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Die vorliegende Erfindung betrifft hydraulische Kupplungen, die bei Unterwasserbohrungen und -Produktionsanwendungen verwendet werden. Im einzelnen betrifft die Erfindung ein hydraulisches Kupplungselement, das im Winkel angeordnete Strömungsöffnungen hat, und ein Eintreten von Schmutz zu verhindern, um einen innenliegenden Schutz zum Schließen der Strömungsöffnungen, wenn das Ventil in dem Kupplungselement geschlossen ist.
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Hydraulische Unterwasserkupplungen sind seit langem bekannt. Die Kupplungen bestehen im allgemeinen aus einem Einsteckelement und einem Aufnahmeelement mit abgedichteten Fluidkanälen, die zwischen beiden Elementen verbinden. 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 das Anschließen an Hydraulikleitungen, während die große Bohrung das Einsteckelement der Kupplung abdichtet und mit diesem gleitend zusammenwirkt. Das Einsteckelement hat an seinem einen Ende einen zylindrischen Teil mit einem Außendurchmesser, der ungefähr gleich dem Durchmesser der großen Bohrung des Aufnahmeelementes der Kupplung ist. Das Einsteckelement hat an seinem anderen Ende ebenfalls einen Anschluß zum Erleichtern des Anschließens an Hydraulikleitungen. Wenn der zylindrische Teil des Einsteckelementes in die große Bohrung des Aufnahmeelementes eingesetzt ist, wird gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Vorrichtung ein Fluidstrom zwischen dem Einsteckelement und dem Aufnahmeelement errichtet. Kupplungen dieser Art sind in der
US-PS 4,694,859 von Robert E. Smith, III und anderen Patenten der Anmelderin National Coupling Company Inc. of Stafford, Texas offenbart.
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Bei Unterwasserbohrungen und -Produktionsanwendungen kann das Einsteckelement der Kupplung an einer Verteilerplatte oder anderen Befestigungen an einem Ort unter Wasser innerhalb oder außerhalb einer Schachtbohrung befestigt sein. In vielen Fällen sind die Einsteckelemente so positioniert, daß das Ende oder die Stirnfläche jedes Elementes vom Meeresboden nach oben weist. Die Aufnahmeelemente, die ebenfalls an einer Verteilerplatte befestigt sein können, werden durch einen Taucher oder ein Unterwasserfahrzeug in eine Position oberhalb der Einsteckelemente bewegt und dann auf die Einsteckelemente abgesenkt. Wenn die Aufnahmeelemente auf den Einsteckelementen positioniert sind, erfolgt typischerweise ein Hydraulikfluidstrom vom Aufnahmeelement zum Einsteckelement jeder Kupplung. In einigen Fällen hat nur das Aufnahmeelement der Kupplung ein Tellerventil.
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Das Tellerventil hat typischerweise eine konische Ventilfläche, die in der geschlossenen Position am Ventilsitz im Kupplungselement sitzt. Das Tellerventil öffnet, damit Fluid fließen kann und schließt gegen den Ventilsitz innerhalb der Bohrung, um den Strom zu stoppen. Im allgemeinen ist das Tellerventil durch eine Feder in die geschlossene Position vorgespannt. Das Ventil kann ein Ventilbetätigungselement aufweisen, das eine Nase oder ein Stößel ist, der an dem Scheitelpunkt der Ventilfläche in Richtung der Längsachse des Tellerventils vorsteht.
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Häufig sind Quellenbohrungen, in welchen die Kupplungen positioniert sind, voller Schutt. Das Einsteckelement, welches bei Lösen der Kupplung unter Wasser bleibt, ist dem Schutt ausgesetzt, der sich in Strömungskanälen ansammelt. Die Strömungskanäle in dem Einsteckelement können direkt über den Spalt zwischen der Ventilfläche und dem Ventilsitz verlaufen, wie dies in der
US-PS 4,694,859 gezeigt ist. Oder wie in den
US-PS 4,754,780 ,
5,099,882 und
4,832,080 von Robert E. Smith, III, gezeigt, kann der Hydraulikstrom radial zwischen den Elementen verlaufen. Jede der Konstruktionen ist einem Eintreten von Schutt unterworfen. Der Schutt kann das Hydraulikfluid kontaminieren oder Verschleiß der Dichtungen und Dichtungsflächen in den Hydraulikkupplungen und dem Hydrauliksystem verursachen.
