DE1675377C3

DE1675377C3 - Stopfbuchse

Info

Publication number: DE1675377C3
Application number: DE1675377A
Authority: DE
Inventors: John Hyde Fowler; David Paul Herd
Original assignee: McEvoy Oilfield Equipment Co
Current assignee: Smith International Inc
Priority date: 1967-01-03
Filing date: 1968-01-02
Publication date: 1979-09-20
Also published as: DE1725044C2; GB1183644A; DE1675377B2; NL6800049A; DE1675377A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stopfbuchse gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Stopfbuchse dieser Art (US-PS 28 917) findet beim Ari/iern.-ri der Stopfbuchse durch axiales Zuschrauben des Niederhalters zwischen dem Niederhalter und dem Druckring und/oder zwischen dem Druckring und dem daran anschließenden Dichtungsring eine gleitende Relativbewegung an Stirnflächen statt. Wegen der relativ hohen Axialkräfte an diesen Stirnflächen erreichen diese Reibungskräfte erhebliche Größenordnungen, so daß das Festziehen der Stopfbuchse erschwert ist Außerdem sind der Niederhalter und der Druckring lose aufeinanderliegende Teile, so daß das Einbringen der Stopfbuchse in den abzudichtenden Ringkanal aufwendig ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stopfbuchse zu schaffen, die sich auf einfachere Weise in die Arbeitsstellung bringen läßt

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Stopfbuchse erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gekennzeichnet

Die bei der erfindungsgemäßen Stopfbuchse in der Teleskopverbindung zwischen dem Niederhalter und dem Druckring vorgesehenen Wälzkörper vermindern die Reibung an dieser Stellung entscheidend, so daß die Stopfbuchse einfacher und mit genauer definierter Zusammenpreßkraft auf den Dichtungsring bzw. die Dichtungsringe festgezogen werden kann. Die Verbindung zwischen dem Niederhalter und dem Druckring ermöglicht es, diese beiden Teile auf einfache Weise gemeinsam in den abzudichtenden Ringkanal einzubringen.

Die erfindungsgemäße Stopfbuchse findet bevorzugt Anwendung zur Abdichtung gegen den Durchtritt von Flüssigkeiten, insbesondere im Bereich der Petroleum- und Ölindustrie, namentlich bei Unterwasserbohrungen, wo das Eindringen fremder Flüssigkeiten in das Bohrloch oder der Austritt von Flüssigkeiten aus dem Bohrloch verhindert werden soll. Insbesondere kann sich der abzudichtende Ringkanal zwischen einem Gehäuse und einem Gehäusekopf oder zwischen zwei Hängeköpfen in einem Unterwai-serbohrlochkopf befinden. Im allgemeinen ist der i'vingkanal von zwei konzentrischen Zylinderflächen gebildet.

Der Dichtungsring bzw. die Dichtungsringe können sich zwischen zwei Druckringen befinden. In Weiterbildung der Erfindung kann der axiale Minimalabstand zwischen dem Niederhalter und dem weiteren Druckring an der anderen Seite des Dichtungsringes bzw. der Dichtungsringe durch Anschläge festgelegt sein, um ein zu starkes Zusammenpressen des Dichtungsringes bzw. der Dichtungsringe zuverlässig zu vermeiden.

Vorzugsweise ist am Übergang vom Dichtungsring bzw. von den Dichtungsringen zum jeweiligen Druckring mindestens an einer Axialseite der Stopfbuchse am Dichtungsring eine Rinne mit im Querschnitt teilweise konvex gekrümmten Seiten und am Druckring ein Ringvorsprung mit konkav gekrümmten Seiten vorgesehen. Auf diese Weise kann mit relativ geringen Anpreßkräften eine hohe Dichtwirkung und Dichtsicherheit erreicht werden. Außerdem können die Dichtringe mit mehr Spiel zu den Wänden des Ringkanals ausgebildet werden, was das reibungsarme Einbringen in den abzudichtenden Ringkanal erleichtert. Die konvex gekrümmten Seiten der Rinne und/ode^r die konkav gekrümmten Seiten des Druckrings können im Querschnitt kreisbogeiiförmig gekrümmt sein. Ferner können zwischen den konvex gekrümmten Seitenbereichen der Rinne im Querschnitt axial verlaufende Rinnenbegrcn/ungen vorgesehen sein. Dichtungsringe mit einer stirnseitigen Rinne mit konvex gekrümmten Seiten und Drtickringc mit konkav gekrümmten Stirnseiten sind an sich aus der US PS

29 34 363 bekannt Die in der Zeichnung dieser Druckschrift dargestellten Krümmungen sind nicht exakt beschrieben, erscheinen jedoch zumindest bereichsweise kreisbogenähnlich. Stirnseitige Rinnen an Dichtringen mit zwischen den konvex gekrümmten Seitenbereichen axial verlaufenden Rinnenbegrenzungen sind an sich aus der US-PS 24 91 598 bekannt

