DE2818904A1

DE2818904A1 - Flexible abgedichtete gelenkanordnung

Info

Publication number: DE2818904A1
Application number: DE19782818904
Authority: DE
Inventors: John Herman Gorndt
Original assignee: Lord Corp
Current assignee: Lord Corp
Priority date: 1977-04-29
Filing date: 1978-04-28
Publication date: 1978-11-02
Also published as: JPS6238592B2; US4121861A; GB1591483A; JPS549017A; FR2389064A1; FR2389064B1; DE2818904C2

Description

Die Erfindung betrifft eine flexible abgedichtete Gelenkanordnung .

In letzter Zeit ist der Bedarf an Treib- und Brennstoffen aller Arten in der ganzen Welt erheblich größer geworden. Um zusätzliche Fundstellen für solche Stoffe, beispielsweise Öl und Erdgas, aufzufinden, wurde die Untersuchung von Lagerstätten unter der Meeresoberfläche zunehmend nötig. Bei der Suche nach Öl und Erdgas in Küstengewässern wurden anfänglich zum Bohren nach Erdöl und -gas auf dem Meeresboden Abwandlungen von üblichen am Land gebräuchlichen Bohrverfahren benutzt. So wurde beispielsweise vor dem Bohrbeginn allgemein eine stabile Bohrplattform errichtet, die auf Beinen ruhte, die sich bis zum Meeresboden hinaberstreckten. Als die Suche nach Erdöl- und Erdgaslagerstätten in tiefere, weiter ab vom Ufer gelegene Gewässer ausgedehnt wurde, wurde es nötig, feststehende Bohrplattformen aufzugeben und schwimmende Plattformen oder Flöße zu verwenden, von denen aus die Bohrung vorgenommen wurde. In einigen Fällen wurden auch schwimmende Plattformen benutzt, um die Pumpausrüstungen für fündig gewordene Öl- oder Erdgasbohrungen aufzubauen.

Eine schwimmende Bohrplattform, ein schwimmendes Bohrfloß oder ein anderer Aufbau ist besonders Bewegungen durch die Meereswellen unterworfen, auch wenn die Plattform oder das Floß verankert ist. Die Bohr- oder Pumpvorgänge, die von einem schwimmenden Floß oder einer solchen Plattform ausgeführt werden, müssen sich sowohl Quer- als auch Vertikalbewegungen der Plattform oder des Floßes anpassen. Die Bohrstränge, die Steigleitungen und ähnliche Leitungen oder Leitungszüge, die sich von einer Bohrplattform zum Meeresboden nach unten erstrecken, müssen demgemäß eine ausreichende Biegsamkeit aufweisen, um Zerstörungen zu vermeiden, wenn sich die Bohrplattform von der Ausgangslage weg bewegt. Typischerweise

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besitzt das bei einem Bohrstrang verwendete Rohr beispielsweise einen genügend kleinen Durchmesser und besitzt ausreichende Festigkeit, daß eine Flexibilität gewährleistet ist, um eine Beschädigung zu vermeiden, wenn die zugehörige Bohrplattform sich in Quer- oder Vertikalrichtung bewegt. Ein Steigrohr oder eine auf See verwendbare Leitung besitzt andererseits relativ großen Durchmesser und damit eine größere Steifheit als ein Bohrstrang. Dementsprechend müssen derartige Steigrohre oder Pumpleitungen mit großem Durchmesser typischerweise mindestens eine Kupplung oder eine Gelenkanordnung enthalten, die leicht ausbiegbar ist, um eine Biegebewegung aufzunehmen und trotzdem eine großen inneren oder äußeren Fluiddrucken standhaltende Abdichtung zu gewährleisten.

Eine Art der in Steigleitungen benutzten flexiblen Gelenke besteht aus einem kugelförmigen Teil mit einer genau bearbeiteten sphärischen Oberfläche und einer Fassung mit einer komplementären sphärischen Innenfläche. Eine Biegung des Gelenkes wird durch Gleiten der beiden sphärischen Oberflächen aufeinander ermöglicht. Elastische O-Ringe dichten das Gelenk an den aufeinander gleitenden Flächen ab. Die Biegebewegung eines solchen Kugelgelenks wird jedoch durch Aufbringung hoher Drücke behindert. Das Gelenk ist auch Reibungsverschleiß unterworfen und es ergibt sich eine Störung und Verschlechterung sowohl der Gleitflächen als auch der O-Ring-Dichtungen. Dieser Reibverschleiß erfordert häufige Instandsetzung oder häufigen Austausch des Gelenks.

Eine andere Art flexibler Gelenke für Fluidleitungen wie beispielsweise im Meer verwendbare Steigleitungen benutzt ringförmige flexible Elemente, die zwischen an den benachbarten Enden verschiedener Leitungsabschnitte befestigten Flanschen angeordnet sind. Die flexiblen Elemente umfassen allgemein alternierende Schichten aus im wesentlichen nicht

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dehnbarem und aus dehnbarem oder elastischem Material, vorzugsweise Metall und Elastomer. Die Schichten können, wie in der US-PS 3 168 334 beschrieben, von ringförmiger Gestalt mit ebenen Oberflächen sein, oder sie können nach der US-PS 3 680 895 von ringförmiger Gestalt mit sphärischen Oberflächen ausgebildet sein. Laminierte flexible Elemente erlauben die nötige Biegebewegung eines Gelenks und wirken gleichzeitig als Abdichtungen. Eine ein laminiertes Element enthaltende Verbindung hat keine "beweglichen" Teile und ist dem erwähnten Reibverschleiß bei Kugelgelenken nicht ausgesetzt. Andere flexiblen Rohrverbindungen mit laminierten flexiblen Elementen sind in den US-PS 3 390 899, 3 734 546 und 3 853 337 beschrieben.

Ein laminiertes flexibles Element der beschriebenen Art paßt sich der Bewegung benachbarter Leitungsstrecken, einschließlich Schwenk- oder Schnellbewegungen, durch Torsionsscherung des Elastomers oder des anderen elastischen Materials in dem Element an. Jedes flexible Element, das durch Scheren eines Elastomers Bewegungen aufnimmt, ist in der Aufnahmemöglichkeit durch die Höhe oder Stärke des zu scherenden Elastomers beschränkt. Es kann jeweils ein elastomerer Körper um 300% oder mehr ohne schädliche Auswirkung geschert werden. D.h., ein Ende eines elastomeren Körpers mit einer Stärke von 5 cm (= 2") kann um 15 cm (= 6") oder mehr gegenüber dem anderen Ende des elastomeren Körpers parallel bewegt werden, ohne daß ein Zerreißen oder sonstiges Versagen des Elastomers auftritt. Wenn jedoch der elastomere Körper eine Vielzahl von Scherbelastungen zyklisch durchläuft, ergibt die fortgesetzte Belastung und Entlastung durch Verformungen in der Größenordnung von 300% in Kürze ein Ermüdungsversagen des Elastomers. Bei der Anwendung als Verbindung eines Steigrohres zur Verwendung im Meer, bei der das Elastomer eines flexiblen Elements Millionen von Scherbelastungszyklen unterworfen ist, sollte wünschenswerterweise die maximale Verformung des Elastomers

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auf niedrige Werte, typischerweise auf weniger als 25 bis 35%, begrenzt werden. Der genaue Wert oder Wertebereich der maximalen Verformung bei einer bestimmten Anwendung hängt von den Beanspruchungszyklen des flexiblen Elements (d.h. von den verschiedenen Bewegungsgrößen, die aufgenommen werden müssen und von der Frequenz, mit der die j eweilige Bewegung auftritt) und von den Ermüdungseigenschaften des bestimmten, in dem flexiblen Element verwendeten elastomeren Materials ab. Demzufolge muß die Höhe oder Stärke eines elastomeren Körpers erhöht werden, wenn er eine gesteigerte Bewegung aufnehmen soll, um schädliche Erhöhungen der maximalen Verformung und davon herrührende Abnahmen der Ermüdungs-Lebenszeit zu vermeiden.

