DE10222684A1

DE10222684A1 - Hydraulisches Unterwasser-Blindkupplungsteil

Info

Publication number: DE10222684A1
Application number: DE2002122684
Authority: DE
Inventors: Robert E Smith
Original assignee: National Coupling Co Inc
Current assignee: National Coupling Co Inc
Priority date: 2001-05-22
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2022-05-23
Also published as: DE10222684B4; NO20022403L; NO335971B1; BRPI0201902B1; US6631734B2; BR0201902A; GB2379254B; GB0211555D0; GB2379254A; AU4066502A; US20020174990A1; NO20022403D0

Abstract

Es ist ein hydraulisches Unterwasser-Blindkupplungsteil zum Schützen eines gegenüberliegenden hydraulischen Unterwasser-Kupplungselementes bei nicht in Betrieb befindlichen Hydraulikleitungen geschaffen. Das hydraulische Unterwasser-Blindkupplungsteil hat eine Wasserverdrängungsexpansionskammer mit einem Kolben, der es ermöglicht, dass sich angesammeltes Wasser und/oder Luft aus der Aufnahmekammer in die Wasserverdrängungsexpansionskammer während des Verbindens von Blindkupplungsteil und gegenüberliegendem Kupplungselement bewegen kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen hydraulische Kupplungen und insbesondere hydraulische Kupplungen, die bei Unterwasserbohrungen und Produktionsanwendungen verwendet werden. Im Einzelnen betrifft diese Erfindung ein hydraulisches Unterwasser-Blindkupplungsteil, das für den Schutz eines gegenüber liegenden Kupplungsteils, welches unter Wasser stationiert ist, verwendet wird.
Hydraulische Unterwasserkupplungen sind seit langem bekannt. Die Kupplungen bestehen im Allgemeinen aus einem Einsteckelement und einem Aufnahmeelement mit abgedichteten Fluidkanälen, die zwischen beiden eine Verbindung schaffen. Das Aufnahmeelement ist im Allgemeinen ein zylindrischer Körper mit einer Längsbohrung mit relativ großem Durchmesser an seinem einen Ende und einer Längsbohrung mit relativ kleinem Durchmesser an seinem anderen Ende. Die kleine Bohrung erleichtert Anschlüsse an Hydraulikleitungen, während die große Bohrung das Einsteckelement der Kupplung abdichtet und mit diesem in verschiebbarem Eingriff steht. Das Einsteckelement hat einen zylindrischen Teil, der an einem Ende einen Außendurchmesser ungefähr gleich dem Durchmesser der großen Bohrung in dem Aufnahmeelement der Kupplung hat. Das Einsteckelement hat auch an seinem anderen Ende einen Anschluss zum Erleichtern des Anschließen von Hydraulikleitungen. Wenn der zylindrische Teil des Einsteckelementes in die große Bohrung des Aufnahmeelementes eingesetzt wird, wird gemäß verschiedener Ausführungsformen der Vorrichtung ein Fluidstrom zwischen dem Einsteckelement und dem Aufnahmeelement errichtet. Mehrere derartige Kupplungen sind in den Patenten der Anmelderin National Coupling Company, Inc. of Stafford, Texas, gezeigt.
Bei Unterwasserbohr- und Produktionsanwendungen kann das Einsteckelement der Kupplung mit einer Verteilerplatte oder einer anderen Befestigungseinrichtung an einem Unterwasserort an der Innenseite oder Außenseite einer Schachtbohrung verbunden sein. In vielen Fällen sind die Einsteckelemente so positioniert, dass das Ende oder die Stirnfläche jedes Elementes vom Meeresboden vertikal nach oben weist. Die Aufnahmeelemente, die ebenfalls an einer Verteilerplatte befestigt sein können, werden durch einen Taucher oder ein Unterwasserfahrzeug, wie beispielsweise ein ROV (fernbetätigtes Fahrzeug) in die Position oberhalb der Einsteckelemente bewegt und dann auf die Einsteckelemente abgesenkt. Wenn die Aufnahmeelemente auf den Einsteckelementen positioniert sind, erfolgt typischerweise ein Hydraulikfluidstrom vom Aufnahmeelement zum Einsteckelement jeder Kupplung. Typischerweise haben eines oder beide Kupplungselemente Tellerventile.
