DE10131111B4 - Hydraulisches Unterwasserkupplungselement - Google Patents

Abstract

Hydraulisches Unterwasserkupplungselement mit:
a) einem Körperabschnitt (12) und einem Sondenabschnitt (11), einer Längsbohrung (30, 34), die sich durch beide Abschnitte erstreckt, wobei der Sondenabschnitt (11) eine Außenfläche mit gestuften Außendurchmessern (15, 16, 17) und eine Stirnfläche (18) hat, wobei in der Stirnfläche eine Öffnung (21) ist;
b) einem Tellerventil (38) in der Längsbohrung (30) zur Steuerung des Stromes des Hydraulikfluids durch die Bohrung, wobei das Tellerventil (38) zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position verschiebbar ist, und das Tellerventil in die geschlossene Position vorgespannt ist;
c) wenigstens einem Fluiddurchlaß (19) im Sondenabschnitt mit einem ersten Ende in der Bohrung (34) und einem zweiten Ende durch die Außenfläche des Sondenabschnittes (11), wobei der Fluiddurchlaß vom erstem Ende zum zweiten Ende nach unten geneigt ist, wenn der Körper mit der Stirnfläche (18) des Sondenabschnittes nach oben weisend positioniert ist; und
d) einem Ventilstößel (39) in der...

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein hydraulische Kupplungen, die bei Unterwasserbohrungen und -produktionsanwendungen verwendet werden. Im einzelnen betrifft die Erfindung ein hydraulisches Kupplungselement mit einem verminderten Sondendurchmesser und Strömungsöffnungen in der Sonde, die so ausgebildet sind, daß sie ein Eintreten von Schlamm in das hydraulische System verhindern.
• Hydraulische Unterwasserkupplungen sind seit langem bekannt. Die Kupplungen bestehen im allgemeinen aus einem Einsteckelement und einem Aufnahmeelement mit abgedichteten Fluidkanälen, die beide Teile verbinden. Das Aufnahmeelement ist im allgemeinen ein zylindrischer Körper, der an seinem einen Ende eine Längsbohrung mit einem relativ großen Durchmesser hat und der an seinem anderen Ende eine Längsbohrung mit einem relativ kleinen Durchmesser hat. Die kleine Bohrung erleichtert das Anschließen an Hydraulikleitungen, während in der großen Bohrung das Einsteckelement der Kupplung abgedichtet und verschiebbar aufgenommen ist. Das Einsteckelement hat an seinem einen Ende einen zylindrischen Teil mit einem Außendurchmesser ungefähr gleich dem Durchmesser der großen Bohrung im Aufnahmeelement der Kupplung. Das Einsteckelement hat an seinem anderen Ende auch einen Anschluß, um die Verbindung mit Hydraulikleitungen zu erleichtern. Wenn der zylindrische Teil des Einsteckelementes in die große Bohrung des Aufnahmeelementes eingesetzt ist, wird gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Vorrichtung zwischen dem Einsteckelement und dem Auf nahmeelement eine Fluidstrom errichtet. Mehrere derartige Kupplungen sind in Patenten der Anmelderin National Coupling Co., Inc. Stafford, Texas, offenbart.
• Bei Unterwasserbohrungen und Produktionsanwendungen kann das Einsteckelement der Kupplung mit einer Verteilerplatte oder einer anderen Befestigung an einem Unterwasserort an der Innenseite oder Außenseite einer Schaftbohrung befestigt sein. In vielen Fällen sind die Einsteckelemente so positioniert, daß das Ende oder die Stirnfläche jedes Elementes ausgehend vom Meeresboden vertikal nach oben weist. Die Aufnahmeelemente, die ebenfalls einer Verteilerplatte befestigt sein können, werden durch einen Taucher oder ein Unterwasserfahrzeug, wie beispielsweise ein ROV (ferngesteuertes Fahrzeug) in die Position oberhalb der Einsteckelemente bewegt und dann auf die Einsteckelemente zu abgesenkt. Wenn die Aufnahmeelemente auf den Einsteckelementen positioniert sind, erfolgt typischerweise für jede Kupplung ein Hydraulikfluidstrom vom Aufnahmeelement zum Einsteckelement. Typischerweise hat eines oder haben beide Kupplungselemente Tellerventile.
