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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine Öffnung in einer äußeren Hülse, die
ein Teil eines Drehschiebers bzw. Rohrschiebers/Hülsenschiebers
ist, für
einen Fluidfluss zwischen einem Kohlenwasserstoffreservoir und einem
Schacht bzw. Bohrloch in dem Kohlenwasserstoffreservoir, wobei der Schacht
eine Röhre
umfasst, wobei die äußere Hülse fest
ist und einen Teil der Röhre
bildet, und der Drehschieber umfasst weiter eine bewegliche innere
Hülse,
die mittels einem Aktuator oder einem Werkzeug durch Positionen
bewegt werden kann, in denen die Öffnung der äußeren Hülse mit einer Öffnung in
der inneren Hülse
ausgerichtet oder nicht ausgerichtet ist, um den Fluidfluss zuzulassen
oder abzusperren.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren für die Montage eines Drehschiebers,
der eine äußere Hülse umfasst,
die mindestens eine Öffnung
aufweist, welche mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ausgestattet
ist, wobei die äußere Hülse und die
innere Hülse
getrennt gefertigt werden.
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Bei
der Gewinnung von Kohlenwasserstoffen aus Kohlenwasserstoffreservoirs
werden Schächte
von dem Meeresboden oder der Erdoberfläche herunter zu und in das
Reservoir bzw. Lager gebohrt, welches unter Druck steht. Der Schacht
wird mit einer Verschalung ausgekleidet, um zu verhindern, dass
er einstürzt,
und in der Verschalung wird eine Röhre platziert, die sich von
dem Bohrlochkopf am Meeresboden oder der Erdoberfläche in das
Reservoir hinein erstreckt. Die Verschalung ist in dem Reservoir
perforiert, um zu ermöglichen,
dass Kohlenwasserstoffe in die Verschalung fließen und dann in die Röhre und
zum Bohrlochkopf hinauf für
weitere Verarbeitung.
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Ein
Kohlenwasserstoffreservoir kann Öl,
Gas und Wasser enthalten. Die Förderungsbedingungen, das
bedeutet hauptsächlich
die Menge an Öl,
Gas und Wasser und der Druck in dem Reservoir, variieren normalerweise über das
Reservoir hinweg und verändern
sich im Verlauf der Förderungszeit.
Um die Förderung
aus dem Schacht steuern zu können,
das heißt
um das Einströmen
von Öl,
Gas und Wasser in den Schacht zu steuern, ist es wünschenswert,
das Einströmen
in den Schacht absperren zu können
und den Einfluss in den Schacht an verschiedenen Punkten entlang
der Röhre
zuzulassen.
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Wasser-
oder Gasinjektion wird an manchen Orten verwendet, um den Druck
in dem Reservoir aufrechtzuerhalten, das heißt, unter Druck stehendes Wasser
oder Gas wird von dem Schacht aus in das Reservoir gepresst, und
in diesem Fall kann es wünschenswert
sein, den Ausfluss von dem Schacht entlang der Röhre zu regulieren.
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Drehschieber,
die in geeigneten Abständen entlang
des Schachts in dem Reservoir platziert werden können, können verwendet werden, um den Fluss
zu oder von einem Schach zu steuern. Die Drehschieber umfassen eine äußere Hülse bzw.
ein Rohr und eine innere Hülse
bzw. ein Rohr, die beide mit Öffnungen
versehen sind. Die äußere Hülse ist feststehend
und bildet einen Teil der Röhre,
während die
innere Hülse
beweglich ist, um die Öffnungen
in den beiden Hülsen
miteinander auszurichten oder nicht auszurichten, um den Fluss durch
den Drehschieber zuzulassen oder abzusperren.
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Das
Reservoir kann sich über
ein sehr großes
Gebiet erstrecken, zum Beispiel 2000 Meter, und ist üblicherweise
in verschiedene Förderungszonen unterteilt,
die sehr verschiedene Drücke
aufweisen können.
Die Röhre
erstreckt sich durch die verschiedenen Förderungszonen und kann ein
oder mehrere Drehschieber in jeder Förderungszone aufweisen, um
zu ermöglichen,
dass die Kohlenwasserstoffe aus einer oder mehreren Förderungszonen
gefördert werden,
während
andere Förderungszonen
geschlossen sein können.
Die Förderungszonen
können
durch Isolationspacker voneinander getrennt werden, die zwischen
der Verschalung und der Röhre platziert
werden, um zu verhindern, dass Fluide zwischen den Förderungszonen
entlang der Außenseite der
Röhre austreten.
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Wenn
es eine Förderung
aus einer Förderungszone
bei einem Druck von zum Beispiel 200 bar gibt, wird die Röhre einen
inneren Druck von näherungsweise
200 bar aufweisen. Wenn die Röhre durch
eine Förderungszone
führt,
in der der Druck zum Beispiel 50 bar ist, müssen die Drehschieber in dieser
Förderungszone
geschlossen sein, um einen Ausfluss aus dem Schacht zu verhindern.
Die Drehschieber werden damit ebenfalls einem Druckunterschied von
150 bar ausgesetzt, in eine Richtung entgegen dem zuvor erwähnten Druckunterschied.
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Ein
hoher Druckunterschied an sich kann ein Leck verursachen. Zusätzlich kann
ein Druckunterschied zu einer Verformung der Drehschieber führen, was
verursachen kann, dass die Drehschieber lecken, wenn sie geschlossen
sind.
