動作を完了できる能力を検証しなければなりません。

市販のフェイルセーフシステムは、スプリングリターンやアキュムレータ構成を用いて、バルブを定められた安全位置に移動させます。

油田環境に必要な保護とは？

屋外や洋上での使用では、アクチュエータが塩水噴霧、粉塵、振動、大きな温度変化にさらされることがあります。

材料、コーティング、ファスナー、シールの選定は、これらの条件に適合させる必要があります。シールの選定には、作動油の種類と動作温度も考慮しなければなりません。

危険場所対応には、ソレノイド、スイッチ、センサー、潜在的な点火源を含むシステム全体の審査が必要です。単にシール性が良いだけでは防爆性能は確立されません。

同様に、デッキ設置に適したアクチュエータが自動的に海中用途に適するわけではありません。海中用途では、外部圧力、圧力補償、コネクタ、ROVオーバーライドインターフェースの確認が必要です。

システムの性能が低下する要因は？

アクチュエータを公称トルクだけで選定した場合、性能が不足する可能性があります。

一般的な問題には、供給圧不足、戻り圧過大、カップリングの芯出し不良、油の汚染、不適切なシールなどがあります。

その他の制限には特に注意が必要です：

• 振動： 油圧ダンパーだけではバルブの不要な動作を防げない
• 位置精度： 軸の正確な位置決めは、バルブシールが正しく機能することを証明するものではない
• 急速閉鎖： アクチュエータの緩衝機構は機械的衝撃を低減するが、配管のウォーターハンマーは別途プロセス上の検討が必要
• 緊急操作： 保持弁は遮断ストロークを完了するためのエネルギーを提供できない

したがって、閉鎖時間は遮断要件と配管の過渡応答の両方から設定する必要があります。

カスタムアクチュエータの審査に必要な情報は？

実りある技術的な議論のために、以下の情報を提供してください：

• バルブの種類、サイズ、圧力等級、プロセス条件
• 動作ストローク全体にわたるトルク要件
• 最大許容ステムトルク
• 必要なストローク量と開閉時間
• 最小・最大油圧
• 取付図面、カップリング寸法、スペース制限
• 温度、腐食、振動、危険場所に関する要件
• 停電や油圧供給喪失時に必要な動作
• フィードバック、オーバーライド、点検、試験に関する要件

油田用バルブプロジェクトについてシェルポンにご相談ください

コンパクトなヘリカルアクチュエータは、90°回転式の油田用バルブに有力な選択肢となり得ます。最終的な選択は、検証済みのトルクデータ、設置制限、明確に定義された緊急時対応に基づいて行う必要があります。

シェルポン油圧は、油圧シリンダの製造およびOEM/ODMサービスを提供しています。部品の選定やカスタムプロジェクトについてご相談される際は、バルブのデータ、図面、動作要件を添えてシェルポンまでお問い合わせください。