Obwohl die Anpassung an Torsionsbewegungen durch Scheren des Elastomers in einem laminierten flexiblen Element nicht genau den gleichen Prinzipien folgt, wie die Anpassung an Translationsbewegungen durch elastomeres Scheren, trifft es im allgemeinen zu, daß eine Zunahme der Höhe oder Stärke eines elastomeren Körpers auch die Aufnahme einer größeren Torsionsbewegung durch das Elastomer ermöglicht. Die Fähigkeit, Schwenkoder Torsionsbewegungen in der Größenordnung von 10 bis 15 in jeder Richtung von einer neutralen Achse aufzunehmen, ist eine wichtige Eigenschaft beispielsweise für eine flexible Gelenkanordnung für ein Steigrohr zum Gebrauch im Meer. So ist es nicht überraschend . beispielsweise in Fig. 10 auf Seite 6 der ASME-Veröffentlichung 76-Pet-68 eine flexible Rohrverbindungsanordnung zu finden, die ein relativ starkes oder großes laminiertes elastomeres Element enthält. Die Rohrverbindung, die bei einem Vortrag während der Tagung vom 19. bis 24.9.1976 in Mexico City, Mexico, vorgestellt wurde, wird durch die Firma Oil States Rubber Company in Arlington, Texas, vertrieben. Trotz des anscheinenden Nutzens bei einer flexiblen Rohrverbindungsanordnung ergeben sich bei der Verwendung von relativ großen oder starken laminierten Körpern zur Aufnahme großer Schwenkbewegungen bedeutende Nachteile.

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Erstens ist, wie in US-PS 3 679 197 dargelegt, die effekte Federkonstante eines Gummielements in irgendeinem Abstand vom Schwenkpunkt proportional zur Federkonstante des Elastomers bei Translationsscherung multipliziert mit dem Quadrat des Abstandes vom Schwenkpunkt. So ist bei einem laminierten elastomeren Element mit konzentrisch angeordneten elastomeren Schichten der Beitrag der radial außenliegenden elastomeren Schichten oder Schichtungen des Elements zur Gesamtrotationssteifheit des Element beträchtlich größer als der Beitrag der radial innenliegenden Schichten oder Schichtungen. Da die inneren elastomeren Schichten effektiv viel weicher gegenüber Rotationsscherung sind als die äußeren elastomeren Schichten, tritt der größere Anteil der Torsionsverformung oder -ausbiegung in den radial innenliegenden Schichten auf. Infolgedessen wird durch Verdoppeln der Höhe oder Stärke des in
einem laminierten Element zur Aufnahme von Rotationsbewegung verwendeten Elastomers keine Verdopplung der Bewegungsaufnahme des flexiblen Elements bei gegebener Maximalverformung erzielt. Statt dessen kann durch eine Verdopplung der Höhe eine Vergrößerung der Rotationsbewegungsaufnahmefähigkeit um nur etwa 25% erreicht werden. Ein Vergrößern der Höhe oder Stärke eines elastomeren Körpers zur Aufnahme zusätzlicher Rotationsbewegung ist deshalb möglich, jedoch mit geringem Wirkungsgrad.

Ein weiteres mit dem Steigern der Höhe oder Stärke eines laminierten elastomeren Elements verbundenes Problem besteht darin, daß das Element unstabil wird und zum Kippen oder Ausbeulen neigt, wie es in der US-PS 3 292 711 besonders in Spalte 2, Zeilen 6 bis 46 beschrieben ist. Ein drittes mit der Benutzung eines relativ dicken oder großen laminierten elastomeren Elements verbundenes Problem besteht darin, daß durch das Ausbiegen des Elements zur Aufnahme von Rotationsbewegung wesentliche Abschnitte jeder Laminierung oder jeder Schicht ungestützt werden. Demzufolge kann beispielsweise eine Druckbelastung auf einen Abschnitt eines laminierten Elements

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aufgebracht werden, wobei dieser Abschnitt des Elements nicht durch eine zugeordnete starre Stützstruktur angemessen gestützt ist. Die ungestützte Belastung der Schichten des Elements, besonders der nicht dehnbaren Schichten zieht ein Ausbiegen und schließlich ein Versagen der nicht dehnbaren Schichten nach sich. Ein Versagen der nicht dehnbaren Schichten bedeutet in seiner Auswirkung ein Versagen des flexiblen Elements insgesamt.

Das erwähnte Ausbeulproblem kann in einem gewissen Ausmaß dadurch überwunden werden, daß innerhalb der Länge oder Höhe des laminierten flexiblen Elements an einer Stelle oder an mehreren Stellen eine besonders starre und starke Schicht oder Zwischenlage eingelegt wird. Dieses Verfahren ist in der FR-PS 934 336 insbesondere in Fig. 6 und in der US-PS 3 504 902 besonders in Spalte 3, Zeilen 56 bis 68 beschrieben. Die Verwendung einer solchen besonders starken und starren Einlage zur Überwindung des Ausbeulproblems kann auch bei der Überwindung der mit den ungestützten Abschnitten der nicht dehnbaren Schichten im flexiblen Element verbundenen Probleme helfen.

Die vorliegende Erfindung schafft eine flexible Gelenkverbindung zur Verbindung von Fluidleitungszügen oder -abschnitten, die eine dynamische Hochdruckabdichtung ergibt und die Aufnahme von Kippbewegungen zwischen den Leitungsabschnitten ermöglicht. Die Kippbewegungsaufnähme wird durch die Verwendung von flexiblen elastomeren Elementen ohne Benutzung eines einzelnen flexiblen Elements von außerordentlicher Höhe oder Länge erreicht. Gemäß der Erfindung umfaßt die Gelenkanordnung ein hohles Ringgehäuse und ein rohrartiges Element, dessen Außendurchmesser kleiner als der maximale Innendurchmesser des Gehäuses ist. Das Gehäuse besitzt an jedem seiner Enden eine Öffnung und umfaßt zwei Ringflansche, die sich radial relativ zum maximalen Innendurchmesser des Gehäuses nach innen erstrecken.

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Die beiden Flansche besitzen in Richtung der Längsachse des Gehäuses einen Abstand voneinander. Dem einen Ende des rohrförmigen Elements benachbart ist ein Ringflansch angebracht, der sich von dem Element radial nach außen erstreckt und sich zwischen den beiden Gehäuseflanschen befindet. Das andere Ende des ringförmigen Elements steht durch die Öffnung an einem Ende des Gehäuses vor, damit eine Fluidleitung oder ein Fluidleitungsabschnitt angebracht werden kann. Innerhalb des Gehäuses, das rohrförmige Element umgebend, befindet sich ein starrer Ringkörper zwischen dem Flansch des rohrförmigen Elements und dem dem Ende des Gehäuses, durch das das Rohrelement vorsteht, benachbarten Flansch angeordnet. Zwei ringförmige flexible Elemente umgeben gleichfalls das rohrförmige Element und sind jeweils an beiden Seiten des starren Ringkörpers angeordnet. Ein flexibles Element ist auf diese Weise zwischen dem starren Ringkörper und dem Flansch des Rohrelements angeordnet, während das andere flexible Element zwischen dem starren Ringkörper und dem Flansch des

ist
Gehäuses angeordnet, der dem Ende des Gehäuses, durch welches das rohrförmige Element vorsteht, benachbart ist. Jedes flexible Element enthält mindestens einen elastomeren Körper und besitzt zwei ringförmige freie Seitenflächen. Zusammen bilden die beiden flexiblen Elemente und der starre Ringkörper mindestens einen Teil einer Fluidabdichtung und eine lastaufnehmende Verbindung zwischen dem rohrförmigen Element und dem Gehäuse.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die Ausgestaltung und Anordnung der beiden flexiblen Elemente, insbesondere durch die Gestaltung der Endflächen der Elemente erzielt. Die Endflächen erstrecken sich von einer Seitenfläche zur anderen Seitenfläche jedes Elements. Jede Endfläche wird im Radialschnitt durch einen Bogen gebildet, der um einen im allgemeinen an der Längsachse des Gehäuses liegenden Punkt

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geschlagen ist. Die dem Ende des Gehäuses, durch das das rohrförmige Element vorsteht, näheren Endflächen des flexiblen Elements werden durch Bogen gebildet, die um relativ zum flexiblen Element in einer zu dem entgegengesetzten Ende des Gehäuses liegenden Richtung angeordnete Punkte geschlagen sind. Die Endflächen des anderen flexiblen Elements werden durch um relativ zum Element in Richtung gegen das Ende des Gehäuses, durch das das rohrförmige Teil vorsteht, versetzte Punkte geschlagene Bogen gebildet. Die beiden Punktreihen, um die die gebogenen oder gekrümmten Endflächen des flexiblen Elements geschlagen sind, liegen nicht beieinander. Statt

dessen sind die dem flexiblen Element, das dem Ende des Genäherliegt
häuses, durch das das rohrförmige Element vorsteht, zugeordneten Punkte weiter von diesem Ende des Gehäuses entfernt als die dem anderen flexiblen Element zugeordneten Punkte. Dadurch, daß zwei getrennte flexible Elemente mit voneinander einen Abstand aufweisenden Krümmungsmittelpunkten oder Drehpunkten vorgesehen sind, ist eine relativ große Schwenkbewegung bei minimalem Platzverbrauch und bei minimaler Verformung des Elastomers möglich.