• Jedes Tellerventil hat typischerweise eine konische Ventilfläche, die in der geschlossenen Position an einem Ventilsitz im Kupplungselement sitzt. Das Tellerventil öffnet um einen Fluidstrom zu ermöglichen und schließt wiederum den Ventilsitz innerhalb der Bohrung, um den Fluidstrom anzuhalten. Im allgemeinen ist das Tellerventil in die geschlossene Position federvorgespannt. Das Ventil kann ein Ventilbetätigungselement aufweisen, welches eine Nase oder ein Stößel sein kann, der sich ausgehend vom Scheitelpunkt der Ventilstirnfläche ausgehend in Richtung der Längsachse des Tellerventils erstreckt.
• Häufig enthalten Schachtbohrungen, in welchen die Kupplungen positioniert sind, Schlamm. Das Einsteckelement, welches unter Wasser bleibt, wenn die Kupplung gelöst ist, ist Schlamm ausgesetzt, der sich an den freigelegten Strömungskanälen ansammelt, wenn es vom Aufnahmeelement gelöst ist. Der Schlamm kann das Hydraulikfluid kontaminieren oder eine Abnutzung der Dichtungen und Dichtungsflächen in den Hydraulikkupplungen und dem Hydrauliksystem verursachen.
• Freiliegende Strömungskanäle in dem Einsteckkupplungselement können in der Nähe des Endes oder der Stirnfläche des Sondenabschnittes liegen. Wenn das Tellerventil in der Mitte des Einsteckelementes positioniert ist, könnte sich zusätzlich Schlamm in demjenigen Teil des Einsteckelementes zwischen der Stirnfläche und dem Tellerventil, welcher manchmal als Sondenabschnitt bezeichnet wird, ansammeln. In Kupplungen, die beispielsweise das Tellerventil im Körperabschnitt haben, besteht das Risiko, daß sich Schlamm im Sondenabschnitt ansammelt, wenn das Tellerventil geschlossen ist. Es wird ein Kupplungselement benötigt, bei dem die Ansammlung von Schlamm im Sondenabschnitt verhindert ist, das Eintreten von Schlamm in die Hydraulikleitungen verhindert ist und das Zusammenwirken mit dem Ventilbetätigungselement verhindert ist, welches am Tellerventil vorsteht.
• In der US-PS 5692538 von Robert E. Smith III der Anmelderin National Coupling Inc., ist ein hydraulisches Unterwasserkupplungselement offenbart, das im Körper des Einsteckelementes winkelförmige Strömungskanäle hat, um dazu beizutragen, das Eintreten von Schlamm zu verhindern. Wenn das Aufnahmeelement am Einsteckelement befestigt ist, zwängt der Hydraulikdruck durch die im Winkel liegenden Strömungsöffnungen und gegen die Stirnfläche des Tellerventils, das Tellerventil des Einsteckelementes in die offene Position, so daß Fluid zwischen den Kupplungselementen fließen kann. Das Tellerventil in Kombination mit den im Winkel liegenden Strömungskanälen im Einsteckelementkörper trägt dazu bei, das Eintreten von Schlamm zu verhindern, während ein geschlossener Hydraulikfluiddruck ausströmen kann, wenn die Kupplungselemente gelöst werden.
• In letzter Zeit bestand die Notwendigkeit für hydraulische Unterwasserkupplungen in extrem tiefen Wassersystemen. Es ist wünschenswert, die Größe und das Gewicht jedes Kupplungselement für ein derartiges System zu verringern. Beispielsweise ist es wünschenswert, den Durchmesser des Sondenabschnittes des Einsteckelementes zu verringern, wodurch die Größe und das Gewicht des Kupplungselementes verringert wird. Es bleibt jedoch die Notwendigkeit, hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Hydraulikfluids durch die Kupplungselemente und das Hydrauliksystem, von dem die Kupplung ein Teil ist, aufrecht zu erhalten. Es wird auch eine hydraulische Unterwasserkupplung benötigt, die dazu beiträgt, zu verhindern, daß Schlamm und andere Teilchen in die Hydraulikleitungen eintreten.