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Das
mit dem Lecken der Drehschieber verbundene Problem aufgrund der
beträchtlichen
Druckunterschiede kann gelöst
werden, indem flexible Dichtflansche aus einem nichtmetallischen
Material verwendet werden. Die Temperatur in dem Reservoir kann
jedoch 100°C
oder mehr betragen, und das Reservoir kann Bestandteile enthalten,
welche die Dichtflanschmaterialien korrodieren. In Drehschiebern,
bei denen die Abdichtung auf Dichtflanschen beruht, hat sich erwiesen,
dass ein Leckwerden oft nach einiger Zeit auftritt, wenn das Ventil
in einer geschlossenen Position ist, und Dichtflansche sind daher
keine zufriedenstellende Lösung
des Problems.
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Um
Dichtflansche zu vermeiden, wurden Ventile mit Metall-auf-Metall-Dichtungen
entwickelt. Jedoch haben Metall-auf-Metall-Dichtungen eine geringe
Fähigkeit,
die großen
Verformungen aufzufangen, die durch beträchtliche Druckunterschiede
verursacht werden können,
und bieten damit ebenfalls keine ausreichende Lösung für das Problem von Drehschiebern,
die in einer geschlossenen Position lecken, wenn sie beträchtlichen
Druckunterschieden ausgesetzt sind.
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GB 2 201 979 ,
US 4 782 896 und
US 4921044 beschreiben Drehschieber
zum Steuern eines Fluidflusses zwischen einem Kohlenwasserstoffreservoir
und einem Schacht in dem Kohlenwasserstoffreservoir, welche eine
feste äußere Hülse umfassen
und eine innere Hülse,
die zwischen Positionen bewegt werden kann, in denen Öffnungen
in der äußeren Hülse und
der inneren Hülse
zueinander ausgerichtet oder nicht ausgerichtet sind.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist, eine Lösung für das oben erwähnte Problem
bereitzustellen, welches mit dem Lecken der Drehschieber verbunden ist,
wenn sie beträchtlichen
Druckunterschieden ausgesetzt sind.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
mittels einer Vorrichtung für
eine Öffnung
in einer äußeren Hülse, die
Teil eines Drehschiebers ist, und mittels eines Verfahrens für die Montage
eines Drehschiebers von der in der Einleitung genannten Art erfüllt, welcher
durch die in den Ansprüchen
offenbarten Merkmale gekennzeichnet ist.
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Entsprechend
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung für eine Öffnung in einer äußeren Hülse, die Teil
eines Drehschiebers für
einen Fluidfluss zwischen einem Kohlenwasserstoffreservoir und einem Schacht
in dem Kohlenwasserstoffreservoir ist, wobei der Schacht eine Röhre umfasst,
wobei die äußere Hülse feststehend
ist und Teil der Röhre
bildete, und der Drehschieber umfasst weiter eine bewegliche innere
Hülse,
die mittels eines Aktuators oder Werkzeugs durch Positionen bewegbar
ist, in denen die Öffnung
der äußeren Hülse mit
einer Öffnung
in der inneren Hülse
ausgerichtet oder nicht ausgerichtet ist, um den Fluidfluss zuzulassen
oder abzusperren.
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Gemäß der Erfindung
ist die äußere Hülse mit
einem radial beweglichen Dichtelement versehen, welches eine durchgehende
radiale Öffnung aufweist,
die angepasst ist, um der inneren Hülsenöffnung zu entsprechen, und
weist eine umlaufende Dichtfläche
auf, die dazu angepasst ist, gegen die innere Hülse um die innere Hülsenöffnung herum
anzuliegen. Des weiteren ist ein Spannelement zwischen entsprechenden
Lagerabschnitten des Dichtelements und der äußeren Hülse angeordnet und drückt das
Dichtelement mit seiner Dichtfläche
gegen die innere Hülse.
Auf diese Weise erhält
man eine Dichtung um die innere Hülsenöffnung, wenn der Drehschieber
sich in einer geschlossenen Position befindet.
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Des
weiteren ist zwischen der Seitenfläche des Dichtelements und der
Seitenfläche
der äußeren Hülsenöffnung eine
Druckkammer angeordnet, wobei ein Abschnitt der Seitenfläche des
Dichtelements eine Druckfläche
bildet, die unter der Wirkung von Druck in der Druckkammer das Dichtelement
gegen die innere Hülse
presst. Die Druckkammer ist über mindestens
eine Verbindung mit mindestens einer Druckquelle verbunden, und
eine Ausbreitung von Druck von der Druckquelle zu der Druckkammer
bewirkt damit, dass das Dichtelement mit seiner Dichtfläche noch
mehr gegen die innere Hülse
gepresst wird. Daher hängt
die Kraft zwischen dem Dichtelement und der inneren Hülse, wobei
die Kraft von größter Wichtigkeit
für das
Abdichten des Drehschiebers ist, außer von der Kraft des Spannelements
von dem Druck in der Druckkammer ab.
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Gemäß der grundlegenden
erfinderischen Idee können
die Druckquellen jeder Art sein; sie können zum Beispiel aus einer
Zuleitung von einer hydraulischen Pumpe bestehen, die von dem Fluss
in dem Schacht angetrieben wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
jedoch besteht eine der Druckquellen aus dem Druck außerhalb
der äußeren Hülse. Da
die Druckkammer in Verbindung mit dem Druck außerhalb der äußeren Hülle steht,
breitet sich der Druck außerhalb
der äußeren Hülle zu der
Druckkammer aus, wo er auf die Druckfläche des Dichtelements wirkt
und das Dichtelement gegen die innere Hülse presst, was einem Lecken
zwischen der Dichtfläche
des Dichtelements und der inneren Hülse entgegenwirkt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
besteht eine der Druckquellen aus dem Druck innerhalb der inneren
Hülse.
Auf die gleiche Art wie vorstehend beschreiben wird ein hoher Druck
innerhalb der inneren Hülse
bewirken, dass der Druck sich zu der Druckkammer ausbreitet und
bewirkt, dass die Dichtfläche
des Dichtelements gegen die innere Hülse gepresst wird.
