NO340430B1

NO340430B1 - Hydraulisk koplingselement med et system for kompensasjon av fortrengt vann.

Info

Publication number: NO340430B1
Application number: NO20081648A
Authority: NO
Inventors: Iii Robert E Smith
Original assignee: Nat Coupling Co Inc
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2008-04-03
Publication date: 2017-04-24
Also published as: GB0805760D0; BRPI0800979B1; GB2448220A; GB2448220B; DE102008017053B4; BRPI0800979A2; US7578312B2; NO20081648L; DE102008017053A1; US20080245426A1

Description

OPPFINNELSENS BAKGRUNN

1. Oppfinnelsens område.

Denne oppfinnelse angår hydrauliske koplinger. Nærmere bestemt angår den hydrauliske undervannskoplinger anvendt i systemer med fast volum.

2. Omtale av relatert teknikk.

Mange forskjellige hydrauliske undervannskoplinger er tilgjengelige. Eksempler på hydrauliske undervannskoplinger med metalltetninger innbefatter US patent 4 694 859 med tittel "Undersea hydraulic coupling and metal seal", US patent 4 817 668 med tittel "Integral metal seal for hydraulic coupling", US patent 4 884 584 med tittel "Internally preloaded metal-to-metal seal hydraulic connector", US patent 5 029 613 med tittel "Hydraulic coupler wih radial metal seal", US patent US patenter 5 099 882 og 5 203 374 med tittel "Pressure balanced hydraulic coupling with metal seals", US patent 5 284 183 med tittel "Hydraulic coupler with radial metal seal", US patent 5 339 816 med tittel "Hydraulic coupling with hollow metal o-ring seal", US patent 5 355 909 med tittel "Undersea hydraulic coupling with metal seals", US patent 5 979 499 me tittel "Undersea hydraulic coupling with hollow metal seal", US patent 6 962 347 med tittel "Metal backup seal for undersea hydraulic coupling" og US patent 7 021 677 med tittel Seal retainer with metal seal members for undersea hydraulic coupling", alle til Robert E. Smith ni og overdratt til National Coupling Company i Stafford, Texas.

Andre hydrauliske undervannskoplinger anvender bare "myke tetninger" - dvs. ikke-metall-tetninger som typisk består av en elastomer-polymer ("elastomer") eller en konstruksjonsplast som kan maskineres så som polyetereterketon ("PEEK") eller DELRIN® acetalharpiks.

Som eksempel viser US patent 6 123 103 en trykkutlignet hydraulisk kopling for bruk i undervanns bore- og produksjonsoperasjoner. Koplingen har radiale kanaler som danner forbindelse mellom hann- og hunn-koplingselementenene slik at fluidtrykk ikke utøves mot endeflaten til noen av koplingselementene under sammenkopling eller fråkopling. Hunn-elementet har et delt hus med en første del og en andre del som hver har en langsgående kanal og en radial fluidkanal. En radial tetning er plassert på møtepunktet mellom hunn- elementhusets første og andre del for å lette fjerning og utskifting av radial-tetningen når det delte hos er demontert. Hann-elementet kan innføres gjennom hunn-elementhusets første og andre del, for derved å opprette fluidforbindelse mellom koplingselementene i en retning på tvers av koplingselementboringene,

US patent 6 179 002 viser en hydraulisk undervannskopling som har en trykkaktivisert radialtetning med en svalehalepasning med koplingshuset. Tetningen har et par fleksible tetningsflater for tetting med hann- og hunn-koplingselementene og et mellomliggende hulrom som er frilagt mot fluidtrykk i koplingen. Tetningens ytre omkrets har en svalehalepasning mellom skråskuldre i hunn-elementboringen og på en tetningsholder som holder tetningen i boringen.

