DE19580102C2 - Unterwasserkupplung mit Metalldichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf hydraulische Kupplungen, die bei Unterwasserbohrungen und -produktionseinsätzen verwendet werden, und betrifft eine Unterwasser-Hydraulikkupplung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Unterwasser-Hydraulikkupplungen verwendete weiche Dich­ tungen haben zahlreiche Nachteile, von denen die hauptsächlichen sind: 1) das Unvermögen der Dichtung, der zerstörenden Wirkung der Unterwasserumgebung für längere Zeitspannen zu widerstehen, und 2) das Unvermögen der weichen Dichtungen, höhere Drücke zu halten, mit denen das Hydrauliksystem beaufschlagt wird.

Es steht eine Metalldichtung zur Verfügung, die den zer­ störerischen Wirkungen der Umgebung und den höheren Drücken besser widersteht. Diese Dichtung ist eine Druckdichtung, die zwischen dem Ende des Steckteils der Kupplung und dem inneren Ende der großen Bohrung im Aufnahmeteil positioniert ist. Wenn das Steckteil in das Aufnahmeteil eingesetzt wird, wird die Metalldichtung zwischen den beiden Teilen gestaucht und die Abdichtung zwischen beiden bewirkt. Wegen der Stauchung kann die Dichtung nur einmal verwendet werden. Wenn die Kupplung aus irgendeinem Grund getrennt wird, kann die einmal gestauchte Dichtung durch eine neue Dichtung ersetzt werden. Ein Beispiel für eine derartige Kupplung ist in US-PS 3,918,485 gezeigt.

Ein anderer Typ Hydraulikkupplung mit einer Metalldichtung ist in US-PS 4,637,470 offenbart. Bei ihr sitzt eine V-förmige Metalldichtung in dem Aufnahmeteil und wird nur wirksam, wenn sie durch den Druck von der Stirnfläche des Steckteils fest zusammengedrückt wird. Das heißt, daß beträchtliche Kräfte benötigt werden, um die Kupplung zuerst zu verriegeln und sie unter dem notwendigen Druck verriegelt zu halten. Diese Konstruktion könnte schon bei geringfügiger Trennung des Steck- und Auf­ nahmeteils leck werden, was wegen der Innendrücke, wenn jede Hydraulikleitung unter Druck steht, ein Problem ist. Die Kupplung mit V-Dichtung erfordert einen Vorlastmechanismus, um eine Trennung der Kupplungsteile zu verhindern. Extrem enge Tole­ ranzen sind sowohl für die Kupplungen als auch für die Verteilerplatte erforderlich. Die Kupplung mit V-Dichtung ist im Prinzip wiederverwendbar und die Kupplung kann mehr als einmal gekuppelt und entkuppelt werden, ohne daß die Dichtung ausgewechselt werden muß. In der Praxis jedoch würde die V-Dichtung ziemlich oft herausspringen oder zur Seite schnellen, wenn die Kupplung getrennt wird. Wenn die Kupplung wieder verbunden wird, ohne die V-Dichtung wieder in Position zu bringen, würde die Kupplung im Betrieb zerstört werden.

In der US-PS 4,694,859 ist eine Unterwasser-Hydraulik­ kupplung mit einer radialen Metalldichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart. Diese Kupplung hat eine wiederverwendbare radiale Metalldichtung, die mit dem Umfang des Steckteils in Eingriff gelangt, wenn dieses im Aufnahmeteil positioniert wird. Zu den Vorteilen dieser Konstruktion gehört, daß sie keinen Vorlastmechanismus benötigt, gegenüber Bewegung der zwei Kupplungshälften relativ zueinander tolerant ist und zwischen den Kupplungen und den Verteilerplatten größere Toleranzen erlaubt.

In US-PS 4,832,080, US-PS 5,099,882 und US-PS 5,277,225 sind Unterwasser-Hydraulikkupplungen gezeigt, die wenigstens zwei radiale Metalldichtungen zum Abdichten zwischen dem Steckteil und der Aufnahmekammer des Aufnahmeteils haben. Es sind durch Druck aktivierte Dichtungen gezeigt, die so geformt sind, daß sie zwischen den Steck- und Aufnahmeteilen radial abdichten, und die Kupplungen sind für die Fluidkommunikation über zueinander passende Radialkanäle und den Ringraum zwischen den Teilen druckausgeglichen.