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Es
wird damit eine Dichtung erhalten, die druckkompensiert oder druckverstärkt ist;
je höher der
Druck außerhalb
der äußeren Hülle und/oder
innerhalb der inneren Hülle,
abhängig
von der gewählten
strukturellen Lösung
und den Bedingungen, unter denen der Drehschieber verwendet wird,
desto kräftiger
wird die Dichtfläche
des Dichtelements gegen die innere Hülse gepresst und desto wirksamer
wird einem Leck zwischen der Dichtfläche des Dichtelements und der
inneren Hülse
entgegengewirkt. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Druckunterschied über die
Dichtung groß ist,
das heißt
wenn der Drehschieber sich in einer geschlossenen Position befindet
und der Druck außerhalb
der äußeren Hülse hoch ist,
während
der Druck innerhalb der inneren Hülse niedrig ist, oder umgekehrt.
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Die
Verbindung zwischen der Druckkammer und den Druckquellen kann aus
Kanälen
oder Schlitzen bestehen, die auf verschiedene Arten gestaltet sein
können.
Diese Kanäle
oder Schlitze sind bevorzugt mit mindestens einer einseitigen Dichtung
versehen, die im wesentlichen nur eine Ausbreitung von unter Druck
stehenden Fluiden von der Druckquelle zu der Druckkammer erlaubt.
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Der
Drehschieber kann von einer Art sein, bei der die innere Hülse relativ
zu der äußeren Hülse dadurch
bewegbar ist, dass sie um die Längsachse der
Röhre drehbar
ist, die innere Hülse
kann in der Längsrichtung
der Röhre
schiebbar sein, oder eine Kombination aus beidem, zum Beispiel kann
die innere Hülse
relativ zu der äußeren Hülse entlang
einem schneckenförmigen
Pfad in der Längsrichtung der
Röhre bewegbar
sein. Die äußere Hülse kann
ein oder mehrere Öffnungen
aufweisen, die mit entsprechenden Öffnungen in der inneren Hülse übereinstimmen.
Die innere Hülse
kann bewegt werden, in dem ein ferngesteuertes Werkzeug bzw. Hilfsmittel verwendet
wird, das von einem elektrischen oder hydraulischen Motor angetrieben
wird, zum Beispiel über
eine Rohrwendel oder elektrische Kabel. Alternativ kann die innere
Hülse über einen
Bohrstrang bewegt werden. In beiden Fällen kann die Bewegung über ein
Greifwerkzeug auf die innere Hülse übertragen
werden, welches Klemmbacken aufweist, die elektrisch oder hydraulisch
angetrieben werden. Die Bewegung der inneren Hülse kann auch durch Mittel erzeugt
werden, die integrale Teile des Drehschiebers sind, zum Beispiel
hydraulische Zylinder. Zusätzlich
dazu, dass sie zwischen Positionen bewegbar ist, in denen die Öffnungen
der äußeren Hülse mit Öffnungen
in der inneren Hülse
ausgerichtet oder nicht ausgerichtet sind, kann die innere Hülse auch
in Zwischenpositionen bewegbar sein, um zu ermöglichen, dass der Fluidfluss
in Zwischenpositionen zwischen geschlossen und vollständig geöffnetem
Fluss gesteuert werden kann. Die Öffnungen der äußeren Hülse können in
Reihen entlang der äußeren Hülse angeordnet
sein und symmetrisch um die äußere Hülse herum
angeordnet sein. Somit ist die Erfindung nicht davon abhängig, wie
der Drehschieber in anderer Hinsicht ausgelegt ist.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren für die Montage eines Drehschiebers,
welcher eine äußere Hülse mit
mindestens einer Öffnung
umfasst, die mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ausgerüstet ist,
wobei die äußere und
die innere Hülse getrennt
hergestellt werden. Gemäß der Erfindung werden
ein Dichtelement und ein Spannelement in der Öffnung der äußeren Hülse platziert, wobei das Spannelement
zwischen entsprechenden Lagerabschnitten auf dem Dichtelement und
der äußeren Hülle angeordnet
ist, welches bewirkt, dass das Dichtelement mit seiner Dichtfläche über die
innere Fläche
der äußeren Hülse herausragt.
Ein Klemmwerkzeug mit Klemmbacken, das an die Öffnung in dem Dichtelement
angepasst ist, wird außerhalb
der Öffnung
der äußeren Hülse platziert,
und die Klemmbacken werden in die Öffnung des Dichtelements eingeführt und
gegen die innere Fläche
der Öffnung
des Dichtelements geklemmt. Die Klemmbacken mit dem geklemmten Dichtelement
werden dann in der Öffnung
der äußeren Hülse nach
außen
bewegt, bis die Dichtfläche
des Dichtelements im wesentlichen bündig mit oder über die
innere Fläche
der äußeren Hülse herausragt,
worauf die innere Hülse
in die äußere Hülse eingefügt wird,
die Klemmbacken mit dem geklemmten Dichtelement in der Öffnung der äußeren Hülse nach
innen bewegt werden, bis die Dichtfläche des Dichtelements an der
inneren Hülse
anliegt, und die Klemmbacken von dem Dichtelement gelöst werden
und das Klemmwerkzeug entfernt wird.
