DE19612398C2 - Hydraulikkupplung mit Druckausgleichsventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen Hydraulikkupplungen und insbesondere Hydraulikkupplungen zur Verwendung bei Un­ terseebohrungen und -produktionsanwendungen. Insbesondere umfaßt die Erfindung eine Hydraulikkupplung mit einem Druckausgleichskanal und einem Ventil in dem Kupplungsein­ steckkörper, die es dem Seewasser ermöglichen, in den Ring­ raum zwischen dem Kupplungsaufnahmeelement und dem Kupp­ lungseinsteckelement zu fließen.

Hydraulische Unterseekupplungen sind allgemein bekannt. Die Kupplungen bestehen im allgemeinen aus einem Einsteckele­ ment und einem Aufnahmeelement mit abgedichteten Fluid­ durchlässen zwischen sich. Das Aufnahmeelement ist im all­ gemeinen ein zylindrischer Körper mit einer Längsbohrung mit relativ großem Durchmesser an einem Ende und einer Längsbohrung mit relativ kleinen Durchmesser an dem ande­ ren. Die kleine Bohrung erleichtert Verbindungen mit Hydraulikleitungen, während die große Bohrung das Einsteck­ teil der Kupplung verschiebbar aufnimmt und abdichtet. Das Einsteckelement umfaßt einen zylidrischen Abschnitt an einem Ende mit einem Außendurchmesser, der etwa gleich dem Durchmesser der großen Bohrung des Aufnahmeteils der Kupp­ lung ist. Das Einsteckelement umfaßt weiterhin eine Verbin­ dung an seinem anderen Ende zur Erleichterung der Verbin­ dung mit Hydraulikleitungen. Wenn der zylindrische Teil des Einsteckelmentes in die große Bohrung des Aufnahmeelementes eingebracht ist, wird gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Vorrichtung ein Fluidfluß zwischen dem Einsteckelement und dem Aufnahmeelement hergestellt. Kupplungen dieser Art sind in dem US-Patent Nr. 4,694,859 von Robert E. Smith III und anderen Patenten von National Coupling Company Incor­ porated, Stafford, Texas, dargestellt.

Bei Unterseebohrungen und -produktionsanwendungen kann das Einsteckelement der Kupplung mit einer Verteilerplatte oder anderen Befestigungen in einer unterseeischen Position in­ nerhalb oder außerhalb des Bohrlochs verbunden sein. In vielen Fällen sind die Einsteckelemente so angeordnet, daß die End- oder Stirnfläche jedes Elementes vom Meeresboden nach oben gerichtet ist. Die Aufnahmeelemente, die eben­ falls mit einer Verteilerplatte verbunden sein können, wer­ den durch einen Taucher oder ein Unterseefahrzeug in Posi­ tion über die Einsteckelemente gebracht und dann auf die Einsteckelemente abgesenkt. Wenn die Aufnahmeelemente auf den Einsteckelementen positioniert sind, erfolgt der Hydraulikfluidfluß typischerweise vom Aufnahmeelement zum Einsteckelement jeder Kupplung. In einigen Fällen ist nur das Aufnahmeelement der Kupplung mit einem Tellerventil versehen. Das Tellerventil umfaßt typischerweise eine koni­ sche Ventilfläche, die in der geschlossenen Position gegen den Ventilsitz des Kupplungselementes anliegt. Das Teller­ ventil öffnet sich, um den Fluidfluß zu ermöglichen, und schließt gegen den Ventilsitz innerhalb der Bohrung, um den Fluß zu unterbrechen. Im allgemeinen ist das Tellerventil gegen die Verschlußposition vorgespannt. Das Ventil kann eine Ventilbetätigungsvorrichtung umfassen, die eine Nase oder ein Stab sein kann, der sich von der Öffnung der Ven­ tilfläche entlang der Längsachse des Tellerventils er­ streckt.

