DE69216943T2 - Drehbare Rohrverbindung mit verbesserter Dichtung - Google Patents
Drehbare Rohrverbindung mit verbesserter DichtungInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf drehbare Rohrverbindungen bzw. Drehzapfen-Rohrverbindungen, wie sie im Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 und beispielsweise im Dokument US-A-4,930,791 definier sind.
- Viele heutige Drehzapfen-Rohrverbindungen sind schwierig und teuer im funktionsfähigen Zustand zu erhalten, und zwar wegen ihres relativ komplexen Aufbaus und ihrer großen Anzahl von Komponenten, wie beispielsweise lose Lager, mit Gewinde versehene Verriegelungsmechanismen und Dichtungen mit nichtintegralen Anti-Extrusionsvorrichtungen. Die durch diese Nachteile verursachten Probleme haben besonders im Falle, daß sie durch die rauhe Umgebung in der Erdölindustrie verstärkt werden, die betrieblich durchzuführende Routinewartung dieser Drehzapfenverbindungen entmutigt, was zu gesteigerten Betriebskosten und einem größeren Potential an Unfällen oder anderen sicherheitsgefährdenden Problemen geführt hat.
- Es ist das Ziel der Erfindung, eine drehbare Rohrverbindung mit einem verbesserten Bohrungsdichtungsaufbau zu schaffen, der eine verringerte Anzahl von Einzelteilen umfaßt, was ein leichtes Betreiben, Warten, Bedienen und Herstellen ermöglicht.
- Dieses Ziel wird durch eine drehbare Rohrverbindung mit den Merkmalen gemäß den Ansprüchen 1 oder 2 erreicht.
- Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
- Die vorliegende Erfindung schafft eine Drehzapfen-Rohrverbindung, die relativ wenige Komponenten umfaßt, schnell und leicht montiert und demontiert werden kann, selbst im Förderfeld, und die über lange Zeitperioden dauern befriedigend funktioniert, wodurch die Bedienung und Wartung in weniger häufigen Intervallen erforderlich ist als bei Verbindungen komplexeren Aufbaus. Eine drehbare Rohrverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt vorstehende und aufnehmende Naben bzw. Außennaben und Innennaben, einen ausbaubaren lastaufnehmenden Mechanismus zum gegenseitigen Verriegeln der Naben in einer drehbaren Weise bei gleichzeitiger Schaffung eines Schublagers, und einer verbesserten Bohrungsdichtungsanordnung mit einem Anti-Extrusionsring, der die Naben axial gegen ihre Betriebsposition spannt, wenn die Dichtung zusammengebaut wird. Beim Zusammenbau wird der Anti-Extrusionsring einer Kompressionsbelastung zwischen den Naben unterworfen, die es den Naben erlaubt, über ihre normale Betriebsposition hinauszuschieben, um den Einbau des lastaufnehmenden Mechanismus zu erleichtern. Im Anschluß an den Einbau des Mechanismus wird es den Naben ermöglicht, axial in ihre normale Betriebsposition zurückzukehren, in der die Verbindung leicht, entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn, gedreht werden kann.
- Fig. 1 ist ein axialer Längsschnitt durch eine Drehzapfen-Rohrverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche die vorstehende Nabe und die aufnehmende Nabe, den lastaufnehmenden Verriegelungsmechanismus und die Bohrungsdichtung in ihren jeweiligen normalen Betriebspositionen veranschaulicht;
- Fig. 2 ist eine Ansicht wie Fig. 1, zeigt aber die Drehverbindungsnaben in einer hubüberzogenen Position als Vorbereitung auf das Einfügen des Verriegelungsmechanismus;
- Fig. 3 ist ein axialer Schnitt im vergrößerten Maßstab der Bohrungsdichtung der Fig. 1 und 2, wobei sich die rechte Hälfte der Dichtung in der Betriebposition in der vorstehenden Nabe der Drehverbindung befindet;
- Fig. 4 ist eine fragmentarische Ansicht im vergrößerten Maßstab der Bohrungsdichtung und der Naben der Drehverbindung der Fig. 1;
- Fig. 5-7 sind Ansichten wie Fig. 4 und zeigen zusätzliche Ausführungsformen von Bohrungsdichtungen gemaß der vorliegenden Erfindung; und
- Fig. 8 ist eine vergrößerte fragmentarische Ansicht des Anti-Extrusionsringes und angrenzender Komponenten der Drehverbindung der Fig. 7.
