ハイブリッドアクチュエータで海底バルブ制御の信頼性向上、電磁・電気油圧融合で深海対応

石油・ガス海底生産システムでは、井戸口に海底「クリスマスツリー」を搭載。各ツリーは複数プロセスバルブで各井戸の油ガス生産制御。各プロセスバルブは海底バルブアクチュエータ（SVA）で駆動され、停電時を含む全運転状態で安全にバルブ閉鎖できる必要があります。

極めて高い要求と環境保護への対応

海底生産システム要求は極めて高い。運用可用性・安全性は水中油ガス生産システムで人命・環境保護に特に重要。また、従来SVAで使用される作動油廃棄による海洋汚染防止も重要優先事項に。

新コンセプトのハイブリッドSVAは、電磁機械と電気油圧をコンパクトユニットに融合、2インチゲートバルブ操作等深海用途向け（図1）。安全要件SIL3対応、外圧300bar（海水環境）耐久、消費エネルギー最大75%削減、限定メンテナンスで25年間24時間運転を目指す設計。

静水圧駆動の自己完結型アクシス

新開発SVAは従来の油圧・電磁機械アクチュエータに代わるエネルギー効率・安全性の高い選択肢（図2）。ハイブリッドSVAは自己完結モジュールで、独自閉流体回路に環境配慮型作動油わずか数リットル封入。可変速電動機が耐久性油圧ポンプ駆動、油圧シリンダー駆動流量生成。シリンダーロッドが井戸ゲートバルブステムと機械的に連結、必要に応じ開閉。

SVA内部の機械式スプリング内蔵安全弁で、停電時も外部電源・バッテリー不要でシリンダーがフェイルセーフ位置へ安全復帰。さらに水中ロボットによる外部オーバーライド駆動も可能。ドライブトレイン主要部品は冗長化。冗長制御・フェイルセーフスプリング・外部介入オプションで多層安全性確保。

従来技術との比較優位性

世界大半海底アクチュエータは従来油圧ベース。50年実証の耐久・長期安全性。しかしオペレーターは井戸バルブ管理労力削減希望。従来油圧は大型中央油圧動力ユニット（HPU）をトップサイド（海上）に必要、アンビリカルライン・ジャンパーで数km流体供給。水深3,000mではライン単体で数百リットル流体蓄積。追加油圧アキュムレータ・方向制御弁も必要。

代替として純電磁機械ソリューション試みも。電力ケーブル・データラインでアクチュエータ制御モジュール（ACM、トップサイド或海底）接続のみ必要。しかし外部機械介入調整オプションなしで安全性劣位。油圧系対比低電力密度で大型ハウジング・電池必要。高摩擦で動力伝達機械摩耗、必要25年運転期間短縮。これら理由で電磁機械ソリューションはフェイルセーフ緊急閉鎖必要な海底用途で決定的不利。

最大75%消費エネルギー削減とコストメリット

ハイブリッドSVAは両方式利点融合、欠点排除。分散自己完結流体回路でトップサイドHPU、海底油圧制御モジュール、km単位アンビリカルライン不要。SVAはSIIS（海底計装インターフェース標準化）仕様の電力供給・データラインのみ必要（電磁機械アクチュエータ類似）。

運転時：高効率固定吐出量/可変回転油圧ポンプが低摩擦シリンダー駆動流量生成。比例弁不要で油圧系簡素化、エネルギー効率大幅向上。純電磁機械アクチュエータ比ピーク性能時最大75%消費電力削減。

海底油田全アクチュエータ考慮で、電気インフラ（電力ケーブル、トランス、周波数変換器等）のみでも巨大コスト削減（電磁機械アクチュエータ比、図3）。油圧ポンプ駆動電動機を同調整力で大幅小型化可能、設置スペース・コスト削減。油圧アンビリカルを電気アンビリカル置換、従来油圧アクチュエータ必要作動油廃棄不要で更なるコスト削減。

さらにSVAは内蔵センサ技術でアクチュエータ内部運転状態連続記録・上位マスターコントローラ報告の状態監視機能提供。トレンド分析で逸脱早期特定・解決可能。

産業用途実証済み技術を深海仕様に適合

SVA作動原理は産業用途で採用実績ある自己完結型アクシスに基づく。SVA個別部品は産業機械用品質管理システム下で大量生産。標準化でコスト削減・長期調達性確保。SVA使用センサ・電子部品は自動車用途実証済み信頼性品。深海用途（水深6,000mまで）適合のため必要修正実施。システム・コア部品は船級協会各種海洋・オフショア・海底特殊要件もクリア。

SVA内部は冗長圧力補償システムで全水深で2bar過圧維持、海水浸入防止・大型耐圧ハウジング不要。標準要件外では海底定格配線・接続のみ使用。海底非定格電気部品も耐圧部品で機械的・電気的にカプセル化。

主要機器サプライヤー・オペレーターと密接連携、最新シミュレーション技術で概念実証・フィールド試験用プロトタイプ作成。電磁機械と油圧の長所融合した革新ドライブ技術で、海底での安全・信頼性高いモーション制御確保、「オール海底ファクトリー」ビジョン実現に貢献。

本稿執筆：Dr. Alexandre Orth（海洋・海底技術部長）、Amadeu Placido Neto（テストエンジニア）、Bosch Rexroth Corp.（Plymouth, MI）。詳細こちら。