Hydraulische Unterseekupplungen des vorgenannten Typs wer­ den unterseeisch verbunden und getrennt. In Notsituationen, beispielsweise bei Stürmen, Wirbelstürmen etc. müssen die Kupplungselemente schnell voneinander getrennt werden, und eines der Elemente, typischerweise das Aufnahmeelement, muß von dem Unterseeort entfernt werden. Wenn das Einsteckele­ ment aus der großen Mittenbohrung des Aufnahmeelementes entfernt wird, resultiert das in einem Niederdruckbereich oder in einem Unterdruck, der innerhalb der Bohrung erzeugt wird. Wenn die Endfläche des Einsteckelementes den Mittel­ punkt der elastomeren Dichtung in der Bohrung des Aufnahme­ elementes passiert, hat die Dichtung nicht mehr die Außen­ wandung des Einsteckelementes, die dazu hilft, die Dichtung in ihrer Nut zu halten. An diesem Punkt können der Zug des Unterdrucks und der Hydraulikdruck des Seewassers, das an der elastomeren Dichtung vorbeizudringen versucht, die ela­ stomere Dichtung aus der Nut in den Ringraum zwischen dem Einsteckelement und dem Aufnahmeelement implodieren lassen. Der Unterdruck erhöht weiterhin die Schwierigkeit, das Ein­ steckelement von dem Aufnahmeelement manuell zu trennen. Dieser Widerstand gegen Trennen aufgrund des Unterdrucks wird verstärkt, wenn mehrere Kupplungen- und Verteilerplat­ ten getrennt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorangehend genannten Nachteile beim Stand der Technik zu überwinden und eine Hydraulikkupplung bzw. ein Aufnahmeelement einer Hydraulik­ kupplung zu schaffen, so daß ein leichtes und schnelles Trennen des Einsteck- und Aufnahmeelements ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 12 bzw. 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aspekte der Erfindung.

Die Erfindung schafft eine hydraulische Unterseekupplung des vorgenannten Typs mit einem Einsteckelement und einem Aufnahmeelement für eine Fluidverbindung zwischen sich mit einem Druckausgleichskanal und einem Ventil in dem Aufnah­ meelementkörper. Wenn der Innendruck größer ist als der Wasserdruck, schließt sich das Ventil und sitzt, um Verlust von innerem Hydraulikfluid zu verhindern. Wenn der Innen­ druck des Hydraulikfluids in dem System auf weniger als den Wasserdruck reduziert wird, öffnet der Wasserdruck das Ven­ til und ermöglicht, daß Seewasser in den Ringraum zwischen den Kupplungselementen fließt. Der Ventildruck gleicht die Dichtungen zwischen den Elementen aus, um eine Implosion der Dichtungen zu verhindern, wenn das Einsteckelement aus der Bohrung des Aufnahmeelementes entfernt wird. Das Ventil arbeitet als Vakuumunterbrechung, um einen Unterdruck in dem Ringraum zwischen den Elementen zu verhindern, wenn das Einsteckelement aus der Bohrung des Aufnahmeelementes ent­ fernt wird. Die vorliegende Erfindung reduziert weiterhin die zum Herausnehmen des Einsteckelementes aus der Bohrung des Aufnahmeelementes erforderliche Kraft. Das erfindungs­ gemäße Ventil ist vorzugsweise ein Kugelventil, das in die geschlossene Position gegen einen Ventilsitz vorgespannt ist.

Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung eines Einsteckelemen­ tes und eines Aufnahmeelementes gemäß einem er­ sten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei das Einsteckelement teilweise aus der Bohrung des Aufnahmeelementes entfernt ist.

Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung des Kugelventils ge­ mäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Er­ findung.

Fig. 3 ist eine Perspektivdarstellung eines Aufnahmeele­ mentes einer Kupplung gemäß der Erfindung, wobei der Körper teilweise weggeschnitten ist.

Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung eines Kugelventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Er­ findung.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt ein Einsteckelement 10, ein Aufnahmeelement 20 und Fluidkanäle zum Aufbau einer Fluidverbindung zwischen dem Einsteckelement und dem Aufnahmeelment. Wenn das Einsteck­ element in die Aufnahmekammer 23 des Aufnahmeelementes ein­ gebracht ist, wird eine Fluidverbindung zwischen den Ele­ menten hergestellt, wenn die Betätigungselemente der Tel­ lerventile 40 und 55 gegenseitig aneinander anliegen.

Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung des Einsteckelementes und des Aufnahmeelementes, wobei das Einsteckelement teil­ weise in das Aufnahmeelement eingebracht ist. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt das Einsteckelement 10 eine Sonde 11 mit einer Längsbohrung 12 und ein Tellerventil 40, das verschiebbar in der Bohrung aufgenommen ist. Das Einsteck­ element umfaßt weiterhin eine Schulter 14 und einen Hand­ griff, der optionell mit einem Gewinde 13 versehen ist oder in anderer Weise mit einer Verteilerplatte verbunden ist. Die Bohrung 12 des Einsteckelementes hat einen Gewindeab­ schnitt 15 zur Verbindung mit Hydraulikleitungen.

Vorzugsweise umfaßt das Tellerventil 40 eine Ventilfläche 42 und ein Ventilbetätigungselement 41, das sich von der Spitze der Ventilfläche aus erstreckt. Die Ventilfläche dichtet gegen einen Sitz in der Bohrung 12 des Einsteckele­ mentes, angrenzend an die Vorderfläche 16 des Einsteckele­ mentes. Das Tellerventil wird durch eine Tellerventilfeder 44 in die geschlossene Position gezwängt. Die Tellerventil­ feder 44 ist zwischen dem Tellerventil 40 und einer Halte­ rung 38 angeordnet. Die Halterung umfaßt vorzugsweise einen inneren Durchlaß und ist in der Bohrung 12 des Einsteckele­ mentes durch eine Halteklammer 39 verankert.

Das Aufnahmeelement 20 umfaßt einen Körper 21, eine Mitten­ bohrung 22, ein Tellerventil 55 und eine Aufnahmekammer 23 zum verschiebbaren Aufnehmen des Einsteckelementes. Das Tellerventil 55 ist im wesentlichen gleich dem Tellerventil 40 des Einsteckelementes und umfaßt eine konische Ventil­ fläche 52 und ein sich von dort aus erstreckendes Ventilbe­ tätigungselement 51, eine Ventilfeder 54, die das Teller­ ventil 55 in die geschlossene Position zwängt, eine Halte­ rung 68 und eine Halteklammer 69. Wenn das Ventilbetäti­ gungselement 41 des Tellerventils des Einsteckelementes das Ventilbetätigungselement 51 des Aufnahmeelementes kontak­ tiert, öffnen sich die gegenseitig in Eingriff stehenden Tellerventile und ermöglichen einen Fluiddurchlaß zwischen dem Einsteckelement und dem Aufnahmeelement. An einem Ende des Körpers des Aufnahmeelementes ist ein mit Gewinde 27 ver­ sehener Handgriff zur Verbindung mit Verteilerplatten und dergleichen vorgesehen. Die Bohrung 22 des Aufnahmeele­ mentes ist ebenfalls mit einem Gewindeabschnitt 24 zur Ver­ bindung mit Hydraulikleitungen versehen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Aufnah­ mekammer 23 zumindest eine Umfangsschulter, die zum Posi­ tionieren einer Dichtung und einer Dichtungshalterung ver­ wendet werden kann. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist eine Umfangsschulter 28 in der Mitte der Aufnahmekammer vorgesehen, und eine hohle, ringförmige Metalldichtung 29 ist auf der Schulter angeordnet. Die Dichtung 29 hat einen inneren Hohlraum, der in Abhängigkeit von einem Hydraulik­ fluiddruck expandierbar ist, um radial zwischen der Aufnah­ mekammer und der Sonde 11 abzudichten. Um die Dichtung 29 beim Trennen des Einsteckelementes und des Aufnahmeelemen­ tes am Ort zu halten, ist eine Dichtungshalterung 31 in das Aufnahmeelement eingebracht. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist die Dichtungshalterung 31 ein hülsenförmiges Element, dessen Außendurchmesser zum Verschieben in der Aufnahmekammer dimensioniert ist und dessen Innendurchmes­ ser zur Aufnahme der Sonde 11 dimensioniert ist. Die Dich­ tungshalterung 31 wird durch ein Halterungssperrelement 30 am Ort gehalten, das in die Aufnahmekammer eingeschraubt ist. Alternativ kann das Halterungssperrelement einen Sperr-Ring oder eine -Klammer aufweisen, um die Dichtungs­ halterung am Ort zu halten. Die Dichtungshalterung kann dazu verwendet werden, die radiale Metalldichtung 29 zu komprimieren, wobei eine derartige Axialpressung den Innen­ umfang der Metalldichtung gegen die Sonde 11 nach innen drückt. Die Dichtungshalterung 31 liegt an einer Ringschul­ ter 26 in der Aufnahmekammer an. Ein O-Ring oder eine ela­ stomere Dichtung 25 kann zum Absichern der Dichtung zwi­ schen der Halterung 31 und der Schulter 26 verwendet wer­ den.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist die elastomere Dichtung 32 zwischen der Dichtungshalterung 31 und dem Hal­ terungssperrelement 30 angeordnet. Wie dargestellt, hat die elastomere Dichtung 32 einen Schwalbenschwanzquerschnitt, um zwischen die Dichtungshalterung 31 und dem Halterungs­ sperrelement 30 einzupassen und eine Implosion der Dichtung in die Aufnahmekammer zu verhindern, wenn das Einsteckele­ ment entfernt wird. Die elastomere Dichtung 32 dichtet ra­ dial gegen die Sonde 11.

