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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Stopfen mit einem Hauptkörper, einer
Klemmeinrichtung und einer Dichteinrichtung zum Verschließen einer Pipeline,
und einer Betätigungseinrichtung
zum Betätigen
der Klemm- und der Dichteinrichtung. Der Stopfen kann in einer Pipeline
mit einem variierenden Durchmesser festgelegt werden.
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Es
besteht ein allgemeiner Bedarf nach der Fähigkeit, einen Teil einer Pipeline
zu verschließen, um
Reparatur- oder Wartungsarbeiten durchzuführen, unterschiedliche Ausrüstungsgegenstände in der
Pipeline hinzuzufügen
oder zu entfernen, Abzweigungen herzustellen, oder die Pipeline
allgemein zu sperren. Bei der Pipeline kann es sich um eine Pipeline
für jegliche
Art von Fluiden handeln, wie beispielsweise eine Pipeline für Kohlenwasserstoff-Fluide
oder eine Wasserleitung. Herkömmlicherweise sind
Pipelines so entworfen, dass sie in bestimmten Abständen im
Verlauf der Pipeline Ventile enthalten, um über die Fähigkeit zu verfügen, Teile
davon stillzulegen. Bei Pipelines, die sich auf großen Wassertiefen
befinden, und bei Langstrecken-Pipelines sind vorinstallierte Ventile
jedoch nicht sehr günstig;
zuerst einmal müssen
sie vor Ort aktiviert werden, und wenn ein Ventil über mehrere
Jahre hinweg nicht verwendet wurde, besteht die Möglichkeit,
dass das Ventil nicht mehr verwendet werden kann. Ein weiterer Problempunkt
ist es, dass das Vorhandensein von Ventilen in bestimmten Abständen in
einer Pipeline nicht nur die Kosten der Pipeline, sondern zusätzlich auch
den Druckverlust in der Pipeline erhöht. An Stelle der Verwendung
solcher Ventile vor Ort können entfernbare
Stopfen verwendet werden, die in die Pipeline eingesetzt werden,
an die erforderliche Position verbracht werden, in der Pipeline
festgelegt werden, um sie zu verschließen, damit die erforderlichen
Aufgaben durchgeführt
werden können,
und danach wieder entfernt werden. Diese Stopfen können auf
geeignete Weise fernbetätigt
werden, um Probleme mit Versorgungs- und Steuerleitungen zu vermeiden.
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In
einer Situation, in der eine Gas-/Öl-Pipeline abgesperrt werden
soll, ist es von höchster
Wichtigkeit, dass der Stopfen auf einfache und zuverlässige Weise
konfiguriert ist, damit während
eines Arbeitsvorgangs keine unvorhergesehenen Probleme entstehen.
Jede unnötige
Ausfallzeit ist kostspielig.
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Ein
Stopfen, der Pipelines verschließen soll, muss auch so konfiguriert
sein, dass er Biegungen und andere Behinderungen in der Pipeline
passieren kann, und gleichzeitig in der Lage sein, gegen einen Innendurchmesser
der Pipeline abzudichten. Dieser Innendurchmesser einer Pipeline
kann im Verlauf der Pipeline stark variieren, und die Behinderungen
in Form von Ventilen und anderen Ausrüstungsgegenständen können einen
viel kleineren Innendurchmesser als der Rest der Pipeline aufweisen,
wodurch Einschränkungen
für den
Außendurchmesser
des Stopfens entstehen. Bei fernbetätigten Stopfen, die sich über mehrere
Kilometer fortbewegen können,
bevor sie festgelegt werden, ist es das Wichtigste, über einen
Stopfen zu verfügen,
der alle schwierigen Positionen in der Pipeline während seiner
Fortbewegung passiert, wobei zusätzlich
zu diesen vorstehend Erwähnten
beispielsweise auch noch Korrosion, Ansammlungen von Rückständen in
der Pipeline usw. kommen können.
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All
dies ergibt einen Bedarf nach einem Stopfen, der in einer nicht
festgelegten Position einen kleinstmöglichen Außendurchmesser, einen so genannten "festen (hard) Außendurchmesser", aufweist, und der
gleichzeitig in einer festgelegten Position einen größtmöglichen
Außendurchmesser
besitzt. Um Biegungen durchfahren zu können, ist es auch wichtig,
die Länge
des Stopfens so kurz wie möglich
zu halten. Eine solche Konfiguration ist am Besten geeignet, da
der Stopfen dann einen großen Einsatzbereich
besitzt.
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Ein
weiterer Problempunkt besteht in vorübergehend festzulegenden Stopfen,
die nach ihrer Verwendung in einer Pipeline entfernt und daraufhin in
einer anderen Pipeline verwendet werden sollen. Die Möglichkeit,
den Außendurchmesser
für eine Festlegungsposition
zu variieren, wäre
günstig,
da ein Stopfen dann in einem größeren Bereich
von Abmessungen für
Innendurchmesser von Pipelines verwendet werden kann.
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Diese
Punkte sind von besonderer Bedeutung für die Klemmeinrichtung, die üblicherweise
feste Elemente zum Festklemmen an der Wand der Pipeline und Halten
des Stopfens in seiner Position aufweist, bis die Dichteinrichtung
die Position abgedichtet hat und der Druck auf einer Seite des Stopfens
freigegeben wird, um einen Differentialdruck über den Stopfen für eine selbsttätige Verriegelung des
Stopfens in der Pipeline aufzubauen.