- Wie aus den Fig. 1-4 hervorgeht, umfaßt die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Drehzapfen-Rohrverbindung 10, die eine aufnehmende Nabe bzw. Innennabe 12, eine vorstehende Nabe bzw. Außennabe 14, einen ausbaubaren lastaufnehmenden Mechanismus 16, der die Naben 12, 14 verriegelt, aber dennoch deren relative Drehung erleichtert, ein Radiallager 18 zwischen der äußeren Oberfläche 20 der inneren Nabe und der inneren Oberfläche 22 der äußeren Nabe, und eine Bohrungsdichtungsanordnung 24 umfaßt, die eine fiuiddruckdichte Dichtung zwischen den Naben 12 und 14 schafft. Eine innere ringförmige Nut 26 in der Nähe des stirnseitigen Endes 28 der aufnehmenden Nabe 12 bildet eine Kammer für eine ringförmige Staubdichtung (nicht dargestellt), um das Radiallager 22 und andere Einbauten von der äußeren Atmosphäre zu trennen und sie gegen Staub, Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen zu schützen.
- Der ausbaubare lastaufnehmende Mechanismus 16 kann allgemein einen quadratischen Querschnitt aufweisen, wie dargestellt, und er kann eine Mehrzahl von bogenförmigen Lastelementen umfassen, die endseitig miteinander verriegelt sind, wie dies vollumfänglich im US-Patent Nr. 4,867,483 (Elemente 17), erteilt an Witt et al., beschrieben ist; oder er kann bogenförmige Lastelemente umfassen, die in der im US-Patent Nr. 4,927,192, erteilt an Ungchusri et al. beschriebenen Weise aneinander befestigt werden, wobei der Inhalt beider Patente durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen wird.
- Das Radiallager 18 kann einen Trockenfilmüberzug aus Polytetrafluourethylen (PTFE), oder einen aufgesprühten Aluminiumbronzeüberzug entweder auf der äußeren Oberfläche 20 der vorstehenden Nabe 14, oder der inneren Oberfläche 22 der aufnehmenden Nabe 12, oder auf beiden Oberflächen aufweisen. Es kann auch ein nichtintegrales Preßsitz-Zapfenlager (nicht dargestellt) verwendet werden, um die radiale Last bzw. Belastung oder Beanspruchung zwischen den Naben 12, 14 aufzunehmen.
- Die Bohrungsdichtungsanordnung 24 ist in mehrfacher Hinsicht der im US- Patent Nr. 4,930,791, erteilt an Ungchusri et al. ähnlich, dessen Inhalt durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen wird, weist aber einen Anti-Extrusionsring 28 verbesserter Konstruktion und Funktion auf. Die Dichtungsanordnung 24 umfaßt ein hülsenförmiges Kunststoffdichtungselement 30, eine hülsenförmige Finger- bzw. Blattfeder 32, eine Verschleißhülse 34 und den Anti-Extrusionsring 28, wobei diese Elemente in den Zeichnungen, ordnungsmäßig zusammengebaut, dargestellt sind.
- Das Dichtungselement 30 umfaßt einen zentralen Abschnitt 36 mit einer äußeren ringförmigen Nut 38, in der der Anti-Extrusionsring 28, zwei ringförmige Dichtungslippen 40, 42, welche sich axial vom zentralen Abschnitt 36 aus erstrecken, wobei die Lippen ringförmig abgerundete Oberflächen 40a, 42a zur Bildung einer Fluiddruckdichtung mit den Naben 12, 14 aufweisen, und sie umfaßt einen nach innen hin gerichteten radialen Flansch 44 an jedem Ende, zum Zurückhalten der Fingerfeder 32 in der richtigen Position in der Abdichtungselementenbohrung 46.
- Die Fingerfeder 32 weist einen zentralen, ringförmigen, kontinuierlichen Abschnitt 48 sowie eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Federfingern 50 auf, die sich axial vom Abschnitt 38 aus in entgegengesetzer Richtung erstrecken. Die Fingerfedern 50 unterstützen die Abdichtungselementlippen 40, 42 in fluiddruckdichtem Kontakt mit den angrenzenden Bohrungsoberflächen der Naben 12, 14, und sie dienen auch dazu, dem Dichtungselement eine Speichereigenschaft zu geben, die nicht durch hohe Druck- und/oder Temperaturschwankungen beeinflußt wird.
