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O+P Fluidtechnik 9/2020

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O+P Fluidtechnik 9/2020

AKTUATOREN 3 000 METER

AKTUATOREN 3 000 METER UNTER DEM MEERESSPIEGEL − ELEKTROHYDRAULIK IM TIEFSEEEINSATZ SPECIAL / OFFSHORE- UND MEERESTECHNIK Bosch Rexroth hat gemeinsam mit Ausrüstern und Anwendern ein neues Konzept für Tiefsee- Aktuatoren entwickelt, das SIL3 Sicherheit bietet, bis zu 75 Prozent weniger Energie im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen verbraucht und auf einen Betrieb von 25 Jahren ausgelegt ist. Außendruck 300 bar, Salzwasser-Umgebung, 24 Stunden Betrieb an 365 Tagen, Einsatz für 25 Jahre, möglichst ohne Wartung: Die Anforderungen an Unterwasser-Produktionsanlagen sind hoch. Für Unterwasser-Anlagen, die Öl und Gas fördern, ist Betriebssicherheit äußert wichtig, weil Störungen hohe Kosten verursachen. Außerdem hat der Schutz der Meere vor Verschmutzung durch ein unkontrolliertes Entweichen von Öl oberste Priorität. In Unterwasserfabriken ist pro Bohrloch eine Anlage im Einsatz, die aufgrund ihrer Analogie zu Bäumen „Subsea Tree“ genannt wird. Jeder „Subsea Tree“ steuert über mehrere Prozessventile die Öl- und Gasförderung des jeweiligen Bohrlochs. Die Prozessventile werden von den Tiefsee-Aktuatoren − Subsea Valve Actuators (SVA) − angetrieben, die wiederum ihre elektrischen Steuersignale von den dezentralen Actuator Control Modules (ACM) erhalten. Bei Bedarf müssen sie das jeweilige Prozessventil in jedem Betriebszustand, auch bei Stromausfall, sicher verschließen. AUTARKE ACHSEN MIT EIGENEM FLUIDKREISLAUF Mit dem neu entwickelten SVA bietet Bosch Rexroth eine energieeffiziente und sichere Alternative zu den rein hydraulischen oder rein Autor: Dr. Alexandre Orth, Leiter Subsea Automation Systems, Bosch Rexroth AG, Lohr a. Main elektromechanischen Aktuatoren. SVA sind autarke Baugruppen mit einem eigenen Fluidkreislauf. Ein drehzahlvariabler Motor treibt eine robuste hydraulische Pumpe an, die einen Förderstrom für die Zylinderbewegungen erzeugt. Ein Sicherheitsventil mit mechanischer Feder sorgt dafür, dass der Zylinder auch bei Stromausfall ohne externe Energiezufuhr sicher in die Fail-Safe-Stellung wechselt. Darüber hinaus kann der Zylinder, der das Bohrventil öffnet und schließt, zusätzlich von außen durch einen Unterwasserroboter über eine Spindel betätigt werden. Alle Bauteile des Antriebsstrangs sind doppelt redundant verbaut. Insgesamt bietet der SVA durch die Redundanz, die Federrückstellung und die Eingriffsmöglichkeiten von außen eine vierfache Sicherheit. Die Vorteile werden deutlich, wenn man die Lösung mit dem aktuellen Stand der Technik vergleicht. Die weitaus überwiegende Zahl der weltweit eingesetzten Unterwasser-Aktuatoren basiert auf klassischer Hydraulik. Sie hat ihre Robustheit und langfristige Standsicherheit in den vergangenen 50 Jahren unter Beweis gestellt. Doch Betreiber benötigen hierfür große, zentrale Hydraulikaggregate über Wasser. Diese versorgen die Aktuatoren über teilweise kilometerlange Leitungen, sogenannte Nabelschnüre („Umbilicals“), mit dem Fluid. Bei 3 000 m Arbeitstiefe kommen mehrere hundert Liter Fluid allein in den Leitungen zusammen. Als erste Alternative versuchten Ausrüster rein elektromechanische Lösungen zu etablieren. Sie müssen nur noch über Kabel mit Strom versorgt und über eine Datenleitung an die ACM angebunden werden. Allerdings haben sie sicherheitstechnische Nachteile, weil sie keine mechanischen Eingriffsmöglichkeiten für die Verstellung von außen („manuell override“) bieten. Darüber hinaus benötigen sie, bedingt durch die im Vergleich zur Hydraulik geringere Kraftdichte, größere Gehäuse sowie elektrische Batterien. Ein Nachteil: Bauartbedingt tritt eine hohe Reibung und somit mechanischer Verschleiß an der Kraftübertragung auf und die erforderliche 25-jährige wartungsfreie Betriebsdauer ist nicht in jedem Fall sichergestellt. PLATZ SPAREND UND ENERGIEEFFIZIENT Die modular aufgebauten SVA kombinieren die Vorteile beider Ansätze und eliminieren deren Nachteile. Durch den dezentralen Fluid- 24 O+P Fluidtechnik 2020/09 www.oup-fluidtechnik.de