Der Druckausgleichskanal erstreckt sich zwischen der Auf­ nahmekammer und der Außenfläche des Körpers des Aufnahme­ elementes. Das Druckausgleichsventil in dem Kanal ist vor­ zugsweise ein Kugelventil mit einer Kugel 61 und einer Fe­ der 59, um die Kugel gegen den Sitz 63 zu pressen. Somit ist das Kugelventil auf die verschlossene Position hin fe­ derbelastet. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 umfaßt der Druckausgleichskanal einen Radialkanal 56, der sich von der Aufnahmekammer nach außen erstreckt und mit einem Längskanal 58 verbunden ist. Der Sitz 63 hat einen mit Ge­ winde versehenen Außendurchmesser zum Befestigen an dem Körper des Aufnahmeelments und umfaßt einen Innenkanal 62. Vorzugsweise liegt die Feder 59 an der Schulter 60 an. Wenn der Innendruck in der Kupplung zusammen mit der Kraft der Feder 59 größer ist als der Wasserdruck, verbleibt die Ku­ gel 21 geschlossen am Sitz 63, wodurch Verlust von internem Fluid verhindert wird. Wenn der Innendruck in der Kupplung und die Federvorspannung geringer ist als der Wasserdruck, zwängt dies die Kugel vom Sitz weg und erlaubt Seewasser, in den Ringraum zwischen dem Einsteckelement und dem Auf­ nahmeelement einzufließen.

Die vorliegende Erfindung gleicht den Druck in der Kupplung aus und verhindert eine Implosion der Dichtungen, wenn das Einsteckelement aus der Bohrung des Aufnahmeelementes ent­ fernt wird. Wenn, wie in Fig. 1 dargestellt ist, das Ein­ steckelement teilweise aus der Aufnahmekammer entfernt ist, sind die Ventile geschlossen, und das Einsteckelement ver­ bleibt durch die Dichtungen 29 und 32 innerhalb der Aufnah­ mekammer abgedichtet. Dies führt zu einem Niederdruckbe­ reich in der Aufnahmekammer, angrenzend an die Stirnfläche des Einsteckelementes. Bei der vorliegenden Erfindung über­ schreitet jedoch der externe Druck des Seewassers den In­ nendruck und die Federkraft, wodurch das Kugelventil geöff­ net wird, so daß der Niederdruckbereich Meerwasser em­ pfängt, um die Kupplung hinsichtlich des Drucks auszuglei­ chen.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung des Druck­ ausgleichsventils gemäß dem bevorzugten Ausführungsbei­ spiel. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, schließt die Kugel 61 gegen den Sitz 63, um den Kanal 62 zu blockieren.