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In
der
norwegischen Patentschrift
316740 ist eine Lösung
beschrieben, um eine Klemmeinrichtung des Stopfens von einem vergleichsweise
kleinen Außendurchmesser
in einer nicht festgelegten Position zu einem vergleichsweise größeren Außendurchmesser
in einer festgelegten Position des Stopfens zu verschieben, während die
Länge des
Stopfens gleich gehalten wird. Die Klemmeinrichtung hat die Form
von Gleitvorrichtungen, die um den Umfang eines Hauptkörpers des
Stopfens angeordnet sind und von einer Betätigungseinrichtung entlang
einer schrägen
Oberfläche
aus einer zurückgezogenen Position
in eine festgelegte Position bewegt werden. Die Betätigungseinrichtung
besitzt die Form eines mittig angeordneten Hydraulikzylinders. Die
Gleitvorrichtungen sind als so genannte "Springer-Gleitvorrichtungen" ausgebildet, indem
sie in einer anfänglichen
Bewegung aus der zurückgezogenen,
nicht festgelegten Position entlang einer ersten Oberfläche mit
einem ersten Winkel und danach entlang einer zweiten Oberfläche mit
einem anderen Winkel bewegt werden, wobei die erste Oberfläche die
Gleitvorrichtungen vergleichsweise schneller in einer radialen Richtung
nach außen
verschiebt als die zweite Oberfläche.
Ein Problem bei dieser Lösung
ist es, dass die Gleitvorrichtungen nicht gegen eine Innenwand einer
Pipeline festgelegt werden können,
so lange die Gleitvorrichtungen entlang der ersten Oberfläche mit
dem größeren Winkel
bewegt werden, da der Winkel für
den Zweck einer selbsttätigen
Verriegelung der Gleitvorrichtungen zu groß ist.
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In
der
GB 2 286 868 ist
eine Lösung
zum Verriegeln von Gleitvorrichtungen in einer festgelegten Position
eines Stopfens beschrieben. Diese Lösung nutzt den Druck in dem
Pipeline-Fluid, um auf einen kleinen Teil der schrägen bzw.
geneigten Oberfläche Druck
auszuüben
und so die Gleitvorrichtungen ein wenig weiter in einer radialen
Richtung zu verschieben. Dies ergibt jedoch keine erweiterte Verwendung für den Stopfen,
da es sich hierbei lediglich um ein Verriegelungssystem handelt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stopfen zur Verfügung zu
stellen, der eine Lösung
dafür zur
Verfügung
stellt, die Klemmeinrichtung des Stopfens von einem kleinen Außendurchmesser
in einer nicht festgelegten Position auf einen relativ großen Außendurchmesser
in einer festgelegten Position zu verschieben, und gleichzeitig die
Länge des
Stopfens nicht zu vergrößern.
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Es
ist auch eine Aufgabe, einen Stopfen zur Verfügung zu stellen, der mit einer
großen
Variation von Außendurchmessern
festgelegt werden kann.
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Wieder
eine andere Aufgabe ist es, einen Stopfen zur Verfügung zu
stellen, der in einer beliebigen Position der Klemmeinrichtung während deren relativen
axialen Bewegung zum Erzielen einer radialen Verschiebung festgelegt
werden kann.
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Es
ist auch eine Aufgabe, einen Stopfen zur Verfügung zu stellen, der eine geringe
Anzahl von Teilen aufweist und der zuverlässig, einfach zu warten, und
einfach zu reparieren ist.
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Eine
weitere Aufgabe ist es, einen Stopfen mit großen Variationen des Außendurchmessers
in einer festgelegten Position zur Verfügung zu stellen, während gleichzeitig
ein niedriger Differentialdruck über
den Stopfen für
eine selbsttätige
Verriegelung beibehalten wird.
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Diese
Aufgaben werden mit einem erfindungsgemäßen Stopfen gemäß der Definition
in den beigefügten
nebengeordneten Ansprüchen
gelöst; bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung an einem Stopfen bzw.
einen Stopfen zum Verschließen
oder Absperren einer Pipeline. Der Stopfen weist einen Hauptkörper, eine
Dichteinrichtung und eine Klemmeinrichtung, die umfangsmäßig um den
Hauptkörper
angeordnet sind, und eine Betätigungseinrichtung
zum Betätigen
der Dichteinrichtung und der Klemmeinrichtung aus einer zurückgezogenen
Position in eine ausgefahrene Position zum Festklemmen und Abdichten
gegen eine Innenwand der Pipeline auf. Der Stopfen weist auch andere
Ausrüstungen
zum Betätigen
des Stopfens wie beispielsweise ein fernbetätigbares Steuersystem, gegebenenfalls
Fluidzuführungen,
Rad- oder Führungsanordnungen,
Elemente zum Molchen (pigging) des Stopfens in einer Pipeline usw.
auf. Diese Elemente sind jedoch keine wesentlichen Teile der vorliegenden
Erfindung und werden daher nicht ausführlicher erläutert. Ein
Fachmann kennt diese Elemente und ist auch in der Lage, sie auszuwählen. Die
Betätigungseinrichtung
kann mehrere Konfigurationen aufweisen: es kann sich um einen Motor
zum mechanischen Betreiben der Klemmeinrichtung handeln, es kann
sich um eine Exzenteranordnung handeln, die von einem Motor oder
einer entweder mit Gas oder hydraulisch betriebenen Fluidzylinderanordnung
betrieben wird. Es können
ein mittig angeordneter Hydraulikzylinder oder auch mehrere vorhanden
sein, oder einer zum Betreiben der Klemmeinrichtung und einer zum
Betreiben der Dichteinrichtung. Es dürfte verständlich sein, dass mehrere Betätigungseinrichtungen
vorstellbar sind, die mit der vorliegenden Erfindung funktionieren
können.