- Die Verschleißhülse 34 besitzt einen zentralen Abschnitt 52, der gegen den mittleren Abschnitt 48 der Fingerfeder ansitzt, sowie Endabschnitte mit kleinerem Außendurchmesser, die sich radial innerhalb der Federfinger 50 befinden.
- Wie am deutlichsten in der rechten Hälfte der Fig. 3 dargestellt ist, ermöglicht es der ringförmige Raum zwischen den Endabschnitten 54 der Verschleißhülse und die Federfinger 50 den Fingern, während des Einbauens der Dichtungsanordnung 24 in ihre Betriebsposition zwischen den Naben 12, 14 (Fig. 4) radial nach innen zu federn.
- Wie am besten aus den Fig. 3 und 4 zu ersehen ist, weist der Anti-Extrusionsring 28 zylindrische, innere und äußere Oberflächen 28a, 28b sowie geneigte Seitenoberflächen 28c, 28d auf, die sich zwischen den inneren und äußeren Oberflächen unter einem Winkel im Bereich von etwa 30 bis 45º relativ zur inneren Oberfläche 28a erstrecken. In ihrer funktionalen Abdichtungsposition, dargestellt in den Fig. 1 und 4, stehen die Seitenoberflächen 28c, 28d des Ringes in Berührung mit den angrenzenden ringförmigen Oberflächen 12a, 14a der aufnehmenden und der vorstehenden Nabe 12, 14, und die innere zylindrische Oberfläche 28a ist radial von der unteren Oberfläche 38a der ringförmigen Nut 38 im Abdichtungselement 30 beabstandet.
- Die Prozedur zum Zusammenbau der drehbaren Verbindung 10 ist relativ einfach und ohne Umstände und umfaßt die folgenden Schritte. Die Bohrungsabdichtungsanordnung 24 wird entweder in die vorstehende Nabe 14 (Fig. 3) oder in die aufnehmende Nabe 12 eingepreßt, und die beiden Naben werden dann axial ausgerichtet und teleskopartig ineinandergesteckt, wodurch die Bohrungsabdichtungsanordnung völlig in die andere Nabe (Fig. 4) gepreßt wird, in der beide Nabenoberflächen 12a, 14a in Kontakt, jeweils entsprechend, mit den angrenzenden Oberflächen 28c, 28d des Anti-Extrusionsringes sind; und der Ring wird radial nach innen in die Nut 38 gedrückt. Von diesem Punkte aus werden die Naben weiter teleskopartig bewegt, um sie solange hinüberschreitend zu schieben, bis die innere ringförmige Nut 56 in der aufnehmenden Nabe 14, und die äußere ringförmige Nut 58 in der vorstehenden Nabe 12 in Deckung gebracht sind, wie in Fig. 2 dargestellt, wodurch das Einbauen des lastaufnehmenden Mechanismus 16 in die Nut durch eine Öffnung (nicht dargestellt) in der aufnehmenden Nabe 14 erleichtert wird. Wenn die Naben diese weitere Teleskopbewegung erfahren, wird der Anti-Extrusionsring 28 in einen Kompressionsbelastungszustand versetzt, wodurch die Naben aktiviert werden, d.h., der Ring versucht, die Naben axial aus der in Fig. 4 dargestellten Position herauszutreiben. Im Anschluß an das Einbauen des lastaufnehmenden Mechanismus 16 wird es den Naben 12, 14 ermöglicht, in ihre funktionale Betriebsposition zurückzukehren, wie in den Fig. 1 und 4 dargestellt, und zwar als reaktion auf die treibende Kraft des Anti-Extrusionsringes 28; und in dieser Betriebsposition kann die Drehverbindung 10 leicht sowohl im Uhrzeigersinn, als auch im Gegenuhrzeigersinn gedreht werden.
- Der Anti-Extrusionsring 28 ist aus einem Material mit ausreichender Nachgiebigkeit hergestellt, um die oben beschriebene Kompression zu ertragen und dennoch in seine ursprüngliche funktionale Größe bzw. seinen funktionalen Zustand zurückzukehren. Das bevorzugte Material für den Ring 28 ist Polyetheretherketon (PEEK).
- Fig. 5 zeigt eine modifizierte Ausführungsform 124 der Bohrungsabdichtungsanordnung 24. Bei der Anordnung 124 hat der Anti-Extrusionsring 128 eine abgestumpfte, dreieckige Form im Querschnitt und umgibt ein metalhsches oder anderes, relativ starres ringförmiges Unterstützungselement 70, das in der Nut 38 des Dichtungselementes 30 sitzt.