Fig. 3 zeigt das Aufnahmeelement der Kupplung mit dem äuße­ ren Halterungssperrelement 30 einer elastomeren Schwalbenschwanzdichtung als Dichtung 32, der Dichtungshalterung 31, einem O-Ring als Dichtung 25 und der druckbetätig­ ten Metalldichtung 29, wobei alle in die Aufnahmekammer des Aufnahmeelementes eingebracht werden können. Ferner zeigt Fig. 3 den Radialkanal 56, den Längskanal 58 und die Kompo­ nenten der Kugelventilanordnung einschließlich der Kugel 61, der Feder 59, die an der Schulter 60 anliegt, und dem Sitz 63. Vorzugsweise ist der Kanal 56 in den Aufnahmekör­ per 21 eingebohrt und mit einem Stopfen 57 verschlossen.

Fig. 4 zeigt eine zweite oder alternative Ausführungsform der Erfindung, wobei der Druckausgleichskanal ein Radialka­ nal 75 zwischen der Aufnahmekammer und dem Außenumfang des Körpers des Aufnahmeelementes ist. Das Kugelventil umfaßt eine Kugel 72, die gegen einen Sitz 73 abdichtet, um den Kanal 74 zu blockieren. Eine Ventilfeder 71 liegt an einer Schulter 70 an. In diesem Ausführungsbeispiel fließt Fluid durch den Druckausgleichskanal in Radialrichtung in die Aufnahmekammer.

Das Druckausgleichsventil der vorliegenden Erfindung arbei­ tet als Unterdruckunterbrechung zur Verhinderung eines Un­ terdrucks in der Aufnahmekammer, wenn das Einsteckelement von dem Aufnahmeelement entfernt wird. Die Erfindung redu­ ziert die zum Entfernen des Einsteckelementes aus dem Auf­ nahmeelement erforderliche Kraft, insbesondere in Untersee­ bedingungen und/oder wenn mehrere Kupplungselemente gleich­ zeitig zu trennen sind. Die erfindungsgemäße Kupplung kann im Zusammenhang mit nahezu allen Kupplungen verwendet wer­ den, die elastomere oder Metalldichtungen oder irgendeine Kombination daraus aufweisen, und kann in sie inkorporiert werden, sie ist jedoch am vorteilhaftesten in hydraulischen Unterseekupplungen der vorgenannten Art.

Claims (16)

1. Aufnahmeelement (20) für eine hydraulische Kupplung mit:

• a) einer Innenbohrung (22) zur Aufnahme eines Einsteckelements (10),
• b) einem Druckausgleichskanal (56, 58; 74, 75), der sich zwischen der Innenbohrung (22) und der Außenfläche des Aufnahmeelementes (20) erstreckt, und
• c) einem Druckausgleichsventil in dem Druckausgleichskanal (56, 58), das in die geschlossene Position vorgespannt ist und in Abhängigkeit von dem Druck auf die Außenfläche des Aufnahmeelementes (20), der die Vorspannkraft des Druckausgleichsventils und den Innendruck in der Innenbohrung (22) überschreitet, geöffnet werden kann.

2. Kupplungsaufnahmeelement nach Anspruch 1, wobei das Druckausgleichventil ein Kugelventil ist.

3. Kupplungsaufnahmeelement nach Anspruch 2, wobei das Druckausgleichsventil eine Ventilkugel (61; 72), einen Ventilsitz (63; 73) und eine Feder (59; 71) aufweist, um die Ventilkugel (61; 72) gegen den Sitz (63; 73) zu drücken.