Jedes Tellerventil hat typischerweise eine konische Ventilfläche, die in der geschlossenen Position an dem Ventilsitz in dem Kupplungselement sitzt. Das Tellerventil öffnet, um einen Fluidstrom zu ermöglichen, und schließt gegenüber dem Ventilsitz innerhalb der Bohrung, um den Strom zu stoppen. Im Allgemeinen ist das Tellerventil durch eine Feder in die geschlossene Position vorgespannt. Das Ventil kann ein Ventilbetätigungselement aufweisen, das eine Nase oder ein Stößel sein kann, der am Scheitelpunkt der Ventilfläche in der Längsachse des Tellerventils vorsteht.
Wenn die Einsteck- und Aufnahmekupplungselemente voneinander gelöst werden, bleiben typischerweise die Einsteckelemente unter Wasser und die Aufnahmekupplungselemente werden herausgenommen. Häufig enthalten Schachtbohrungen, in welchen die Kupplungen positioniert sind, Schutt. Das Einsteckelement, welches bei gelöster Kupplung unter Wasser bleibt, ist dem Schutt ausgesetzt, der sich an frei liegenden Strömungskanälen ansammelt, wenn es von dem Aufnahmeelement gelöst ist. Der Schutt kann das Hydraulikfluid kontaminieren oder eine Abnutzung der Dichtungen und Dichtungsflächen in den Hydraulikkupplungen und dem Hydrauliksystem verursachen. Zusätzlich sind die Kupplungselemente, welche unter Wasser bleiben, Meerwasserbewuchs, Sand, Schlamm und anderen mechanischen Beaufschlagungen ausgesetzt, solange keine Form von Schutz vorhanden ist.
Um die Zerstörung des unter Wasser verbleibenden Kupplungselementes zu verringern oder zu verhindern, wurden Blindkupplungsteile verwendet. Ein Blindkupplungsteil passt zu dem gegenüber liegenden Kupplungsteil, aber das Blindteil ist nicht an Hydraulikleitungen angeschlossen und dient daher nicht dazu, Hydraulikfluid durch das System zu leiten. Anstatt dessen schützt das Blindkupplungsteil das gegenüber liegende Kupplungselement, wenn die Hydraulikleitung über diese Kupplung nicht im Betrieb ist.
Typischerweise sind hydraulische Unterwasser-Blindkupplungsteile Aufnahmekupplungselemente, weil das Einsteckkupplungselement unter Wasser bleibt. Aufnahmeblindkupplungsteile können in einer Aufnahmekammer eine oder mehrere Dichtungen haben und diese Dichtungen wirken mit dem Einsteckelement zusammen, wenn das Einsteckelement in die Aufnahmekammer eintritt. Die Aufnahmeblindkupplungsteile können auch eine Bohrung und/oder einen Lüftungskanal haben, der sich zwischen der Aufnahmekammer und der Außenfläche des Körpers des Blindkupplungsteils erstreckt. Dies ermöglicht, dass angesammeltes Meerwasser und/oder angesammelte Luft in der Aufnahmekammer aus der Aufnahmekammer des Blindkupplungsteils entweichen kann, wenn dies mit dem gegenüber liegenden Kupplungselement in Eingriff gelangt. Die Bohrung oder der Lüftungskanal können jedoch ebenfalls dem Eintreten von Schlamm, Schutt, etc. ausgesetzt sein, was zu einem weniger effektiven Schutz des gegenüber liegenden Kupplungselementes führt.
Solange das angesammelte Meerwasser oder die Luft nicht aus der Aufnahmekammer entweichen kann, ist es sehr schwierig oder unmöglich, das Blindkupplungselement vollständig an das gegenüber liegende Kupplungselement anzupassen. Eine andere unerwünschte Konsequenz, die auftreten kann, wenn angesammeltes Meerwasser oder angesammelte Luft nicht entweichen kann, ist, dass infolge des erhöhten Druckes das Tellerventil des gegenüber liegenden Kupplungselementes zwangsweise geöffnet werden kann und ermöglicht, dass sich angesammeltes Meerwasser oder angesammelte Luft in die Hydraulikleitungen eintritt. Das Lösen des Blindkupplungsteils vom gegenüber liegenden Element kann infolge des Hydraulikblocks ebenfalls schwierig sein.