US patent 6 575 430 viser et hydraulisk undervannskoplingselement som har en ringformet tetning med flere tetningsflater som strekker seg radialt innover derfra. Tetningsflatene medvirker til å styre proben til hann-koplingselementet inn i hunn-elementet uten fare for motstand eller gnidning av opptakskammeret. Tetningen har en pasning med motsatte skråskuldre i hunn-elementet for å hindre at tetningen beveger seg radialt innover pga. vakuum eller lavt trykk. Oppmerksomheten henledes spesielt til utføringsformene vist i figur 8 og 9 i dette patentet.

US patent 6 923 476 viser en flytende tetning for et hydraulisk undervannskoplingselement som er radialt bevegelig for å tette mot hann-koplingselementet selv om der er en viss skjevhet i forhold til hunn-koplingselementet. Den flytende tetning er forhindret fra aksial bevegelse i hunn-koplingselementets opptaks-kammer. Den flytende tetning kan tette mot hunn-koplingselementet.

US patent 7 163 190 viser en tetningshylse for et hydraulisk undervannskoplingselement som har en innerring og en ytterring. Innerringen og ytterringen er konsentriske og minst en del av innerringen er innført gjennom ytterringen. Innerringen er fastskrudd til koplingselementet og den installerte tetningshylsen kan kan virke til å fastholde en elastomertetning på en skulderflate i koplingselementet. En annen elastomertetning er fastholdt mellom tetningshylsens innerring og ytterring .

For hydrauliske koplinger som brukes ved undervannsoperasjoner er det vanlig at hunn-koplingselementets opptakskammer fylles med sjøvann før de to koplingselementer sammenføyes. Når proben til hann-elementet innføres i hunn- elementets opptakskammer, fortrenger den sjøvannet i opptakskammeret. Men når hann-proben er tilstrekkelig innført til at den kommer til anlegg mot koplingens tetningselementer, kan ikke sjøvannet slippe ut og hann-proben virker som et stempel i en sylinder, og i kjente koplinger blir sjøvann presset inn i hydraulikk-systemet når trykket øker til det punkt hvor seteventilene i systemet åpner.

I større hydraulikksystemer utgjør mengden av sjøvann som trenger inni systemet ikke noen signifikant del av totalmengden. Imidlertid er det generelt uønsket å ha sjøvann i et hydraulikksystem, og særlig i mindre systemer uten akkumulatorer som kompenserer for det økete fluidvolum i systemet, kan det oppstå en situasjon med hydraulisk låsing, som kan hindre fullstendig sammenkopling av koplingselementene. Den foreliggende oppfinnelse løser dette problem.

US patent 6 631734 viser et "dummy" hydraulisk undervannskoplingselement for å beskytte et motsatt hydraulisk undervannskoplingselement når hydra-ulikkledningene ikke er i bruk. Det hydrauliske dummy-undervannskoplingselement har et vannfortrengnings-ekspansjonskammer med et stempel i, som lar innesluttet vann og/eller luft bevege seg fra opptakskammeret til vannfortrengnings-ekspansjonskammeret under tilkopling av dummy-koplingselementet til det motsatte koplingselement. Når dummy-koplingselementet koples til et motsatt koplingselement undervann, blir sjøvann og/eller luft i dummy-koplingselementets opptakskammer fortrengt av det motsatte koplingselementet. Dette/denne sjøvann og/eller luft strømmer inn i vannfortrengnings-ekspansjonskammeret, og stemplet lar volumet i dette kammeret øke som følge av trykk fra fortrengt vann og/eller luft som virker på stemplets fremre endeflate inntil kammeret når det nødvendige volum for en trykkutligning. Når dummy-koplingselementet er koplet fra det motsatte koplingselementet under vann, søker sjøvannstrykk som virker på stempelets bakre endeflate å presse stempelet i en retning som minsker vannfortrengnings-ekspansjonskammerets volum, slik at det innesluttete sjøvann (og/eller luft) strømmer tilbake i opptakskammeret og derved forhindrer et vakuum i opptakskammeret. Stempelet minsker størrelsen av vannfortrengnings-ekspansjonskammeret inntil det når det nødvendige volum for opprettelse av trykkutligning.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