Die flexible Gelenkanordnung nach der vorliegenden Erfindung ergibt Vorteile gegenüber gleichartigen Gelenkverbindungen, bei denen ein einziger großer oder starker elastomerer Körper verwendet wird, mag er nun geschichtet oder ungeschichtet sein, um eine gegebene Schwenkbewegung zwischen zwei benachbarten Fluidleitungsstrecken zu ermöglichen. Die Benutzung von zwei getrennten flexiblen Elementen, die in Reihe zwischen dem rohrförmigen Element und dem Gehäuse angeordnet sind, wie es bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist, erlaubt jedem flexiblen Element annähernd die Hälfte der Gesamtschwenkbewegung, die die Gelenkverbindung erfährt, aufzunehmen. Jedes flexible Element braucht so nicht so groß oder so stark zu sein, wie ein einzelnes Element, das die gesamte Schwenkbewegung aufnehmen muß. Die elastomeren Schichten in den

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beiden flexiblen Elementen können auch näher an ihren jeweiligen Rotations- oder Krümmungsmittelpunkten angeordnet sein, um eine effektivere Ausnutzung des Elastomers, ausgedrückt in relativer Verformung über die Länge oder Höhe des Elements zu erhalten. Ein Versatz der Punkte, um die die gebogenen oder gekrümmten Endflächen der jeweiligen flexiblen Elemente erzeugt sind, gegeneinander, wodurch effektiv die Rotationszentren der Elemente gegeneinander versetzt werden, erlaubt, daß die flexiblen Elemente in dem Gehäuse angeordnet werden können, ohne so viel Raum zu verbrauchen, wie nötig wäre, falls die beiden flexiblen Elemente konzentrische Endflächen besäßen. Die Zwischenlage eines relativ massiven, starren Ringkörpers zwischen den beiden flexiblen Elementen ergibt eine Abstützung der nicht dehnbaren Einlagen oder Schichten, die in den flexiblen Elementen vorhanden sein können und hilft dadurch, ein schädliches Ausbiegen oder Ausbeulen solcher Schichten zu verhindern oder klein zu halten.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung enthält jedes flexible Element eine Vielzahl von voneinander mit Abstand angeordneten, ringförmigen in dem elastomeren Körper eingebetteten Einlagen aus im wesentlichen undehnbarem Material. Die Einlagen verbessern die Drucklastaufnahme des Elastomers in jedem flexiblen Element. Zur Anpassung oder Angleichung an die gebogenen Endflächen des flexiblen Elements besitzt jede Einlage im Radialschnitt Endflächen, die durch Bogen gebildet werden, welche um wenigstens in der Nähe der Punkte angeordnete Punkte geschlagen sind, um die die Bogen gebil-

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det , die die Endflächen des flexiblen Elements bestimmen oder bilden, das den elastomeren Körper enthält, in dem die Einlage eingebettet ist. Vorzugsweise sind alle genannten Bogen Kreisbogen und alle Punkte, um die die mit den jeweiligen flexiblen Elementen in Verbindung stehenden Bogen erzeugt werden, sind konzentrisch angeordnet. Der Flansch

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des rohrförmigen Elements kann gleichfalls so bemessen und angeordnet sein, daß er mit dem Flansch des Gehäuses in Eingriff treten kann, der von dem Ende des Gehäuses, durch das das Rohrelement vorsteht, entfernt liegt. Dadurch kann eine Axialbewegung des rohrförmigen Elements zum anderen Ende des Gehäuses hin durch die Berührung zwischen dem Flansch des rohrförmigen Elements und dem Gehäuseflansch begrenzt werden. In einer Ausführung kann der starre Ringkörper in Form von zwei dichtend miteinander in Eingriff stehenden ringförmigen Teilkörpern ausgebildet sein. Ein solcher Aufbau läßt zu, daß jedes flexible Element einzeln hergestellt werden und mit einem Teil des starren Ringkörpers verbunden werden kann. Während des Aufbaus des Gelenks können die beiden flexiblen Elemente mit den zugehörigen Teilen des starren Ringkörpers zusammengepaßt werden, um eine Einheit zu bilden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine teilweise in Längsrichtung aufgeschnittene

Ansicht einer erfindungsgemäßen flexiblen Gelenkanordnung,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung der rechten Hälfte der flexiblen Gelenkanordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung der rechten Seite einer üblichen und bekannten flexiblen Gelenkanordnung,

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung ähnlich Fig. bei ausgelenkter Lage der Gelenkverbindung,und

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Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung ähnlich Fig. bei ausgelenkter Lage der herkömmlichen Gelenkverbindung.

Die flexible Rohrgelenkanordnung 10 in Fig. 1 ist an beiden Seiten mit je einem Abschnitt einer Fluidleitung 12 bzw. 14 (gestrichelt) verbunden. Die Verbindungen mit den Leitungsabschnitten 12 und 14 sind fluiddicht ausgeführt. Das kann durch irgendein eina: Anzahl üblicher Verfahren erreicht werden, beispielsweise durch Schrauben, die sich durch einander benachbarte Flansche an der Gelenkanordnung und den Leitungsabschnitten erstrecken,durch von außen angebrachte Klemmelemente, die anjeinander benachbarten Flanschen der Gelenkanordnung und der Leitungsstrecke angreifen und durch Zusammenschweißen der benachbarten Flansche der Leitungsabschnitte und der Gelenkanordnung. Die Leitungsabschnitte 12 und 14 sind zur verlustlosen Leitung eines Fluids, wie z.B. Erdöl, Erdgas, Bohrschlamm oder Wasser ausgebildet. Im Gebrauch sind die Gelenkanordnung 10 und die Leitungsabschnitte 12 und 14 auch von außen von einem Fluid, im allgemeinen von Wasser, jedoch auch möglicherweise von Luft umspült, wobei das Fluid auf die Außenseiten der Gelenkanordnung und der Leitungsabschnitte einen Druck ausübt. Der so ausgeübte Umgebungsdruck ist im allgemeinen verschieden von dem Druck, den das durch die Leitungszüge 12 und 14 hindurchgeleitete Fluid ausübt. Wie später ausgeführt wird, ist die Gelenkanordnung 10 so aufgebaut, daß sie zwischen den Leitungszügen 12 und 14 eine fluiddichte Verbindung schafft, die den Druckunterschieden zwischen dem äußeren Umgebungsdruck und dem Druck des Fluids in den Leitungszügen standhalten kann. Die Gelenkanordnung 10 läßt Schwenkbewegungen der Leitungszüge 12 und 14 gegeneinander um quer zur Längsachse 16 der Gelenkanordnung liegende Achsen zu.