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Die
Erfindung wird nun ausführlicher
in Verbindung mit einer Beschreibung einer bestimmten Ausführungsform
beschrieben, und mit Bezug auf die Zeichnungen, wobei:
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1 ein
Erdölreservoir
mit einem Schacht zeigt;
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2 einen
Drehschieber mit einer äußeren Hülse zeigt,
die Öffnungen
gemäß der Erfindung
aufweist;
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3 eine
Schnittansicht durch eine Öffnung
in der äußeren Hülse in 2 ist,
die entlang der Linie III-III vorgenommen wurde, wobei der Drehschieber
sich in einer offenen Position befindet;
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4 eine
Schnittansicht durch eine Öffnung
in der äußeren Hülse in 2 ist,
die entlang der Linie III-III vorgenommen wurde, wobei der Drehschieber
sich in der geschlossenen Position befindet;
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5 ein
vergrößerter Bereich
aus 4 ist;
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6 eine
Schnittansicht durch eine Öffnung
in einer äußeren Hülse gemäß der Erfindung ist,
entsprechend der Linie III-III in 2, mit einem Klemmwerkzeug
zur Verwendung in Verbindung mit einem Verfahren gemäß der Erfindung;
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7 ein
Längsschnitt
durch eine Öffnung
in einer äußeren Hülse gemäß der Erfindung
ist, entsprechend der Linie VII-VII in 2, mit einem Klemmwerkzeug
zur Verwendung in Verbindung mit einem Verfahren gemäß der Erfindung;
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8 eine
Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform einer Öffnung in
einer äußeren Hülse gemäß der Erfindung
ist, die entlang der Linie VIII-VIII in 9 vorgenommen
wurde, wobei der Drehschieber sich in einer offenen Position befindet;
und
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9 einen
Drehschieber mit einer äußeren Hülse zeigt,
die Öffnungen
gemäß der in 8 gezeigten
Ausführungsform
aufweist.
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen Meeresboden 45 mit darunter liegenden
Felsen. Ein Kohlenwasserstoffreservoir befindet sich unter einem
undurchlässigen
Felsmantel 46.
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Ein
Schacht 5 wurde von dem Meeresboden 45 nach unten
und in das Kohlenwasserstoffreservoir 4 gebohrt. Der Teil
des Schachts 54, der außerhalb des Reservoirs 4 liegt,
ist mit einer Verschalung 43 ausgekleidet, und innerhalb
des Schachts ist das Reservoir mit einer Verschalung 43' ausgekleidet,
um zu verhindern, dass der Schacht 5 einstürzt. Der
Raum zwischen der Wand des gebohrten Schachts und der Verschalung 43' innerhalb des
Reservoirs 4 ist mit Beton 44 gefüllt. Innerhalb
der Verschalung angeordnet ist eine Röhre 6, die sich von
einem Bohrlochkopf 41 auf dem Meeresboden 45 in
das Reservoir 4 erstreckt. Lochungen 47 in dem
Beton 44, die hergestellt werden, indem Geschosse durch
den Beton geschossen werden, gestatten, dass Fluide in dem Reservoir 4 durch
den Beton 44 und die Wand der Verschalung 43' fließen und
in den Raum zwischen der Verschalung 43' und der Röhre 6. Ein Förderungspacker 42,
der sich zwischen der Verschalung 43' und der Röhre 6 befindet, verhindert,
dass Fluide in dem Reservoir 4 den Schacht 5 zwischen
der Verschalung 43 und der Röhre 6 hinauffließen.
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Die
Förderungsbedingungen
in dem Reservoir 4, das heißt hauptsächlich die Menge an Öl, Gas und
Wasser und der Druck in dem Reservoir, schwanken entlang der Röhre 6 und werden
sich im Verlauf der Förderungszeit
verändern.
Um in der Lage zu sein, die Förderung
aus dem Schacht 5 entlang der Röhre zu steuern, das heißt den Einfluss
von Öl,
Gas und Wasser in die Röhre 6,
ist das Reservoir 4 in verschiedene Förderungszonen eingeteilt, die sehr
verschiedene Drücke
aufweisen können.
Die Förderungszonen
werden voneinander durch Isolationspacker 55 getrennt,
die zwischen der Verschalung 43' und der Röhre 6 positioniert
werden und verhindern, dass Fluide zwischen den Förderungszonen austreten.
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Die
Röhre 6 erstreckt
sich durch verschiedene Förderungszonen
und weist in jeder Förderungszone
einen Drehschieber 3 auf. Wenn ein Drehschieber 3 offen
ist, dürfen
Fluide von dem Reservoir 4 in der jeweiligen Förderungszone
in die Röhre 6 und nach
oben zum Bohrlochkopf 41 für weitere Verarbeitung fließen. Das Öffnen oder
Schließen
der verschiedenen Drehschieber 3 gestattet, dass Kohlenwasserstoffe
aus einer oder mehreren Förderungszonen
gefördert
werden, während
andere Förderungszonen
geschlossen sein können.
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2 zeigt
einen Drehschieber 3 mit einer äußeren Hülse 2, die Öffnungen 1 gemäß der Erfindung
aufweist. Die äußere Hülle 2 ist
feststehend und bildet einen Teil der Röhre 6, die in 2 nicht
gezeigt ist. Eine bewegliche innere Hülse 7, die teilweise
außerhalb
der äußeren Hülse 2 gezeigt
ist, ist innerhalb der äußeren Hülse 2 angeordnet,
wenn der Drehschieber 3 montiert ist. Nicht dargestellte
Stifte innerhalb der äußeren Hülse 2 wirken
mit einer Führungsrille 49 in
der inneren Hülse
zusammen, um so zu verhindern, dass die innere Hülse 7 aus der äußeren Hülse herausgleitet.