Et hydraulisk hunn-koplingselement er utstyrt med et vannfortrengnings-ekspansjonskammer og et stempel for variering av vannfortrengnings-ekspansjonskammerets volum som reaksjon på trykket som virker på stemplets motsatte endeflater. Når hunn-koplingselementet koples til et motsatt hann-koplingselement under vann, blir sjøvann og/eller luft i hunn-koplingselementets opptakskammer fortrengt av proben til det motsatte koplingselementet. Dette sjøvann og/eller denne luft strømmer inn i vannfortrengnings-ekspansjonskammeret, og stempelet lar volumet i dette kammeret øke som følge av trykk fra fortrengt vann og/eller luft som virker på stempelets fremre endeflate inntil kammeret når det nødvendige volum for å oppnå trykkutligning.

Når hunn-koplingselementet koples fra hann-koplingselementet under vann, søker sjøvannstrykk som virker på stemplets bakre endeflate å presse stemplet i en retning som minsker vannfortrengnings-ekspansjonskammerets volum, slik at det innesluttete sjøvann (og/eller luft) strømmer tilbake i opptakskammeret og forhindrer et vakuum i opptakskammeret. Stempelet beveger seg for å minske størrelsen av vannfortrengnings-ekspansjonskammeret inntil det når det nødvendige volum for opprettelse av trykkutligning.

KORT BESKRIVELSE AV DE ULIKE RISS PÅ TEGNINGEN(E)

Figur 1 er et snittriss av et hydraulisk hunn-koplingselement utstyrt med et fortrengt vann-kompensasjonssystem i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Figur 2A er et snittriss av et hydraulisk hunn-koplingselement vist i figur 1 i delvis inngrep med et motsvarende hann-koplingselement. Figur 2B er et snittriss av et hydraulisk hunn-koplingselement vist i figur 1 i fullstendig inngrep med et motsvarende hann-koplingselement.

NÆRMERE BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Oppfinnelsen kan best forstås i forbindelse med et eksempel på en utføringsform av den. Figur 1 viser et hydraulisk hunn-koplingselement 10 som består av et hus 12 med en sentral aksial boring. En ende av huset 12 kan ha et gjenget koplingsparti 18 for tilkopling til en hydraulikkledning eller lignende og den motsatte ende kan omfatte et opptakskammer 16 for tilkopling til et motsvarende hydraulisk hann-koplingselement. Koplingselementet kan være utstyrt med en seteventil 20 beliggende i den sentrale boring 14. Seteventilen kan omfatte en tetning 24 for tetting mot en konisk flate 26 i boringen 14. Seteventilen 20 kan presses mot flaten 26 ved hjelp av en fjær 28 som hviler mot et fjærsete 32 som fastholdes i boringen 14 ved hjelp av en holder 34. En ventilaktuator 22 vil, når den trykkes inn av en motsvarende aktuator i hunnkopligselementt, virke til å åpne seteventilen ved å bevege tetningen 24 bort fra flaten 26 og derved tillate hydraulik-fluid å strømme gjennom koplingen via strømningsporter 30 i ventilen 20.

Den viste utføringsform er utstyrt med en tetningspatron av den type som er vist i US patent 7 163 190 til Robert E. Smith ni. Tetningspatronen omfatter en innerring 40 og ytterring 42 med gjengeparti 44 for inngrep med koplingselement-huset 12. Ytterringen 42 kan være utstyrt med inngrepshull 46 for inngrep med en skrunøkkel eller annet verktøy som letter installasjon og fjerning. Som vist i figur 1 har innerringen 40 og ytterringen 42 motsatte skråskuldre for fastholding av en mellomliggende krontertning 48. Krontertningen 48 kan ha en ytre, rundtløpende tetning 50 som kan være en O-ring i visse utføringsformer, for tetting mellom tetningen 48 og innerringen 40.

Den indre ende av ringen 40 kan ha et sirkulært spor for fastholding av tetningen 38. Tetningen 38 kan være en elastomer O-ring for tetting mellom tetningpatronen og huset 12.

