DE10128837B4

DE10128837B4 - Dichtungshalter für hydraulische Unterwasserkupplung

Info

Publication number: DE10128837B4
Application number: DE10128837A
Authority: DE
Inventors: Robert E. III Missouri City Smith
Original assignee: National Coupling Co Inc
Current assignee: National Coupling Co Inc
Priority date: 2000-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2021-06-16
Also published as: GB2363441B; DE10128837A1; NO20012946D0; AU4383401A; NO329640B1; US6663144B1; GB2363441A; GB0111457D0; BR0102317A; NO20012946L; BR0102317B1

Abstract

Hydraulische Unterwasserkupplung mit:
a) einem Einsteckkupplungselement (10) mit einer zentralen Bohrung (12) und einem zylindrischen Sondenabschnitt (13);
b) einem Aufnahmekupplungselement (20) mit zylindrischen Aufnahmekammern für das Aufnehmen des Sondenabschnittes darin und einer ersten ringförmigen Dichtung (38), die mit dem Sondenabschnitt (13) in Eingriff steht, wenn das Einsteckkupplungselement in die Aufnahmekammern eingesetzt ist;
c) einem hülsenförmigen Dichtungshalter (30) in der Aufnahmekammer, mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einem Innenumfang, wobei das erste Ende des Dichtungshalters (30) die erste ringförmige Dichtung (38) an einer Schulter (37) in der Aufnahmekammer hält und das zweite Ende des Dichtungshalters (30) an seinem Innenumfang (31) eine ringförmige Ausnehmung zur Aufnahme einer zweiten ringförmigen Dichtung (50) aufweist;
d) einem Vorsprung (51) in der ringförmigen Ausnehmung am zweiten Ende des Dichtungshalters (30) in der Nähe des Innenumfangs (31), der sich einstückig mit dem Dichtungshalter (30) in Längsrichtung erstreckt und in einen hohlen...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft hydraulische Kupplungen, die bei Unterwasserbohrungen und für Unterwasser-Produktionszwecke verwendet werden, und Dichtungen, welche in solchen Kupplungen verwendet werden. Genauer gesagt betrifft die Erfindung einen Dichtungshalter, der eine oder mehrere Radialdichtungen daran hindert, in die Bohrung des Aufnahmeelementes zu implodieren, wenn die Kupplung getrennt wird.

Hydraulische Unterwasserkupplungen sind seit langem bekannt. Die Kupplungen bestehen im allgemeinen aus einem Einsteckelement und einem Aufnahmeelement, wobei in dem Aufnahmeelement weiche Dichtungen positioniert sind, um den Übergang zwischen dem Einsteckelement und dem Aufnahmeelement abzudichten. Das Aufnahmeelement ist im allgemeinen ein zylindrischer Körper mit einer Längsbohrung mit relativ großem Durchmesser an dessen einem Ende und einer Längsbohrung mit relativ kleinem Durchmesser an dessen anderem Ende. Die kleine Bohrung erleichtert die Anschlüsse an Hydraulikleitungen, während die große Bohrung weiche Dichtungen enthält und den Einsteckteil der Kupplung aufnimmt. Das Einsteckelement hat einen zylindrischen Teil oder eine Sonde an seinem einen Ende mit einem Durchmesser ungefähr gleich dem Durchmesser der großen Bohrung in dem Aufnahmeteil der Kupplung. Das Einsteckelement hat an seinem anderen Ende auch eine Verbindung, um das Anschließen an Hydraulikleitungen zu erleichtern. Wenn der zylindrische Teil des Einsteckelementes in die große Bohrung des Aufnahmeele mentes eingesetzt wird, werden gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Vorrichtung die weichen Dichtungen, ähnliche O-Dichtungsringe, entweder an dem Ende oder der Stirnfläche des Einsteckelementes oder mit der zylindrischen Sondenwand um deren Umfang herum, zusammenwirken. Das Hydraulikfluid kann dann frei durch die Aufnahme- und Einsteckteile der Kupplung fließen und die Dichtungen verhindern, daß der Strom um die Verbindung und die Kupplung herum austritt.