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Gemäß der Erfindung
weist die Klemmeinrichtung mindestens ein Gleitelement auf mit einer Außenfläche für einen
Kontakt gegen die innere Rohrwand und einer inneren Gleitfläche, die
in Anlage gegen eine erste schräge
Führungsfläche angeordnet
ist und mit einer Mittelachse des Stopfens einen Winkel α bildet.
Wenn die Klemmeinrichtung aus einer zurückgezogenen Position betätigt wird,
werden die Gleitelemente relativ zu der Führungsfläche bewegt und dadurch zum
Verankern des Stopfens in einer radialen Richtung bewegt. Gemäß der Erfindung
wird außerdem
die Führungsfläche, und
zwar die gesamte Führungsfläche, in
einer radialen Richtung relativ zu der Mittelachse des Stopfens
bewegt.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ist die erste Führungsfläche an der Außenfläche von mindestens
einem ersten Keilelement angeordnet, wobei dieses erste Keilelement
eine zweite Innenfläche
aufweist, die gegen eine zweite Führungsfläche anliegt, wobei die zweite
Innenfläche
mit einem Winkel β bezogen
auf die Mittelachse des Stopfens ausgebildet ist.
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Bevorzugt
wird die zweite Führungsfläche von
mindestens einem zweiten Keilelement mit einer dritten Innenfläche gebildet,
die im Wesentlichen parallel zur Mittelachse ist und gegen eine
Hauptkörperfläche anliegt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des
ersten Aspektes der Erfindung bilden die erste Führungsfläche und die zweite Innenfläche des
Keilelementes in einem Querschnitt in der Längsrichtung des Stopfens einen
spitzen Winkel δ,
wobei die offene Seite des Winkels δ gegen eine Hochdruckseite des
Stopfens hin weist, wenn der Stopfen festgelegt ist. Bevorzugt sind
der von der ersten Führungsfläche und
der Mittelachse des Stopfens gebildete Winkel α und der von der zweiten Führungsfläche und
der Mittelachse gebildete Winkel β im
Wesentlichen gleiche Winkel, die jedoch in entgegengesetzte Richtungen der
Mittelachse des Stopfens weisen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung sind die zweite Führungsfläche des zweiten Keilelementes
und die zweite Innenfläche
des ersten Keilelementes und/oder die dritte Innenfläche des
zweiten Keilelementes und die Hauptkörperfläche mit mindestens zwei Teilen
mit unterschiedlichen Winkeln in Bezug auf die Mittelachse ausgebildet,
so dass sie eine Abstufungsfunktion bilden.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der Erfindung kann mindestens ein Einschubelement
zwischen den Hauptkörper
und ein Keilelement eingeführt
sein. Das Keilelement und die Einschubelemente sind mit entsprechenden
Oberflächen
ausgebildet, die bei einer Ausführungsform
mindestens zwei Teile mit unterschiedlichen Winkeln in Bezug auf
die Mittelachse aufweisen können,
um das Einschubelement zwischen das Keilelement und den Hauptkörper bewegen
zu können.
Es ist möglich,
nur eines oder alle der Einschubelemente entsprechend dem Innendurchmesser
der betreffenden Pipeline am Festlegungsort zu wählen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des Stopfens weist dieser zwei Hauptabschnitte auf, einen Hochdruckabschnitt
und einen Niederdruckabschnitt, die von der Betätigungseinrichtung mit der Form
eines Haupthydraulikzylinders relativ zueinander bewegt werden,
um die Klemmeinrichtung festzulegen. Der Hochdruckabschnitt umfasst
den Zylinderraum des Hydraulikzylinders, und der Niederdruckabschnitt
ist mit der Kolbenstange und dem Kolbenkopf des Hydraulikzylinders
verbunden. Der Niederdruckabschnitt weist ein Plattenelement auf,
das gegen einen Teil des Gleitelementes anliegt und das Gleitelement
in Bezug auf die erste Führungsfläche bewegt.
Das Plattenelement liegt bei einer Ausführungsform auch gegen einen
Teil des zweiten Keilelementes an. Das zweite Keilelement kann auf
unterschiedliche Weisen bewegt werden, wie im Nachfolgenden erläutert ist.
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Gemäß einem
vierten Aspekt der Erfindung wird das zweite Keilelement oder das
gegen die Hauptkörperfläche anliegende
Keilelement von einem zweiten Hydraulikzylinder relativ zur Hauptkörperfläche bewegt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist der zweite Hydraulikzylinder ein ringförmiger Zylinder, der mit dem
Haupthydraulikzylinder in Verbindung steht. Der zweite Hydraulikzylinder
kann auch eine eigene, unabhängige
Fluidzufuhr besitzen.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Festlegen eines Stopfens.
