DE19535139A1 - Unterwasser-Hydraulikkupplungselement - Google Patents
Unterwasser-HydraulikkupplungselementInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Hydrau
likkupplungen und insbesondere Hydraulikkupplungen, die bei
Unterwasserbohrungen und -produktionseinsätzen verwendet
werden. Im einzelnen beinhaltet die vorliegende Erfindung
ein Hydraulikkupplungselement mit Strömungsöffnungen, die
so geformt sind, daß das Eintreten von Bohrschutt verhin
dert wird, und mit einem Entnahmedurchlaß zum Ableiten von
in den Leitungen eingeschlossenem Hydraulikfluid beim Tren
nen der Kupplung.
Unterwasser-Hydraulikkupplungen sind seit langem bekannt.
Die Kupplungen bestehen allgemein aus einem Steckteil und
einem Aufnahmeteil mit abgedichteten Fluiddurchlaßwegen,
die zwischen beiden Teilen verbunden sind. Das Aufnahmeteil
hat im allgemeinen einen zylindrischen Körper mit einer
Längsbohrung mit relativ großem Durchmesser am einen Ende
und einer Längsbohrung mit relativ kleinem Durchmesser am
anderen Ende. Die kleine Bohrung erleichtert den Anschluß
von Hydraulikleitungen, während die große Bohrung das
Steckteil der Kupplung abdichtet und verschiebbar aufnimmt.
Das Steckteil hat an einem Ende einen zylindrischen Ab
schnitt, dessen Außendurchmesser ungefähr gleich dem Durch
messer der großen Bohrung des Aufnahmeteils ist. Das Steck
teil hat an seinem anderen Ende auch einen Anschluß, um das
Anschließen an Hydraulikleitungen zu erleichtern. Wenn der
zylindrische Abschnitt des Steckteils in die große Bohrung
des Aufnahmeelements eingesetzt wird, wird gemäß den ver
schiedenen Ausführungsformen der Vorrichtung zwischen dem
Steckteil und dem Aufnahmeteil ein Fluidstrom errichtet.
Kupplungen dieser Art sind in der US-PS 4,694,859 und ande
ren Patenten der Anmelderin offenbart.
Bei Unterwasserbohrungen und Produktionseinsätzen kann das
Steckteil der Kupplung an einer Verteilerplatte oder ande
ren Befestigungseinrichtungen an einem Unterwasserort in
nerhalb oder außerhalb eines Bohrloches befestigt sein. In
vielen Fällen sind die Steckteile so positioniert, daß das
Ende oder die Stirnfläche jedes Teils vom Gewässerboden
vertikal nach oben weist. Die Aufnahmeteile, die ebenfalls
an einer verteilerplatte befestigt sein können, werden in
die Position oberhalb der Steckteile gebracht und dann
durch einen Taucher oder ein Unterwasserfahrzeug auf die
Steckteile abgesenkt. Wenn die Aufnahmeteile auf den Steck
teilen positioniert sind, fließt typischerweise Hydraulik
fluid vom Aufnahmeteil zum Steckteil jeder Kupplung. In ei
nigen Fällen hat nur das Aufnahmeteil der Kupplung ein
Rohrventil.
Das Rohrventil hat typischerweise eine konische Ventilflä
che, die in der geschlossenen Position im Kupplungsteil am
Ventilsitz anliegt. Das Rohrventil öffnet, um ein fließen
des Fluid zu erlauben und schließt gegenüber dem Ventilsitz
innerhalb der Bohrung ab, um den Strom zu stoppen. Im all
gemeinen ist das Rohrventil durch eine Feder in die ge
schlossene Position vorgespannt. Das Ventil kann einen Ven
tilstößel aufweisen, der eine Nase oder ein Stift sein
kann, welcher am Scheitel der Ventilfläche in der
Längsachse des Rohrventils vorsteht.
Ölbohrschächte od. dgl., in welchen die Kupplungen positio
niert sind, sind häufig voller Bohrschutt. Das Steckteil,
welches unter Wasser bleibt, wenn die Kupplung getrennt
wird, ist dem Bohrschutt ausgesetzt, welcher sich in den
Strömungsdurchlässen ansammelt. Die Strömungsdurchlässe im
Steckteil können direkt quer zum Spalt zwischen der Ventil
fläche und dem Ventilsitz liegen, wie dies in der US-PS
4,694,859 gezeigt ist. Oder wie in der US-PS 4,754,780, der
US-PS 5,099,882 und der US-PS 4,832,089 gezeigt, kann der
Hydraulikstrom radial zwischen den Teilen erfolgen. Bei je
der Konstruktion kann ein Eindringen von Bohrschutt erfol
gen. Der Bohrschutt kann das Hydraulikfluid verschmutzen
oder an den Dichtungen und Dichtungsflächen in den Hydrau
likkupplungen und im Hydrauliksystem Verschleiß verursa
chen.
