DE2600986A1

DE2600986A1 - Die endstuecke zweier rohrleitungen verbindendes kugelgelenk

Info

Publication number: DE2600986A1
Application number: DE19762600986
Authority: DE
Inventors: John Phin Oliver
Original assignee: Cameron Iron Works Inc
Current assignee: Cooper Industries LLC
Priority date: 1975-01-20
Filing date: 1976-01-13
Publication date: 1976-07-22
Also published as: NO150175C; JPS5924314B2; GB1529752A; US3977707A; NO760164L; FR2298051B1; MY7900183A; JPS5197014A; NO150175B; DE2600986C2; FR2298051A1

Description

CAMERON IRON WORKS, INC. HOUSTON, TEXAS
P. O. BOX 1212
V. St. A.

"Die Endstücke zweier Rohrleitungen verbindendes Kugelgelenk"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kugelgelenk der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Bauart, insbesondere auf ein Kugelgelenk dieser Art, bei welchem die beiden Rohrleitungen gegen axiale Verdrehung gesichert sind.

Kugelgelenke dieser Art werden in den Rohrstrang eingeschaltet, der von einer schwimmenden Bohrplattform abwärts zum Meeresgrund führt, wo sich der Bohrkopf befindet. Das Kugelgelenk ermöglicht es dann der schwimmenden Plattform, von der Lage genau über dem Bohrkopf abzudriften. Die Rohrleitung bildet also eine aufwärts gerichtete Verlängerung der von dem Bohrkopf ausgehenden Tiefbohrung und nimmt das Bohrgestänge auf, das von der schwimmenden Plattform abwärts bis in die Tiefbohrung reicht. Während des Bohrvorganges wird das Bohrloch durch eine Flüssigkeit ausgespült, die durch den hohlen Bohrstrang hindurch abwärts gefördert wird

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und dann durch den Zwischenraum zwischen dem Bohrgestänge und der dieses umgebenden, mit dem Gelenk versehenen Rohrleitung aufwärts fließt. Auf der Außenseite des mit dem Gelenk versehenen Rohrgestänges verlaufen zusätzliche Leitungen, z.B. die Choke-Leitung und die Kill-Leitung, die mit ihren unteren Enden am Bohrkopf angeschlossen sind. Damit diese Leitungen nicht verdreht werden, muß das Gelenk eine relative axiale Drehung der gelenkig verbundenen Rohrabschnitte verhindern.

Bei den üblichen Rohrgelenken dieser Art ist ein Rohrendstück mit einem Ansatz versehen, der eine mehrteilige kugelige Innenfläche aufweist und auf ein Gegenstück aufgebracht und dort festgeklemmt werden kann, das eine konvexe kugelige Lagerfläche am anderen Rohrendstück hat. Eine axiale Verdrehung der Endstücke wird dabei durch Stifte verhindert, während sich die Endstücke zueinander schräg stellen können. Die kugeligen Flächen werden aneinander durch einen oder mehrere Dichtungsringe abgedichtet, die von der einen Kugelfläche getragen werden und sich an die andere Kugelfläche anlegen. Auf diese Weise wird die Strömung abgedichtet durch das Kugelgelenk geleitet.

Da der Leitungsstrang 100 m oder länger sein kann, hat er ein hohes Gewicht, welches das Kugelgelenk belastet. Mangels eines Kräfteausgleichs würde das Gelenk nur schwer beweglich sein oder an seinen Lagerflächen Schaden erleiden, so daß am Gelenk ein Leck eintreten könnte. Frühere Versuche, die Belastung auszugleichen und dadurch eine leichte Verschwenkbarkeit und eine flüssigkeitsdichte Abdichtung des Gelenkes zu gewährleisten, haben zu einer verwickelten und teuren Bauart geführt. Selbst wenn der Leitungsstrang unter Zugspannung gesetzt wird, um dadurch die Belastung wesentlich zu verringern, werden die Lagerflächen doch durch eine Kraft

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belastet, die durch den Innendruck des Bohrschlammes bedingt ist. Denn dieser Innendruck sucht die gelenkig verbundenen Rohre zu trennen und kann höher sein als der Druck des umgebenden Wassers.