Das Verfahren umfasst das Einsetzen des Stopfens in die Pipeline,
das Hinführen
des Stopfens zu der Festlegungsposition, nach dem Erreichen der
Festlegungsposition das Aktivieren des Festlegungsvorgangs durch
Bewegen der Führungsfläche in einer
radialen Richtung, und das Bewegen der Gleitvorrichtungen relativ
zu der Führungsfläche.
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Gemäß einem
anderen Aspekt des Verfahrens umfasst dieses das Bewegen der Führungsfläche in einer
radialen Richtung, bevor die Gleitvorrichtungen relativ zu der Führungsfläche bewegt
werden.
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Die
Erfindung wird nun anhand einer detaillierten Beschreibung mehrerer
Ausführungsformen der
Erfindung und unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, wobei:
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1 einen
Querschnitt durch die Hauptbestandteile eines Stopfens gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung in einer nicht festgelegten Position in einer Pipeline
darstellt,
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2 einen
Querschnitt der Ausführungsform
von 1 in einer festgelegten Position des Stopfens
darstellt,
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3 eine
perspektivische Zeichnung von Einzelheiten im Zusammenhang mit der
Klemmeinrichtung der Ausführungsform
von 1 zeigt,
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4A und 4B Querschnitte
von Einzelheiten einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in
einer festgelegten und einer nicht festgelegten Position zeigen,
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5 Sequenzen
des Vorgangs zum Festlegen einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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6 einen
Querschnitt einer vierten Ausführungsform
darstellt, und
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7 ein
Detail einer fünften
Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
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Aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
sind ähnliche
Bestandteile in den verschiedenen Ausführungsformen mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In 1 ist
ein Querschnitt durch die Hauptbestandteile eines Stopfens gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung in einer nicht festgelegten Position in einer Pipeline
gezeigt, und 2 stellt eine festgelegte Position
des Stopfens dar. Der Stopfen 2 ist in einer Pipeline 1 positioniert
und weist einen Hauptkörper 3 auf,
der im Wesentlichen zylindrisch ist. Um den Umfang des Hauptkörpers 3 sind eine Klemmeinrichtung 5 und
eine Dichteinrichtung 6 angeordnet, die sich in 1 in
einer nicht festgelegten Position befinden, weshalb der Außendurchmesser
des Stopfens gleich einem minimalen, festen Außendurchmesser für den Stopfen 2 ist.
Die Klemmeinrichtung und die Dichteinrichtung 5, 6 werden durch
Betätigen
der Betätigungseinrichtung 4,
die bei dieser Ausführungsform
einen mittig angeordneten Hydraulikzylinder aufweist, aus einer
nicht festgelegten Position in eine festgelegte Position betätigt. Der Hauptkörper 3 ist
in zwei Abschnitte unterteilt, nämlich
einen Hochdruckabschnitt 45 und einen Niederdruckabschnitt 46.
Der Hochdruckabschnitt 45 bildet in sich Zylinderräume 63, 64 des
Hydraulikzylinders. Eine Kolbenstange 62 und ein Kolbenkopf 61 befinden
sich in dem Raum, den sie unterteilen und der mit dem Niederdruckabschnitt 46 des
Hauptkörpers 3 verbunden
ist.
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Der
Niederdruckabschnitt 46 weist ferner eine Niederdruckplatte 48 auf,
deren Außendurchmesser
im Wesentlichen gleich dem festen Außendurchmesser des Stopfens
ist. Auf ähnliche
Weise weist der Hochdruckabschnitt 45 eine Hochdruckplatte 47 auf.
Während
des Festlegens des Stopfens 2 werden die Platten 47, 48 von
dem Hydraulikzylinder 4 relativ zueinander bewegt, wenn
dem Zylinderraum 64 Hydraulikfluid zugeführt wird,
wodurch der Kolbenkopf 61 relativ auf die Hochdruckplatte 47 hin bewegt
wird, wobei er den Zylinderraum 63 durchstreicht. Diese
Bewegung verursacht eine radial nach außen gerichtete Bewegung der
Klemmeinrichtung 5 und der Dichteinrichtung 6 in
Kontakt mit der Innenwand der Pipeline 1. Dies wird im
Nachfolgenden ausführlicher
erläutert.
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Die
Dichteinrichtung 6 mit der Form eines ringförmigen Dichtelementes
wird in Kontakt mit der Innenwand der Pipeline 1 geschoben,
und zwar durch eine radial nach außen gerichtete Verschiebungsbewegung
in Folge der Bewegung einer schrägen
Oberfläche
der Hochdruckplatte 47 und einer entgegengesetzt dazu schrägen Oberfläche des Hauptkörpers 3,
die von der Betätigungseinrichtung 4 aufeinander
zu bewegt werden. Hierzu wird auf die ebenfalls anhängige norwegische
Patentanmeldung 2005XXXX der gleichen Anmelderin verwiesen, auf die
hiermit zu Zwecken weiterer Erläuterungen
Bezug genommen wird.