• DE 42 00 625 A1 zeigt eine Druck ausgeglichene hydraulische Kupplung mit radialen Passagen für den Fluß eines hydraulischen Fluids zwischen einem Einsteckelement und einem Aufnahmeelement. Hierbei hat das Sondenteil eine zylindrische Außenfläche und radiale Fluidpassagen.
• DE 195 35 139 A1 zeigt ein hydraulisches Kupplungselement mit geneigten Fluidpassagen bei welchem das Tellerventil durch hydraulischen Fluiddruck vom Ventilteller nach oben gedrängt werden kann. Es ist aber weder eine Öffnung in der Stirnseite des Sondenteils noch ein Ventilstößel in der Längsbohrung des Sondenteils zum aktiven Öffnen des Tellerventils vorgesehen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hydraulisches Unterwasserkupplungselement zu schaffen, welches bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ein geringeres Gewicht und einen Schutz vor Eintritt von Verschmutzungen ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruches gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die vorliegende Zeichnung bildet einen Teil der vorliegenden Beschreibung und ist enthalten, um gewisse Aspekte der vorliegenden Erfindung weiter aufzuzeigen. Die Erfindung kann durch die Bezugnahme auf diese Figur in Verbindung mit der detaillierten Beschreibung der hier präsentierten spezifischen Ausführungsformen besser verständlich werden.
• 1 zeigt ein Einsteckelement der Kupplung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schnitt.
• Die Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung hat ein Einsteckelement 10 mit einem Sondenabschnitt 11 und einem Körperabschnitt 12. Das Einsteckelement weist üblicherweise ausgehend vom Meeresboden nach oben, so daß die Stirnfläche oder das erste Ende 18 nach oben weist und das zweite Ende 22 nach unten weist. Das zweite Ende des Einsteckelementes ist im allgemeinen an einer Verteilerplatte unter Verwendung verschiedener Mittel, wie beispielsweise Schraubbolzen oder Gewinden, befestigt. Techniken für das Befestigen von hydraulischen Kupplungselementen an derartigen Verteilerplatten sind dem Fachmann allgemein bekannt.
• Der Körperabschnitt 12 des Einsteckelementes hat einen zylindrischen Abschnitt 13 und einen Flansch 14. Der Flansch 14 endet am Sondenabschnitt 11. Der Sondenabschnitt hat bei einer bevorzugten Ausführungsform einen stufenförmigen zylindrischen Außendurchmesser mit einem ersten Abschnitt 15, einem zweiten Abschnitt 16 und einem dritten Abschnitt 17, der an einer Stirnfläche 18 endet. Wenn der Sondenabschnitt des Einsteckelementes in die Bohrung des Aufnahmeelementes eingesetzt wird, hat der erste Abschnitt 15 vorzugsweise eine Gleitpassung mit dem Aufnahmeelement. Der dritte Abschnitt 17 des Einsteckelementes hat einen ausreichend kleineren Durchmesser als der Innendurchmesser der Bohrung des Aufnahmeelementes, damit durch den Ringspalt zwischen drittem Abschnitt 17 des Einsteckelementes und der Bohrung des Aufnahmeelementes ein Hydraulikfluid strömen kann. Hydraulikfluid, welches durch den Ringspalt 17 fließt, tritt durch die im Winkel verlaufenden Strömungsöffnungen 19 in das Einsteckelement ein, wie dies weiter unten im einzelnen beschrieben wird.
• Das Einsteckelement hat eine zentrale Bohrung 30, die sich durch das Element in Längsrichtung erstreckt. In dem Körperabschnitt 12 des Einsteckelementes ist ein Tellerventil 38 angeordnet. Das Tellerventil hat eine konische Ventilfläche, die am Ventilsitz 32 dicht anliegt, wenn das Ventil in der geschlossenen Position ist. Das Tellerventil hat auch einen zylindrischen Ventilkörper 36, der mit der zylindrischen Bohrung 33 im Einsteckelementkörper eine Gleitpassung bildet. Um die Ventilfläche in eine geschlossene Position am Ventilsitz 32 anliegend zu zwängen, wird eine wendelförmige Ventilfeder 41 verwendet. Die wendelförmige Ventilfeder ist innerhalb des zylindrischen Durchlasses 32 angeordnet und mittels einer hohlen Federmuffe 42, die durch einen Sprengring 43 an Ort und Stelle gehalten ist, befestigt.