Bei einigen Beispielen kann in dem Aufnahmeelement und auch in dem Einsteckelement ein Absperrventil installiert sein. Jedes Absperrventil öffnet, wenn die Kupplung errichtet ist, und schließt, wenn die Kupplung unterbrochen ist, um zu verhindern, daß Fluid aus dem System, von welchem die Kupplung ein Teil ist, leckt.

In der US-PS 4,694,859 von Robert E. Smith, III, der Anmelderin National Coupling Co., Inc., ist eine hydraulische Unterwasserkupplung mit einer Metalldichtung offenbart. Dieses Patent offenbart eine Kupplung mit einer wiederverwendbaren Dichtung, die mit dem Umfang der Sonde zusammenwirkt, und die innerhalb des Aufnahmeelementkörpers positioniert ist. Die Metalldichtung wird durch einen zylindrischen Körper oder einen Halter an Ort und Stelle gehalten. Wenn die Einsteck- und Aufnahmeteile der Kupplung unter Druck getrennt werden, verhindert der Halter, daß die Metalldichtung durch die Bohrung des Aufnahmeelementes nach außen geblasen wird. Die US-PS 4,694,859 offenbart auch eine weiche Ringdichtung oder eine O-Ringdichtung an der innenliegenden zylindrischen Fläche des Halters, die mit dem Umfang der Sonde zusammenwirkt. Die weiche ringförmige Dichtung wird im allgemeinen als eine Sekundärdichtung verwendet und verhindert das Entweichen von Hydraulikfluid für den Fall, daß die Metalldichtung ausfällt. Wenn die Sonde anfängt, in die Halterbohrung einzutreten, beginnt sie mit der weichen ringförmigen Dichtung in der Mitte der Halterbohrung in Eingriff zu gelangen. Dieser Kontakt drückt die Dichtung zusammen und erzeugt eine Gleitdichtung zwischen dieser und der Sondenwand. Die ringförmige Dichtung oder die weiche Dichtung ist aus einem relativ schmiegsamen Material, beispielsweise Gummi, oder einem synthetischen Elastomer. Die Ringdichtung ist im allgemeinen ringförmig und liegt in einer Nut in der Bohrung.

Wenn das Einsteckelement oder die Sonde aus dem Aufnahmeelement unter hohem umgebenden Seewasserdruck entfernt wird, wird die weiche ringförmige Dichtung häufig aus der Aufnahmeelementbohrung geblasen und verlorengehen. Die Implosion der weichen Dichtung ist ein charakteristisches Problem beim Stand der Technik. Wenn das Einsteckelement oder die Sonde aus der Bohrung des Aufnahmeelementes gezogen wird und die Vorderfläche des Einsteckelementes den mittleren Punkt der weichen ringförmigen Dichtung erreicht, gibt es nichts, das die Dichtung daran hindert, sich radial in die Bohrung zu bewegen. Ein sehr geringer Druck oder Vakuum in der Bohrung kann dazu führen, daß die Dichtung in die Bohrung implodiert, wenn das umgebende Seewasser damit beginnt, unter hohem Druck in die Bohrung einzudringen. Wenn die weiche ringförmige Dichtung durch die Aufnahmebohrung ausgeblasen wird, ist es extrem schwierig, die Dichtung innerhalb der Bohrung zu ersetzen. Das Einarbeiten einer Nut in die Aufnahmebohrung für die Dichtung und das Einsetzen der Dichtung in diese Nut führt auch zu Schwierigkeiten.