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Die Gelenkanordnung 10 enthält ein hohles ringförmiges Gehäuse 18, das aus einem undurchdrxngbaren Material, z.B. Stahl, besteht. Das Gehäuse 18 weist einen allgemein rohr- oder ringförmigen Körperabschnitt 20 und zwei Flanschelemente 2 2 und 24 auf, welche im allgemeinen vom rohrförmigen Körperabschnitt 20 nach innen abstehen. Der Flansch 22 ist ringförmig und an einem Ende des Körperabschnitts 20 des Gehäuses 18 angeordnet. Der Flanschabschnitt 22 ist an seinem radial außenliegenden Umfang an dem Körperabschnitt 20 des Gehäuses 18 durch eine Vielzahl von Bolzen oder Schrauben 2 6 befestigt. Der Schaft jeder Schraube 26 tritt durch eine aus einer Vielzahl in Umfangsrichtung mit Abstand voneinander angebrachten Bohrungen 28 hindurch, die längs des Umfangs des Flansches 22 ausgebildet sind. Der Gewindeabschnitt des Schaftes jeder Schraube 26 ist dann in damit ausgerichtete, mit Innengewinde versehene Bohrungen 30 eingeschraubt, die axial im Körperabschnitt 20 des Gehäuses 18 ausgebildet sind. Der Kopf jeder Schraube 2 6 ist mit einer speziell ausgebildete (nicht gezeigten) Vertiefung versehen, die das Einsetzen eines Werkzeugs, beispielsweise eines Innensechskant-Stiftschlüssels gestattet, um die Schrauben 2 6 in den Gewindebohrungen 30 anzuziehen. Um eine Fluid-Abdichtung zwischen dem Flansch 22 und dem Körperabschnitt 20 des Gehäuses 18 zu gewährleisten, umgeben zwei O-Ringe 32 und 34 den sich axial erstreckenden Abschnitt des Flansches 22. Die 0-Ringe 32 und 34 sind in zwei parallelen Ringnuten aufgenommen, die in dem sich axial erstreckenden Abschnitt des Flansches 22 ausgebildet sind. Die beiden O-Ringe 32 und 34 liegen abdichtend an der benachbarten Fläche des Körperabschnitts 20 des Gehäuses 18 an. Wegen seiner Ringform bildet der Flansch 22 eine öffnung an einem Ende des Gehäuses 18, die für einen später erklärten Zweck benutzt wird.

Der andere Flansch 24 des Gehäuses 18 ist einstückig mit dem rohrförmigen Körperabschnitt 20 des Gehäuses ausgebildet. Der Flansch 24 besitzt Ringform und ist in Richtung der Längsachse

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16 der Gelenkanordnung 10 und des Gehäuses 18 vom Flansch 22 entfernt angeordnet. Der Innenumfangsflache des Flansches 24 benachbart erstreckt sich ein kurzer rohrförmiger Fortsatz 36 in Axialrichtung des Flansches 24 von den beiden Flanschen 24 und 22 weg und bildet eine Anbringungsmöglichkeit für den benachbarten Leitungsabschnitt 14. Die Innenumfangsflache des

bilden Flansches 24 und des rohrförmigen Fortsatzes 36 eine Öffnung an dem dem Flansch 22 gegenüberliegenden Ende des Gehäuses

Innerhalb des Gehäuses 18 ist ein Ende eines kurzen Rohrelements 38 aufgenommen, das aus einem undurchdringbaren Material, beispielsweise aus Stahl hergestellt ist. Das rohrförmige Element 38 steht durch die Öffnung in dem Gehäuse 18 vor, die durch die Innenumfangsflache des Flansches 22 gebildet ist. Das aus der Öffnung im Flansch 22 vorstehende Ende des rohrförmigen Elements 38 steht in dichtendem Eingriff mit dem benachbarten Leitungsabschnitt 12. Das im Gehäuse 18 befindliche Ende des rohrförmigen Elements 38 weist einen Ringflansch 40 auf, der sich von dem Hauptabschnitt 41 des rohrförmigen Elements radial nach außen erstreckt. Der Flansch 40, der einstückig mit dem Hauptabschnitt 41 des rohrförmigen Elements 38 ausgebildet ist, liegt so zwischen den Flanschen 22 und 24 des Gehäuses 18. Die dem Flansch 24 des Gehäuses 18 zugewandte Fläche 42 des Flansches 40 ist im Radialschnitt von gekrümmter Form und paßt mit der entsprechend ausgebildeten Innenfläche des Flansches 24 zusammen.

Zwischen dem Flansch 22 des Gehäuses 18 und dem Flansch 40 des rohrförmigen Elements 38 befinden sich zwei ringförmige flexible Elemente 46 und 48. Jedes flexible Element 46 bzw. 48 enthält einen ringförmigen elastomeren Körper und ist zwischen zwei relativ massiven ringförmigen steifen Endelementen oder Endplatten angebracht. Für das flexible Element 46 bildet der Ringflansch 22 des Gehäuses 18 das eine Endelement. Dem Flansch 22 gegenüber liegt mit einem Abstand

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von diesem das andere Endelement 50 für das flexible Element 46. Das Endelement 50 ist vorzugsweise aus einem Metall hergestellt. Die einander zugewandt liegenden Flächen des Flansches 22 und des Endelements 50 besitzen eine sphärische oder kugelförmige Gestalt, die im Radialschnitt durch Kreisbogen gebildet wird, deren gemeinsame Mittelpunkte oder Ursprünge am Punkt 52 liegen. Wie zu sehen, befindet sich der Punkt 52 auf der Längsachse 16 des Gehäuses 18. Wenn die zugewandt liegenden Flächen des Flansches und des Endelements 50 in der dargestellten Ausführung der Erfindung auch durch konzentrische Kreisbogen gebildet oder bestimmt werden, so können die Flächen auch durch nicht konzentrische Kreisbögen, durch nicht einer Kreisform entsprechende Bögen oder durch nicht einer Kreisform entsprechende nicht konzentrische Bögen gebildet werden. Zwischen den sphärisch geformten Flächen des Flansches 22 und des Endelements 50 befindet sich ein elastomerer Körper 54 mit entsprechenden sphärisch geformten Endflächen 53 und 55. Der elastomere Körper 54 ist sowohl mit dem Flansch 22 als auch mit dem Endelement 50 längs deren Endflächen 53 bzw. 55 verbunden, die gleichzeitig die Endflächen des Elements 46 bilden. Innerhalb des elastomeren Körpers 54 sind eine Vielzahl von ringförmigen mit Abstand voneinander angebrachten Einlagen 56 enthalten, die aus einem im Vergleich zum Elastomer im wesentlichen nicht dehnbaren Material bestehen. Anders angesehen ist das zwischen dem Flansch 22 und dem Endelement 50 angeordnete flexible Element 46 aus einer Vielzahl abwechselnder und miteinander verbundener Schichten aus elastomerem Material 54 und nicht dehnbarem Material 56 gebildet.

Die nicht dehnbaren Einlagen oder Schichten 56 sind vorzugsweise aus Stahl hergestellt, während der elastomere Körper oder die elastomeren Schichten vorzugsweise aus einem Nitril-Kautschuk hergestellt sind. Der Nitril-Kautschuk besitzt eine hohe Beständigkeit gegen Erdölprodukte. Es können in angemessener Weise auch andere nicht dehnbare und andere elastomere

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Materialien statt Stahl und Nitril-Kautschuk verwendet werden. Als alternative elastomere Materialien können Naturkautschuk oder andere synthetische Kautschuke eingesetzt werden, während alternative undehnbare Materialien z.B. andere Metalle, glasfaserverstärkte Kunststoffe und hochfeste faserverstärkte Harze einschließen können. Jede Einlage 56 in dem flexiblen Element 4 6 besitzt eine sphärische Gestalt oder Flächen, die im Radialschnitt gesehen Kreisbögen sind. Die sphärischen oder kreisförmigen Konturen oder Flächen werden durch Kreisbögen gebildet, die den gleichen Ursprung oder das gleiche Zentrum besitzen, wie die Bögen, die die Endflächen 53 und 55 des flexiblen Elements 46 und die daran anschließend liegenden Flächen des Flansches 22 und des Endelements 50 bilden. Die insgesamt sphärische Form des flexiblen Elements 46 verleiht dem Element die Funktion eines Universalgelenks. Eine relative Drehbewegung zwischen benachbarten nicht-elastomeren Elementen (beispielsweise zwischen den Einlagen 56, dem Flansch 22 und dem Endelement 50) wird durch Biegen oder Scheren des Elastomers oder der elastomeren Schichten 54 aufgenommen. Wie bereits bei den Endflächen 53 und 55 ausgeführt, brauchen die gebogenen Flächen der Einlagen 56 nicht unbedingt sphärisch oder konzentrisch zu sein. Es genügt, daß die gebogenen oder gekrümmten Flächen der Einlagen 56 und die Endflächen 53 und 55 des flexiblen Elements 46 insgesamt von im allgemeinen der gleichen Form sind und erzeugende Mittelpunkte besitzen, die im allgemeinen einander benachbart liegen.