In der US-PS 5,015,016 ist eine Unterwasser-Hydraulik­ kupplung gezeigt, die eine ringförmige Metalldichtung mit V- förmigem Querschnitt hat. Eine zylindrische Hülse hält die Dichtung an ihrem Platz. Beim Einsetzen des Steckteils in die Kupplung berührt die Stirnfläche des Steckteils die Lippe der V-Dichtung, die die V-Dichtung leicht zusammendrückt, um die Dichtung vor dem Unterdrucksetzen der Kupplung vorzuspannen. Wenn das System mit Druck belastet ist, wird die Hülse auf das Steckteil gedrückt, um die V-Dichtung am Steckteil zu halten. Das Unterdrucksetzen zwingt die V-Dichtung dazu, sich in Längsrichtung gegen die Stirnfläche des Steckteils und die innenliegende Schulter des Hülsenelementes auszudehnen.

Ausgehend von der aus US-PS 4,694,859 bekannten Kupplung liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Kupplung so auszugestalten, daß sie unter Beibehaltung einer einfachen Bauweise eine verbesserte und zuverlässigere Abdichtung auch bei besonders hohen Innen- und Außendrücken gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung.

Die Erfindung vereint die Vorteile einer radialen Metall­ dichtung und einer Stirnflächendichtung zwischen den Kupplungsteilen, wobei die Metalldichtungen auch bei wiederholtem Lösen und Zusammenfügen der Kupplung wiederverwendet werden können. Die Verwendung zweier durch Druckbeaufschlagung aufweitbarer Metalldichtringe mit unterschiedlicher Wirkrichtung, nämlich radial bzw. axial, hat den besonderen Vorteil, daß der axial abdichtende Dichtring nicht nur etwaiges Hydraulikfluid zurückhalten kann, das am ersten, radial wirkenden Metalldichtring vorbeigepreßt wird, sondern auch von außen zwischen Steckteil und Aufnahmeteil einsickerndes Meerwasser, auch bei hohem Unterwasserdruck, zurückhält und daran hindert, den radial wirkenden Metalldichtring zu erreichen und zusammenzudrücken.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der folgenden Figuren im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 das Steckteil und das Aufnahmeteil der Kupplung, wobei das Steckteil teilweise in die Bohrung des Aufnahmeteils eingesteckt ist, in einer Ansicht im Schnitt;

Fig. 2 die Dichtungen, die bei der Kupplung verwendet werden, im Schnitt, in einem Zustand, bevor das Steckteil vollständig in die Bohrung des Aufnahmeteils eingesetzt ist; und

Fig. 3 die Dichtungen, die bei der Kupplung verwendet werden, in einer Darstellung im Schnitt, wobei das Steckteil vollständig in die Bohrung des Aufnahmeteils eingesteckt ist.

In der Fig. 1 sind das Steckteil 10 und das Aufnahmeteil 20 im Schnitt dargestellt, und zwar so, daß das Steckteil teilweise in die Bohrung des Aufnahmeteils eingesteckt ist. Das Steckteil 10 ist an einer Verteilerplatte 11 mittels Verschraubung 41 oder sonstigen Mitteln, wie beispielsweise Bolzenschrauben, befestigt. Das Aufnahmeteil 20 ist an einer zweiten Verteilerplatte 21 mittels einer Verschraubung oder sonstigen Mitteln befestigt. Techniken zum Befestigen der Teile an solchen Platten sind dem Fachmann allgemein bekannt.

Das Steckteil 10 hat, wie in der Fig. 1 gezeigt, einen Sockel 31, der in die Verteilerplatte 11 eingeschraubt ist. Daran anschließend befindet sich ein Flansch 42 und eine abgeschrägte Schulter 43. Die Schulter 43 ist nach unten zum Abschnitt 44 der zylindrischen Wand des Steckteils abgeschrägt, eine äußere Schulter 38 bildet eine stufenweise Verringerung des Außen­ durchmessers, und ein zweiter Abschnitt 37 der Steckteilwand endet an der Stirnfläche 45 des Steckteils. Die zylindrische Steckteilwand ist für ein Verschieben innerhalb des Aufnahmeteils, wie im folgenden erläutert, ausgebildet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Wand verschiedene Außendurchmesser.