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Die
Klemmeinrichtung 5 weist Gleitelemente 10 auf,
die um den Umfang des Hauptkörpers 3 angeordnet
sind. Um den Umfang ist eine Anzahl von Gleitvorrichtungen 10 angeordnet,
wobei diese Anzahl unter anderem von der Größe des Stopfens abhängt. Die
Gleitvorrichtungen 10 haben jeweils eine Außenfläche 11 für ein Zusammenwirken
mit der Innenwand der Pipeline 1. Die Außenfläche 11 kann Vorsprünge, Zähne, Rippen, eine
Beschichtung oder andere Einrichtungen zum Verstärken der Klemmwirkung der Gleitvorrichtungen
an der Innenwand der Pipeline 1 aufweisen. Die Gleitvorrichtungen
haben ferner eine innere Gleitfläche 12 für eine Bewegung der
Gleitvorrichtungen relativ zum Hauptkörper 3 des Stopfens
während
des Vorgangs zum Festlegen des Stopfens. Die innere Gleitfläche 12 ist
eine in Bezug auf die Mittelachse des Stopfens schräge Oberfläche. Ein
Querschnitt in der Längsrichtung
des Stopfens ergibt eine im Wesentlichen dreieckige Form der Gleitvorrichtungen,
wobei der größte radiale
Abstand zwischen der Außenfläche 11 und
der inneren Gleitfläche 12 in
der geringsten Entfernung zur Niederdruckplatte 48 vorliegt.
Die Gleitvorrichtungen 10 sind bei dieser Ausführungsform
mit der Niederdruckplatte 48 durch entsprechende T-förmige Nuten (nicht
gezeigt) in der Niederdruckplatte 48 und einer Stirnseite 13 der
Gleitvorrichtungen verbunden, welche die Außenfläche 11 mit der inneren
Gleitfläche 12 verbindet.
Die Stirnseite 13 und der entsprechende Teil der Niederdruckplatte 48 sind
mit einem kleinen Winkel in Bezug auf eine radiale Richtung ausgebildet.
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Die
Gleitfläche 12 der
Gleitvorrichtungen gleitet auf einer ersten Führungsfläche 21, die bei dieser
Ausführungsform
von einem ersten Keilelement 20 mit einer zweiten Innenfläche 22 gebildet wird.
Die erste Führungsfläche 21 und
die zweite Innenfläche 22 sind
jeweils in Bezug auf die Mittelachse des Stopfens schräge Oberflächen, wodurch
sich ein Querschnitt des ersten Keilelementes 20 in einer Längsrichtung
des Stopfens ergibt, bei dem der größte Abstand zwischen der ersten
Führungsfläche 21 und
der zweiten Innenfläche 22 in
der größten Entfernung
zur Niederdruckplatte 48 vorliegt, so dass dieses Ende
eine Stirnseite 25 bildet. Die Stirnseite 25 liegt
an einem Teil des Hauptkörpers 3 an.
Das erste Keilelement 20 ist ebenfalls mit dem Hauptkörper 3 verbunden,
beispielsweise durch T-förmige
entsprechende Nuten/Vorsprünge
in der Stirnseite 25 und der entsprechenden Oberfläche des
Hauptkörpers 3.
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Das
erste Keilelement 20 mit der zweiten Innenfläche 22 liegt
gegen ein zweites Keilelement 30 mit einer zweiten Führungsfläche 31 an.
Das zweite Keilelement 30 mit einer dritten Innenfläche 32 liegt gegen
eine Hauptkörperfläche 41 an,
die sich im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse des Stopfens erstreckt.
Das zweite Keilelement liegt bei dieser Ausführungsform ebenfalls gegen
die Niederdruckplatte 48 an.
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Diese
Oberflächen
bilden mehrere Winkel. Die erste Führungsfläche 21 und die zweite
Innenfläche 22 des
ersten Keilelementes 20 bilden einen Winkel δ, wobei die
offene Seite des Winkels auf die Hochdruckplatte 47 hinweist.
Die zweite Führungsfläche 31 bildet
einen Winkel β relativ
zu einer Mittelachse des Stopfens, und die erste Führungsfläche 21 bildet
einen Winkel α relativ
zu einer Mittelachse. Diese zwei Winkel α und β sind bei der gezeigten Ausführungsform
im Wesentlichen gleich, weisen jedoch in entgegengesetzte Richtungen
der Längsachse des
Stopfens.