Zur weiteren Förderung des leichten Einbringens der Stopfbuchse an die Dichtstelle kann der Dichtungsring mindestens an einem Axialende an seiner Außenseite und/oder an seiner Innenseite kegelstumpfförmig verjüngt sein. Ein leichtes Einbringen der Stopfbuchse kann in Weiterbildung der Erfindung weiterhin dadurch gefördert sein, daß der Druckring und der weitere Druckring durch Schrauben zusammengehalten sind, wobei zwischen den Schrauben und den Schraubenöffnungen im weiteren Druckring sowie denjenigen im Dichtungsring ein Spiel besteht. Die dem Dichtungsring zugewandte Axialseite des jeweiligen Druckrings kann um die Schraubenoffnungen konische Änsenkungen aufweisen, die mit Ringvorsprüngen des Dicntungsrings um die Schraubenöffnungen zusammenwirken.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden an Hand schematischer Darstellungen noch näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt durch eine zwischen zwei Hängeköpfen angebrachte Stopfbuchse;

F i g. 2 eine Einzelheit der Stopfbuchse /or ihrem Anziehen; und

Fig. 3 die Einzelheit gemäß Fig. 2 nach dem Anziehen der Stopfbuchse. Die in Fig. 1 dargestellte Stopfbuchse 10 mit einer ringförmigen Dichteinheit 40 ist in einem Ringraum zwischen ineinander gesteckten Hängerköpfen 2 und 4 in einem Unterwasserbohrlochkopf angeordnet. Der Hängerkopf 4 kann sich mit Knaggen 6 auf einer Schulter 8 an der Innenseite des Hängerkopfes 2 abstützen. Es kann auch eine andere Stützeinrichtung angewendet werden, die den Durchlaß von Flüssigkeit zu Zementierungszwecken zuläßt. Mit jedem der Hängerköpfe 2 und 4 kann ein nicht -»o gezeichnetes Rohr verbunden werden.

Außer der Dichteinheit 40 weist die Stopfbuchse 10 einen Niederhalter 20 auf, der als Hohlzylinder mit abwechselnden Zahnsegmenten 22 und Wandlängsnuten an seiner Außenseite ausgebildet ist, um mit ■*'> entsprechenden Reihen von Zahnsegmenten 5 und Wandlängsnuten an der !nnenseite des Hängerkopfes 2 zusammenzuwirken. Derartige Zahnsegmente 14 und Wandlängsnuten 16 sind auch an der Innenseite des Hängerkopfes 4 vorgesehen. Das Innere des Niederhai- "><> ters 20 ist mit Werkzeugnuten 23 und Umfangswerkzeugnuten 24 zur Herstellung einer /-Nut- oder Schlitzverbindunf mit einem Einsetzwerkzeug versehen. Mit dem Werkzeug verbunden kann die Stopfbuchse 10 in den Ringraum zwischen Hängerkopf 2 und 4 mit den Zahnsegmenten 22 in die Längsnuten des Hängekopfes 2 eingeführt werden. Der Niederhalter 20 wird dann gedreht, bis die Zahnsegmente 22 vollständig hinter die Zahnsegmente 5 an der Innenseite des Hängerkopfes 2 greifen. Eine derartige Verriegelung ' hai man auch bei Artilleriegeschützverschlüssen.

Der Niederhalter 20 ist mit der Dichteinheit 40 durch cmc Teleskopverbindung und ein Kugellager 12 verbunden, das in je einer halbkreisförmigen Nut irr. fN'ii.'tlerhaher 20 und in der Dichteinheil 40 untergebracht ist. Dadurch kan<i die Dichteinheit 40 stillstehen bleiben, wenn der Niederhalter 20 gedreht wird. Statt dieser Verbindung können auch andere gleichwirkende Verbindungen zwischen dem Niederhalter 20 und der Dichteinheit 40 zur Anwendung kommen. Da die Zahnsegmente 5 und eine Schulter 3 an der Innenseite des Hängerkopfes 2 einen vorbestimmten Abstand voneinander aufweisen, sind die auf die Dichteinheit 40 ausgeübten Dichtungskräfte ebenfalls vorbestimmt So können die erforderlichen Dichtungskräfte ohne Gefahr, daß sie übermäßig sind, ausgeübt werden, da übermäßige Dichtungskräfte Einengungen verursachen würden.