Das flexible Element 48 ist insgesamt in der gleichen Weise wie das flexible Element 46 aufgebaut. Das flexible Element 48 ist zwischen zwei relativ massiven ringförmigen und steifen Endelementen angeordnet, von denen eines durch den Flansch 40 des Rohrslements 38 gebildet wird. Das aridere Endelement 58, das vorzugsweise aus Metall gefertigt ist, besitzt einen

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Abstand vom Flansch 40 und paßt an einer Fläche mit einer Fläche des Endelements 50 zusammen, die dessen sphärisch geformter Fläche gegenüberliegt. Die einander zugewandt liegenden Flächen des Flansches 40 und des Endelements 58 besitzen sphärische Formen, die im Radialschnitt durch Kreisbögen um den Mittelpunkt 60 gebildet sind. Zwischen den zugewandt liegen sphärisch geformten Flächen des Flansches 40 und des Endelements 58 befindet sich ein elastomerer Körper 62, der einen Bestandteil des flexiblen Elements 48 bildet. Der elastomere Körper 62 ist mit dem Flansch 40 und mit dem Endelement 58 an Endflächen 61 und 63 des Körpers verbunden, die mit Flächen des Flansches und des Endelements zusammen passen. In dem elastomeren Körper 62 ist eine Reihe von ringförmigen voneinander mit Abstand versehenen Einlagen 64 aufgenommen, die aus einem im wesentlichen im Vergleich zum Elastomer nicht dehnbaren Material gefertigt sind. Das Elastomer 62 und die Einlagen 64 des flexiblen Elements 48 können aus dem gleichen Material wie das Elastomer 54 und die Einlagen 56 des flexiblen Elements 46 bestehen. Wie bei dem flexiblen Element 46 besitzen die Einlagen 64 des flexiblen Elements 48 eine sphärische Gestalt oder weisen im Radialschnitt kreisförmige Flächen auf, die durch Kreisbögen um Mittelpunkte erzeugt sind, die mit den Mittelpunkten der Kreisbogen zusammenfallen, aus denen die sphärischen Endflächen 51 und 53 des flexiblen Elements 48 erzeugt sind. Wiederum brauchen die Bogen nicht kreisförmig oder konzentrisch zu sein, sie sollten jedoch im allgemeinen gleichartig sein und benachbarte Krümmungsmittelpunkte besitzen.

Wie bereits angedeutet sind das Endelement 50 des flexiblen Elements 46 und das Endelement 58 des flexiblen Elements 48 so ausgebildet, daß sie in Eingriff miteinander treten können. Ein Ringflansch 66, der in Axialrichtung vom Endelement 58 absteht, paßt in eine in dem Endelement 50 ausgebildete Nut

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und verhindert so eine radiale Relativbewegung der beiden Endelemente gegeneinander. Zwei O-Ringe 68 und 70 sind in in den zusammenpassenden Flächen der Endelemente 50 ausgebildeten Ringnuten aufgenommen und ergeben eine Fluidabdichtung zwischen den Endelementen 50 und 58. Im zusammengepaßten Zustand bilden die beiden Endelemente 50 und 58 einen starren und relativ massiven Ring oder Ringkörper.

Wenn die verschiedenen Bestandteile der Gelenkanordnung 10 wie in Fig. 1 gezeigt zusammengebaut sind, ergeben die flexiblen Elemente 46 und 48 und die Endelemente 50 und 58 eine Fluidabdichtung zwischen dem Gehäuse 18 und dem Rohrelement 38. Die Abdichtung läßt Fluid von der einen Leitungsstrecke 12 zur anderen Leitungsstrecke 14 oder umgekehrt durch die Gelenkanordnung 10 ohne Leckverlust zur Außenseite der Gelenkanordnung hin fließen. Die durch die flexiblen Elemente 46 und 48 gebildete Abdichtung ist auch zur Aufnahme von Belastungen an ihren freien Seitenflächen fähig, die durch den Druckunterschied, der wahrscheinlich zwischen dem Druck des Fluids innerhalb der Gelenkanordnung 10 und den Leitungsstrecken 12 und 14 und dem Druck auf das Äußere der Dichtanordnung und Leitungsstrecken entsteht. Bei einer Erdöl- oder -gasquelle oder bei einer Bohreinrichtung werden die Leitungsstrecken 12 und 14 normalerweise in Längsrichtung in Spannung gehalten. Diese Spannungsbelastung, die auf die Gelenkanordnung 10 übertragen wird, wird durch eine Druckbelastung der flexiblen Elemente 46 und 48 und der Endelemente 50 und 58 aufgenommen. Da die Druckbelastung der flexiblen Elemente 46 und 48 den Elastomer in den Elementen abzubiegen oder zu drücken neigt , wird der Flansch 40 des Rohrelements 38 sich ein wenig von dem Flansch 24 des Gehäuses 18 weg bewegen. Eine solche Axialbewegung des Flansches 40 des Rohrelements 38 gegenüber dem Flansch 24 des Gehäuses 18 unterbricht nicht die Abdichtung, die durch die flexiblen Elemente 46 und 48 erreicht ist, aber sie erlaubt eine relative

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Rotationsbewegung zwischen den Flanschen 40 und 24, wie weiter ausgeführt wird. Die relativen Abmessungen der verschiedenen Einzelteile der Gelenkanordnung 10 sind vorzugsweise so ausgelegt, daß bei zusammengebauter Gelenkanordnung das Elastomer in den flexiblen Elementen 46 und 4 8 unter Vorspannung und einer Vorbiegebelastung zwischen dem Gehäuseflansch 22 und dem Flansch 40 des Rohrelements 38 steht. Wenn axialgerichtete Belastungen auf die Leitungszüge 12 und 14 so einwirken, daß das Rohrelement 38 in das Gehäuse 18 gedrückt wird, hindert der Eingriff zwischen Flansch 40 des Rohrelements 38 und Flansch 24 des Gehäuses die Übertragung von Zugbelastungen auf die flexiblen Elemente 46 und 48. Derartige Zugbelastungen wirken sich auf die Ermüdungslebensdauer der elastomeren Körper 54 und 62 der flexiblen Elemente 46 und 48 besonders schädlich aus.

Die sphärische Ausbildung der flexiblen Elemente 46 und 48 läßt Winkelfehler zwischen den Leitungszügen 12 und 14 auf beiden Seiten der Gelenkanordnungen 10 zu. Winkelfehler zwischen den Leitungszügen 12 und 14 werden durch relative Rotationsbewegungen zwischen den nicht elastomeren Elementen wie den Einlagen 56 und 64 und durch Torsionsscherungen des Elastomers 54 und 62 in den flexiblen Elementen 46 bzw. 48 aufgenommen. Das Elastomer in den flexiblen Elementen 4 6 und 48 wird auch in Torsionsscherrichtung beansprucht,um Rotationsbewegungen der Leitungsstrecken 12 und 14 um ihre Längsachsen aufzunehmen. Die Ausbiegung der flexiblen Elemente 46 und 48, die auftritt, wenn benachbarte Leitungsstrecken 12 und 14 eine Schwenkbewegung gegeneinander um quer zur Längsachse der Gelenkanordnung 10 liegende Achsen ausführen kann bei einem Vergleich der Fig. 2 und 4 dargestellt werden. Die in Fig. 2 und 4 dargestellte Bewegung findet um einen Punkt 72 statt, der sich zwischen den Krümmungsmittelpunkten 52 und 60 der flexiblen Elemente 46 bzw. 48 befindet. Fig. 2 zeigt in einem schematischen Halb-Radialschnitt die rechts

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gelegene Seite der Gelenkanordnung 10 vor der Abbiegung. Fig. 4 zeigt die Gelenkanordnung 10 mit einer um einen Winkel von 10 in Bezug auf die Längsachse 16 der Gelenkanordnung und die Leitungsstrecke 14 gekippte Leitungsstrecke 12. Wie bereits erwähnt, wird etwa die Hälfte der Kippbewegung durch eine Scherabweichung des Elastomers 54 im flexiblen Element 46 aufgenommen, während die verbleibende Hälfte der Kippbewegung durch eine Scherabweichung des Elastomers 62 im flexiblen Element 48 aufgenommen wird. Wenn es auch nicht voll dargestellt ist, so wird das rohrförmige Element 38 an zwei Punkten gegen das Gehäuse 18 angepreßt oder steht im Eingriff mit diesem, um eine Überbeanspruchung des Elastomers bei diesem vorbestimmten größtzulässigen Kippwinkel zu vermeiden. Die in der Darstellung rechte Seite des rohrförmigen Elements 38 ist wie gezeigt in Berührung mit dem Gehäuseflansch 22, während die nicht dargestellte linke Seite des Flansches 40 des rohrförmigen Elements den Hauptabschnitt oder Körperabschnitt 20 des Gehäuses 18 berührt.