In Notsituationen, beispielsweise bei Stürmen, Hurricans
etc., müssen die Teile schnell getrennt werden und es wird
eines der Teile, üblicherweise das Aufnahmeteil, vom Unter
wasserort entfernt. In diesen Situationen können Probleme
durch den eingeschlossenen Hydraulikdruck in den Leitungen,
die zum unter Wasser bleibenden Steckkupplungsteil führen,
auftreten. Wenn Hydraulikdruck unter Wasser eingeschlossen
ist, haben die Einstellungen der verschiedenen Ventile des
Hydrauliksystems eine Tendenz dazu, sich in Abhängigkeit
von dem aufgebauten Druck zu verändern. Es ist unerwünscht,
daß die Ventileinstellungen auf diesen eingeschlossenen
Druck unvorhersehbar reagieren und um den Druck zu entla
sten, wurde vorgeschlagen, die Hydraulikleitungen, die un
ter Wasser eingeschlossen sind, abzulassen. Das Ablassen
der Leitungen erfolgt auch, um eine Zerstörung des Hydrau
liksystems durch Platzen zu vermeiden. Daher ist es dann,
wenn das Hydrauliksystem in Gefahr steht, infolge von Stür
men stark belastet oder sonstwie zerstört zu werden, wün
schenswert, die Teile zu trennen und eines der Teile abzu
sperren oder abzudichten, während das andere Teil, das un
ter Wasser bleibt, eingeschlossenen Hydraulikdruck ablassen
kann. Gleichzeitig ist es unerwünscht, daß Wasser über das
Kupplungsteil, welches unter Wasser bleibt, in das System
eindringt.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein Unterwasser-Kupp
lungselement mit im Winkel angeordneten Strömungskanälen im
Körper des Steckteils, um dazu beizutragen, das Eindringen
von Bohrschutt zu verhindern. Der Hydraulikdruck durch die
im Winkel angeordneten Strömungsöffnungen drückt ein Rohr
ventil im Steckteil in die offene Position. Beim Trennen
schließt das Rohrventil und das eingeschlossene Hydraulik
fluid in den Leitungen, die zum Teil führen, wird über eine
Ablaßöffnung im Rohrventil abgelassen. Der Hydraulikfluid
strom durch die Ablaßbohrung und um das Rohrventil herum
führt dazu, daß jeglicher Bohrschutt, der sich in den Strö
mungsöffnungen angesammelt hat, ausgespült wird.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der folgen
den Figuren im einzelnen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 ein Steckteil und ein Aufnahmeteil gemäß der vorlie
genden Erfindung in perspektivischer Darstellung;
und
Fig. 2 ein Steckteil einer Kupplung gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im
Schnitt.
Die Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung hat ein
Steckteil 10 und ein Aufnahmeteil 20. Wie in der Fig. 1 ge
zeigt, ist das Steckteil 10 üblicherweise vom Unterwasser
boden aus nach oben gerichtet, und das Aufnahmeteil kann
auf dem Steckteil positioniert werden. Das Steckteil ist im
allgemeinen an einer Verteilerplatte befestigt, während das
Aufnahmeteil an einer gegenüberliegenden Platte befestigt
ist, so daß es dem Steckteil gegenüberliegt und mit diesem
fluchtet. Das Steckteil und das Aufnahmeteil können an den
Verteilerplatten unter Verwendung verschiedener Mittel, wie
beispielsweise Schrauben oder Gewinden, befestigt sein.