Das Steckteil ist auch mit einer mittleren Bohrung 32 versehen. Die Bohrung 32 kann in ihrem Verlauf durch das Steckteil 10 verschiedene Durchmesser­ änderungen haben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das erste Ende der mittleren Bohrung einen Innen­ gewindeabschnitt 50 zum Anschließen einer Hydraulikleitung. Anschließend an den Gewindeabschnitt befindet sich ein zylindrischer Durchlaß 51, der sich in Längsrichtung innerhalb des Steckteils erstreckt und an einem Ventilsitz 66 endet, der eine abgeschrägte Schulter ist.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, ist die Ventilgliedanordnung des Steckteils verschiebbar in der mittleren Bohrung 32 aufgenommen und umfaßt ein hohles, zylindrisches Ventilglied 64, dessen Außendurchmesser so dimensioniert ist, daß es innerhalb der zylindrischen Bohrung 32 verschiebbar ist. Das Ventilglied hat eine konische Form und ist so dimensioniert, daß es auf dem Ventilsitz 66 am Ende der Bohrung im Steckteil aufsitzen kann. Eine Wendelfeder 71 dient dazu, das Ventilglied 64 gegen den Ventilsitz 66 in eine geschlossene Position vorzuspannen. Die Wendelfeder 71 ist in der zylindrischen Bohrung 32 angeordnet und mittels eines Feder­ bundes 72 verankert, der durch einen Bund-Sprengring 73 an seiner Position gehalten ist.

Das Aufnahmeteil 20 hat einen Sockel 90, der nach Bedarf in eine Verteilerplatte 21 eingeschraubt wird. Das Aufnahmeteil 20 hat auch eine Schulter 91, die in der Nähe des Sockels 90 und des zylindrischen Hauptteils 92 liegt. Die zentrale Bohrung 81 hat mehrere Durchmesseränderungen über ihren Verlauf in Längsrichtung axial durch das Aufnahmeteil 20. An einem ersten oder äußeren Ende der zentralen Bohrung 81 ist ein innenliegender Gewindeabschnitt 95 vorgesehen, um eine mit einem Gewinde versehene Hydraulik­ leitung anschließen zu können. Der Gewindeabschnitt 95 der zentralen Bohrung 81 endet an einem zylindrischen Durchlaß 96, in welchem eine Ventilanordnung veschiebbar aufgenommen ist. Der zylindrische Durchlaß 96 endet an einem Ventilsitz 106 für die Anlage des Ventilglieds 104. Innerhalb des Ventilsitzes befindet sich eine zylindrische Aufnahmekammer 107. In der Aufnahmekammer wird das Steckteil 10 verschiebbar aufgenommen. Wie in der Fig. 1 gezeigt, werden, wenn die Ventilglieder miteinander in Kontakt stehen, die Ventile zwangsweise in die geöffneten Positionen gebracht, so daß zwischen dem Steckteil und dem Aufnahmeteil ein Fluid strömen kann.

Die Ventilanordnung des Aufnahmeteils 20 hat ein Ventilglied 104, das verschiebbar in dem zylindrischen Durchlaß 96 des Aufnahmeteils 20 aufgenommen ist. Das Ventilglied 104 hat im allgemeinen eine konische Form, um auf dem Ventilsitz 106 aufzusitzen. Um das Ventil in die geschlossene Position vorzuspannen, ist eine Feder 119 zwischen der Schulter des Ventils und einem Federbund 120 mit einem Bundsprengring 121 in der Bohrung des Aufnahmeteils vorgesehen. Die Ventile des Aufnahmeteils und des Steckteils sind vorzugsweise bezüglich ihrer Bauteile und Funktionsweise identisch.

Es wird nun auf die Fig. 2 Bezug genommen, in der die Dich­ tungen in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im einzelnen gezeigt sind. In der Aufnahmebohrung 107 des Aufnahmeteils befinden sich Abschnitte mit verschiedenen Innendurchmessern zur Positionierung eines Paares hohler, druckbeaufschlagter Metalldichtunen. An dem am weitesten innen­ liegenden Ende der Aufnahmebohrung ist ein zylindrischer Abschnitt 54 so dimensioniert, daß in ihm das zweite Ende 37 der Steckteilwand verschiebbar aufgenommen ist. Am am weitesten außenliegenden Ende der Aufnahmebohrung ist der zylindrische Abschnitt 56 so dimensioniert, daß in ihm das erste Ende 44 der Steckteilwand verschiebbar aufgenommen ist.