Die Vorteile der in Fig. 1, 2 und 4 dargestellten Gelenkanordnung 10 können am besten durch einen Vergleich mit einer üblichen Gelenkanordnung 100 gezeigt werden, wie sie in Fig. 3 und 5 dargestellt ist. Die Gelenkanordnung 100 entspricht im wesentlichen der auf Seite 6 der erwähnten ASME-Drucksache 76-Pet-68 dargestellten Gelenkanordnung. Wie die erfindungsgemäße Gelenkanordnung 10 besitzt die Gelenkanordnung 100 ein Gehäuse 102, das einen rohrförmigen Haupt- oder Körperabschnitt 104 und zwei ringförmige Flansche 106 und 108 enthält. Die Flansche 106 und 108 sind in Richtung der Längsachse 110 der Gelenkanordnung 100 in Abstand voneinander angeordnet und erstrecken sich von dem ringförmigen Hauptabschnitt 104 des Gehäuses 102 radial nach innen. Innerhalb des Gehäuses 102 ist ein Ende eines Rohrelements 112 aufgenommen. Ein Ringflansch 114 erstreckt sich vom innerhalb des Gehäuses 102 befindlichen Ende des rohrförmigen Elements 112 radial nach außen und ist zwischen den Flanschen 106 und

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108 des Gehäuses angeordnet. In abdichtendem Eingriff befindet sich zwischen dem Flansch 106 des Gehäuses 102 und dem Flansch 114 des Rohrelements 112 ein ringförmiges flexibles Element 116. Das flexible Element 116 ist aus einer Vielzahl einander abwechselnder und miteinander verbundener (nicht gezeigter) Schichten aus einem elastomeren Material und einem im wesentlichen im Vergleich zum elastomeren Material nicht dehnbarem Material aufgebaut. Die einander zugewandt liegenden Flächen der Flansche 106 und 114 und die größeren Flächen der Schichten oder der Einlagen aus nicht dehnbarem Material innerhalb des flexiblen Elements 116 sind im Radialschnitt jeweils durch Kreisbögen gebildet, die einen gemeinsamen Mittelpunkt 118 auf der Achse 110 der Gelenkanordnung 100 besitzen. Daraus ergibt sich, daß die Gelenkanordnung 100 Schwenkbewegungen benachbarter Leitungszüge gegeneinander durch eine Relativdrehung der nicht elastomeren Komponenten um den Punkt 118 und durch eine Torsionsscherverformung des Elastomers im flexiblen Element 116 aufnimmt. Diese bekannte Gelenkanordnung 100 ist im nicht abgebogenen Zustand in Fig. und im abgebogenen oder gekippten Zustand in Fig. 5 dargestellt.

Um einen Vergleich zu ermöglichen sei angenommen, daß die beiden flexiblen Elemente 46 und 48 der Gelenkanordnung 10 zusammen die gleiche Stärke oder Höhe wie das einzelne flexible Element 116 der Gelenkanordnung 100 besitzen. Die Höhen oder Stärken der flexiblen Elemente 46, 48 und 116 werden senkrecht zu den sphärischen Flächen in den jeweiligen flexiblen Elementen gemessen. Die Gesamtzahl und die -stärke der nicht dehnbaren Einlagen 56 und 64 in den flexiblen Elemente 46 bzw. 48 soll nach der Annahme gleich der Gesamtzahl und -stärke der Einlagen im flexiblen Element 116 sein. Damit ist die Gesamthöhe oder -stärke des Elastomers.in den beiden flexiblen Elementen 46 und 4 8 mit der Gesamthöhe oder -stärke des Elastomers im flexiblen Element 116 identisch. Weiter soll angenommen sein, daß jede Elastomerschicht in den jeweiligen flexiblen

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Elementen 46, 48 und 116 von gleicher Stärke ist und den gleichen Schermodul (Torsionsmodul) besitzt.

Wenn das Elastomer im flexiblen Element 116 durch Scherung verformt wird, um Kippbewegungen, wie beispielsweise in Fig. aufzunehmen, hängt die effektive Steifheit oder der effektive Widerstand gegen Abbiegung jeder elastomeren Schicht im flexiblen Element 116 vom Quadrat des Radialabstandes zwischen der Schicht und dem Drehzentrum 118 ab. Wenn die am nächsten am Flansch 106 des Gehäuses 102 gelegene elastomere Schicht doppelt so weit vom Drehmittelpunkt 118 entfernt ist, wie die am nächsten am Flansch 114 des rohrförmigen Elements 112 gelegene elastomere Schicht, erscheint die äußere elastomere Schicht mit einer viermal so großen Steifheit gegenüber einer Schwenkbewegung des rohrförmigen Elements 112 gegen das Gehäuse 102 versehen als die am nächsten am Flansch 114 des rohrförmigen Elements gelegene elastomere Schicht, wenn gleiche Stärke, gleicher Schermodul und gleiche Oberflächengröße für alle Schichten vorausgesetzt sind. Wegen der anscheinenden Steifigkeitsunterschiede wird die dem Flansch 114 benachbarte elastomere Schicht bei einem gegebenen Schwenkwinkel oder bei irgendeiner gegebenen Maximalverformung des Elastomers etwa viermal so stark beansprucht oder verformt wie die dem Flansch 106 benachbarte elastomere Schicht. Da die dem Flansch 106 am nächsten liegende elastomere Schicht nur etwa 1/4 der Beanspruchung der dem Flansch 114 benachbarten Schicht aushalten muß, beträgt ihr Beitrag zur Gesamtbewegungsaufnähme der Gelenkanordnung 100 nur etwa 25% der dem Flansch 114 benachbarten Schicht trotz der gleichen Schichtdicken. Wegen den unterschiedlichen Krümmungsradien der Bogen, die die größeren Flächen der aufeinander folgenden elastomeren Schichten des flexiblen Elements 116 bilden, haben dazuhin die dem Flansch 106 benachbarten Schichten wahrscheinlich größere Flächengrößen als die dem Flansch 114 benachbarten. Die Schichten mit den größeren Flächen besitzen einen vergrößerten Widerstand gegen Torsionsbewegung und tragen so

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in noch geringerem Ausmaß zu der Gesamtbewegungsaufnahme des Elements 116 bei als durch die vorangegebene Analyse ergibt.

Dieses Verhalten muß im Gegensatz zu dem Verhalten der Gelenkanordnung 10 nach der vorliegenden Erfindung gesehen werden. Die beiden flexiblen Elemente 46 und 48 der Gelenkanordnung 10 besitzen jeweils nur die Hälfte der Höhe oder Stärke des flexiblen Elements 116. Wenn man das flexible Element 46 als typisch für beide flexible Elemente betrachtet, kann angenommen werden, daß der Abstand der dem Endelement benachbarten elastomeren Schicht des flexiblen Elements vom Rotationszentrum 52 der gleiche ist wie der Abstand der dem Flansch 114 in der Gelenkanordnung 100 benachbarten elastomeren Schicht vom Rotationszentrum 118. Der Abstand der dem Flansch 2 2 benachbarten elastomeren Schicht des flexiblen Elements 4 6 der Gelenkanordnung 10 zum Rotationszentrum 52 ist nur 1,5 mal so groß wie der Abstand der dem Endelement 50 benachbarten elastomeren Schicht zu diesem Zentrum. Demzufolge ist die scheinbare Steifheit der dem Flansch 22 benachbarten elastomeren Schicht nur 2,2 5 mal so groß wie die scheinbare Steifheit der dem Endelement benachbarten elastomeren Schicht gegenüber Kippbewegungen des rohrförmigen Elements 38 in Bezug auf das Gehäuse 18. Wenn die Gelenkanordnung 10 so ausgelegt ist, daß die gleichen Maximalverformungen der elastomeren Körper wie bei der Gelenkanordnung 100 auftreten können, wird die dem Flansch 22 benachbarte elastomere Schicht etwa 2 mal so stark verformt oder belastet bei maximaler Verformung der dem Endelement 50 benachbarten elastomeren Schicht wie die dem Flansch benachbarte elastomere Schicht bei maximal belasteter dem Flansch 114 benachbarter elastomerer Schicht. Obwohl das Elastomer im flexiblen Element 4 6 beispielsweise gleichstark beansprucht oder verformt wird wie das radial am weitesten

