DE19535139A1

DE19535139A1 - Unterwasser-Hydraulikkupplungselement

Info

Publication number: DE19535139A1
Application number: DE19535139A
Authority: DE
Inventors: Iii Robert E Smith
Original assignee: National Coupling Co Inc
Current assignee: National Coupling Co Inc
Priority date: 1994-09-21
Filing date: 1995-09-21
Publication date: 1996-03-28
Anticipated expiration: 2015-09-22
Also published as: NO953709D0; GB9518662D0; NO315995B1; GB2293423A; AU696523B2; GB2293423B; BR9504087A; AU3056595A; DE19535139C2; US5692538A; NO953709L

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

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.