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Wenn
der Stopfen nun unter Bezugnahme auf die 1 und 2 aus
einer nicht festgelegten Position (1) in eine
festgelegte Position (2) in der Pipeline betätigt wird,
bewegt der Hydraulikzylinder in Folge der Zufuhr von Hydraulikfluid
zu dem zweiten Raum 64 den Kolbenkopf 61 in den
Figuren von rechts nach links und verschiebt dadurch die zwei Platten 47, 48 aufeinander
zu. Die Niederdruckplatte 48 drückt somit die Gleitvorrichtungen 10 und auch
das zweite Keilelement 30 auf die Hochdruckplatte 47 hin,
oder anders ausgedrückt,
in einer axialen Richtung bezogen auf die Mittelachse und relativ zu
dem ersten Keilelement 20. Das zweite Keilelement 30 mit
seiner im Wesentlichen axialen Innenfläche 32 bewegt sich
in einer im Wesentlichen axialen Richtung. Das erste Keilelement 20 wird
von der zweiten Innenfläche 22 in
einer radialen Richtung nach außen
bewegt, wobei es relativ zu der schrägen zweiten Führungsfläche 31 des
zweiten Keilelementes 30 gleitet, während dieses zweite Keilelement 30 axial
bewegt wird. Die Gleitvorrichtungen 10 werden durch die
axiale Relativbewegung der ersten inneren Gleitfläche 12 bezogen
auf die erste Führungsfläche 21 des
ersten Keilelementes 20 radial nach außen bewegt. Da das erste Keilelement 20 mit
seiner ersten Führungsfläche 21 selbst
auch in einer radialen Richtung nach außen bewegt wird, bewegen sich
die Gleitvorrichtungen 10 durch dessen nach außen gerichtete,
relative axiale Bewegung in einer radialen Richtung, die gleich
der relativen Bewegung der Gleitvorrichtungen 10 bezogen
auf das erste Keilelement 20 ist, zusätzlich zu der relativen radialen
Bewegung des ersten Keilelementes 20 selbst. Diese relative
radiale Bewegung der Gleitvorrichtungen 10 ist gleich der
relativen radialen Differenz zwischen einem imaginären Anfangs-
und Endpunkt der relativen Bewegung, die sowohl an der ersten als
auch der zweiten Führungsfläche 21, 31 durchgeführt wird. Die
Orientierung der beiden Führungsflächen 21, 31 ermöglicht ein
Verriegeln der Gleitvorrichtungen 10 an einer beliebigen
Stelle entlang ihrer Bewegung relativ zu der ersten Führungsfläche 21.
Hierdurch erhält
man eine doppelte radiale Bewegung der Gleitvorrichtungen 10 mit
der gleichen axialen Bewegung der Hoch- und Niederdruckplatte 47, 48 in
Bezug aufeinander, mit anderen Worten mit der gleichen Länge des
Hubs des Kolbenkopfes 61 des Hydraulikzylinders. Dies bedeutet
eine größere radiale
Bewegung bei einer gleichen Länge
des Stopfens.
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Einzelheiten
dieser Ausführungsform
sind auch in 3 gezeigt, in der eine perspektivische Querschnittansicht
eines Teils des Hauptkörpers 3 mit
der Körperoberfläche 41,
des zweiten Keilelementes 30, mehrerer erster Keilelemente 20 und zweier
Gleitelemente 10 gegeben wird. Gleitelemente 10 sind
um den gesamten Umfang des Körpers 3 angeordnet. 3 zeigt
die Elemente 10, 20, 30 in einer zurückgezogenen
Position der Gleitelemente 10. Wie dort zu sehen ist, besitzt
das zweite Keilelement 30 die Form eines Ringelementes,
dessen dritte Innenfläche 32 gegen
die Körperoberfläche 41 anliegt.
Das zweite Keilelement 30 ist als ein Ring ausgebildet,
da das Element nur in einer im Wesentlichen axialen Richtung bewegt
wird und nicht in einer radialen Richtung bewegt wird. Die dritte
Innenfläche 32 ist
mit Reihen von Vorsprüngen 34 wie
etwa Rippen oder Zähnen
für ein
Verkrallen mit der Körperoberfläche 41 ausgebildet,
die mit entsprechenden Vorsprüngen,
Rippen oder Zähnen
ausgebildet sein kann, wenn sich der Stopfen in einer festgelegten
Position befindet. Das zweite Keilelement 30 ist auch mit
einer Hinterschneidungsfläche 33 ausgebildet, um
den Gleitvorrichtungen 10 in einer zurückgezogenen Position Platz
zu verschaffen, und mehreren Schlitzen 35 in einer im Wesentlichen
axialen Richtung, die sich von einem Ende des Ringes und bis zu einem
Abstand von dem anderen Ende des Ringes erstrecken, beispielsweise
um Gewicht einzusparen und eine gewisse Flexibilität in dem
zweiten Keilelement 30 zu erhalten, da dieses in einer
festgelegten Position gegen den Hauptkörper gedrückt werden soll, während es
in einer Situation ohne Festlegung entlang des Hauptkörpers 3 bewegt
werden soll.
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Der
Hauptkörper 3 ist
mit der Körperoberfläche 41 und
auch mit einem Körperflansch 44 für die Anlage
gegen die Stirnseite 25 des ersten Keilelementes 20 ausgebildet.
Das erste Keilelement 20 besteht aus mehreren separaten,
um den Umfang des Hauptkörpers 3 angeordneten
Einzelteilen. Das erste Keilelement 20 hat die Form von
Einzelteilen, damit es in einer radialen Richtung bewegt werden
kann, und diese sind, wie vorstehend bereits erwähnt wurde, mit dem Körperflansch 44 durch
im Wesentlichen radiale T-förmige entsprechende
Nut- und Feder-Systeme (nicht gezeigt) verbunden, wobei diese Systeme
auch die Bewegung auf dem ersten Keilelement 20 in einer
radialen Richtung einschränken
können,
um eine Fehlfunktion zu verhindern.
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In
Anlage um das erste Keilelement 20 sind zwei keilförmige Gleitelemente 10 gezeigt,
jedoch sind Gleitelemente um den gesamten Umfang des Hauptkörpers angeordnet.