Mehrere hydraulische Unterwasserkupplungen sind konstruiert worden, um die Dichtung an ihrer Radialbewegung in die Bohrung zu hindern. Beispielsweise offenbaren die US-PS-4,900,071 und US-PS 5,052,439 von Robert E. Smith, III, der Anmelderin National Coupling Co., Inc. Hydraulische Unterwasserkupplungen mit Schwalbenschwanzdichtungen. Die Schwalbenschwanzdichtungen sind durch die Schwalbenschwanzpassung mit einer passenden Schulter an der Halterhülse und/oder dem Haltersperrelement gegenüber ihrer Radialbewegung gehalten. Die innere zylindrische Fläche der Schwalbenschwanzdichtung steht mit dem Umfang des Einsteckelementes oder der Sonde in Eingriff, wenn die Sonde durch den Halter in das Aufnahmeelement eingesetzt ist. Die Kupplung kann auch eine wiederverwendbare Metalldichtung haben, die an einer Schulter in der Aufnahmebohrung mittels des Halters gehalten ist. Die Metalldichtung wird durch Druck gespeist, so daß der hydraulische Fluiddruck, welcher auf die Dichtung wirkt, die Tendenz hat, die Dichtung radial nach innen gegen die Sonde und radial nach außen gegen den Aufnahmeelementkörper zu zwängen.

Die Schwalbenschwanzdichtungen gemäß der US-PS 4,900,071 und 5,052,439 sind nicht druckgespeist. Bei manchen Anwendungen ist es wünschenswert, eine druckgespeiste Dichtung als Sekundärdichtung anstatt der Schwalbenschwanzdichtung zu verwenden. Dies ist deshalb wünschenswert, weil in größeren Meerestiefen die Notwendigkeit zur Verhinderung einer Leckage des Hydraulikfluids aus der Kupplung kritisch ist.

Zusätzlich besteht infolge des erhöhten Unterwasserdruckes in größeren Meerestiefen auch die kritische Notwendigkeit, die Implosion der Dichtungen in die Kupplungsbohrung zu verhindern, wenn das Einsteckelement und das Aufnahmeelement getrennt werden.