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In der
US-PS 5,692,538 von Robert E. Smith, III, ist ein hydraulisches Unterwasserkupplungselement beschrieben, welches im Winkel verlaufende Strömungsöffnungen hat, um ein Eintreten von Schutt in die Hydraulikleitungen zu verhindern. Das Tellerventil trägt in Kombination mit den im Winkel liegenden Strömungsöffnungen dazu bei, das Hydrauliksystem von Schutt freizuhalten, wenn die Elemente gelöst sind. Die Kupplung gemäß der US-PS 5,692,538 hat einen zylindrischen Kanal, in welchem der Ventilstößel oder das Betätigungselement positioniert ist. Obwohl die Kupplung gemäß der US-PS 5,692,538 das Eintreten von Schutt wirksam verhindern kann, ist es wünschenswert, daß die Strömungsrate des Hydraulikfluids durch die Kupplung erhöht wird. Zusätzlich wird das Tellerventil gemäß der US-PS 5,692,538 in Abhängigkeit vom Fluiddruck anstatt dem Zusammenwirken des Ventilbetätigungselementes mit dem gegenüberliegenden Ventilbetätigungselement des Aufnahmeelementes, geöffnet. Demgemäß ist es wünschenswert, eine hydraulische Unterwasserkupplung mit Strömungsöffnungen zu schaffen, welche sowohl eine höhere Strömungsrate durch das Kupplungselement als auch ein Ventilbetätigungselement hat, das so gestaltet ist, daß das Ventil geöffnet wird, wenn es mit dem Ventilbetätigungselement des Aufnahmekupplungselementes in gegenseitigem Eingriff steht.
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Die vorliegende Erfindung besteht in einem hydraulischen Unterwasserkupplungselement gemäß Anspruch 1. Im Winkel verlaufende Strömungskanäle in dem Körperabschnitt des Einsteckelementes können optional dazu beizutragen, das Eintreten von Schutt zu verhindern. Das Ventilbetätigungselement des Einsteckelementes erstreckt sich optional durch die Stirnfläche des Einsteckelementes. Ein Öffnungsschutz, der ein zylindrisches Element mit einem Durchmesser größer als der Durchmesser des Ventilbetätigungselementes ist, schließt die Strömungsöffnungen, wenn das Tellerventil in der geschlossenen Position ist. Axiale Kanäle durch den Öffnungsschutz ermöglichen einen Durchgang des Hydraulikfluides durch den Öffnungsschutz, wenn das Ventil geöffnet ist. Das Ventilbetätigungselement erstreckt sich durch eine Bohrung in der Sonde des Einsteckelementes, während der Tellerventilkörper im Körperabschnitt des Einsteckelementes liegt.
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Die folgenden Figuren bilden einen Teil der vorliegenden Beschreibung und dienen zum weiteren Aufzeigen gewisser Aspekte der vorliegenden Erfindung. Die Erfindung kann unter Bezugnahme auf eine oder mehrere dieser Zeichnungen in Verbindung mit der detailierten Beschreibung der hier präsentierten spezifischen Ausführungsformen besser verstanden werden. In den Figuren zeigt
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1 ein Einsteckelement einer Kupplung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schnitt;
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2 eine Ansicht im Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 in 1;
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3 ein Einsteckelement einer Kupplung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei das Tellerventil in der offenen Position ist, in einer Ansicht im Schnitt; und
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4 ein Einsteckelement einer Kupplung, das an einem Aufnahmeelement befestigt ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Ansicht im Schnitt.
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Die Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung hat ein Einsteckelement 10, wie in der 1 gezeigt, welches typischerweise vom Meeresboden nach oben weist. Das Einsteckelement ist im allgemeinen an einer Verteilerplatte befestigt, während das Aufnahmeelement an einer gegenüberliegenden Platte befestigt ist, um dem Einsteckelement zugewandt zu sein und mit diesem zu fluchten. Das Einsteckelement 10 hat ein erstes Ende oder eine Stirnfläche 49 und ein zweites Ende 18 zum Anschließen an eine Verteilerplatte oder eine andere Befestigungseinrichtung innerhalb oder außerhalb einer Schachtbohrung. Das Einsteckelement hat einen Körperabschnitt 16 mit einem ersten Durchmesser 11 und einem zweiten Durchmesser 12, der größer als der erste Durchmesser ist. Das Einsteckelement hat auch eine Sonde 17 mit einem Außendurchmesser, der kleiner als der Körperabschnitt des Einsteckelementes ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Sonde 17 einen stufenförmigen Außendurchmesser mit einem ersten Sondenabschnitt 13, einem zweiten Sondenabschnitt 14 und einem dritten Sondenabschnitt 15. Die Sonde endet an einer Stirnfläche 49 am ersten Ende des Einsteckeelementes.