4. Kupplungsaufnahmeelement nach Anspruch 1 mit einem zweiten Ventil (55) in der Innenbohrung (22), das in die normal verschlossene Position vorgespannt ist, um Fluidfluß durch die Innenbohrung (22) zu verhindern, wobei das zweite Ventil (55) in Richtung auf das erste Ende der Innenbohrung (22), in das das Einsteckteil einbringbar ist, in die Öffnungsposition verschiebbar ist in Abhängigkeit von Kräften, die auf das zweite Ventil (55) wirken und größer sind als die Vorspannung zum Verschließen des zweiten Ventils (55).

5. Kupplungsaufnahmeelement nach Anspruch 4, wobei das zweite Ventil (55) ein Tellerventil mit einem Ventilbetätigungselement (51) ist.

6. Kupplungsaufnahmeelement nach Anspruch 1 mit weiterhin zumindest einer Umfangsdichtung (32, 25, 29) in der Innenbohrung (22) und Mitteln zum Halten der Umfangsdichtung in der Innenbohrung.

7. Kupplungsaufnahmeelement nach Anspruch 6, wobei die Umfangsdichtung (32, 25, 29) eine ringförmige druckbetätigte hohle Metalldichtung (29) aufweist.

8. Kupplungsaufnahmeelement nach Anspruch 6 oder 7, wobei beim Trennen des Einsteckelementes (10) aus dem Aufnahmeelement (20) die Mittel zum Halten der Umfangsdichtung diese am Ort halten.

9. Kupplungsaufnahmeelement nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei die Mittel zum Halten der Umfangsdichtung ein Hülsenelement aufweist, das zum Verschieben in der Innenbohrung (22) des Aufnahmeelementes (20) ausgestaltet ist, und ein Sperrelement, das mit dem Aufnahmeelement (20) in Eingriff bringbar ist, um das Hülsenelement in der Innenbohrung (22) des Aufnahmeelementes (20) zu halten.

10. Kupplungsaufnahmeelement nach Anspruch 1, wobei der Druckausgleichskanal (56, 58) einen Radialkanal (56) aufweist, der sich von der Innenbohrung (22) des Aufnahmeelementes (20) nach außen erstreckt, und einen Längskanal (58), der sich zwischen dem Radialkanal (56) und einem Ende des Aufnahmeelementes erstreckt.

11. Kupplungsaufnahmeelement nach Anspruch 4 mit zumindest einer Innenumfangsschulter (28) in der Mitte der Innenbohrung (22), wobei das zweite Ventil zum Verschließen gegen einen Ventilsitz in der Bohrung vorgespannt ist.

12. Hydraulikkupplung mit:

• a) einem Aufnahmeelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und
• b) einem Einsteckelement (10), das in die Innenbohrung (22) des Aufnahmeelementes (20) einbringbar ist und eine zweite Innenbohrung (12) und ein darin eingebrachtes verschiebbares drittes Ventil (40) aufweist, um den Fluidfluß durch die Innenbohrung (12) des Einsteckelementes (10) zu steuern.

13. Hydraulikkupplung nach Anspruch 12, wobei das Einsteckelement (10) eine Stirnfläche und eine Außenfläche aufweist, die beim Einbringen in die Innenbohrung (22) des Aufnahmeelementes (20) dichtend in Eingriff mit der Umfangsdichtung (25, 29, 32) bringbar sind.

14. Hydraulikkupplung nach Anspruch 12, wobei der Druckausgleichskanal (56, 58; 74, 75) in der Innenbohrung (22) des Aufnahmeelementes (20) derart angeordnet ist, daß das Einsteckelement (10) ohne Blockierung des Druckausgleichskanals (56, 58; 74, 75) in dichtendem Eingriff mit der Umfangsdichtung (25, 29, 32) verbleibt.

15. Hydraulikkupplung nach Anspruch 12, wobei die zweiten und dritten Ventile (55, 40) in dem Einsteckelement (10) und in dem Aufnahmeelement (20) gegenseitig betätigbare Ventilbetätigungselemente (51, 41) aufweisen, die die Ventile in die Öffnungsposition bringen.

16. Verwendung der Hydraulikkupplung nach Anspruch 12 als Hydraulische Unterseekupplung.