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innen liegende Elastomer des flexiblen Elements 116, wird das Elastomer im flexiblen Element 48 beträchtlich höher beansprucht oder verformt als das Elastomer in dem Abschnitt des flexiblen Elements 116, der radial am weitesten außen liegt. So können die beiden flexiblen Elemente 46 und 4 8 der Gelenkanordnung 10 einen größeren Schwenkwinkel bei gegebener Maximalbelastung in irgendeinem Teil des in den flexiblen Elementen verwendeten Elastomers aufnehmen, als es bei dem flexiblen Element 116 der bekannten Gelenkanordnung 100 der Fall ist. Umgekehrt ergibt sich bei einem gegebenen maximalen Schwenkwinkel bei der Gelenkanordnung 10 eine geringere Maximalverformung im Elastomer ihrer flexiblen Elemente als bei der Gelenkanordnung 100. Auch eine relativ geringe Herabminderung der maximalen Verformung ist sehr wichtig, da bei Verformungen von etwa 25% das Verhältnis der voraussichtlichen Ermüdungslebensdauer zweier elastomerer Elemente umgekehrt proportional zur 5. Potenz des Verhältnisses ihrer MaximalVerformungen ist. So ergibt eine 20%-ige Erniedrigung der maximalen Verformung eine 205%-ige Erhöhung der Ermüdungslebensdauer.

Die Verwendung der beiden Endelemente 50 und 58 bei der Gelenkanordnung 10 zur Bildung eines relativ massiven und starren Ringkörpers, der die beiden elastomeren Körper 54 und 62 der flexiblen Elemente 46 und 48 voneinander trennt, gibt eine zusätzliche Abstützung der Einlagen 56 und 64, die in den elastomeren Körpern 54 bzw. 62 eingebettet sind im Vergleich zu der Abstützung, die die Einlagen des flexiblen Elements 116 erfahren. Wegen der gekrümmten Endflächen der flexiblen Elemente 46 und 48 werden die Druckbelastungen auf die Elemente im wesentlichen senkrecht auf die Endflächen oder mit anderen Worten in Radialrichtung zu den Rotationszentren 52 und 60 aufgebracht. Schaut man sich daraufhin die Fig. 2 näher an und insbesondere in dieser Figur das flexible Element 46, so sieht man, daß bei einer durch den

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Flansch 22 und das Endelement 50 übertragenen Druckbelastung die nicht dehnbaren Schichten 56 dieses Elements sowohl durch das Endelement 50 als auch durch den Plansch 22 nur im Bereich eines "Kegelwinkels" A gestützt werden. Außerhalb des Bereichs des Kegelwinkels A sind die Einlagen 56 nicht voll abgestützt. So sind beispielsweise im unteren rechten Bereich des flexiblen Elements 46 in Fig. 2 die Abschnitte der nicht dehnbaren Schichten 56 außerhalb des Kegelwinkels A nicht durch den Flansch 42 gegen Druckbelastungen abgestützt, die durch das Endelement 50 aufgebracht werden. Statt dessen kragen die Kanten der Einlagen effektiv von den gestützten Abschnitten der Einlagen vor. Unter Druckbelastung neigen diese Kanten dann dazu, sich radial nach außen oder nach oben vom Rotationszentrum 52 weg zu biegen. Eine solche Verbiegung oder Wegbiegung ergibt schädliche Belastungen und innere Spannungen für die Einlagen 56, die zu einem Versagen der Einlagen führen können. Diese unabgestützte Beanspruchung der Einlagenkanten wird noch verschlimmert, wenn das flexible Element 4 6, wie in Fig. 4 dargestellt, eine Schwenkbewegung aufzunehmen hat. In Fig. 4 ist gezeigt, daß der Kegelwinkel A sich zu einem geringeren Kegelwinkel A¹ verringert hat und daß dementsprechend die voll abgestützten Abschnitte der Einlagen im flexiblen Element 46 abgenommen haben. Da ein größerer Anteil jeder nicht dehnbaren Einlage oder Schicht 56 im flexiblen Element 46 von dem voll abgestützten Anteil der Einlage vorkragt, werden größere Spannungen und Belastungen auf jede Einlage ausgeübt.

Sind schon die nicht dehnbaren Schichten der flexiblen Elemente 4 6 und 48 der Gelenkanordnung 10 nicht voll abgestützt, so ist die Lage im flexiblen Element 116 der Gelenkanordnung 100 weitaus schwieriger. Wie in Fig. 3 zu sehen, werden die voll abgestützten Bereiche der (nicht im einzelnen dargestellten) nicht dehnbaren Schichten im flexiblen Element 116

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durch den Kegelwinkel B definiert. Der Kegelwinkel B ist bereits kleiner als der Kegelwinkel A in Fig. 2, was teilweise von der Höhe des Elements 116 herrührt. Wenn das flexible Element 116 zur Aufnahme einer Schwenkbewegung der Rohrelements 112 in Bezug auf das Gehäuse 102 im gleichen Ausmaß wie in Fig. 4 gezeigt (d.h. um 10°) gebogen ist, verschwindet der Kegelwinkel B vollständig und man kann einen sozusagen "negativen" Kegelwinkel B¹ entstanden sehen. Es wird also kein Teil einer nicht dehnbaren Schicht im flexiblen Element 116 in dieser Lage voll abgestützt. Die für die nicht dehnbaren Schichten des flexiblen Elements 116 bestehende Tendenz, unter Druckbelastung auszuweichen oder abzubiegen ist beträchtlich höher und dadurch wird die Ermüdungslebensdauer der Einlagen, des flexiblen Elements 116 und damit der gesamten Gelenkanordnung 100 wesentlich verringert. Der effektive Kegelwinkel in beiden Gelerkanordnungen 10 bzw. 100 kann dadurch erhöht werden, daß die Abmessung der flexiblen Elemente 46 und 48 längs ihrer radial am weitesten außen liegenden sphärischen Flächen oder anders gesagt, längs der Flächen der Flansche 20, 40 bzw. 106 vergrößert wird. Diese Vergrößerung der Flächen zieht aber eine Vergrößerung des Außendurchmessers des Gehäuses 102 und damit eine Vergrößerung des Ausmaßes und des Gewichts der Gelenkanordnungen 10 bzw. 100 nach sich. Da jedes flexible Element 46 oder 48 der Gelenkanordnung nur die Hälfte der Gesamtschwenkbewegung übernehmen muß, die die Gelenkanordnung erfährt und da jedes flexible Element oder 48 nur halb so groß oder so stark wie das Element ist, kann nichtsdestoweniger eine bestimmte Erhöhung des effektiven Kegelwinkels in den Elementen 4 6 und 48 durch eine geringere Erhöhung der jeweiligen äußersten sphärischen Eläche erreicht werden, als bei dem Element 116.

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Es wäre wohl möglich, die beiden flexiblen Elemente 46 und 48 so aufzubauen, daß ihre Rotationszentren 52 bzw. 60 am Zentrum 72 der Gelenkanordnung 10 zusammenfallen, aber der starre Ringkörper, der durch die beiden Endelemente 50 und 58 gebildet wird, müßte dann erheblich größer sein. Jede Vergrößerung des starren Ringkörpers würde aber eine Vergrößerung der Gesamtlänge der Gelenkanordnung 10 mit sich bringen.