Die vorliegende Erfindung löst die vorstehend erwähnten Probleme durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgesteltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die folgenden Figuren bilden einen Teil der vorliegenden Beschreibung und dienen dazu, gewisse Aspekte der vorliegenden Erfindung weiter zu zeigen. Die Erfindung kann unter Bezugnahme auf eine oder mehrere dieser Zeichnungen in Verbindung mit der detaillierten Beschreibung der hier präsentierten spezifischen Ausführungsformen besser verstanden werden.
In den Figuren zeigt:
1 ein Einsteck- und ein Aufnahme-Kupplungselement in einer Ansicht im Schnitt, wobei das Einsteckelement teilweise in die Aufnahmekammer des Aufnahmeelementes eingesetzt ist; und
1A eine vergrößerte Darstellung im Schnitt des Dichtungshalters und der druckgespeisten Dichtungen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1 ist eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform, die das Einsteckelement 10 und das Aufnahmeelement 20 zeigt, wobei das Einsteckelement teilweise aus der Aufnahmeelementbohrung herausgezogen ist. Das Einsteckelement 10 hat einen Handgriff, der vorzugsweise mit einem Gewinde 16 für das Befestigen an einer Verteilerplatte versehen ist.
Das Aufnahmeelement 20 kann an einer zweiten Verteilerplatte mittels Gewinden 48 oder anderen Mitteln befestigt sein. Techniken zum Befestigen der Elemente an solchen Platten sind dem Fachmann allgemein bekannt.
Das Einsteckelement 10 hat einen Sondenabschnitt 13, der vorzugsweise zylindrisch ist, und an einer Stirnfläche 14 endet. Die Sondenwand des Einsteckelementes ist so dimensioniert, daß sie mit dem Aufnahmeelement 20 und den Dichtungshaltern gleitend im Eingriff steht, wie dies im einzelnen im folgenden erörtert wird.
Der Körper des Einsteckelementes ist ebenfalls mit einer zentralen Bohrung 12 versehen. Die Bohrung kann mehrere Durchmesseränderungen entlang ihrer Erstreckung durch den Körper des Einsteckelementes aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform hat das erste Ende der zentralen Bohrung einen Innengewindeabschnitt 15 zum Anschließen einer Hydraulikleitung. Benachbart und innerhalb des Gewindeabschnittes befindet sich ein zylindrischer Durchlaß, der sich in Längsrichtung innerhalb des Einsteckelementkörpers erstreckt und der an einem Ventilsitz in der Nähe der Stirnfläche 14 des Einsteckelementes endet.
Innerhalb der zentralen Bohrung 12 ist eine Tellerventilbaugruppe des Einsteckelementes verschiebbar aufgenommen. Der zylindrische hohle Ventilkopf 22 hat einen Außendurchmesser, der so dimensioniert ist, daß er innerhalb der zylindrischen Bohrung gleiten kann. Der Ventilkopf hat eine konische Form und ist so dimensioniert, daß er auf dem Ventilsitz am Ende der Einsteckelementbohrung sitzen kann. Das Ventil hat einen Stößel 19 oder ein Betätigungselement, welches an diesem hervorsteht. Eine wendelförmige Ventilfeder 17 zwängt das Ventil gegen den Ventilsitz in eine geschlossene Position. Die wendelförmige Ventilfeder 17 ist innerhalb der zylindrischen Bohrung 12 angeordnet und ist mittels eins Federkragens 18 verankert, der durch einen Sprengring 23 an Ort und Stelle gehalten wird.
Das Aufnahmeelement 20 hat einen Handgriff, der vorzugsweise in eine Verteilerplatte geschraubt ist. Das Aufnahmeelement hat auch einen zylindrischen Körper 21 mit einer zentralen Bohrung, die sich durch diesen erstreckt. Die zentrale Bohrung hat vorzugsweise mehrere Durchmesseränderungen entlang ihrer Längsstreckung oder Axialerstreckung durch den Körper des Aufnahmeelementes. An einem ersten äußeren Ende der zentralen Bohrung ist ein mit Innengewinde versehener Durchgang vorgesehen, um eine mit Gewinde versehene Hydraulikleitung anzuschließen. Der Gewindeteil 45 der zentralen Bohrung 49 endet an einem zylindrischen Durchgang, der eine Tellerventilbaugruppe verschiebbar aufnimmt. Innerhalb des Ventilsitzes befindet sich eine abgestufte Aufnahmekammer mit einem ersten Durchmesser 46 und einem zweiten, großen Durchmesser 36. Zwischen dem ersten und zweiten Durchmesser der Aufnahmekammer befinden sich Innenschultern 37 und 47. Der Abschnitt der Aufnahmekammer mit dem kleineren Durchmesser 46 ist so dimensioniert, daß in ihm der Sondenabschnitt 13 des Einsteckelementes der Kupplung verschiebbar aufgenommen werden kann.
Die Ventilbaugruppe des Aufnahmeelementes hat ein Tellerventil 28, welches innerhalb des zylindrischen Durchgangs verschiebbar aufgenommen ist. Das Tellerventil hat eine im allgemeinen konische Form, um auf einem Ventilsitz in der Bohrung des Aufnahmeelementes zu sitzen und einen zylindrischen Körper, der innerhalb der Bohrung 49 verschoben werden kann. Der Stößel 44 oder das Betätigungselement ragt an dem Scheitelpunkt der konischen Ventilfläche vor. Um das Ventil in die geschlossene Position zu zwängen, ist zwischen der Schulter des Ventils und einem Federteller 42, der einen Sprengring 43 hat, welcher mit der Bohrung des Aufnahmeelementes im Eingriff steht, eine Wendelfeder 41 befestigt. Die Ventile des Aufnahmeelementes und des Einsteckelementes sind vorzugsweise bezüglich der Komponenten und der Funktionsweise ähnlich.