• An der Ventilfläche steht der Ventilstößel 39 vor, der eine zylindrische Stange ist, welche sich in Richtung der Längsachse des Sondenabschnittes des Einsteckelementes erstreckt. Der Ventilstößel ragt durch die Öffnung 21 in der Stirnfläche 18 des Einsteckelementes. Wenn die Spitze 20 des Ventilstößels in Längsrichtung gepreßt wird, bewegt der Ventilstößel das Tellerventil 38 in die offene Position, damit Hydraulikfluid durch den Ringraum, welcher den dritten Abschnitt 17 der Sonde umgibt, durch die im Winkel liegenden Strömungsöffnungen 19 und durch den Ringraum 29 zwischen Ventilstößel und Bohrung 34, die sich durch den Sondenabschnitt erstreckt, fließen kann. Das Hydraulikfluid fließt dann am Tellerventil 38 vorbei und aus der zentralen Bohrung 30 am zweiten Ende 22 des Einsteckelementes.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser des Ventilstößels 39 nicht größer als der halbe Innendurchmesser des zylindrischen Durchlasses 34 und vorzugsweise kleiner als der halbe Innendurchmesser des zylindrischen Durchlasses 34. Dies ermöglicht einen adäquaten Hydraulikfluidstrom durch den Ringraum 29 zwischen dem Ventilstößel und dem zylindrischen Durchlaß im Einsteckelement.
• Indem das Tellerventil im Körperabschnitt anstatt im Sondenabschnitt des Einsteckelementes positioniert ist, können die Außenabmessungen des Einsteckelementes wesentlich verringert werden, ohne daß die Strömungsrate oder das Volumen des Hydraulikfluids, welches durch die Kupplung geht, verringert wird. Im einzelnen ist der Außendurchmesser des Sondenabschnittes 11 verringert, ohne daß die Wanddicke des Sondenabschnittes verringert ist, oder der Hydraulikfluidstrom durch den zylindrischen Durchlaß 34 im Sondenabschnitt verringert ist.
• Der Ventilstößel, der so gestaltet ist, daß er an einem gegenüberliegenden Ventilstößel anliegt, der am Tellerventil des Aufnahmeelementes vorsteht, öffnet zuverlässig das Tellerventil in dem Einsteckelement, wenn die Spitze 20 des Ventilstößels mit Axial- oder Längskräften beaufschlagt wird. Die Öffnung 21 in der Stirnfläche 18 des Einsteckelementes ist so dimensioniert, daß der Ventilstößel in dieser mit Gleitpassung aufgenommen ist. Das Hydraulikfluid tritt durch zwei oder mehr im Winkel liegende Strömungsöffnungen 19 in das Einsteckelement ein. Die Strömungsöffnungen sind in einem solchen Winkel angeordnet, daß Schlamm, Teilchen, Sand, Bohrschlamm, Rost, etc., durch das Einsteckelement nicht in das Hydrauliksystem eindringen können, wenn das Einsteckelement unter Wasser positioniert ist. Selbst in Meerestiefen von mehreren tausend Fuß oder mehr ist Schlamm typischerweise den Gravitationskräften ausgesetzt, die dazu beitragen, daß sich derartiger Schlamm an freiliegenden Kanälen ansammeln kann. Die im Winkel liegenden Strömungsöffnungen sind so gestaltet, daß das nach außen weisende Ende jeder im Winkel angeordneten Strömungsöffnung nach unten weisend positioniert ist, oder zur Stirnfläche 18 des Ein steckelementes weiter entfernt ist als das innenliegende Ende jeder im Winkel liegenden Strömungsöffnung. Demgemäß verringern oder eliminieren die im Winkel liegenden Strömungsöffnungen signifikant das Risiko der Ansammlung von Schlamm im Hydrauliksystem durch das Einsteckelement.