Die innere Hülse 7 ist
mit inwendigen Rillen 48 versehen, die von einem Stellelement
oder einem Werkzeug ergriffen werden können, um die innere Hülse 7 zwischen
Positionen zu drehen, in denen die Öffnungen 1 der äußeren Hülle mit Öffnungen 8 in
der inneren Hülle 7 ausgerichtet
oder nicht ausgerichtet sind, um den Fluidfluss von dem Reservoir
in das Innere der inneren Hülse
zuzulassen oder abzusperren. Die innere Hülse 7 ist an ihren Enden
offen, und die Fluide können
daher frei in die Röhre 6 weiterfließen.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch eine Öffnung 1 in
der äußeren Hülse 2 in 2,
in einer offenen Position, wobei ersichtlich ist, dass die Öffnung 1 der äußeren Hülse mit
der Öffnung 8 der
inneren Hülse 7 ausgerichtet
ist. Die Öffnung 1 der äußeren Hülse ist
mit einem Dichtelement 9 versehen, das weg von und hin
zu der inneren Hülse 7 in
einer radialen Richtung R oder dem Gegenteil von R bewegbar ist. Das
Dichtelement 9 weist eine durchgehende radiale Öffnung 10 auf,
die angepasst ist, um mit der Öffnung 8 der
inneren Hülse überein zu
stimmen. Der Teil des Dichtelements 9, der in Richtung
der inneren Hülse 7 zeigt,
weist um die durchgehende Öffnung 10 eine umkreisende
Dichtfläche 11 auf,
die dazu angepasst ist, gegen die innere Hülse 7 um die Öffnung 8 der
inneren Hülse
herum anzuliegen.
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Ein
Spannelement 12 ist zwischen Lagerabschnitten 13 auf
dem Dichtelement 9 und entsprechenden Lagerabschnitten 14 auf
der äußeren Hülle 2 angeordnet
und presst das Dichtelement 9 mit seiner Dichtfläche 11 gegen
die innere Hülse 7.
Damit erhält
man in dem Drehschieber 3 eine Dichtung. Diese Dichtung
hat jedoch eine geringe Bedeutung in der offenen Position des Drehschiebers 3,
wo die Absicht ist, dass Fluide durch den Drehschieber hindurch
strömen
sollen.
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4 zeigt
die gleiche Öffnung
in der äußeren Hülse wie
die in 3 gezeigte in der geschlossenen Position, die
erreicht wurde, indem die innere Hülse 7 in die Richtung
P gedreht wurde, bis die Öffnung 8 der
inneren Hülse
nicht mit der Öffnung 1 der äußeren Hülse und
der Öffnung 10 des
Dichtelements ausgerichtet ist.
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In
der geschlossenen Position ist die Dichtheit des Drehschiebers von
größter Wichtigkeit,
da Fluide, die zwischen die äußeren Hülse und
die innere Hülse
austreten, Eingang in die Röhre 6 finden werden.
Wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erörtert, können die Drehschieber in einer
geschlossenen Position beträchtlichen
Druckunterschieden ausgesetzt sein, die, abgesehen davon, dass sie selbst
das Potential haben, Lecke zu verursachen, auch zu starken Verformungen
der Drehschieber führen
können,
was zur Folge haben kann, dass die Drehschieber in der geschlossenen
Position lecken.
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5 zeigt
einen vergrößerten Bereich
aus 4, wo Einzelheiten leichter zu sehen sind. Die Beweglichkeit
des Dichtelements 9 in die Richtung R und in die entgegengesetzte Richtung
von R ist dadurch gegeben, dass das Dichtelement 9 eine
Seitenfläche 15 aufweist,
die an die Seitenfläche 16 der Öffnung 1 der äußeren Hülse angepasst
ist. Zwischen der Seitenfläche 15 des
Dichtelements und der Seitenfläche 16 der Öffnung der äußeren Hülse ist eine
Druckkammer 17 angeordnet, wobei ein Teil der Seitenfläche 15 des
Dichtelements eine Druckfläche 18 bildet,
die unter der Wirkung von Druck in der Druckkammer 17 das
Dichtelement 9 gegen die innere Hülse 7 presst. Die
Dichtfläche 11 des
Dichtelements wird damit gegen die innere Hülse mit einer Kraft gepresst,
die, abgesehen davon, dass sie von der Kraft von dem Spannelement 12 abhängt, auch von
der Größe der Druckfläche 18 und
dem Druck in der Druckkammer 17 abhängt. Die Seitenfläche 15 des
Dichtelements sollte als die gesamte Seite des Dichtelements 9 verstanden
werden, von der Dichtfläche 11 zu
der Seite des Dichtelements 9, die sich an der äußeren Fläche 19 der äußeren Hülse befindet,
während
die Seitenfläche 16 der äußeren Hülse als
die Seite der Öffnung 1 von
der inneren Fläche 21 der äußeren Hülse zu der äußeren Fläche 19 der äußeren Hülse verstanden
werden sollte. Die fast rechteckige Form der Druckkammer 17,
die in 3–5 gezeigt
ist, mit einer flachen Druckfläche 18 die
senkrecht zur Bewegungsrichtung R ist, ist nur eine einer Anzahl
von möglichen
Formen der Druckkammer 17, wobei das wesentliche Merkmal ist,
dass die Seitenfläche 15 des
Dichtelements eine Druckfläche 18 bildet
die, wenn einem Druck ausgesetzt, das Dichtelement 9 gegen
die innere Hülse 7 presst.
Die Druckfläche 18 könnte schief
oder abgerundet sein, und sie könnte
eine Oberfläche
haben, die nicht flach ist, was keinen Einfluss auf die Wirkung
des Drucks in der Druckkammer 17 hätte.
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Die
Druckkammer 17 ist über
mindestens eine Verbindung mit mindestens einer Druckquelle verbunden.