- Fig. 6 zeigt eine Bohrungsabdichtungsanordnung 224 ähnlich derjenigen der Fig. 5, bei der aber der Anti-Extrusionsring 228 einen ringförmigen Rücken 72 aufweist, der mit der ringförmigen Nut 74 in der vorstehenden Nabe 214 zusammenwirkt, um den Ring in der richtigen funktionalen Position zu halten, wie dargestellt.
- Die Fig. 7 und 8 veranschaulichen eine weitere Ausführungsform der Bohrungsdichtungsanordnung 324, die den Anordnungen der Fig. 5 und 6 ähnelt, bei der aber der Anti-Extrusionsring 328 eine eingekerbte, ringförmige Oberfläche 328a aufweist, die mit einer komplementären Oberfläche 312a der aufnehmenden Nabe 312 zusammenwirkt, um den Ring 328 in seiner richtigen Betriebsposition zu sichern, wie dargestellt.
- Obwohl hier die beste Art und Weise dargestellt und beschrieben wurde, die zum Ausführen der vorliegenden Erfindung konzipiert worden ist, ist doch klar, daß Modifikationen und Varianten vorgesehen werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen, wie sie in den Ansprüchen definiert ist.
Claims (18)
1. Drehbare Rohrverbindung (10), welche im Einsatz leicht und schnell
instandgehalten werden kann, wobei die Verbindung eine Anordnung
aufweist aus
einer Außennabe (14) der drehbaren Rohrverbindung,
einer Innennabe (12) der drehbaren Rohrverbindung;
einer Einrichtung (16), welche die Naben (12, 14) in einer drehbaren
Art untereinander verriegelt, wobei ein Schublager dazwischen
geschaffen wird;
einer radialen Lagereinrichtung (18) zwischen den Naben (12, 14); und
einer Bohrungsdichtungsanordnung (24) zum Schaffen einer Dichtung mit
dynamischem Fluiddruck zwischen den Naben (12, 14), wobei die
Bohrungsdichtungsanordnung (24) ein hülsenartiges Dichtungselement (30)
mit einer äußeren Ringnut (38) und einen Anti-Extrusionsring (28)
aufweist, welcher in der Nut (38) sitzt. um eine Extrusion des
Dichtungselementes (30) zu verhindern,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Anti-Extrusionsring (28) zumindest eine winklige Seitenfläche (28c,
d) hat, welcher in einem schiefen Winkel bezüglich der inneren Fläche
(28a) ausgerichtet ist und an einer benachbarten Ringfläche (12a, 14a)
der Naben (12, 14) anliegt, wobei der Anti-Extrusionsring (28) durch
Überdrehen der Verbindungsnaben (12, 14) zusammendrückbar ist, um
eine innere Ringnut (56) in der Innennabe (14) und eine äußere Ringnut
(58) in der Außennabe (12) zur [nstallation der Verriegelungseinrichtung
(16) zwischen den Naben (12, 14) auszurichten, wobei das
Zusammendrucken
zu einer Aktivierung der Naben (12, 14) in einer Richtung
führt, welche ihre axiale Trennung in ihre Betriebsposition erzwingt.
2. Drehbare Rohrverbindung (10), welche im Einsatz leicht und schnell
instandgehalten werden kann, wobei die Verbindung eine Anordnung
aufweist aus
einer Außennabe (14) der drehbaren Rohrverbindung,
einer Innennabe (12) der drehbaren Rohrverbindung;
einer Einrichtung (16), welche die Naben (12, 14) in einer drehbaren
Art miteinander verriegelt, wobei ein Schublager dazwischen geschaffen
wird;
einer Radiallagereinrichtung (18) zwischen den Naben (12, 14); und
einer Bohrungsdichtungsanordnung (24) zur Schaffung einer Dichtung
mit dynamischem Fluiddruck zwischen den Naben (12, 14), wobei die
Bohrungsdichtungsanordnung (24) ein hülsenartiges Dichtungselement (30)
mit einer äußeren Ringnut (38) und einen Anti-Extrusionsring (28)
aufweist, welcher in der Nut (38) sitzt. um eine Extrusion des
Dichtungselementes (30) zu verhindern,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Anti-Extrusionsring (28) einen Ring mit einem im allgemeinen
dreieckigen Querschnittsprofil umtäßt, wobei die Fläche des inneren
Durchmessers des Ringes die Basis des im allgemeinen dreieckigen
Profils bildet und das hülsenartige Dichtungselement (30) berührt, und
wobei das im allgemeinen dreieckige Profil Seiten aufweist, welche die
Außen- bzw. die Innennabe (12, 14) der drehbaren Verbindung
kontaktieren, um axial die Verbindungsnaben (12, 14) zu aktivieren.