Techniken zum Befestigen der Teile an derartigen Verteiler
platten sind dem Fachmann allgemein bekannt. Das Steckteil
10 hat einen Gewindegriff 11 zum Anschließen an eine Ver
teilerplatte oder eine andere Befestigungseinrichtung in
nerhalb oder außerhalb eines Bohrlochs. Die Schulter 12 en
det an einem ersten Abschnitt 13 der zylindrischen Sonden
wand, die verschiebbar in dem Aufnahmeteil aufgenommen wer
den kann. Die Sondenwand des Steckteils ist vorzugsweise
gestuft und hat mehrere Durchmesseränderungen. Bei einer
bevorzugten Ausführungsform endet der erste Abschnitt 13
der Sondenwand an einer abgeschrägten Schulter 14, an die
sich dann ein zweiter Abschnitt 15 der Sondenwand an
schließt. Der zweite Abschnitt 15 hat einen engeren Durch
messer als der erste Abschnitt 13 der Sondenwand. Der
zweite Abschnitt 15 der Sondenwand endet an einer abge
schrägten Schulter 16, die eine weitere Durchmesserreduk
tion der Sondenwand bildet. An die abgeschrägte Schulter 16
schließt sich der dritte Abschnitt 17 der Sondenwand an,
der einen geringeren Durchmesser hat und an der Stirnfläche
18 des Steckteils endet. Die Stirnfläche 18 des Steckteils
berührt den Ventilstößel 25 des Aufnahmeteils, wenn das
Steckteil vollständig in die Aufnahmekammer 24 des Aufnah
meteils eingesetzt ist. Der Kontakt zwischen der Stirnflä
che 18 und dem Ventilstößel 25 öffnet den Ventilstößel 25
im Aufnahmeteil, um einen Durchlaß von Hydraulikfluid zwi
schen den Kupplungsteilen zu ermöglichen.
Im dritten Abschnitt 17 der Steckteil-Sondenwand sind im
Winkel angeordnete Durchlässe 19 vorgesehen. Diese im Win
kel angeordneten Durchlässe oder Bohrungen haben vorzugs
weise einen Durchmesser von 27 mm und sind in regelmäßigen
Abständen am Umfang des dritten Abschnittes 17 der Sonden
wand angeordnet. Die Durchlässe 19 sind, wie in der Fig. 2
gezeigt, im Winkel angeordnet, um ein Eindringen von Bohr
schutt zu verhindern, wenn das Aufnahmeteil abgetrennt wird
und das Steckteil unter Wasser bleibt.
Zurück zur Fig. 1 ist zu sehen, daß das Aufnahmeteil 20 ein
Gewindeende 21 zum Anschließen an eine Verteilerplatte,
eine Schulter 22 und einen Körper 23 mit einer darin be
findlichen Aufnahmekammer 24 aufweist. Das Aufnahmeteil hat
vorzugsweise ein Rohrventil mit einem Ventilstößel 25, der
am Ventil vorsteht und der bei Berührung mit einem Ventil
stößel oder Stift am Steckteil 10 das Ventil öffnet.
Im folgenden wird auf die Fig. 2 Bezug genommen, die eine
Schnittdarstellung der bevorzugten Ausführungsform des
Steckteils zeigt. Das Steckteil hat eine interne Bohrung
30, die an der Fläche 35 endet. An einem Ende der Bohrung
befindet sich ein Gewinde 31 zum Anschließen an eine
Hydraulikleitung. In der Nähe und weiter innenliegend
schließt sich an den Gewindeabschnitt ein zylindrischer
Durchlaß 32 an, der sich in Längsrichtung innerhalb des
Körpers des Steckteils erstreckt und der am Ventilsitz 33
endet. Der Ventilsitz 33 ist eine abgeschrägte Schulter,
die an dem zylindrischen Durchlaß 34 endet, welcher einen
verringerten Durchmesser aufweist. Der zylindrische Durch
laß 34 endet an einer geschlossenen Fläche 35. Die im Win
kel verlaufenden Durchlässe 19 erlauben zwischen dem Durch
laß 34 und der externen Fläche des Steckteils eine Fluid
kommunikation.
Die verschiedenen Teile der Ventilbaugruppe des Steckteils
sind der Ventilkopf 36 mit Öffnungen 37, die sich durch
diesen erstrecken, und die Ventilfläche 38, die eine koni
sche Form aufweist und so dimensioniert ist, daß sie inner
halb des Ventilsitzes 33 am Ende der Bohrung des Steckteils
sitzt. Von der Ventilfläche 38 ausgehend, erstreckt sich
ein Ventilstift 39, der eine zylindrische Form aufweist und
sich entlang der Längsachse des Steckteils erstreckt. Der
Ventilstift 39 ist am Scheitel der konischen Ventilfläche
angeordnet. Eine wendelförmige Ventilfeder 41 wird dazu
verwendet, die Ventilfläche 38 in eine am Ventilsitz 33 an
liegende Position vorzuspannen. Die wendelförmige Ventilfe
der ist innerhalb des zylindrischen Durchlasses 32 angeord
net und ist an einem hohlen Federbund 42 verankert, der
durch einen Bund-Sprengring 43 an der Innenfläche des zy
lindrischen Durchlasses in Position gehalten ist. Das ge
genüberliegende Ende der wendelförmigen Ventilfeder berührt
den Ventilkörper 36 und drückt das Ventil in eine geschlos
sene Position.