Beim Bohrvorgang unterliegen die Wandungen des durch das Gelenk verlaufenden Strömungsweges einem Verschleiß durch den Bohrstrang. Das trifft insbesondere dann zu, wenn die durch das Gelenk verbundenen Endestücke der Rohre sich relativ zueinander schräg stellen. Dann kommt es besonders darauf an, daß sich die am stärksten diesem Verschleiß unterworfenen Teile, die den Strömungsweg bilden, auswechseln lassen.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein die Endstücke der Leitungsrohre verbindendes Kugelgelenk zu schaffen, bei welchem das Gewicht des Rohrstranges nicht auf die Dichtungsflächen wirkt und die auf diese Flächen ausgeübten Innenbelastungen durch eine verhältnismäßig einfache und billige Bauart, insbesondere durch leicht auswechselbare Teile ausgeglichen werden. Auch soll die Fläche, an welcher der Dichtungsring des Kugelgelenks anliegt, gegen verschleißfördernde Teilchen geschützt werden, die sich in der durch das Gelenk geleiteten Flüssigkeit befinden.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen angegebenen Mittel gelöst. Die Endstücke der durch das Kugelgelenk verbundenen Rohre sind also durch eine Einrichtung gekuppelt, die es ihnen gestattet, sich zueinander schräg zu stellen, vorzugsweise ohne eine relative axiale Verdrehung. Diese Einrichtung besteht aus einem Kardanring, der mit zwei Armen des einen Endstücks um eine erste

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Achse und mit zwei Armen des anderen Endstücks um eine zweite Achse schwenkbar verbunden ist, wobei diese Achsen lotrecht zueinander in einer Ebene liegen, die sich lotrecht zu der gemeinsamen Achse der Endstücke erstreckt, wenn diese gleichachsig gerichtet sind.

Innerhalb des vom Kardanring und den an ihm angreifenden Armen umschlossenen Raum erstreckt sich eine an dem einen Endstück sitzende Buchse in eine am anderen Endstück sitzende Buchse hinein. Diese beiden Buchsen bilden den durch das Kugelgelenk hindurch verlaufenden Strömungsweg. Jede Buchse ist mit ihrem einen Ende an ihrem Endstück lösbar befestigt und abgedichtet. Mit ihrem anderen Ende ragt die eine Buchse in das Ende der anderen Buchse hinein und ist ihr gegenüber abgedichtet. Dabei hat die innere Buchse an ihrem Ende eine Kugelfläche, deren Mitte in der oben erwähnten Ebene liegt und mit den Kardanachsen zusammenfällt. Diese Kugelfläche ist in geringem Abstand von der Innenfläche der äußeren Buchse umgeben, so daß sich die beiden Endstücke mit den an ihnen sitzenden Buchsen schräg zueinander stellen können. Zwischen den beiden Buchsen befindet sich ein Dichtungsring, der die eine Fläche gegenüber der anderen abdichtet. Gleichgültig, ob der Leitungsstrang unter Druck oder Zug steht, so wird doch die durch das Gewicht bedingte Kraft von dem einen Leitungsendstück auf das andere durch den Kardanring, durch die mit ihm verbundenen Arme und durch die verbindenden Gelenkzapfen übertragen, wobei die übertragene Kraft von den gegeneinander abgedichteten Flächen der Buchsen ferngehalten wird.

Vorzugsweise sind die beiden Buchsen aneinander längs eines Durchmessers abgedichtet, der ebenso groß ist wie der Durchmesser, an dem jede Buchse an ihrem Endstück abgedichtet ist. Dadurch ist ein Kräfteausgleich erzielt, so daß ein

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etwaiger Druckunterschied zwischen dem Bohrschlamm im Inneren des Kugelgelenks und dem Wasserdruck auf der Außenseite des Kugelgelenks keine axialen Kräfte auf die Buchsen ausüben kann. Aus diesem Grunde werden auf die Anschlüsse der Buchsen an ihren Endstücken nur geringe Kräfte ausgeübt. Diese Anschlüsse können daher verhältnismäßig schwach und billig ausgeführt sein. Insbesondere kann die Innenfläche der äußeren Buchse, welche die kugelige Außenfläche der inneren Buchse umgibt, ungefähr zylindrisch gestaltet sein. In diesem Falle wird der Dichtungsring an dieser Innenfläche getragen und legt sich an die kugelige Außenfläche der inneren Buchse an. Der Dichtungsring befindet sich daher in der bereits erwähnten Ebene. Wenn die Buchsen verschlissen sind, dann können sie leicht ausgewechselt werden. Auch können sie mit einer verhältnismäßig großen Toleranz hinsichtlich ihrer Länge hergestellt werden. Die Schräglage der beiden Endstücke zueinander kann daher ein Höchstmaß erreichen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. In dieser zeigen