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Durch das Einsteckelement erstreckt sich die Innenbohrung 30, die einen Innengewindeabschnitt 19 zum Anschließen an Hydraulikleitungen, einen ersten Abschnitt 32, eine Ventilbohrung 33 mit einem kleineren Durchmesser als der Durchmesser des ersten Abschnittes, eine Ventilbetätigungselementbohrung 35 mit einem kleineren Durchmesser als der Durchmesser der Ventilbohrung, und die kleinste Bohrung hat, die sich durch die Stirnfläche des Einsteckelementes erstreckt. Zwischen der Ventilbohrung 33 und der Betätigungselementbohrung 35 liegt der konische Ventilsitz 34.
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Der Ventilsitz ist vorzugsweise eine konische Schulterfläche. Das Einsteckelement hat ein Tellerventil 62, welches im allgemeinen einen zylindrischen Körper mit einer konischen Ventilfläche 63 aufweist, die mit dem Ventilsitz 34 abdichtet. Das Tellerventil wird durch die wendelförmige Ventilfeder 70 in die geschlossene Position gezwängt. Die Ventilfeder ist durch einen Federteller 60 verankert, der durch einen Sprengring oder einen Klipp 61 an Ort und Stelle gehalten wird.
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Vom Scheitelpunkt der konischen Ventilfläche 63 aus erstreckt sich das Ventilbetätigungselement 64. Vorzugsweise hat das Ventilbetätigungselement 64 einen Außendurchmesser, der 50% oder weniger als der Durchmesser der Ventilbetätigungselementbohrung 35 beträgt. Der Durchmesser des Ventilbetätigungselementes ist so dimensioniert, daß die Strömungsraten des Hydraulikfluids durch das Einsteckelement der Hydraulikkupplung optimiert sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Tellerventil in einem Körperabschnitt anstatt im Sondenabschnitt des Einsteckelementes positioniert. Indem das Tellerventil in dem Körperabschnitt positioniert wird, können die Außenabmessungen und das Gewicht des Kupplungselements verringert werden, ohne daß die Strömungsrate des Hydraulikfluids durch die Kupplung verringert wird. Demgemäß wird die vorliegende Erfindung äußerst vorteilhaft bei hydraulischen Unterwasserkupplungen verwendet, bei denen eine verringerte Größe und verbesserte Strömungsraten gewünscht sind.
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Am Betätigungselement 64 des Tellerventils des Einsteckelementes ist ein Öffnungsschutz 50 befestigt. Der Öffnungsschutz 50 ist vorzugsweise ein zylindrischer Körper mit einem Außendurchmesser, der etwas kleiner als der Durchmesser der Betätigungselementbohrung 35 ist. Der Öffnungsschutz kann ein Teil des Betätigungselementes sein, der einen größeren Durchmesser hat, vorzugsweise wenigstens den zweiflachen Durchmesser des übrigen Teils des Betätigungselementes. Somit bildet der Öffnungsschutz mit der Betätigungselementbohrung eine Gleitpassung. Obwohl der Öffnungsschutz vorzugsweise einstückig mit dem Betätigungselement 64 ausgebildet ist, kann er alternativ am Betätigungselement durch irgendwelche andere Mittel befestigt sein. Der Öffnungsschutz hat eine Anzahl von axialen Strömungsöffnungen 51, die sich durch diesen erstrecken. In der in der 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform sind durch den Öffnungsschutz 50 acht Strömungsöffnungen 51 angeordnet. Der Öffnungsschutz ist so dimensioniert, daß wenn das Tellerventil des Einsteckelements geschlossen ist, der Öffnungsschutz 50 sich in der Nähe des innenliegenden Endes 48 der Betätigungselementbohrung 35 befindet. In der geschlossenen Position blockiert der Öffnungsschutz 50 das Eintreten von Fluid durch die im Winkel verlaufenden Strömungsöffnungen 36 in die Bohrung.
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Die im Winkel verlaufenden Kanäle haben vorzugsweise einen Durchmesser von 1,58 mm (1/16 inch) und sind in regelmäßigen Abständen um den Umfang des dritten Sondenabschnittes 15 angeordnet. Die Kanäle 36 sind wie in der 1 gezeigt im Winkel angeordnet, um ein Eintreten von Schutt zu verhindern, wenn das Aufnahmeelement gelöst und das Einsteckelement unter Wasser bleibt. Die Spitze 65 des Ventilbetätigungselementes 64 des Einsteckelementes ragt durch den Bohrungsabschnitt 66, so daß das Tellerventil des Einsteckelementes durch mechanische Kraft in die offene Position gezwängt werden kann, wie dies anhand der 3 und 4 beschrieben wird.