3. Drehverbindung nach Anspruch 2, bei welcher der Anti-Extrusionsring
(28) durch Überdrehen der Verbindungsnaben (12, 14) während ihrer
Montageprozedur zusammendrückbar ist, wobei das Zusammendrücken
zu einer Aktivierung der Naben (12, 14) in einer Richtung führt,
welche ihre axiale Trennung in ihre Betriebspositionen erzwingt.
4. Drehverbindung (10) nach Anspruch 3, bei welcher das Überdrehen ein
Ausrichten einer inneren Ringnut (56) in der Innennabe (14) und einer
äußeren Ringnut in der Außennabe (12) unterstützt, um die
Verriegelungseinrichtung (16) zwischen den Naben (12, 14) zu installieren.
5. Drehverbindung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der Winkel
im Bereich von etwa 300 bis 450 bezüglich der inneren zylindrischen
Fläche (28a) liegt.
6. Drehverbindung (10) nach Anspruch 1, welche eine zweite winklige
Fläche (28d) an dem Anti-Extrusionsring (28) aufweist.
7. Drehverbindung (10) nach Anspruch 6, bei welcher die zweite winklige
Seitenfläche (28d) in einem Winkel von etwa zwischen 30º bis 45º
bezüglich der inneren Fläche (28a) liegt.
8. Drehverbindung (10) nach Anspruch 7, bei welcher der
Anti-Extrusionsring (28) eine im allgemeinen zylindrische Außenfläche (28b) aufweist,
welche die winkligen Seitenflächen (28c, 28d) schneidet.
9. Drehverbindung (10) nach Anspruch 1, bei welcher der Anti-Extrusions
ring (28) und eine der Naben (12, 14) Ringhalteeinrichtungen aufweist,
welche so zusammenwirken, daß der Anti-Extrusionsring (28) in der
Nabe gehalten wird.
10. Drehverbindung (10) nach Anspruch 9, bei welcher die
Ringhalteeinrichtung einen Ringsteg (72) an einer äußeren Oberfläche des Ringes
(228) und eine Ringnut (74) in einer benachbarten Oberfläche der Nabe
(214) aufweist.
11. Drehverbindung (10) nach Anspruch 9, bei welcher die
Ringhalteeinrichtung (12a, 12b) eine sägeförmige Ringfläche (329a) auf dem Ring
(328) und eine komplementäre sägeförmige Ringfläche (312a) auf der
Nabe (312) aufweist.
12. Drehverbindung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das
hülsenartige Dichwngselement (30) eine äußere Ringnut (38) aufweist und die
Bohrungsdichtungsanordnung (124) ein Ringlagerelement (70) aufweist,
welches in der Nut (38) sitzt und welches durch den
Anti-Extrusionsring (128) umgeben ist.
13. Drehverbindung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der Anti-
Extrusionsring (28) so ausgelegt ist, daß er axial und radial durch die
Naben (12, 14) zusammengedrückt wird, wenn die Verbindung montiert
wird, und dann entkomprimiert wird, wenn die Naben (12, 14) sich in
ihre Betriebspositionen bewegen.
14. Drehverbindung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die
Bohrungsdichtungsanordnung (24) des weiteren eine hülsenartige Fingerfeder
(32) aufweist, welche das hülsenartige Dichtungselement (30) in
Richtung auf benachbarte Nabenflächen drückt.
15. Drehverbindung (10) nach Anspruch 14, bei welcher die
Bohrungsdichtungsanordnung (24) des weiteren eine Verschleißhülse (34)
innerhalb der hülsenartigen Fingerfeder (32) aufweist.
16. Drehverbindung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das
hülsenartige Dichtungselement (30) aus einem Kunststoffmaterial aufgebaut ist
und der Anti-Extrusionsring (28) aus Polyetheretherketon aufgebaut ist.
17. Drehverbindung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die radiale
Lagereinrichtung (18) eine Trockenfilmbeschichtung aus
Polytetrafluorethylen auf zumindest einer der Naben aufweist.
18. Drehverbindung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die radiale
Lagereinrichtung (18) eine Muminiumbronzebeschichtung auf zumindest
einer der Naben aufweist.
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