In der dargestellten Ausführungsform
ist die Druckkammer 17 mit zwei Druckquellen verbunden,
von denen eine aus dem Druck in einem Bereich 32 außerhalb
der äußeren Hülse 2 besteht,
während die
andere aus dem Druck in einem Bereich 33 innerhalb der
inneren Hülse 7 besteht.
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Die
Verbindung zwischen der Druckkammer 17 und dem Druck in
dem Bereich 32 außerhalb
der äußeren Hülse 2 besteht
aus einem nach außen
gerichteten Schlitz 20 von der Druckkammer 17 zu
der äußeren Fläche 19 der äußeren Hülse 2.
Der nach außen
gerichtete Schlitz 20 ist durch die Seitenfläche 15 des
Dichtelements und die Seitenfläche 16 der Öffnung der äußeren Hülse begrenzt.
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Die
Verbindung zwischen der Druckkammer 17 und dem Druck in
dem Bereich 33 innerhalb der inneren Hülse 7 besteht aus
einem nach innen gerichteten Schlitz 22, der von der Seitenfläche 15 des Dichtelements
und der Seitenfläche 16 der Öffnung der äußeren Hülse begrenzt
wird, wobei der Schlitz 22 sich von der Druckkammer 17 zu
einem Schlitz oder Kanal 23 zwischen der inneren Fläche 21 der äußeren Hülse und
der äußeren Fläche 30 der
inneren Hülse
erstreckt. Eine nicht dargestellte Verbindung verläuft von
dem Schlitz 23 in den Bereich 33 innerhalb der
inneren Hülse 7.
Diese zuletzt genannte Verbindung kann aus einem Schlitz oder einem Kanal
von der äußeren Fläche 30 der
inneren Hülse zu
der inneren Fläche 31 der
inneren Hülse
bestehen, doch sie kann auch aus der Öffnung 8 in der inneren
Hülse bestehen,
was eine einfachere Ausführungsform
ist.
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Um
eine geeignete Größe bzw.
Dimensionierung der Schlitze 20 und 22 sicherzustellen,
während gleichzeitig
das Dichtelement 9 eine gesteuerte radiale Beweglichkeit
in der Richtung R und der entgegengesetzten Richtung von R in der Öffnung 1 der äußeren Hülse hat,
können
die Schlitze 20, 22 als eine oder mehrere radiale
Rillen oder Aussparungen in der Seitenfläche 15 des Dichtelements
oder in der Seitenfläche 16 der Öffnung der äußeren Hülse ausgelegt
sein. Die Verbindungen von der Druckkammer 17 zu der äußeren Fläche 19 der äußeren Hülse und der
inneren Fläche 21 der äußeren Hülse können auch,
in einer nicht dargestellten Ausführungsform, in der Form von
Kanälen
durch die äußere Hülse 2 oder das
Dichtelement 9 hergestellt werden.
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Die
Verbindungen zwischen der Druckkammer 17 und den Druckquellen 32, 33 erlauben
eine Druckausbreitung von den Druckquellen 32, 33 zu der
Druckkammer 17, was verursacht, dass das Dichtelement 9 mit
seiner Dichtfläche 11 noch
stärker gegen
die innere Hülse 7 gepresst
wird.
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Je
größer der
Druck in dem Bereich 32 außerhalb der äußeren Hülse 2 ist,
das heißt
in dem Reservoir 4, und/oder in dem Bereich 33 innerhalb
der inneren Hülse 7,
das heißt
in der Röhre 6,
desto kräftiger
wird die Dichtfläche 11 des
Dichtelements gegen die innere Hülse 7 gepresst.
Wie erwähnt
ist dies besonders vorteilhaft, wenn es einen großen Druckunterschied
gibt und wenn der Drehschieber geschlossen ist.
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Die
Verbindungen zwischen der Druckkammer 17 und den Druckquellen 32, 33 umfassen
vorzugsweise mindestens eine einseitige Dichtung 24, die
im wesentlichen nur eine Ausbreitung von unter Druck stehendem Fluid
von den Druckquellen 32, 33 zu der Druckkammer 17 erlaubt.
Die einseitigen Dichtungen 24 verhindern jeden nennenswerten
Fluidfluss aus der Druckkammer 17 und verhindern damit einen
Fluss zwischen den Druckquellen 32, 33, was, wenn
der Drehschieber geschlossen ist, einem Lecken durch den Drehschieber
gleichkäme.
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Jede
einseitige Dichtung 24 kann vorzugsweise aus einer doppelten,
V-förmigen
Lippendichtung bestehen, siehe 5, welche
zwei Lippen 50 umfasst, die als ein V zusammengefügt sind.
Die einseitige Dichtung 24 ist zwischen der Druckkammer 17 und
der Druckquelle 32 bzw. 33 angeordnet, wobei die
Spitze des V, an der die beiden Lippen 50 verbunden sind,
in Richtung der Druckquelle weisen. Ein zentrales Element 25 in
der einseitigen Dichtung 25 hält die Lippen 50 in
wesentlichen an der Stelle. Die Lippen 50, die aus einem
synthetischen steifen, elastischen Material hergestellt sein können, werden elastisch
verformt und zusammengedrückt
bzw. gequetscht, wenn auf der Seite der Druckquelle ein Überdruck
vorhanden ist, so dass unter Druck stehendes Fluid durch die Dichtung
hindurch geht und in die Druckkammer 17 eintritt. Ein Überdruck
auf der Seite der Druckkammer 17 jedoch bewirkt, dass die Lippen 50 gegen
die Seitenfläche 15 des
Dichtelements und die Seitenfläche 16 der Öffnung der äußeren Hülse gequetscht
werden, so dass verhindert wird, dass Fluid an der Dichtung 24 vorbei
weg von der Druckkammer 17 fließt. Es ist ersichtlich, dass
die äußere Hülse 2 und
das Dichtelement 9 mit Aussparungen 26 bzw. 27 für die einseitigen
Dichtungen 24 versehen sind. Die Funktion der Aussparungen 26, 27 ist
es, Platz für
die einseitigen Dichtungen 24 bereitzustellen und verhindern,
dass sie in die Schlitze 20, 22 verrutschen.