Fig. 1 eine teilweise im Längsschnitt ausgeführte Seitenansicht der beiden Endstücke zweier Rohre und des sie verbindenden Kugelgelenks, betrachtet in der Richtung der Pfeile 1 der

Fig. 3,

Fig. 2 eine andere teilweise im Längsschnitt ausgeführte Seitenansicht der Endstücke und des sie verbindenden Kugelgelenks, betrachtet in Richtung der Pfeile 2 der Fig. 3,

Fig. 3 den Querschnitt durch das Gelenk längs der Ebene 3-3 der Fig. 1 und

Fig. 4 den Bereich 4 der Fig. 2 für sich allein in größerem Maßstab herausgezeichnet.

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Das Kugelgelenk 10 dient dem Zweck, ein mit dem Endstück 11 versehenes Rohr und ein mit dem Endstück 12 versehenes Rohr miteinander allseitig schwenkbar zu kuppeln. Die beiden Rohre gehören zu einem Rohrstrang, der eine schwimmende Bohrplattform in dem am Meeresgrund befindlichen Bohrkopf verbindet, den Bohrstrang umgibt und im Zwischenraum den Bohrschlamm aufwärts leitet.

Die beiden Endstücke 11 und 12 sind in den Pig. I und in der Lage dargestellt, in der ihre Durchgangskanäle 13 und 14 axial zueinander ausgerichtet sind. Das nachstehend erläuterte Kugelgelenk ermöglicht es den beiden Endstücken und 12 indessen, sich derart schräg zueinanderzus teilen, daß die Achsen ihrer Durchgangskanäle 13 und 14 einen Winkel miteinander bilden und sich schneiden. Bei jeder gegenseitigen Stellung der Endstücke 12 und 13 bildet das Kugelgelenk jedoch eine verhältnismäßig glatte Fortsetzung des Strömungsweges, in das es eingeschaltet ist.

Die beiden Endstücke 11 und 12 sind nun durch einen Kardanring 15 und Arme 16 und 18 derart miteinander gekuppelt, daß sie sich um ihre Achsen nicht zueinander verdrehen können, aber sich schräg zueinander einzustellen vermögen. Die beiden Arme l6 sind an dem oberen Endstück befestigt und durch gleichachsige Gelenkzapfen 17 an gegenüberliegenden Stellen des Kardanringes 15 mit diesem verbunden. Das andere Endstück 12 ist mit den beiden Armen 18 ausgerüstet, die mit dem Kardanring 15.an einander gegenüberliegenden Stellen durch gleichachsige Gelenkzapfen 19 verbunden sind. Dabei verläuft die Achse der Gelenkzapfen rechtwinklig zur Achse der Gelenkzapfen 19» und beide Achsen liegen in einer Ebene, die lotrecht zur gemeinsamen Achse der beiden Endstücke 11 und 12 verläuft, wenn diese zueinander ausgerichtet sind.

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Wie die Arme an den Endstücken befestigt sind, ersieht man aus den Fig. 1 und 2: Die Endstücke haben Köpfe größeren Durchmessers mit je einer äußeren Ringnut 20 bzw. 21. In diese Ringnuten sind Innenflanschen 22 bzw. 23 der Arme l6 und 18 eingepaßt und bei 24 bzw. 25 angeschraubt. Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Lage der Endstücke ragen also die Arme l6 vom Endstück 11 abwärts und die Arme 18 vom Endstück 12 aufwärts und sind an ihren freien Enden mit je einer Bohrung versehen, in welche die äußeren Enden der Gelenkzapfen 17 und 19 eingepaßt sind, während die inneren Enden dieser Gelenkzapfen mit Preßsitz in den Bohrungen des Kardanringes 15 sitzen. Diese Gelenk- ^^QT)fen 17 und 19 sind im Längsschnitt T-förmig profiliert, und ihre äußeren Köpfe sind in den Bohrungen der Arme mit einer die Reibung und den Verschleiß mindernden Kunststoffschicht 26 belegt, vgl. Fig. 4.