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3 zeigt das Einsteckelement der Kupplung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, wobei das Tellerventil des Einsteckelementes in der offenen Position ist. Das Tellerventil des Einsteckelementes wird durch zusammenwirken der Spitze 65 des Ventilbetätigungselementes 64 mit dem entsprechenden Ventilbetätigungselementes des Aufnahmeelementes geöffnet. In der offenen Position ist das konische Ventil vom Ventilsitz 34 entfernt, damit Hydraulikfluid durch das Einsteckelement der Kupplung fließen kann. Der Öffnungsschutz 50, der am Ventilbetätigungselement 64 befestigt ist, bewegt sich in axialer Richtung ausreichend, damit Hydraulikfluid zwischen den im Winkel verlaufenden Strömungsöffnungen 36 und Ventilbohrung 35 fließen kann. Dies ermöglicht, daß ein Hydraulikfluid durch die im Winkel verlaufenden Strömungsöffnungen 36, durch die Strömungsöffnungen 51 in dem Öffnungsschutz 50 und durch die Ventilbohrung 35 in das Einsteckkupplungselement eintreten kann.
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Es wird nun auf die 4 Bezug genommen, in welcher das Einsteckelement 10 der Kupplung mit dem Aufnahmeelement 20 verbunden gezeigt ist. Das Aufnahmeelement 20 hat einen Körperabschnitt 21 mit einer Aufnahmekammer 41, die so dimensioniert ist, daß sie die Sonde 17 des Einsteckelementes darin aufnehmen kann. Das Aufnahmeelement hat typischerweise eine oder mehrere Dichtungen in der Aufnahmekammer, die mit den Sondenabschnitt des Einsteckelementes zusammen wirken. Wie in der 4 gezeigt, wird eine radiale Metalldichtung 26 in der Aufnahmekammer durch den Dichtungshalter 23 gehalten, der ein hülsenförmiges Element ist. Der Halter kann in dem Aufnahmeelement durch einen Sperring 24 gesperrt sein, der in das Aufnahmeelement eingeschraubt ist. Es kann eine zusätzliche Dichtung, vorzugsweise eine elastomere schwalbenschwanzförmige Dichtung 22 zwischen dem Dichtungshalter und dem Sperring vorgesehen sein. Zusätzlich kann eine O-Ring-Dichtung 25 verwendet werden, um den Übergang zwischen dem Dichtungshalter und dem Aufnahmeelement abzudichten. Das Aufnahmeelement ist mit dem Tellerventil 29 versehen, welches eine konische Ventilfläche 27 hat. In der geschlossenen Position dichtet die konische Ventilfläche am Ventilsitz 28 ab. Die Ventilfeder 38 zwängt das Tellerventil des Aufnahmeelementes in die geschlossene Position. Der Federteller 37 verankert die Ventilfeder und wird durch einen Sprengring oder einen Klipp 40 an Ort und Stelle gehalten. Das Tellerventil des Aufnahmeelementes gleitet innerhalb der Ventilbohrung 39 im Aufnahmeelement. Ausgehend vom Scheitelpunkt der konischen Ventilfläche des Aufnahmeelementes erstreckt sich ein Ventilbetätigungselement 42, welches mit dem entsprechenden Ventilbetätigungselementes des Einsteckelementes zusammenwirkt, um die Ventile der beiden Elemente in die offene Position zu zwängen.
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Wie in der 4 gezeigt, tritt nur der Sondenabschnitt des Einsteckelementes in das Aufnahmeelement der Kupplung ein. Der Körperabschnitt des Einsteckelementes und das Tellerventil des Einsteckelementes bleiben außerhalb der Aufnahmekammer des Aufnahmeelementes. Aus diesem Grund sind die Abmessungen der Einsteck- und Aufnahmekupplungselemente verringert und das Gewicht der Kupplungselemente kann dementsprechend verringert werden, ohne daß die Strömungsrate durch die Einsteck- und Aufnahmekupplungselemente verringert wird.
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Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung eine hydraulische Unterwasserkupplung mit im Winkel verlaufenden Strömungsöffnungen im Einsteckelement, um ein Eintreten von Schutt zu verhindern. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Strömungsöffnungen mit einem Öffnungsschutz geschlossen werden, wenn die Tellerventile des Einsteckelementes und des Aufnahmeelementes geschlossen sind. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß sie höhere Strömungsraten bei einer kleineren und leichteren Kupplung ermöglicht.