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Aus 3–5 ist
ersichtlich, dass das Spannelement 12 in der Druckkammer
platziert wird, und dass die Lagerungsabschnitte 13 und 14 des Dichtelements
und der äußeren Hülse für das Spannelement 12 aus
Abschnitten der Seitenfläche 15 des Dichtelements
und der Seitenfläche 16 der Öffnung 1 der äußeren Hülse besteht,
die gleichzeitig die Druckkammer 17 bilden. Dies trägt zu einer
rationellen Herstellung der Komponenten des Drehschiebers bei.
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Zurück in 2 ist
es ersichtlich, dass das Dichtelement 9, das Spannelement 12 und
die einseitigen Dichtungen 24 in dieser Ausführungsform
der Erfindung alle ringförmig
bzw. umlaufend sind. Somit sind auch die Druckkammer 17,
die Druckfläche 18 und
die Aussparungen 26, 27 in dieser Ausführungsform
ringförmig
und erstrecken sich um den gesamten Umfang der Öffnung 1 der äußeren Hülse und des
Dichtelements 9. Das Spannelement 12, das in der
Lage sein muss, eine große
Kraft in die radiale Richtung R zu erzeugen, ist aus einem Spannring aus
Stahl hergestellt. Wenn nichtbelastet, hat der Spannring 12 eine
konische Form. Wenn er in der radialen Richtung R zusammengepresst
wird, wird der Spannring elastisch verformt und wird von der Form her
flacher, was die Kraft des Spannrings gegen das Dichtelement 9 verursacht.
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In
einer nicht dargestellten Ausführungsform kann
die Öffnung 10 in
dem Dichtelement angepasst sein, um den Fluss durch die Öffnung 1 der äußeren Hülse und
die Öffnung 8 der
inneren Hülse
auf einen gewünschten
Wert zu drosseln. Dies kann erreicht werden, indem ein geeigneter
Innendurchmesser d für
die Öffnung 10 in
dem Dichtelement gewählt
wird, siehe 3, da die Öffnung 10 in dem Dichtelement kleiner
als die jeweiligen Öffnungen 1 und 8 der äußeren bzw.
inneren Hülse
sein muss, um einen Drosseleffekt zu erreichen. Die Einsetzung von
Dichtelementen mit geeigneten Öffnungen,
in manchen Fällen
eventuell Dichtelemente ohne Öffnungen,
erlaubt, dass ein Standard-Drehschieber mit einer gegebenen Anzahl
von Öffnungen
in der äußeren Hülse verwendet
wird, z.B. 20 Öffnungen,
wenn es wünschenswert
ist, eine gewisse Drosselung des Einflusses von dem Reservoir 4 in
die Röhre 6 zu
haben, und wobei es eigentlich ausreichend gewesen wäre, einen
Drehschieber mit einer geringeren Anzahl von Öffnungen in der äußeren Hülse zu verwenden.
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Obwohl 2 den
gegenteiligen Eindruck machen mag, muss das mit Bezug auf 2–5 beschriebene
Dichtelement 9 in die Öffnung 1 der äußeren Hülse von
der Innenseite der äußeren Hülse her
eingesetzt werden, da das Dichtelement 9 größer ist
als die Öffnung 1 der äußeren Hülse. Dies
bedeutet, dass das Dichtelement 9 vor der inneren Hülse 7 in
die äußere Hülse 7 eingefügt werden
muss. Jedoch presst das Spannelement 12 das Dichtelement nach
innen in die entgegengesetzte Richtung von R, siehe 5,
und wenn die innere Hülse
nicht in der äußeren Hülse ist,
wird das Dichtelement 9 daher so weit nach innen ragen,
dass es verhindert, dass die innere Hülse 7 in die äußere Hülse 2 eingesetzt
werden kann.
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Bei
dem Verfahren gemäß der Erfindung
wird dieses Problem dadurch gelöst,
dass die äußere Hülse 2 und
die innere Hülse 7 zuerst
getrennt, zum Beispiel durch maschinelles Bearbeiten von Rohren, hergestellt
werden. Während
dem Einsetzen der inneren Hülse
in die äußere Hülse werden
ein Dichtelement 9 und ein Spannelement 12 in
der Öffnung 1 der äußeren Hülse platziert,
wobei das Spannelement 12 zwischen entsprechenden Lagerabschnitten 13, 14 auf
dem Dichtelement 9 bzw. der äußeren Hülse 2 angeordnet ist,
siehe 5. Das Dichtelement 9 mit seiner Dichtfläche 11 ragt
daher über
die innere Oberfläche 21 der äußeren Hülse hinaus.
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Darauffolgend
wird, unter Bezug auf 6, ein Klemmwerkzeug 28 mit
Klemmbacken 29, 34, das an die Öffnung 10 in
dem Dichtelement angepasst ist, außerhalb der Öffnung 1 der äußeren Hülse platziert,
und die Klemmbacken 29, 34 werden in die Öffnung 10 in
dem Dichtelement eingeführt
und gegen die innere Oberfläche
der Dichtelementöffnung 10 geklemmt.