Eine Ablaßöffnung 40 erstreckt sich durch den Ventilstift
39, um zu ermöglichen, daß ein geschlossenes, unter Druck
stehendes Fluid durch die Ablaßöffnung abgelassen werden
kann, wenn das Aufnahmeteil vom Steckteil getrennt wird und
das Rohrventil des Steckteils geschlossen ist. Das Ende des
Ventilstiftes 39 kann die Fläche 35 innerhalb des Steck
teils berühren oder nicht. Das eingeschlossene Fluid, wel
ches über den Durchlaß 40 abgelassen wird, läuft aus dem
Steckteil über die im Winkel angeordneten Durchlässe 19.
Wenn der Ablaßdruck hoch genug ist, bewirkt der Strom durch
die Ablaßöffnung eine "Strahl"-Wirkung gegen die Fläche 35,
die dazu neigt, das Ventil leicht zu öffnen, wobei die Ven
tilfläche 38 zwangsweise vom konischen Ventilsitz 33 wegge
drückt wird. Diese "Strahl"-Wirkung trägt zu dem Ausspülen
von jeglichem Bohrschutt bei, der sich in den im Winkel be
findlichen Strömungsöffnungen 19 angesammelt haben kann.
Diese Ausspulwirkung während dem Ablassen der Hydraulik
leitungen des Steckteils wird solange fortgeführt, bis der
aufgebaute Hydraulikdruck abgefallen ist.
Wenn das Aufnahmeteil an dem Steckteil befestigt wird,
fließt das Hydraulikfluid üblicherweise vom Aufnahmeteil
zum Steckteil. Das Fluid läuft durch ein übliches Aufnahme
teil und tritt in die im Winkel liegenden Öffnungen in das
Steckteil ein. Der Hydraulikdruck durch die im Winkel lie
genden Öffnungen 19 und gegen die Fläche 38 des Rohrventils
öffnet das Rohrventil zwangsweise, um einen Fluidstrom
durch das Steckteil zu erlauben. Wenn das Steckteil und das
Aufnahmeteil voneinander getrennt werden, schließt das
Rohrventil, da die Feder 41 die Ventilfläche 38 gegen den
Ventilsitz 33 vorspannt. Wie vorstehend erläutert, kann das
Rohrventil geringfügig öffnen, wenn der Ablaßdruck hoch ge
nug ist, um die Federkraft zu überwinden. Das Rohrventil in
Kombination mit den im Winkel liegenden Strömungsöffnungen
im Steckteilkörper tragen dazu bei, ein Eindringen von
Bohrschutt zu verhindern, während es ermöglicht, daß einge
schlossener Hydraulikfluiddruck abgelassen werden kann. Da
durch wird ein sicheres Schließen der Ventile in Notfallsi
tuationen ermöglicht, bei denen die Hydraulikkupplung ent
kuppelt wird.
Variationen bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfin
dung sind möglich, auch wenn sie nicht alle Vorteile der
vorliegenden Erfindung realisieren. Gewisse Merkmale können
bei den verschiedenen Anwendungsfällen der Vorrichtung
wichtiger als andere sein. Die Erfindung ist demgemäß nur
durch den Schutzumfang der Patentansprüche begrenzt.
Claims (12)
1. Hydraulikkupplungselement mit:
- (a) einem zylindrischen Körper mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, einem Außenumfang und ei ner in Längsrichtung verlaufenden, gestuften Boh rung, die an einer geschlossenen Fläche am zwei ten Ende des Körpers endet;
- (b) wenigstens zwei Strömungsöffnungen in der Nähe des zweiten Endes, die sich zwischen der Bohrung und dem Außenumfang erstrecken, wobei das in die Bohrung mündende Ende der Strömungsöffnung ober halb des am Außenumfang mündenden Endes der Strö mungsöffnung liegt, wenn das Kupplungselement so positioniert ist, daß die zweite Stirnfläche nach oben weist;
- (c) einem normalerweise geschlossenen Rohrventil, das verschiebbar in der Bohrung aufgenommen ist und einen Stift aufweist, der von diesem ausgehend sich durch die Bohrung neben den Strömungsöffnun gen erstreckt, wobei das Rohrventil in Abhängig keit von durch die Strömungsöffnungen in die Boh rung wirkendem Hydraulikfluiddruck zu öffnen ist; und
- (d) einer Ablaßöffnung, die durch den Stift des Steckteils verläuft und es ermöglicht, daß einge schlossenes Hydraulikfluid bei geschlossenem Rohrventil aus der Bohrung durch die Strömungs öffnungen abfließen kann.