Die Aufnahmeelementbohrung hat eine Schulter 37, die so dimensioniert ist, daß sie eine Fläche zur Positionierung einer ringförmigen, radialen, hohlen Metalldichtung 38 darauf schafft. Die hohle Radialmetalldichtung ist vorzugsweise ausdehnbar und spricht auf den Fluiddruck an, welcher in dem Innenhohlraum oder dem hohlen zentralen Abschnitt wirkt, um den Innenumfang der Dichtung radial nach innen gegen die Sonde des Einsteckelementes zu zwängen. Die erste, radiale Metalldichtung ist in dem Aufnahmeelement mittels des Dichtungshalters 30 gehalten, der ein hülsenförmiges Element ist, welches so dimensioniert ist, daß es in dem größeren Abschnitt 36 der Aufnahmeelementbohrung verschiebbar ist. Der Dichtungshalter 30 hat einen Innenumfang 31, der so dimensioniert ist, daß durch ihn der Sondenabschnitt 13 hindurchgeführt werden kann. Wenn der Dichtungshalter in die Aufnahmeelementbohrung eingesetzt ist, oder sonstwie in dem Aufnahmeelementkörper in Eingriff steht, kann das erste Ende des Dichtungshalters an der hohlringförmigen Dichtung 38 anliegen oder zu dieser benachbart sein.
Zusätzliche O-Dichtungsringe 39 können in einer Nut um das erste Ende des hülsenförmigen Dichtungshalters enthalten sein.
Das zweite Ende des Dichtungshalters hat einen Vorsprung 51, der an diesem vorsteht, wobei ein Dichtungshalteelement sich entlang dem Umfang um den Dichtungshalter in der Nähe des Innenumfangs 31 des Halters erstreckt. Eine zweite, hohle, ringförmige Dichtung 50 ist an dem Vorsprung oder Dichtungshalteelement positioniert und wird dort an Ort und Stelle gehalten. Die Dichtung 50 hat einen Innenumfang, einen hohlen zentralen Teil und einen Außenumfang. Der Innenumfang der Dichtung 50 steht mit dem zylindrischen Sondenabschnitt 13 des Einsteckelementes im Eingriff. Der Außenumfang der Dichtung 50 steht mit dem hülsenförmigen Dichtungshalter 30 im Eingriff und dichtet diesen ab. Der hohle zentrale Teil der Dichtung 50 ist so gestaltet, daß er über den Vorsprung 51 oder das Dichtungshalteelement paßt.
Die Dichtung 50 ist durch Fluid von den Kupplungselementen, welches auf den hohlen zentralen Teil wirkt, druckgespeist, um die Dichtung mit Druck zu speisen und ihren Innenumfang gegen das Einsteckelement oder die Sonde zu zwängen. Vorzugsweise ist die Dichtung 50 eine Elastomerdichtung, welche gegenüber Leckage des Hydraulikfluids aus der Kupplung abdichtet, jedoch zuläßt, daß Wasser in die Aufnahmekammer eindringt.
Das rückhaltende Sperrelement 40 ist mit dem Gewinde 24 in das Aufnahmeelement eingeschraubt und hält den Dichtungshalter 30 an Ort und Stelle. Zusätzlich können Rückhaltesperrelemente 40 verwendet werden, um die Dichtung 50 über dem Vorsprung 51 des Dichtungshalters zu halten. Somit hat der Dichtungshalter 30 eine Passung mit der hohlen druckgespeisten Dichtung 50, um zu verhindern, daß die Dichtung in die Bohrung des Aufnahmeelementes implodiert, wenn das Einsteckelement herausgezogen wird, und die Kupplungselemente getrennt werden. Vorzugsweise werden die Tellerventile in dem Einsteckelement und dem Aufnahmeelement geschlossen, bevor die Dichtung zwischen dem Einsteckelement und dem Aufnahmeelement unterbrochen oder außer Eingriff gelangt ist.
Wie in der 1A gezeigt, hält der Dichtungshalter 30 die erste hohle Radialdichtung 38 an der Schulterfläche 37, und hält die zweite hohle druckgespeiste Dichtung über dem Vorsprung 51, der sich von dem zweiten Ende des Dichtungshalters in der Nähe des Innenumfangs erstreckt. Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung einen Dichtungshalter, welcher zwei druckgespeiste Dichtungen hält und wenigstens eine der Dichtungen daran hindert, daß sie sich radial in die Bohrung bewegt oder in die Bohrung implodiert, wenn die Kupplungselemente getrennt werden.
Obwohl bei der Ausführungsform gemäß 1A beide Dichtungen mit dem gleichen Durchmesser der Sonde im Eingriff stehen, kann die Sonde auch einen stufenförmigen Durchmesser haben und jede der Dichtungen kann mit einem unterschiedlichen Durchmesser zusammenwirken. Zusätzlich kann das Haltersperrelement 40 einen Vorsprung oder einen Hohlraum haben, der mit der Dichtung 50 eine Passung bildet, um die Dichtung weiter an der Implosion in die Bohrung des Aufnahmeelementes zu hindern.
Der Vorsprung 51 am zweiten Ende des Dichtungshalters kann sich um den Umfang des Dichtungshalters in der Nähe des Innenumfangs erstrecken, oder, kann sich, falls gewünscht, teilweise oder abwechselnd um dessen Innenumfang herum erstrecken. Die druckgespeiste Dichtung 50 kann mit dem Vorsprung 51 eine enge Passung bilden oder, falls gewünscht, kann zwischen dem hohlen zentralen Teil der Dichtung und dem Vorsprung ein signifikanter Spalt bestehen. Falls gewünscht, kann die druckgespeiste Dichtung einen Festsitz haben oder kann vorgeladen sein, um mit dem Sondenabschnitt 13 des Aufnahmeelementes im Eingriff zu stehen.