Mit dem dargestellten Werkzeug wird dies dadurch gemacht, dass die
inneren und äußeren Klemmbacken 29, 34 konisch
sind. Die Klemmbacke 34 besteht aus mehreren Segmenten,
die an ihrem Ende an einer Hülse 37 anliegen,
die über
eine Unterlegscheibe 35 an einem Schraubenkopf 40 an
einer Festspannschraube 38 anliegt. Wenn die Festspannschraube 38 festgezogen
wird, bewirken wechselwirkende Gewinde an der Festspannschraube 38 und
der inneren Klemmbacke 34, dass die Klemmbacke 29 in
die Klemmbacke 34 gezogen wird, was aufgrund der konischen
Form der Klemmbacken dazu führt,
dass die Segmente in der Klemmbacke 34 gegen die Innenfläche der Öffnung 10 in
dem Dichtelement gedrückt
werden. Das Dichtelement 9 wird damit in dem Klemmwerkzeug 28 gehalten.
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Die
Klemmbacken 29, 34 und das geklemmte Dichtelement 9 werden
dann in der Öffnung 1 der äußeren Hülse nach
außen
in die Richtung R bewegt, bis die Dichtfläche 11 des Dichtelements
im wesentlichen bündig
mit der Innenfläche 21 der äußeren Hülse ist
oder über
diese hinaus ragt. Unter Bezug auf 7, welche
einen Längsschnitt
durch einen Drehschieber zeigt, wobei die innere Hülse 7 innerhalb
der äußeren Hülse 2 angebracht
ist, wobei dies geschieht, indem Hülsen 37 für mehrere
Festspannschrauben 38 in einem gemeinsamen Block 36 gehalten
werden. Positionierungsschrauben 39, die in Eingriff mit
Gewinden in dem Block 36 stehen, liegen an der Außenfläche 19 der äußeren Hülse 2 an,
und das Anziehen der Positionierungsschrauben 39 bewirkt,
dass der Block 36 und die Hülsen 37, die Festspannschrauben 38 und
die Klemmbacken 29, 34 und das Dichtelement 9 weg
von der äußeren Hülse in Richtung
R gedrückt
werden (siehe 6), was dazu führt, dass
die Dichtflächen 11 der
Dichtelemente, nachdem die Positionierungsschrauben 39 ein wenig
angezogen wurden, im wesentlichen bündig mit der Innenfläche 21 der äußeren Hülse abschließen oder über diese
hinaus ragen.
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Es
wird damit Raum geschaffen für
das Einsetzen der inneren Hülse 7 in
die äußeren Hülse 2, und
die innere Hülse 7 wird
dann in die äußere Hülse 2 eingesetzt.
Die Klemmbacken 29, 34 mit dem geklemmten Dichtelement 9 werden
dann in der Öffnung 1 der äußeren Hülse nach
innen bewegt, bis die Dichtfläche 11 des
Dichtelements an der inneren Hülse 7 anliegt.
Mit dem dargestellten Werkzeug 28 wird dies getan, indem
die Positionierungsschrauben 39 gelockert werden, so dass
der Block 36 mit den Hülsen 37 sich
in Richtung der äußeren Hülse 2 bewegt, und
die Festspannschrauben 38 mit den Klemmbacken 29, 34 und
das Dichtelement 9 werden wieder nach in der Öffnung 1 der äußeren Hülse nach
innen bewegt, bis die Dichtfläche 11 des
Dichtelements an der inneren Hülse 7 anliegt.
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Die
Klemmbacken 29, 34 werden dann von dem Dichtelement 9 abgelöst, und
das Klemmwerkzeug 28 wird entfernt.
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8 zeigt
einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Öffnung 1 in
einer äußeren Hülse gemäß der Erfindung
in einer offenen Position. Wie in der oben beschriebenen Ausführungsform
wird ein Dichtelement 9 mittels eines Spannelements 12 gegen
die innere Hülse 7 gedrückt. Schlitze 20, 22 leiten
unter Druck stehendes Fluid zu einer Druckkammer 17, was
bewirkt, dass das Dichtelement 9 noch mehr gegen die innere
Hülse 7 gepresst
wird. In dieser Ausführungsform
jedoch besteht der Teil der äußeren Hülse 2,
der um den äußeren Teil
der Öffnung 1 der äußeren Hülse liegt
und der den Lagerungsabschnitt 14 der äußeren Hülse für das Spannelement 12 umfasst,
aus einer abnehmbaren Abdeckung 52. Ein Dichtring 51 bietet eine
Dichtung zwischen der Abdeckung 52 und der äußeren Hülse 2.
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9 zeigt
einen Drehschieber 3 mit einer äußeren Hülse 2, die Öffnungen 1 aufweist,
welche wie in 8 gezeigt ausgelegt sind, wobei
die Abdeckungen 52 abgenommen wurden. Die innere Hülse 7,
die mittels einem Greifabschnitt 54 von einem geeigneten
Werkzeug gegriffen und gedreht werden kann, wird gerade in die äußere Hülse 2 eingesetzt. Die
Dichtelemente 9 können
in dieser Ausführungsform
von der Außenseite
her in die Öffnungen 1 der äußeren Hülse eingesetzt
werden, und das oben beschriebene Problem in Bezug auf das Einsetzen
der Dichtelemente, welches durch Verwendung des in 6 und 7 gezeigten
Werkzeugs gelöst
werden kann, ist in der in 9 gezeigten
Ausführungsform
nicht vorhanden. Ein Dichtelement 9 mit seiner Öffnung 10 ist
zwischen einer Öffnung 1 in
der äußeren Hülse und
einer Abdeckung 52 gezeigt. Die Abdeckung 52 kann
mittels nicht dargestellten Schrauben durch Schraubenlöcher 53 an
der äußeren Hülse 2 angeschraubt
werden und das Dichtelement 9 und ein nicht dargestelltes
Spannelement in die Öffnung 1 in
der äußeren Hülse drücken, so
dass das Dichtelement 9 gegen die innere Hülse gedrückt wird.