Diese Kardanverbindung bildet also ein Universalgelenk, das von dem einen Endstück auf das andere starke, in Längsrichtung wirkende Kräfte übertragen kann. Um nun die Strömungskanäle 13 und 14 der beiden Endstücke miteinander zu verbinden, sind zwei ineinander greifende Buchsen 27 und vorgesehen, deren eine vom Endstück 11 abwärts und deren andere vom Endstück 12 aufwärts ragt. Diese beiden Buchsen sind innerhalb des Raumes angeordnet, der von dem Kardanring 15 und den vier Armen 16 und 18 umgeben ist. Die Buchse 27 greift also mit ihrem unteren Ende in das obere Ende der Buchse 28 ein. Jede der beiden Buchsen ist an ihrem Endstück flüssigkeitsdicht befestigt. Außerdem ist der Zwischenraum zwischen den beiden Buchsen durch einen Dichtungsring 34 verschlossen.

Die Anschlüsse der beiden Buchsen an ihren Endstücken stimmen miteinander überein. Zu diesem Zweck is t der Strömungs-

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kanal 13 bzw. lh am inneren Ende bei HA bzw. 12A erweitert, und diese Erweiterung nimmt das äußere Ende der Buchse bzw. 28 auf, so daß die Innenfläche der Buchse mit der Innenfläche des Strömungskanals 13 bzw. lh bündig liegt und daher der Strömungsweg durch die Buchse glatt verlängert wird. Zwischen der zylindrischen Innenfläche der Erweiterung des Strömungskanals 13 bzw. lh und der Umfangsfläche der Buchse 27 bzw. 28 ist ein Dichtungsring 29 bzw. 31 eingefügt. Ferner ist jede der beiden Buchsen an ihrem Endstück gegen axiale Verschiebung durch einen Sprengring bzw. 32 gesichert. Die diesen Sprengring aufnehmende Nut befindet sich in der zylindrischen Innenwandung der Erweiterung des Strömungskanals und greift hinter einen Flansch der Buchse 27 bzw. 28. Ferner ist jede der beiden Buchsen an seinem Endstück gegen Drehung durch einen Stift 3OA bzw. 32A gesichert, der achsparallel aus dem Flansch der Buchse hervorragt und in eine Bohrung des Endstücks eingreift.

Die Buchse 28 ist nach oben trichterförmig erweitert, um über die kugelförmige Außenfläche 33A am unteren Ende der Buchse 27 greifen zu können. Die Innendurchmesser der beiden Buchsen 27 und 28 sind ebenso groß wie die Innendurchmesser der Strömungskanäle 13 und lh bemessen, so daß diese durch die Buchsen glatt verlängert werden. Der Mittelpunkt der äußeren Kugelfläche 33A fällt mit der Mitte des Kardanringes 15 und mit dem Schnittpunkt der Zapfenpaare 17 und 19 zusammen. Die Hülse 28 hat an ihrem oberen Ende eine zylindrische Fläche 33» welche die Kugelfläche 33A in geringem Abstande umgibt. Bei einer Schrägstellung der Endstücke 11 und 12 können sich daher die beiden Buchsen 27 und 28 ebenfalls schräg stellen, ohne daß sich dabei der Abstand der Flächen 33A und 33 ändert.