Der zylindrische Abschnitt 54 endet an einer innenliegenden Schulter 46, die eine Fläche zum Positiionieren einer hohlen Metalldichtung 48 schafft. Die hohle Metalldichtung ist vorzugsweise eine C-förmige Metalldichtung, die druckbeaufschlagt ist, um sich sowohl radial nach innen gegen die Sondenwand des Steckteils als auch radial nach außen gegen die Aufnahmebohrung im Bereich des zylindrischen Abschnittes 55 auszudehnen. Falls gewünscht, kann die Metalldichtung 48 so dimensioniert sein, daß sie entweder mit der Aufnahmebohrung am Abschnitt 55 oder mit dem zweiten Ende 37 der Steckteilwand eine geringe radiale Preßpassung hat. Es ist beabsichtigt, daß die Metalldichtung 48 eine Fluidabdichtung aufgrund des Hydraulikfluiddrucks innerhalb der Kupplung selbst bewirkt. Die Metalldichtung ist vorzugsweise aus einem dünnen Metall hergestellt, das ausreichend flexibel ist, um den wiederholten Verwendungen ohne Ermüdungserscheinungen zu widerstehen. Solche Dichtungen sind von entsprechenden Herstellern erhältlich.

Um die Metalldichtung 48 bei der Trennung vom Steckteil und Aufnahmeteil in ihrer Position zu halten, ist oberhalb der Dichtung eine Beilagscheibe 47 positioniert. Die Beilagscheibe 47 wird mit einem Halteclip 49 in ihrer Position gehalten. Der Halteclip 49 ist vorzugsweise so geformt, daß er in eine Nut in der Aufnahmebohrung eingreift, obwohl andere Methoden, wie beispielsweise Verschraubung, verwendet werden können, um das Befestigungselement oder andere Mittel zum Halten der Metalldichtung 48 und/oder der Beilagscheibe 47 in ihrer Position festzulegen. Alternativ kann die Beilagscheibe 47 weggelassen werden und es können ein Befestigungselement oder andere Mittel als einziger Mechanismus zum Halten der Metalldichtung 48 in ihrer Position verwendet werden.

In der Aufnahmebohrung 107 weiter nach außen befindet sich die Schulter 58 zur Positionierung der zweiten hohlen Metalldichtung 60. Die zweite hohle Metalldichtung 60 ist ähnlich wie die erste hohle Metalldichtung 48, aber so ausgebildet, daß sie in Längs- oder Axialrichtung zusammengedrückt werden kann. Wie bei der bevorzugten Ausführungsform gezeigt, ist die Metalldichtung 60 auch flexibel, um in Abhängigkeit vom Fluiddruck in Axialrichtung abzudichten, wobei der Druck die Dichtung so belastet, daß diese gegen die nach innen vorspringende Schulter 58 in der Aufnahmekammer und die nach außen vorspringende Schulter 38 des Steckteils aufgeweitet wird. Die Metalldichtung 60 wird durch einen Halteclip 61 zurückgehalten, der so geformt ist, daß er in eine Nut in der Aufnahmebohrung paßt. Andere Haltemittel, wie beispielsweise ein mit einem Gewinde versehenes Halteelement, können verwendet werden, um die Metalldichtung zurückzuhalten, so daß sie wiederholt verwendet werden kann.

Die hohle Metalldichtung 60 kann eine C-förmige Dichtung, eine U-förmige Dichtung oder eine V-förmige Dichtung sein, die zwischen der äußeren Schulter 38 des Steckelementes und der innenliegenden Schulter 58 des Aufnahmeteils eine Dichtung zwischen den Stirnflächen bildet. Derartige Dichtungen werden auf dem Markt von mehreren Herstellern angeboten.