Somit wird ein hydraulisches Unterwasser-Blindkupplungsteil benötigt, um zu verhindern, dass Schutt und Meeresbewuchs und andere Objekte das Kupplungselement, welches unter Wasser verbleibt, zerstören und zu ermöglichen, dass das Blindkupplungsteil ohne Widerstand infolge von angesammeltem Meerwasser und/oder angesammelter Luft mit dem gegenüber liegenden Element in Eingriff gebracht und von diesem gelöst werden kann.
Die US-PS Nr. 5,692,538 von Robert E. Smith III der Anmelderin National Coupling Company, Inc. zeigt kein Blindkupplungsteil, aber zeigt ein hydraulisches Unterwasserkupplungselement mit Strömungskanälen, die im Körper des Einsteckelementes im Winkel angeordnet sind, um dazu beizutragen, das Eintreten von Schutt zu verhindern. Wenn das Aufnahmeelement an dem Einsteckelement befestigt wird, zwingt der Hydraulikdruck durch die im Winkel verlaufenden Strömungsöffnungen und gegen die Fläche des Tellerventils das Tellerventil des Einsteckelementes in die offene Position, um einen Fluidstrom zwischen den Kupplungselementen zu ermöglichen. Das Tellerventil in Kombination mit den im Winkel angeordneten Strömungsöffnungen in dem Körper des Einsteckelementes trägt dazu bei, das Eintreten von Schutt zu verhindern, während es ermöglicht, dass sich angesammelter Hydraulikfluiddruck beim Lösen der Kupplungselemente abgelassen werden kann.
Die vorliegende Erfindung beruht in einem hydraulischen Unterwasser-Blindkupplungsteil mit einer Wasserverdrängungsexpansionskammer und einem Kolben zum Variieren des Volumens der Wasserverdrängungsexpansionskammer in Antwort auf die Drucke, welche auf die einander gegenüber liegenden Stirnflächen des Kolbens wirken. Wenn das Blindkupplungsteil an ein gegenüber liegendes Kupplungselement unter Wasser angeschlossen wird, wird Meereswasser und/oder Luft in der Aufnahmekammer des Blindteils durch das gegenüber liegende Kupplungselement verschoben. Dieses Meereswasser und/oder diese Luft tritt in die Wasserverdrängungsexpansionskammer ein und der Kolben ermöglicht, dass das Volumen dieser Kammer als Ergebnis des Drucks von dem verdrängten Meereswasser und/oder der verdrängten Luft, welcher auf die vordere Stirnfläche des Kolbens wirkt, solange vergrößert wird, bis die Kammer das für ein Druckgleichgewicht erforderliche Volumen erreicht.
Wenn das Blindkupplungsteil von dem gegenüber liegenden Kupplungselement unter Wasser gelöst wird, besteht die Tendenz, dass der Meereswasserdruck, welcher auf die rückwärtige Stirnfläche des Kolbens wirkt, den Kolben dazu zwingt, das Volumen der Wasserverdrängungsexpansionskammer zu vermindern, wodurch es möglich wird, dass das angesammelte Meerwasser und/oder die Luft einen Unterdruck in der Aufnahmekammer verhindert. Der Kolben vermindert die Größe der Wasserverdrängungsexpansionskammer solange, bis das Volumen, welches für den Druckausgleich erforderlich ist, erreicht ist.
Die folgenden Figuren bilden einen Teil der vorliegenden Anmeldung und dienen zur weiteren Demonstration gewisser Aspekte der vorliegenden Erfindung. Die Erfindung kann unter Bezugnahme auf ein oder mehrere dieser Figuren in Kombination mit der detaillierten Beschreibung der hier präsentierten spezifischen Ausführungsformen besser verständlich werden. In den Figuren zeigt:
Fig. 1 eine Ansicht im Schnitt eines Aufnahmeblindkupplungsteils gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 2 eine Ansicht im Schnitt eines Aufnahmeblindkupplungsteils gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das Blindkupplungsteil 10 gemäß einer erste bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat ein erstes Ende 12 und ein zweites Ende 13 und eine Aufnahmekammer 11 zum Aufnehmen des gegenüber liegenden Einsteckelementes. Das Einsteckelement (nicht dargestellt) ist typischerweise am Meeresboden und bei einigen Beispielen, ausgehend vom Meeresboden, nach oben gerichtet positioniert, so dass die Stirnfläche des Einsteckkupplungselementes nach oben weist. Die Einsteckkupplungselemente sind im Allgemeinen an einer Verteilerplatte unter Verwendung verschiedener Mittel, wie beispielsweise Stellschrauben oder Gewinde, befestigt und die Aufnahmekupplungselemente sind häufig an einer gegenüber liegenden Verteilerplatte befestigt. Techniken zum Befestigen der hydraulischen Kupplungselemente an Verteilerplatten sind dem Fachmann allgemein bekannt.