2. Hydraulikkupplungselement gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Bohrung in der Nähe des ersten En
des einen größeren Durchmesser aufweist, in der Nähe des
zweiten Endes einen kleineren Durchmesser aufweist und an
der geschlossenen Fläche endet, und zwischen den Teilen mit
unterschiedlichem Durchmesser einen abgeschrägten Ventil
sitz aufweist.
3. Hydraulikkupplungselement gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der zylindrische Körper vom ersten Ende
bis zum zweiten Ende des Körpers drei zunehmend kleiner
werdende Durchmesser aufweist.
4. Hydraulikkupplungselement gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Rohrventil so konstruiert ist, daß
es ein wenig öffnet, wenn die Strömung von der Bohrung nach
außen durch die Ablaßöffnung eine vorbestimmte Geschwindig
keit überschreitet.
5. Steckteil für eine Unterwasser-Hydraulikkupplung, mit:
- (a) einem Körper mit einer Außenfläche, einem ersten Ende und einem zweiten Ende und einer Bohrung, die sich zwischen dem ersten Ende und einer Flä che nahe dem zweiten Ende erstreckt;
- (b) einer Anzahl von im Winkel angeordneten Strö mungsöffnungen zwischen der Bohrung und der Außenfläche, wobei die Strömungsöffnungen so im Winkel angeordnet sind, daß sie dazu beitragen, ein Eindringen von Bohrschutt zu verhindern, wenn das Steckteil unter Wasser so positioniert ist, daß das zweite Ende höher als das erste Ende liegt; und
- (c) einem verschiebbaren Ventil zum Steuern des Fluidstroms durch die Bohrung und die Strömungs öffnungen, wobei das Ventil gegen den Ventilsitz vorgespannt ist und in Abhängigkeit vom Fluid druck, der es vom Sitz wegdrückt, zu öffnen ist.
6. Steckteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
weiterhin eine Ablaßöffnung vorgesehen ist, die durch das
Ventil verläuft, um Hydraulikfluid bei geschlossenem Ventil
aus der Bohrung durch die Strömungsöffnungen abzulassen.
7. Steckteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das Ventil so ausgebildet ist, daß es öffnen kann, wenn das
gegen die geschlossene Fläche am zweiten Ende des Steck
teils abgelassene Hydraulikfluid die Vorspannung, welche
das Ventil zwangsweise in geschlossenem Zustand hält, über
windet.
8. Steckteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das Ventil eine konische Ventilfläche mit einem an dieser
vorstehenden Stift aufweist, wobei sich die Ablaßöffnung
durch die Fläche und den Stift erstreckt.
9. Steckteil für eine Unterwasser-Hydraulikkupplung mit:
- (a) einem Körper mit einer Außenfläche, einem ersten Ende und einem zweiten Ende und einer Bohrung, die sich zwischen dem ersten Ende und einer Flä che nahe des zweiten Endes erstreckt;
- (b) einer Anzahl von Strömungsöffnungen zwischen der Bohrung und der Außenfläche;
- (c) einem verschiebbaren Ventil zum Steuern des Fluidstroms durch die Bohrung und die Strömungs öffnungen, wobei das Ventil gegen einen Ventil sitz vorgespannt ist und in Abhängigkeit von Fluiddruck zu öffnen ist, der das Ventil vom Sitz wegdrückt; und
- (d) einer Ablaßöffnung, die sich durch das Ventil er streckt, um in der Bohrung eingeschlossenes Hydraulikfluid bei geschlossenem Ventil abzulas sen.
10. Steckteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strömungsöffnungen im Winkel angeordnet sind, um ein
Eindringen von Bohrschutt zu verhindern, wenn das Steckteil
unter Wasser positioniert ist.
11. Steckteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
weiterhin ein Stift vorgesehen ist, der an dem Ventil vor
steht, wobei sich die Ablaßöffnung durch den Stift er
streckt.
12. Steckteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
das Ventil so konstruiert ist, daß es dann geringfügig öff
net, wenn die Geschwindigkeit des durch die Ablaßöffnung
abgelassenen Hydraulikfluids eine vorbestimmte Geschwindig
keit überschreitet.
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