Die Aufnahmekammer 107 des Aufnahmeteils hat auch eine Nut 77 für eine elastomere Reservedichtung 76, wie sie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist. Die elastomere Reservedichtung kann eine Schwalbenschwanzdichtung sein, wie in den US-PS 4,900,071 und 5,052,439 offenbart, um dazu beizutragen, zu verhindern, daß die Dichtung in der Aufnahmebohrung implodiert, wenn das Steckteil herausgezogen wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die Wand des Steckteils jedoch eine schmale Stufe 57 an ihrem Außendurchmesser, um dazu beizutragen, die Implosion zu verhindern, indem die elastomere Dichtung 76 mit Unterwasserdruck ausgeglichen wird, wenn das Steckteil aus der Aufnahmekammer entfernt wird.

Wie gezeigt, beseitigt die vorliegende Erfindung die Not­ wendigkeit für jegliche externe Vorlasteinrichtungen oder Federringe zum Vorbelasten einer der Metalldichtungen. Statt dessen wird die hohle Metalldichtung 60 vor dem Unter­ drucksetzen leicht zusammengedrückt, denn der Leitungsdruck dient dazu, die Metalldichtung 60 aufzuweiten, damit sie zwischen der Außenschulter 38 des Steckteils und der Innenschulter 58 in der zylindrischen Bohrung des Auf­ nahmeteils eine Dichtung bildet. Gleichzeitig wird die Metall­ dichtung 48 mit Druck beaufschlagt, um sich in radialer Richtung auszudehnen und mit der zylindrischen Außenfläche des Steckteilkörpers und der zylindrischen Bohrung des Aufnahmeteils zusammenzuwirken. Beide Dichtungen sind wieder­ verwendbar, weil sie bei Trennung des Steckteils von dem Aufnahmeteil der Kupplung an ihrem Platz zurückgehalten werden.

Claims (7)

1. Unterwasser-Hydraulikkupplung mit
einem Aufnahmeteil (20) mit einer Aufnahmebohrung (81),
einem Steckteil (10), das in die Aufnahmebohrung (81) einsteckbar ist, und
einer ersten ringförmigen hohlen Metalldichtung (48), die in der Aufnahmebohrung (81) angeordnet ist und die Umfangsfläche der Aufnahmebohrung (81) in Radialrichtung gegen die Umfangsfläche des eingesteckten Steckteils (10) abdichtet und durch Beaufschlagung mit dem in der Kupplung herrschenden Fluiddruck in Radialrichtung zur Verstärkung der Dichtkraft aufweitbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite ringförmige hohle Metalldichtung (60) auf einer Ringschulter (58) in der Aufnahmebohrung (81) angeordnet ist und diese Ringschulter (58) in Axialrichtung gegen eine Ringschulter (38) des eingesteckten Steckteils (10) abdichtet und durch den in der Kupplung herrschenden Fluiddruck in Axialrichtung zur Verstärkung der Dichtkraft aufweitbar ist.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metalldichtung (48) in der Aufnahmebohrung (81) so angeordnet ist, daß sie beim Einstecken des Steckteils (10) an dessen Umfangsfläche zur abdichtenden Anlage kommt, bevor das Steckteil (10) vollständig eingesteckt ist.

3. Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmeteil (20) und das Steckteil (10) jeweils einen Durchlaßkanal für das Fluid und ein diesen absperrendes Ventil (104, 64) aufweisen, daß die Ventile (104, 64) so angeordnet sind, daß sie durch das vollständige Einstecken des Steckteils (10) in die Aufnahmebohrung (81) geöffnet werden, und daß die erste Metalldichtung (48) zur abdichtenden Anlage an der Umfangsfläche des Steckteils (10) kommt, bevor die Ventile (84, 104) öffnen.

4. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metalldichtung (48) auf einer Ringschulter (46) der Aufnahmebohrung (81) positioniert ist.

5. Kupplung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder zweite Metalldichtung (48, 60) durch in der Aufnahmebohrung (81) befestigte Rückhaltemittel auf der jeweiligen Ringschulter (46, 58) fixiert sind.

6. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Metalldichtung (48, 60) einen C-förmigen Querschnitt hat.

7. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein in der Aufnahmebohrung (81) angeordneter elastomerer Dichtring vorgesehen ist, der an der Umfangsfläche des Steckteils (10) abdichtend anliegt.