Die Aufnahmekammer des Aufnahmeblindkupplungsteils kann eine oder mehrere Dichtungen darin haben, um mit dem Einsteckelement zusammenzuwirken und dieses abzudichten. Bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform hat das Aufnahmeblindkupplungsteil eine druckgespeiste ringförmige Metalldichtung 17, die an einer Schulterfläche 70 durch einen Halter 15 zurückgehalten wird. Der Halter kann ein hülsenförmiger Körper sein, der in das Aufnahmeelement eingeschraubt ist. Oder der Halter kann ein zweiteiliger Halter sein, bei dem ein Teil mit der zylindrischen Wand 28 der Aufnahmekammer eine Gleitpassung bildet und in die Aufnahmekammer eingesetzt ist, bis es an der Innenschulter 18 anliegt und ein Teil in die Wand der Aufnahmekammer eingeschraubt ist. Zwischen den zwei Teilen kann eine Elastomerdichtung 16 positioniert sein. Die Elastomerdichtung hat in einer bevorzugten Ausführungsform eine Schwalbenschwanzpassung mit dem zweiteiligen Halter. Die Aufnahmekammer endet an der Innenschulter 70.
Neben der Aufnahmekammer befindet sich der erste Abschnitt 14 und der zweite Abschnitt 27 der Wasserverdrängungsaufnahmekammer. Obwohl die Wasserverdrängungsaufnahmekammer bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform so dargestellt ist, dass sie einen ersten Abschnitt mit einem kleineren Durchmesser und einen zweiten Abschnitt mit einem größeren Durchmesser hat, bestehen gemäß der vorliegenden Erfindung auch Überlegungen, dass die Kammer einen einzigen gleichförmigen Durchmesser oder mehr als zwei Durchmesser hat, falls dies gewünscht ist. Bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform hat der erste Abschnitt der Wasserverdrängungsexpansionskammer eine geneigte Schulter 19.
In der Fig. 1 ist in dem zweiten Abschnitt der Wasserverdrängungsexpansionskammer ein Kolben 20 positioniert und liegt bei Abwesenheit eines signifikant hohen Wasser- oder Luftdruckes, der auf die Stirnfläche 21 des Kolbens wirkt, an der Innenschulter 29 an. Eine Feder 24 zwängt den Kolben gegen die Schulter 29. Die Feder 27 ist durch einen Kragen verankert, der in dem zweiten Abschnitt der Wasserverdrängungsexpansionskammer in der Nähe des zweiten Endes 13 des Aufnahmeblindkupplungsteils eingeschraubt oder sonst wie befestigt ist. Der Kragen ist ein hülsenförmiges Element mit einer durchgehenden Innenbohrung 26, um ein Eintreten von Wasser in den zweiten Abschnitt der Wasserverdrängungsexpansionskammer zu ermöglichen und auf die rückwärtige Stirnfläche 22 des Kolbens einen Druck auszuüben. Der Kolben, welcher in der Längsrichtung der Wasserverdrängungsexpansionskammer verschiebbar ist, sollte mit den Wänden der Kammer eine Gleitdichtung bilden und in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist eine Ringdichtung 23 vorgesehen, um eine derartige Dichtung zu erzeugen.