Den sentrale aksiale boring 14 kan ha en skulder for fastholding av tetningen 36 som, iet den viste utføringsform, er en C-tetning av metall. Tetningen 36 holdes i stilling av tetningspatronen bestående av ringene 40 og 42. Tetningen 36 kan tette mot proben til et hann-element innført i opptakskammeret 16.1 den viste utføringsform har tetningen 36 en mindre innvendig diameter enn krontetningen 48. Et trinn 52 i innerringens 40 innvendige diameter opptar en hann-probe som har seksjoner med ulike diametre. Det innerste parti av opptakskammeret 16, og særlig det parti som er innenfor tetningen 36,og som har redusert diameter, er betegnet som volum 54 i figur 1.

Hunn-koplingshuset 12 har et blindhull 58 i enden av huset motsatt opptakskammeret 16. Hulrommet 58 er en generelt aksial boring som er forskjøvet fra den sentrale aksialboring 14. Fluidkanal 56 forbinder enden av blindhullet 58 med opptakskammerets 16 innerste seksjon 54.

Et stempel 60 passer i sylinderen 58 og er konfigurert og dimensjonert til å forskyves i sylinderen 58. Stempel 60 kan omfatte en ringtetning 62 for tetnings-inngrep med veggene til sylinderen 58. I visse utføringsformer kan tetningen 62 være en flerdelt tetning.

I sylinderen 50 er det også et fjærsete 66 som fastholdes av en holder 68 og trykkfjær 64 som virker mot fjærsetet for å presse stempelet 60 mot enden av blindhullet 58. Det vil forstås av fagkyndige på området at andre ekviva-lente elastiske elementer kan brukes for dette formål.

Virkemåten til systemet for kompensasjon av fortrengt vann (bestående av elementer 56 t.o.m. 68) til hunn-koplingselementet 10 er vist i figur 2A og 2B.

Figur 2A viser hunn-koplingselementet 10 ifølge figur 1 i delvis inngrep med et motsvarende hann-koplingselement 70. Hann-koplingselementetn70 kan omfatte en sylindrisk probe 72 hvis distale ende kan ha en seksjon med redusert utvendig diameter. Hann-elementet 70 kan også omfatte en seteventil 76 og seteventilaktuator 74. I graden av koplingselement-inngrep vist i figur 2A har hann-seteventilaktuatoren 74 nettopp buttet mot hunn-seteventilaktuatoren 22 (men seteventilene 76 og 20 forblir lukket) og hann-proben 72 har kommet i inngrep med krontetningen 48 i hunn-elementets 10 opptakskammer.

I figur 2B er hann-koplingselementet 70 og hunn-koplingselementet 10 vist i fullt inngrep. Den gjensidige inntrykking av seteventilaktuatorene 22 og 74 har

åpnet de respektive seteventiler 20 og 76. Under forskyvningen fra stillingene vist i figur 2A til fullt inngrep (figur 2B), fortrenger hann-proben 72 i seksjonen 54 i hunn-elementets 10 opptakskammer 16 og presser det gjennom kanalen 56 inn i sylinderen 58. Dette gjelder særlig for det inngrepsparti hvor probens 72 seksjon 78 er i tetningskontakt med tetningen 36 i hunn-elementet 10. Under påvirkning av fluidtrykk-økingen på stempelets 60 innside, forskyves stempelet 60 i sylinderen 58 mot motstanden fra fjæren 64 for derved å øke det volum i sylinderen 58 som er innenfor stempelet 60. På denne måte unngår man en tilstand av hydraulisk lås, da sjøvannet i volumet 54 fortrenges inn i sylinderen 58.