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Der diese beiden Flächen gegeneinander abdichtende Dichtungsring 34, Fig. 4, sitzt in einer Nut 35 der Innenfläche 33 im wesentlichen in der die Achsen der Gelenke 17 und 19 aufnehmenden Ebene. Daher liegt der Dichtungsring 34 bei jeder Schräglage der Ilohrendstücke 11 und 12 abdichtend an der Kugelfläche 33A an. Die beiden Endstücke können sich also zueinander um ein Höchstmaß schrägstellen, und dabei wird die abdichtende Anlage des Dichtungsringes 35 an der Kugelfläche 33 aufrechterhalten, auch wenn für die Fertigung der Verbindungen zwischen den beiden Buchsen 27, 28 und den Endstücken 11 und 12 weite Toleranzgrenzen zugelassen werden. Dabei kann das trichterförmig erweiterte obere Ende der Buchse 28 in den Kardanring 15 mit Gleitsitz eingepaßt sein, während der Kardanring seinerseits mit geringem Spielraum zwischen den Armen 17 und gehalten wird. Das gesamte Kugelgelenk 10 hat dabei nur einen verhältnismäßig kleinen Querschnitt. Die trichterförmige Erweiterung der unteren Buchse 28 ist innen bei 36, Fig. 4, kugelförmig gestaltet, und diese Kugelfläche verläuft konzentrisch zur Kugelfläche 33A der Buchse 27 in geringem Abstand von dieser.

Da der Dichtungsring 35 an der Fläche 33 mit demselben Durchmesser abdichtet, mit dem die Dichtung 29 bzw. 31 die Buchse an der zylindrischen Erweiterung des Strömungskanals 13 bzw. 14 abdichtet, sind die in Achsenrichtung auf die beiden Buchsen wirkenden Flüssigkeitskräfte im Gleichgewicht. Gleichgültig, wie groß daher der Unterschied der Drücke sein mag, unter dem einerseits der Bohrschlamm und andererseits das umgebende Wasser steht, werden doch die beiden Sprengringe 30 und 32 kaum belastet und können daher sehr schwach ausgeführt sein. Jede der beiden Buchsen 27 und 28 läßt sich nach Ausbau der Endstücke 11 und 12 schnell und leicht auswechseln, falls sie an ihren Innenflächen übermäßig verschlissen sein sollten.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

»·' Die Endstücke zweier Rohrleitungen verbindendes Kugelgelenk, das den Endstücken eine relative Schwenkbewegung aus der gleichachsigen Stellung heraus ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gelenks (15-19) zwei auswechselbare Buchsen (27» 28) je mit einem Ende an einem Endstück (ll, 12) lösbar mit Dichtungen (29, 31) angeschlossen sind und mit ihren anderen Enden ineinandergreifen und zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen (33> 33A) dieser anderen Enden einen Dichtungsring (34) einschließen, wobei die eine (33A) dieser Flächen eine zum Schnittpunkt der Achsen der Endstücke konzentrische Kugelfläche darstellt und die andere Fläche (33) diese Kugelfläche in engem Abstande umgibt und eine Innenfläche darstellt.

2. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (29, 31) zwischen jeder Buchse (27, 28) und dem mit ihr verbundenen Rohrendstück (ll, 12) an einem Kreis desselben Durchmessers abdichtet, den die kugelige Fläche (32) hat, an welcher der zwischen den beiden Buchsen (27» 28) gelegene Dichtungsring (34) anliegt.

3. Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kugelfläche (32) mit geringem Abstande umgebende Innenfläche (33) eine zylindrische Fläche ist, die den Dichtungsring (34) in einer Ebene trägt, die durch den Schnittpunkt der Achsen der Rohrendstücke (ll, 12) verläuft, wenn diese zueinander verschwenkt sind, und lotrecht zu diesen Achsen verläuft, wenn die Rohrendstücke (ll, 12) die gleichachsige Stellung zueinander einnehmen.

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*i. Kugelgelenk nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche (36) der äußeren Buchse (28), welche die Kugelfläche (33A) der inneren Buchse (27) mit geringem Abstande umgibt, ebenfalls kugelig gestaltet ist.

5. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis ^, dadurch gekennzeichnet, daß es Teile enthält, die eine gegenseitige Drehung der Rohrendstücke (ll, 12) verhindern.

6. Kugelgelenk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es einen die beiden Buchsen (27₅ 28) umgebenden Kardanring (15) enthält, der um eine erste Achse schwenkbar mit zwei Armen (lb) des einen Rohrendstücks (il) und um eine zweite Achse schwenkbar mit zwei Armen (18) des zweiten Rohrendstücks (12) verbunden ist, wobei diese beiden Achsen rechtwinklig zueinander verlaufen und in einer Ebene liegen, welche die Achsen der Endstücke, wenn diese zueinander ausgerichtet sind, rechtwinklig schneidet.

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