Wenn das Aufnahmeblindkupplungsteil an ein gegenüber liegendes, unter Wasser befindliches Kupplungselement angeschlossen wird, wird Wasser und/oder Luft in der Aufnahmekammer 11 von der Aufnahmekammer in dem ersten Abschnitt 14 der Wasserverdrängungsexpansionskammer gezwängt. Der zusätzliche Wasser- und/oder Luftdruck, welcher auf die vordere Stirnfläche 21 des Kolbens 20 wirkt, wird den Kolben in Richtung auf sein zweites Ende 13 zu zwängen, wodurch die Wasserverdrängungsexpansionskammer sich solange ausdehnt, bis sie ein ausreichendes Volumen hat. Der Kolben fährt fort, die Wasserverdrängungsexpansionskammer solange auszudehnen, bis der Druck des Wasser und/oder der Luft, welcher auf die vordere Stirnfläche des Kolbens wirkt, durch den Druck des Meereswassers und die Feder 24, welche auf die rückwärtige Stirnfläche 22 wirkt, ausgeglichen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Kolben den gleichen oder im Wesentlichen gleichen Durchmesser wie den Durchmesser des Einsteckelementes, welches in die Aufnahmekammer eintritt, um den Druck während des Verbindens und Lösens des Einsteckelementes mit dem Aufnahmekupplungselement auszugleichen.
Wenn das Blindkupplungsteil von dem gegenüber liegenden Kupplungselement gelöst wird, wird in der Aufnahmekammer ein Unterdruck erzeugt und das Wasser und/oder die Luft in der Wasserverdrängungsexpansionskammer wird diesen Hohlraum ausfüllen und eine Hydrauliksperre vermeiden. Dies resultiert daraus, dass der auf die rückwärtige Stirnfläche des Kolbens wirkende Meereswasserdruck den Druck übersteigt, der auf die vordere Stirnfläche des Kolbens wirkt. Der Kolben bewegt sich dann in Richtung auf das erste Ende des Blindkupplungsteils, bis der Druck ausgeglichen ist.
Es wird nun auf die Fig. 2 Bezug genommen, in der eine zweite bevorzugte Ausführungsform gezeigt ist, bei der das Aufnahmeblindkupplungsteil 40 ein erstes Ende 42, ein zweites Ende 43 und eine Aufnahmekammer 41 zum Anschließen an ein Einsteckelement hat. Der Halter 45 ist mit dem Aufnahmeblindkupplungsteil in der Nähe des ersten Endes verbunden, um eine ringförmige Metalldichtung 47 an der Schulter 80 zu halten. Der Halter kann ein einteiliger oder zweiteiliger Halter sein, mit einem ersten Teil im Gleiteingriff mit der Aufnahmekammerwand 58, bis dieser an der Schulter 48 anliegt. Die elastomere Dichtung 47 wird zwischen den zwei Teilen des Halters gehalten. Die Aufnahmekammer endet an der Schulter 81.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist in dem ersten Abschnitt 44 der Wasserverdrängungsexpansionskammer ein Tellerventil 60 vorgesehen. Das Tellerventil wird durch die Ventilfeder 61 gegen die geneigte Schulter 49 in die geschlossene Position vorgespannt. Die Ventilfeder ist durch einen Kragen 62 und einen Sprengring 63, der in die Wand des ersten Abschnittes der Wasserverdrängungsexpansionskammer eingreift, gehalten. Wenn bei dieser Ausführungsform das Aufnahmeblindkupplungsteil mit dem Einsteckelement verbunden wird, übt Wasser und/oder Luft in der Aufnahmekammer Druck gegen das Tellerventil 60 aus, um das Tellerventil in die offene Position zu zwängen, damit dieses in die Wasserverdrängungsexpansionskammer eintreten kann.
Immer noch Bezug nehmend auf Fig. 2, ist der Kolben 50 in den zweiten Abschnitt 57 der Wasserverdrängungsexpansionskammer verschieblich. Die Feder 54 zwängt die vordere Stirnfläche 51 des Kolbens in Richtung auf die Schulter 59. Der Kolben bewegt sich gegenüber der Zylinderwand 57 gleitend und hat eine Ringdichtung 53, um gegenüber der Wand abzudichten. Die Feder ist durch den Kragen 55 in der Nähe des zweiten Endes 43 des Blindkupplungsteils verankert. Meereswasser, welches durch die Bohrung 56 in den Kragen 55 eintritt, wirkt gegen die rückwärtige Stirnfläche 52 des Kolbens, bis der Druck auf jeder Seite des Kolbens ausbalanciert ist.
Obwohl Änderungen der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung nicht alle Vorteile der Erfindung realisieren, können bei verschiedenen Anwendungen der Vorrichtung gewisse Merkmale wichtiger als andere werden. Die Erfindung ist demgemäß nur durch den Schutzumfang der anhängenden Patentansprüche begrenzt.