Claims

Hydraulische Unterwasserkupplung mit: a) einem Einsteckkupplungselement (10) mit einer zentralen Bohrung (12) und einem zylindrischen Sondenabschnitt (13); b) einem Aufnahmekupplungselement (20) mit zylindrischen Aufnahmekammern für das Aufnehmen des Sondenabschnittes darin und einer ersten ringförmigen Dichtung (38), die mit dem Sondenabschnitt (13) in Eingriff steht, wenn das Einsteckkupplungselement in die Aufnahmekammern eingesetzt ist; c) einem hülsenförmigen Dichtungshalter (30) in der Aufnahmekammer, mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einem Innenumfang, wobei das erste Ende des Dichtungshalters (30) die erste ringförmige Dichtung (38) an einer Schulter (37) in der Aufnahmekammer hält und das zweite Ende des Dichtungshalters (30) an seinem Innenumfang (31) eine ringförmige Ausnehmung zur Aufnahme einer zweiten ringförmigen Dichtung (50) aufweist; d) einem Vorsprung (51) in der ringförmigen Ausnehmung am zweiten Ende des Dichtungshalters (30) in der Nähe des Innenumfangs (31), der sich einstückig mit dem Dichtungshalter (30) in Längsrichtung erstreckt und in einen hohlen Zentralteil der zweiten ringförmigen Dichtung (50) eingreift, um die zweite ringförmige Dichtung daran zu hindern, in die Aufnahmekammer zu implodieren, wenn der Sondenabschnitt (13) von der zweiten ringförmigen Dichtung (50) getrennt wird, wobei die zweite ringförmige Dichtung (50) sowohl gegen den Dichtungshalter (30) als auch gegen das Haltersperrelement (40) und den Sondenabschnitt (13) gehalten ist, wenn das Einsteckkupplungselement (10) in die Aufnahmekammern eingesetzt ist; und e) einem Haltersperrelement (40), das in der Aufnahmekammer in Eingriff mit dem Aufnahmekupplungselement (20) steht, um den Dichtungshalter (30) im Aufnahmekupplungselement (20) zu halten.
Hydraulische Unterwasserkupplung nach Anspruch 1, wobei die erste ringförmige Dichtung (38) eine druckgespeiste hohle Metalldichtung ist.
Hydraulische Unterwasserkupplung nach Anspruch 1, wobei die zweite ringförmige Dichtung (50) eine druckgespeiste Elastomerdichtung ist.
Hydraulische Unterwasserkupplung nach Anspruch 1, wobei das Haltersperrelement (40) ein Dichtungshalteelement aufweist, das mit der zweiten ringförmigen Dichtung (50) zusammenwirkt.
Hydraulische Unterwasserkupplung nach Anspruch 1, wobei der Vorsprung (51) sich um den Innenumfang (31) des Dichtungshalters in der Nähe dessen zweiten Endes erstreckt.
Hydraulische Unterwasserkupplung nach Anspruch 1, wobei das Haltersperrelement (40) ferner eine Ausnehmung aufweist, die eine Passung mit der Dichtung (50) hat.
Hydraulische Unterwasserkupplung nach Anspruch 1, wobei das Haltersperrelement (40) ferner einen Vorsprung aufweist, der eine Passung mit der Dichtung hat.