Die Gleitelemente 10 haben Vorsprünge 14 in ihrer Außenfläche 11 für ein besseres
Verklemmen mit der Innenwand der Pipeline. Die Gleitelemente, die
alternativ als Gleitvorrichtungen 10 bezeichnet werden,
können
beispielsweise T-förmige
Nut- und Feder-Systeme sein, die mit der Niederdruckplatte 48 verbunden
sind, siehe 1 und 2.
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In 4A und 4B sind
Einzelheiten einer anderen Ausführungsform
der Erfindung in einer nicht festgelegten Position in 4A und
einer festgelegten Position in 4B gezeigt.
Diese Ausführungsform
weist auch Gleitvorrichtungen 10, ein erstes Keilelement 20 und
ein zweites Keilelement 30 auf, wobei das zweite Keilelement 30 entlang
einer im Wesentlichen axialen Körperoberfläche 41 bewegt wird.
Die Gleitvorrichtungen 10 werden wie bei der vorherigen
Ausführungsform
durch die Bewegung des Kolbenkopfes 61 und der Niederdruckplatte 48 (nicht
gezeigt) bewegt. Der Unterschied liegt bei dieser Ausführungsform
in dem zusätzlichen
zweiten Hydraulikzylinder 67 mit der Form eines ringförmigen Hydraulikzylinders,
wobei eine Fluidleitung 48 von dem Haupthydraulikzylinder 60 aus
verläuft,
um dem zweiten Hydraulikzylinder 67 Fluid zuzuführen. Der zweite
Hydraulikzylinder kann das zweite Keilelement 30 in einer
anfänglichen
axialen Bewegung separat bewegen, bevor die Gleitvorrichtungen 10 bezogen
auf das erste Keilelement 20 bewegt werden.
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In 5 sind
drei Abbildungen von Einzelheiten einer dritten Ausführungsform
in drei Positionen während
eines Festlegungsvorgang gezeigt, und zwar von links nach rechts
in einer nicht festgelegten Position, einer mittleren Position und
einer festgelegten Position. Diese Ausführungsform ist den vorherigen
zwei Ausführungsformen
sehr ähnlich,
und hinsichtlich ähnlicher
Bestandteile wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen. Der
Unterschied hier liegt ebenfalls in dem zusätzlichen zweiten Hydraulikzylinder 67,
der eine Zylinderhülse 70 und
an einem Ende dieses Zylinderhülse 70 einen
Zylinderflansch 71 aufweist. Der Zylinderflansch 71 liegt
an einem Teil des zweiten Keilelementes 30 an oder ist mit
diesem verbunden. Wenn dem zweiten Hydraulikzylinder 67 Fluid
zugeführt
wird, das gemäß der Erläuterung
für 4 aus dem Raum des ersten Hydraulikzylinders
oder über
eine Röhre
oder ein Rohr von einer anderen Quelle stammen kann, wird die Zylinderhülse 70 relativ
zum Körper 3 bewegt
und bewegt dadurch auch das zweite Keilelement 30, ohne dass
die Gleitvorrichtungen 10 in einer axialen Richtung bewegt
werden, wie in der mittleren Darstellung von 5 gezeigt
ist. Sowohl das erste Keilelement 20 als auch die Gleitvorrichtungen 10 werden
hierdurch in einer radialen Richtung bewegt. Die Betätigung des
Kolbenkopfes 61 des Haupthydraulikzylinders bewegt die
Niederdruckplatte 48 relativ zum Körper 3 und bewegt
dadurch die Gleitvorrichtungen 10 in einer relativen axialen
Richtung, was wegen der schrägen
Führungsfläche des
ersten Keilelementes 20 gemäß der Darstellung in der rechten
Abbildung von 5 auch eine radiale Bewegung
der Gleitvorrichtungen 10 verursacht. Hierdurch wird, wie
schon vorstehend erläutert,
die doppelte radiale Bewegung der Gleitvorrichtungen erhalten.
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In 6 ist
eine vierte Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Der Stopfen weist wie bei den vorherigen
Ausführungsformen
einen Hauptkörper 3 mit einem
Hochdruckabschnitt mit einer Hochdruckplatte 47 und einen
Niederdruckabschnitt mit einer Niederdruckplatte 48 auf.
Mittig in dem Stopfen befindet sich ein Hydraulikzylinder, wie vorstehend
beschrieben ist. Es sind eine Dichteinrichtung 6 und eine
Klemmeinrichtung vorhanden, die von dem Hydraulikzylinder betätigt werden.
Die Klemmeinrichtung weist wie bei den vorherigen Ausführungsformen
Gleitvorrichtungen 10 auf, und ein erstes Keilelement 20 mit
einer ersten Führungsfläche 21,
die gegen eine erste innere Gleitfläche der Gleitvorrichtungen 10 anliegt.
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Das
erste Keilelement 20 hat bei dieser Ausführungsform
eine zweite Innenfläche 22,
die gegen eine Körperoberfläche 41 anliegt.