Claims

1. Hydraulisches Unterwasser-Blindkupplungsteil mit:

a) einer Aufnahmekammer, die so dimensioniert ist, dass sie ein gegenüber liegendes Kupplungselement aufnehmen kann, wobei die Aufnahmekammer mit einer Wasserverdrängungsexpansionskammer verbunden ist, die ein Innenvolumen hat, welches größer als die Aufnahmekammer ist; und

b) einem Kolben, der in der Wasserverdrängungsexpansionskammer positioniert ist, wobei der Kolben eine vordere Stirnfläche und eine rückwärtige Stirnfläche hat, der Kolben in Antwort auf den Druck, welcher auf die vordere Stirnfläche und die rückwärtige Stirnfläche wirkt, verschiebbar ist, um zu ermöglichen, dass sich Wasser und/oder Luft zwischen der Aufnahmekammer und der Wasserverdrängungsexpansionskammer bewegen kann.

2. Hydraulisches Unterwasser-Blindkupplungsteil nach Anspruch 1, wobei die Wasserverdrängungsexpansionskammer einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt hat, wobei der erste Abschnitt einen kleineren Durchmesser als der zweite Abschnitt hat.

3. Hydraulisches Unterwasser-Blindkupplungsteil nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Feder, die so gestaltet ist, dass sie auf die rückwärtige Stirnfläche des Kolbens einen Druck ausübt.

4. Hydraulisches Unterwasser-Blindkupplungsteil nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Gleitdichtung zwischen dem Kolben und der Wasserverdrängungsexpansionskammer.

5. Hydraulisches Unterwasser-Blindkupplungsteil nach Anspruch 1, weiterhin mit einem normalerweise geschlossenen Tellerventil in der Wasserverdrängungsexpansionskammer, wobei das Tellerventil in der geschlossenen Position verhindert, dass Wasser und/oder Luft zwischen der Aufnahmekammer und der Wasserverdrängungsexpansionskammer sich bewegt, wobei das Tellerventil in Antwort auf den auf dieses wirkenden Wasser- und/oder Luftdruck zu öffnen ist.

6. Hydraulisches Unterwasser-Blindkupplungsteil mit einem Körper mit einer stufenförmigen Innenbohrung, die sich durch diesen von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende erstreckt, wobei die Bohrung eine Aufnahmekammer in der Nähe des ersten Endes und eine Wasserverdrängungsexpansionskammer in der Nähe des zweiten Endes hat, wobei in der Wasserverdrängungsexpansionskammer ein Kolben verschiebbar ist, und der Kolben eine vordere Stirnfläche hat, die dem ersten Ende der Bohrung zugewandt ist, und eine rückwärtige Stirnfläche hat, die dem zweiten Ende der Bohrung zugewandt ist, wobei der Kolben in Antwort auf Wasser- und/oder Luftdruck, welcher auf die vordere Stirnfläche und die rückwärtige Stirnfläche desselben wirkt, gleiten kann, um zu ermöglichen, dass Wasser und/oder Luft aus der Aufnahmekammer in die Wasserverdrängungsexpansionskammer eintritt oder aus dieser austritt.