AKTUATOREN Innerhalb der Achse sind alle elektrischen Komponenten zum Schutz vor Kontakt mit Seewasser zusätzlich gekapselt SUBSEA VALVE ACTUATOR Die Offshore Technology Conference (OTC) hat den Subsea Valve Actuator (SVA) von Bosch Rexroth mit dem „Spotlight On New Technology Award“ ausgezeichnet. Der mit Niederspannung gemäß Subsea Instrumentation Interface Standard (SIIS) betriebene Tiefsee-Aktuator stellt für die internationalen Juroren einen entscheidenden Durchbruch für Produktionsanlagen unter Wasser dar. kreislauf fallen die kilometerlangen Nabelschnüre für das Fluid weg. Die SVA benötigen lediglich eine Spannungsversorgung und eine Datenleitung wie die rein elektromechanischen Aktuatoren. Die Drehzahl des Motors wird bedarfsgerecht, wie bei einem stufenlosen Getriebe, geregelt. Hydraulische Pumpen erzeugen den Förderstrom für das verschleißarme hydraulische Getriebe. Als Regelungsprinzip setzt Rexroth hier auf eine Verdrängersteuerung, die den Förderstrom nahezu verlustfrei aus der Drehzahl heraus regelt. Das vereinfacht die Konstruktion, weil keine Proportionalventile notwendig sind und es steigert die Energieeffizienz: Im Vergleich zu den rein elektromechanischen Aktuatoren verbrauchen die SVA in der Spitze bis zu 75 Prozent weniger Strom. Dadurch lassen sich die Motoren bei gleicher Verstellkraft des Aktuators kleiner auslegen, was wiederum Bauraum und Kosten spart. Die eingebaute Sensorik erfasst im Rahmen eines Condition Monitoring kontinuierlich die Betriebszustände innerhalb des Aktuators und meldet diese an die übergeordnete Leitsteuerung. Dort können Trends ausgewertet, Abweichungen vom Normalzustand frühzeitig erkannt und behoben werden. AUTARKE ACHSEN AUS INDUSTRIE ALS VORBILD Aufgrund eines redundanten Druckkompensationssystems herrschen innerhalb der SVA bei jeder Tiefe zwei bar Überdruck. Bei 3 000 m Tiefe also 302 bar. Das verhindert ein Eindringen von Salzwasser und eine Überdimensionierung des Gehäuses durch die druckneutrale Auslegungssystematik. Auch innerhalb der Achse sind alle elektrischen Komponenten zum Schutz vor Kontakt mit Seewasser zusätzlich gekapselt. Durch seine geschlossene Bauform schützt der SVA auch die Umwelt vor ungewollten Leckagen. Bei der Entwicklung der SVA griffen die Tiefsee-Spezialisten von Rexroth auf das Prinzip der autarken Achsen von Rexroth für Industrieanwendungen zurück. Sie kommen bereits in verschiedenen industriellen Anwendungen zum Einsatz. Die Einzelkomponenten werden in Großserie hergestellt unter höchsten Qualitätsstandards nach den Grundsätzen des Bosch Production Systems. Wo notwendig, wurden an den Komponenten Modifikationen für den Tiefsee-Einsatz vorgenommen. Auch hier kann der Hersteller GESCHLOSSENE, KOMPAKTE BAUFORM auf bereits vorhandene Konzepte zurückgreifen, die zum Teil sogar für Wassertiefen bis 6 000 m qualifiziert sind. Darüber hinaus erfüllen das System und die Kernkomponenten die besonderen Vorschriften verschiedener Klassifizierungsgesellschaften für den Marine- und Tiefsee-Einsatz. Bei der Entwicklung der SVA arbeitete das Unternehmen eng mit führenden Ausrüstern und Anwendern zusammen. Gemeinsam nutzen sie modernste Simulationsumgebungen für den „Proof of Concept“ und den Bau von Prototypen für den Feldversuch. Damit sorgt fortschrittliche Antriebstechnik, die das Beste aus Elektromechanik und Hydraulik kombiniert, in den nächsten Jahrzehnten für eine sichere und zuverlässige Fördertechnik auf dem Meeresboden. Die SVA lassen sich in Neuanlagen und – aufgrund der kompakten Form und dem geringen Energieverbrauch – zur Modernisierung bestehender Anlagen einsetzen. Fotos: Aufmacher: Bosch Rexroth AG und pixone3d/adobe.stock.com; sonst.: Bosch Rexroth AG www.boschrexroth.de/subsea POINTIERT EIGENER FLUIDKREISLAUF SEHR ENERGIEEFFIZIENT SIL3 SICHERHEIT www.oup-fluidtechnik.de O+P Fluidtechnik 2020/09 25

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