• Dadurch daß das Tellerventil im Körperabschnitt anstatt dem Sondenabschnitt des Einsteckelementes positioniert ist, können die Abmessungen und das Gewicht jedes Kupplungselementes wesentlich verringert werden. Dies schafft Vorteile bei der Handhabung der Kupplungselemente in signifikanten Meerestiefen. Der Ventilstößel, der durch den Sondenabschnitt ragt, sollte jedoch ermöglichen, daß die Hydraulikfluidströmungsrate und das Volumen auf gewünschtem Niveau gehalten werden. Nicht nur müssen die im Winkel liegenden Strömungsöffnungen einen ausreichenden Durchmesser haben, damit das Hydraulikfluid mit gewünschten Raten durchfließen kann, sondern der Ringraum 29, durch den Sondenabschnitt des Einsteckelementes sollte auch ausreichend groß sein, damit das Hydraulikfluid mit gewünschten Raten durch das Einsteckelement der Kupplung fließen kann. Die gewünschten Strömungsraten durch den Sondenabschnitt des Einsteckelementes werden erzielt, indem das Tellerventil im Körperabschnitt des Einsteckelementes positioniert wird, wobei sich der Stößel durch den Sondenabschnitt erstreckt und an der Stirnfläche 31 des Sondenabschnittes vorsteht.

Claims (9)

1. Hydraulisches Unterwasserkupplungselement mit: a) einem Körperabschnitt (12) und einem Sondenabschnitt (11), einer Längsbohrung (30, 34), die sich durch beide Abschnitte erstreckt, wobei der Sondenabschnitt (11) eine Außenfläche mit gestuften Außendurchmessern (15, 16, 17) und eine Stirnfläche (18) hat, wobei in der Stirnfläche eine Öffnung (21) ist; b) einem Tellerventil (38) in der Längsbohrung (30) zur Steuerung des Stromes des Hydraulikfluids durch die Bohrung, wobei das Tellerventil (38) zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position verschiebbar ist, und das Tellerventil in die geschlossene Position vorgespannt ist; c) wenigstens einem Fluiddurchlaß (19) im Sondenabschnitt mit einem ersten Ende in der Bohrung (34) und einem zweiten Ende durch die Außenfläche des Sondenabschnittes (11), wobei der Fluiddurchlaß vom erstem Ende zum zweiten Ende nach unten geneigt ist, wenn der Körper mit der Stirnfläche (18) des Sondenabschnittes nach oben weisend positioniert ist; und d) einem Ventilstößel (39) in der Längsbohrung (34), der am Tellerventil (38) befestigt ist, und sich in Längsrichtung durch die Öffnung (21) in der Stirnfläche (18) der Bohrung (34) erstreckt, wobei der Stößel (39) bei Beaufschlagen mit einer Längskraft verschiebbar ist, um das Tellerventil in die offene Position zu zwängen, damit Hydraulikfluid durch den Fluiddurchlaß (19) und die Bohrung (34) fließen kann.
2. Hydraulische Unterwasserkupplung nach Anspruch 1, wobei das zweite Ende des Fluiddurchlasses (19) durch den kleinsten Durchmesser (17) ragt.
3. Hydraulische Unterwasserkupplung nach Anspruch 1, wobei das Tellerventil (38) in der Bohrung (33) des Körperabschnittes (12) positioniert ist.
4. Hydraulische Unterwasserkupplung nach Anspruch 1, wobei die Längsbohrung stufenförmig ist, wobei der Durchmesser der Bohrung (33) im Körperabschnitt (12) größer als der Durchmesser der Bohrung (34) im Sondenabschnitt (11) ist.
5. Hydraulische Unterwasserkupplung nach Anspruch 4, wobei der Ventilstößel (39) zylindrisch ist, und einen Durchmesser hat, der kleiner als der halbe Durchmesser der Bohrung (34) im Sondenabschnitt (11) ist.
6. Hydraulisches Unterwasserkupplungselement nach Anspruch 1, wobei die Innenbohrung (30, 33, 34) stufenförmig ist.
7. Hydraulisches Unterwasserkupplungselement nach Anspruch 6, weiterhin mit einem Ventilsitz (32) in der Mitte der stufenförmigen Innenbohrung (33, 34).
8. Hydraulisches Unterwasserkupplungselement nach Anspruch 7, weiterhin mit einer Feder (41), die das Ventil (38) gegen den Ventilsitz (32) zwängt.
9. Hydraulisches Unterwasserkupplungselement nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Ringraum (29) zwischen dem Stößel (39) und der stufenförmigen Innenbohrung (34).