Under fråkopling (dvs. bevegelse fra tilstanden vist i figur 2B til den i figur 2A), kan gjenværende sjøvann i sylinderen 58 innenfor stempelet 60 strømme tilbake inn i seksjonen 54 i opptakskammeret 16 etter hvert som hann-proben 72 trekkes tilbake og stempelet 60 forskyves i sylinderen 58 under påvirkning av fjæren 64. På denne måte unngår man vakuum i opptakskammeret 16 når koplingselementene atskilles. En vakuum-situasjon (eller redusert trykk) i opptakskammeret er kjent for å være skadelig særlig for myke pakninger, som er tilbøyelige til å implodere under koplingsatskillelse pga. høye hydrostatiske trykk som opptrer ved undervannsforhold.

Hunn-koplingselementets 10 system for kompensasjon av fortrengt vann (bestående av elementene 56 t.o.m. 68) er fortrinnsvis dimensjonert til å oppta det sjøvannsvolumet som ellers ville blitt innesluttet i seksjonen 54 i opptakskammeret 16. Det vil forstås at systemet ifølge oppfinnelsen for kompensasjon av fortrengt vann kan omfatte en flerhet av hulrom/stempel-kombinasjoner (58' - 60') i en radial rekke i huset til hunn-koplingselementet 10, hvert av hvilke kan være i fluidforbindelse med opptakskammeret via en kanal 56'.

Claims

1. Hydraulisk hunn-koplingselement omfattende: et generelt sylindrisk hus (58) som har en første ende og en andre ende; en sentral aksial boring (14) som strekker seg fra den første ende til den andre ende av huset;karakterisert ved: et opptaks-kammer (16) i den første ende av huset dimensjonert til å oppta et motsatt koplingselement; et generelt sylindrisk vannfortrengningskammer (58) i den andre ende av huset forskjøvet fra den sentrale aksiale boring (14); en fluidkanal (56) i huset, som forbinder opptakskammeret (16) og vannfortrengningskammeret (58); et stempel (60) anbrakt i vannfortrengningskammeret (58), hvilket stempel (60) har en forside og en bakside og er forskyvningsbart som reaksjon på trykk mot forsiden og baksiden for å la fluid og eller gass bevege seg mellom opptakskammeret (16) og vannfortrengnings-ekspansjonskammeret (58); og en tetning (62) mellom stempelet og vannfortrengnings-ekspansjonskammeret for å blokkere fluidstrømning gjennom vannfortrengningskammeret.

2. Hydraulisk hunn-koplingselement ifølge krav 1, som videre omfatter en fjær (64) som er konfigurert til å utøve trykk mot stempelets bakside.

3. Hydraulisk hunn-koplingselement ifølge krav 2, som videre omfatter et fjærsete (66) som fastholdes i ekspansjonskammeret og er konfigurert til å hvile mot fjærens ende motsatt stempelets bakside.

4. Hydraulisk hunn-koplingselement ifølge krav 1, hvor tetningen (62) mellom stempelet og vannfortrengnings-ekspansjonskammeret er en ringformet elastomertetning.

5. Hydraulisk hunn-koplingselement ifølge krav 1, hvor tetningen er en flerdelt tetning.

6. Hydraulisk hunn-koplingselement ifølge krav 1, hvor vannfortrengningskammeret (58) er et kombinert vannfortrengnings-ekspansjonskammer nær den andre ende og radialt forskjøvet fra husets midtakse.

7. Hydraulisk hunn-koplingselement ifølge krav 1, omfattende: en flerhet av generelt sylindriske vannfortrengningskamre (58) i den andre ende av huset forskjøvet fra den sentrale aksiale boring; en flerhet av fluidkanaler (56) i huset, som forbinder hvert av vannfortrengningskamrene med opptakskammeret (16); og en flerhet av stempler (60) som hvert er anbrakt i vannfortrengningskammeret, hvilke stempler har en forside og en bakside og er forskyvbare som reaksjon på trykk mot forsiden og baksiden for å la fluid og eller/gass bevege seg mellom opptakskammeret og vannfortrengnings; og en tetning (62) mellom hvert stempel og vannfortrengnings-ekspansjonskammeret hvor stempelet er plassert for å blokkere fluidstrømning gjennom ekspansjonskammeret.