Die Dichteinheit 40 weist einen oberen Druckring 32, einen unteren Druckring 34, einen dazwischen liegenden elastischen Dichtungsring 38 und Verbindungsmittel in Form einer Mehrzahl von Deckelschrauben 36 auf, deren Köpfe in der Unterseite des unteren Druckringes 34 versenkt sind. Die zusammenwirkenden, gegenüberliegenden Oberflächen der Druckringe 32 bzw. 34 und des Dichtungsringes 38 werden weiter unten noch detaillierter erläutert. Jetzt sei ber-v'is beschrieben, daß beim Einsetzen der Stopfbuchse '0 der untere Druckring 34 sich auf die obere Fläche der Schulter 3 an der Innenseite des Hängerkopfes 2 legt Bei weiterer Abwärtsbewegung des oberen Druckringes 32 überträgt r'ieser Deformationskräfte auf den Dichtungsring 40, der sich fest und dichtend gegen die [nnenseite des Hängerkopfes 2 und gegen die Außenseite des Hängerkopfes 4 legt.

Die Gestaltung der Druckringe 32 and 34 sowie des Dichtungsringes 38 wird nunmehr im Zusammenhang mit F i g. 2 und 3 genauer beschrieben. Der Dichtungsring 38 befindet sich zwischen dem oberen Druckring 32 und dem unteren Druckring 34. Die Schraube 36 ist mit dem oberen Druckring 32 durch Gewinde 39 verbunden. Der Dichtungsring 38 und der untere Druckring 34 können auf der Schraube 36 gleiten. Manche Ausführungen erfordern keine Befestigungsmittel, so daß der Dichtungsring 38 einfach lose zwischen den D.Tickringen 32 und 34 liegen kann.

Vor der Deformation des Dichtungsringes 38 e; acheint der Dichtungsring 38 wie in F i g. 2 dargestellt. Die Oberflächen des Dichtungsringes 38 werden durch einen kreisbogenförmigen inneren Flanschteil 42 und einen kreisbogenförmigen äußeren Flanschteil 44 gebildet, die durch den dazwischen liegenden Körperoder Schaftteil 60 verbunden sind, der eine nach oben gerichtete und eine nach unten gerichtete kreisförmige Stirnfläche 62 bzw. 64 aufweist, die nur durch vorstehende innere Ringstege 66 bzw. 68 um die Schrauben 36 herum unterbrochen sind. Wenn keine Verbindungsmittel in Form der Schrauben 36 verwendet werden, können die Ringstege 66 bzw. 68 und die Lörher für die Schrauben 36 entfallen.

Die Oberfläche des äußeren Flanschteiles 44 hat zylindrische Forir. Die Oberfläche des inneren Flanschteiles 42 ist allgemein zylindrisch mit Ausnahme seiner oberen und unteren Ränder, an denen Kegelstumpfflächen 41 und 43 vorgesehen sind. Diese verhindern, ei:.' Bremsen oder 1 estklemmen des Dichtungsringes 38, wenn dieser zwischen die Hängerköpfe 2 und 4 eingesetzt wird oder herausgenommen werden soll. Dies ist besonders wichtig, wenn alle Komponenten des Bohrloches nicht vollkommen konzentrisch sind. Die inneren Lippenflächen der Flansche 42 und 44 verlaufen als Rotationsflächen um aie Mittellinie des Dichtungsringes 38 mit viertelkreisförmiger Querschnittsform, urn kreisförmige Rotationsflächen 50, 52, 54, 56 zu bilden, die durch zylindrische Flächenstiicke 51, 53, 55, 57 mit dem Körper 60 verbunden sind.

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Die unteren Ränder des oberen Druekringcs 32 und die oberen Ränder des unteren Druckringes 34 sind mil Rotationsflächen 70, 72, 74, 76 in Viertelkreis-Querschnittsform versehen, die mi· den Rotationsflächen 50, 52, 54, 56 am Dichtungsring 38 korrespondieren. Die ^r> Rotationsflächen 50, 52, 54, 56 sind durch ebene Stirnflächen 84, 86 verbunden, die nur durch kegelstumpfförmige Löcher für die Ringstege 66, 68 des Dichtungsringes 38 unterbrochen werden. Zwischen den ebenen Flächen 84, 86 der Druckringe 32, 34 und dem ι ο Dichtungsring 38 sind Ringhohlräume 61 und 63 freigelassen.