Die Körperoberfläche 41 und
die zweite Innenfläche 22 weisen
drei Oberflächenteile
mit unterschiedlichen Winkeln auf, die Körperoberfläche 41 mit dem ersten
Körperoberflächenteil 42,
dem zweiten Körperoberflächenteil 43 und
dem dritten Körperoberflächenteil 49,
wobei der erste Körperoberflächenteil 42 mit
einer Mittelachse des Stopfens einen größeren Winkel bildet als der zweite
und der dritte Körperoberflächenteil 43, 49. Auf ähnliche
Weise hat die zweite Innenfläche 22 einen
ersten Stufenoberflächenteil 23,
einen zweiten Stufenoberflächenteil 24 und
einen dritten Stufenoberflächenteil 26,
deren winkelmäßige Beziehungen ähnlich den
Winkelbeziehungen der Teile der Körperoberfläche 41 sind. Durch
diese Stufenform der Oberflächen 22, 41 wird
das erste Keilelement 20 während des Festlegungsvorgangs
in einem Teil seiner relativen axialen Bewegung durch die "Stufen" in einer radialen
Richtung nach außen
bewegt und bewegt somit auch die erste Führungsfläche 21 für die Gleitvorrichtungen 10 in
einer radialen Richtung nach außen,
wodurch es möglich
ist, die Gleitvorrichtungen 10 bei einem gleichen Hub des
Kolbenkopfes in einer radialen Richtung nach außen über eine größere Distanz zu bewegen.
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Eine
fünfte
Ausführungsform
der Erfindung ist in 7 gezeigt. Diese Ausführungsform
gibt eine andere Möglichkeit
des Bewegens der ersten Führungsfläche 21 nach
außen
in einer radialen Richtung an. Es ist dort mindestens ein Einschubelement 50 für das Einschieben
zwischen das erste Keilelement 20 und den Körper 3 angeordnet.
In der Figur sind drei Einschubelemente 50, 51, 52 gezeigt.
Die Einschubelemente 50, 51, 52 und das
erste Keilelement 20 sind mit entsprechenden Teilen 26, 27 und Öffnungen 53 mit
schrägen
Oberflächen
ausgebildet, um das Einschieben von nur einem oder allen der Einschubelemente
zu ermöglichen.
Es ist außerdem
ein Einschubsystem (nicht gezeigt) zum Bewegen des Einschubelementes
aus einer inaktiven in eine aktive Position vorhanden, sowie Anordnungen
in der Niederdruckplatte 48, um inaktive Einschubelemente beim
Festlegen des Stopfens nicht zu aktivieren. Mithilfe dieser Anordnung
ist es möglich,
ein oder mehrere Elemente zwischen das erste Keilelement 20 und
den Körper 3 einzuschieben,
je nach dem Innendurchmesser der Pipeline, in welcher der Stopfen festgelegt
werden soll. Das Einschieben der Einschubelemente 50, 51, 52 kann
am Festlegungsort fernbetätigt
stattfinden.
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Hiermit
wurden mehrere Anordnungen zum Verwirklichen der vorliegenden Erfindung
beschrieben, um die Führungsfläche für die Gleitvorrichtungen
während
des Festlegungsvorgangs in einer radialen Richtung zu bewegen. Es
können
andere Anordnungen ins Auge gefasst werden, die innerhalb des Schutzumfangs
der Erfindung gemäß der Definition in
den nachfolgenden Ansprüchen
liegen. Es können Anordnungen
mit Kombinationen der vorstehend beschriebenen Anordnungen vorhanden
sein. Die zweiten Keilelemente können
eine Abstufungsfunktion besitzen, es können vier Keilelemente zum
Erzielen einer vierfachen radialen Bewegung der Gleitvorrichtungen
vorhanden sein, es können
zwei oder mehr Haupthydraulikzylinder zum Betätigen der Dicht- und der Klemmeinrichtung
vorhanden sein, es können verschiedene
Hydraulikzylinder zum Betätigen
der Dicht- und der Klemmeinrichtung vorhanden sein, der Hydraulikzylinder
kann gasbetätigt
und nicht hydraulisch betätigt
sein. Die Dichteinrichtung kann eine jegliche geeignete Art von
Dichteinrichtung sein, der Stopfen kann kabelgeführt oder vorzugsweise fernbetätigt sein.
Der Stopfen kann Teil einer Stopfenkette sein.
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Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Stopfen (2) zum Verschließen einer
Pipeline (1), mit einem Hauptkörper (3), einer Dichteinrichtung
(6) und einer Klemmeinrichtung (5), die umfangsmäßig um den
Hauptkörper
(3) angeordnet sind, und einer Betätigungseinrichtung (4)
zum Betätigen
der Dicht- und der Klemmeinrichtung (5, 6), wobei
die Klemmeinrichtung (5) mindestens eine Gleitvorrichtung
(10) mit einer Außenfläche (11)
für den
Kontakt gegen die Rohrwand aufweist und eine innere Gleitfläche (12) aufweist,
die in Anlage gegen eine erste schräge Führungsfläche (21) angeordnet
ist und mit einer Mittelachse des Stopfens (2) einen Winkel
? bildet, so dass die Klemmeinrichtung (5) bei ihrer Betätigung relativ
zu der Führungsfläche (21)
bewegt wird, um die Gleitvorrichtungen (10) in einer radialen
Richtung zu bewegen, wobei die Führungsfläche (21)
außerdem
in einer radialen Richtung relativ zu der Mittelachse des Stopfens
(2) bewegt wird.