Beim Einbau der Stopfbuchse 10 wird diese in den Ringraum zwischen den Hängerköpfen 2 und 4 eingesetzt, die mit Rohrsträngen und einem Einstell- ι> werkzeug verbunden sind. Aufgrund der kegelstumpfringilanschc 42 und 44 aufgrund der Zusamrncnsvirkung der gegenüberliegenden ' )berflächen der Druckringe 32 und 34 und des Dichtungsringes 38 zuerst nach außen, wie durch die Pfeile V in \"\ g. 3 angedeutet. Dies bewirkt eine schnelle erste Abdichtung. Hei der weiteren Abwärtsbewegung des oberen Druckringes 32 wird der Dichtungsring 38 in den leeren Hohlraum zwischen dem Dichtungsring 38 und den Hängerköpfen 2 und 4 gepreßt, wodurch er an seinen beiden Oberflächen eine wirksame Abclichtung herstellt. Die Ringstege 66 und 68 werden in die Hohlräume der Senklöcher für die Schrauben 36 gepreßt und stellen auch hier eine Abdichtung her. Die Abwärtsbewegung des Druckringes 32 wird durch die untere Flanke des untersten Gewindeganges 7 (Fig. 1), die eine standige Begrenzungsschulter im Hängerkopf 2 bildet, auf ein

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das Einsetzen der Stopfbuchse 10 nur durch minimale Reibungshemmung geringfügig behindert. Die Stopfbuchse 10 wird soweit abwärts bewegt, bis der untere Druckring 34 sich auf die Schulter 3 des Hängerkopfes 2 legt.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, bleibt der untere Druckring 34 auf der Schulter 3 unbeweglich liegen, während der obere Druckring 32 durch das Gewicht des r> oben befesiigten Rohrstranges nach unten gedrückt wird, so daß er sich nach unten in Richtung des Pfeiles X bewegt. Dabei bewegen sich die Lippen der DichtungsuSuüit-ii v'uf i/csüiMttlio ividü ucgicitz-t. Uic ."siOptüüCnSc 10 wird so ohne das Auftreten übermäßiger Kräfte gesichert oder verriegelt. Durchgeführte Versuche haben ergeben, daß die Stopfbuchse etwa nur ein Viertel der bei üblichen Dichtungen vom Schulterabdichtungs typ erforderlichen Kompressionskraft benötigt.

Zur Abnahme der Stopfbuchse IO wird diese zuerst entriegelt. Der Dichtungsring 38 kehrt in seine undeformierte Lage zurück, wenn die Deformations kräfte r. üuziert werden. Die Stopfbuchse 10 kann dann mit einem Minimum an Reibungshemmkräften entfernt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichinincen

Claims

Patentansprüche:

1. Stopfbuchse für die Abdichtung eines Ringkanals, bei der ein von einem axial festlegbaren, drehbaren Niederhalter beaufschlagter Druckring vorgesehen ist, über den mindestens ein Dichtungsring gegen eine Anlagefläche preßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckring (32) mit dem Niederhalter (20) über eine Teleskopverbindung mit Wälzkörpern (12), die einerseits in einer Ringnut des Niederhalters (20) und andererseits in einer Ringnut des Druckringes (32) laufen, verbunden ist

2. Stopfbuchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Minimalabstand zwischen dem Niederhalter (20) und der von einem weiteren Druckring (34) gebildeten Anlagefläche durch Anschläge (3,7) festgelegt ist.

3. Stopfbuchse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dich- zu tungsring (38) mindestens an einer Axialseite in an sich bekannter Weise eine Rinne mit im Querschnitt teilweise konvex gekrümmten Seiten (50,52, 54,56) aufweist und daß die mit der Rinne des Dichtungsringes (38) zusammenwirkende Axialseite des jeweiligen Druckrings (32, 34) in an sich bekannter Weise im Querschnitt konkav gekrümmte Seiten (70,72,74, 76) aufweist.

4. Stopfbuchsen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, .dadurch gekennzeichnet, daß die konvex gekrümmten Seiten (50, 5°, 54, 56) der Rinne und/oder die konkav gekrümmten Seiten (70, 72, 74, 76) des Druckrings (J2, ^1) im Querschnitt kreisbogenförmig gekrümmt sind.

5. Stopfbuchsen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den konvex gekrümm ten Seitenbereichen (50,52,54, 56) der Rinne im Querschnitt axial verlaufende, an sich bekannte Rinnenbegren.zungen (5!, 53, 55, 57) vorgesehen sind.

6. Stopfbuchse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Dichtungsring (38) mindestens an einem Axialende an seiner Außenseite und/oder an seiner Innenseite kegelstumpffömiig (41,43) verjüngt.

7. Stopfbuchse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckring (32) und der weitere Druckring (34) durch Schrauben (36) zusammengehalten sind, wobei zwischen den Schrauben (36) und den Schraubenöffnungen im weiteren Druckring (34) sowie denjenigen im Dichtungsring (38) ein Spiel besteht.

8. Stopfbuchse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Dichtungsring (38) zugewandte Axialseite des jeweiligen Druckrings (32, 34) um ^v> die Schraubenöffnungen konische Ansenkungen aufweist, die mit Ringvorsprüngen (66, 68) des Dichtungsrings (38) um die Schraubenöffnungen zusammenwirken,