Es sind eine ganze Anzahl struktureller Veränderungen der dargestellten Ausführung möglich, ohne die Funktionsweise der Gelenkanordnung 10 zu stören. Es können beispielsweise die Einlagen 56 und 64 mit in Radialrichtung unterschiedlicher Stärke ausgeführt werden. Die Stärken und die Schermoduln (Torsionsmoduln) aufeinanderfolgender elastomerer Schichten in den Elementen 46 und 48 könnten gemäß US-PS 3 679 197 geändert werden. Es kann auch jedes der beiden flexiblen Elemente 4 6 oder 48 in seiner Gesamtheit aus Elastomer ohne nicht dehnbare Schichten oder Einlagen 56 bzw. 64 ausgeführt sein. Die Möglichkeit der Verwendung nicht laminierter oder nicht geschichteter flexibler Elemente hängt von den Druckbelastungen ab, die auf die Elemente infolge der Verspannung der Leitungsstrecken 12 und 14 ausgeübt werden und von den Fluiddrucken, die auf die Seitenflächen der Elemente einwirken. Es ist auch möglich und bringt wahrscheinlich Vorteile, Endelemente für die flexiblen Elemente 4 6 und 48 vorzusehen, die besondere Bauteile gegenüber den Flanschen 22 und 40 darstellen. Obwohl ein solcher Aufbau zusätzliche O-Ringe zur Abdichtung der Zwischenflächen zwischen diesen Endelementen und den Flanschen 22 und 40 erforderlich macht, wird doch die Herstellung und Formung der flexiblen Elemente 46 und 48 dadurch erleichtert. Gleichzeitig wäre es möglich, die beiden Endelemente 50 und 58 als einzigen einstückigen Ringkörper herzustellen. Ein solcher Ringkörper würde jedoch die Formung

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der flexiblen Elemente 46 und 4 8 erschweren. Der Flansch 22 kann auf andere Weise als durch Verschrauben mit dem Hauptabschnitt 20 des Gehäuses 18 verbunden werden, beispielsweise durch Einschrauben des Flansches als ganzes in den Hauptabschitt.

Es wird also eine flexible Gelenkanordnung zur Verbindung zweier ein Druckfluid führender Leitungen vorgestellt,, die ein ringförmiges Gehäuse und ein rohrförmiges Element enthält, wobei das Element einen kleineren Durchmesser als das Gehäuse aufweist. Das Gehäuse besitzt in der Nähe seiner Enden jeweils einen ringförmigen Flansch, der sich in Bezug auf das Gehäuse radial nach innen erstreckt. Zwischen den Gehäuseflanschen ist ein ringförmiger Flansch angeordnet/ der sich einem Ende des rohrförmigen Elements benachbart radial nach außen erstreckt. Das andere Ende des rohrförmigen Elements steht durch eine in einem Ende des Gehäuses befindliche Öffnung vor und ermöglicht die Anbringung eines Leitungszuges. Innerhalb des Gehäuses umgibt ein starrer Ringkörper das rohrförmige Element. Auf beiden Seiten des starren Ringkörpers ist ein ringförmiges flexibles Element das rohrförmige Element umgebend vorgesehen und enthält mindestens einen elastomeren Körper. Die flexiblen Elemente sind mit dem starren Ringkörper und den jeweils benachbarten Flanschen des rohrförmigen Elements und des Gehäuses so verbunden, daß eine Fluidabdichtung und eine lastübermittelnde Verbindung zwischen dem rohrförmigen Element und dem Gehäuse gebildet ist. Jedes flexible Element besitzt zwei einander entgegengesetzt liegende Endflächen, die im Radialschnitt eine gekrümmte Form aufweisen. Die Endflächen des flexiblen Elements zwischen dem starren Ringkörper und dem benachbarten Gehäuseflansch werden durch Bogen gebildet, deren Krümmungsmittelpunkte vom flexiblen Element weg gegen das entgegengesetzte Ende des Gehäuses liegen. Die Endflächen des flexiblen Elements zwischen dem starren Ringkörper und dem Flansch des

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rohrförmigen Elements sind in gleicher Weise durch Bogen gebildet, deren Krummungsmittelpunkte von diesem flexiblen Element weg in Richtung auf das Ende des Gehäuses hin verschoben sind, durch das das rohrförmige Element vorsteht. Die den Endflächen der beiden flexiblen Elemente zugeordneten Krummungsmittelpunkte sind nicht konzentrisch. Die gekrümmt ausgebildeten Flächen der flexiblen Elemente ergeben die Aufnahme relativer Kippbewegungen zwischen den beiden durch die Gelenkanordnung verbundenen Leitungen. Gleichzeitig ergibt die Verwendung gebogener Flächen in jeweils einem flexiblen Element, die nicht mit den Flächen des anderen flexiblen Elements konzentrisch liegen, eine relativ kleine und stabile Anordnung zur Aufnahme eines gegebenen Ausmaßes von Schwenkbewegung.

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Leerseile

Claims

Patentansprüche

1.JGelenkanordnung zur Verbindung zweier Leitungen, die Fluid unter einem Druck enthalten, der von einem äußeren Umgebungsdruck auf die Leitungen verschieden ist, dadurch gekennzeichnet , daß ein hohles, ringförmiges Gehäuse mit? einer Öffnung an beiden Enden vorgesehen ist, welches erste und zweite ringförmige Flansche aufweist, die sich radial in Bezug auf einen größten Innendurchmesser des Gehäuses nach innen erstrecken, wobei die beiden Flansche in Richtung der Längsachse des Gehäuses einen solchen Abstand voneinander aufweisen, daß das eine Ende des Gehäuses näher zum ersten Flansch als zum zweiten Flansch liegt, daß ein rohrförmiges Element mit kleinerem Außendurchmesser als dem größten Innendurchmesser des Gehäuses vorgesehen ist, das seinem

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einen Ende benachbart einen ringförmigen Flansch besitzt, der sich radial von dem Element nach außen erstreckt und zwischen den beiden Flanschen des Gehäuses angeordnet ist, wobei das andere Ende des rohrförmigen Elements durch die Öffnung an einem Ende des Gehäuses zur Anbringung einer Fluidleitung vorsteht, daß eine einen starren Ringkörper bildende Anordnung vorgesehen ist, die das rohrförmige Element innerhalb des Gehäuses umgibt und zwischen dem ersten Flansch des Gehäuses und dem Flansch des rohrförmigen Elements angeordnet ist und daß zwei ringförmige flexible Elemente bestimmende Einrichtungen vorgesehen sind, wobei jedes flexible Element mindestens einen elastomeren Körper enthält und zwei ringförmige freigelegte Seitenflächen besitzt, daß ein erstes flexibles Element das rohrförmige Element umgibt und zwischen dem ersten Flansch des Gehäuses und dem starren Ringkörper angeordnet ist, daß das zweite flexible Element ebenfalls das rohrförmige Element umgibt und zwischen dem starren Ringkörper und dem Flansch des rohrförmigen Elements angeordnet ist, daß die beiden flexiblen Elemente und der starre Ringkörper mindestens einen Teil einer Fluidabdichtung und einer lastübertragenden Verbindung zwischen dem rohrförmigen Element und dem Gehäuse bestimmen, daß jedes flexible Element zwei einander entgegengesetzt liegende ringförmige Endflächen besitzt , die sich jeweils im allgemeinen von einer Seitenfläche zur anderen Seitenfläche des flexiblen Elements erstrecken und im Radialschnitt durch einen um einen im allgemeinen auf der Längsachse des Gehäuses angeordneten Punkt erzeugten Bogen gebildet werden, wobei die Endflächen des ersten flexiblen Elements im Radialschnitt durch erste Bogen bestimmt sind, die um erste relativ zum ersten flexiblen Element in Richtung des anderen Gehäuseendes versetzte erste Punkte erzeugt sind und die Endflächen des zweiten flexiblen Elements

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im Radialschnitt durch zweite Bogen bestimmt sind, die um relativ zum zweiten flexiblen Element in einer Richtung zum einen Ende des Gehäuses hin versetzte zweite Punkte erzeugt sind, wobei die zweiten Punkte näher an dem einen Ende des Gehäuses liegen als die ersten Punkte.

2. Gelenkanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der elastomere Körper jedes flexiblen Elements zwischen zwei starren Elementen angeordnet ist und an entgegengesetzt liegenden Flächen der beiden starren Elemente so angreift , daß zwischen den starren Elementen ringförmige freigelegte Flächen des elastomeren Körpers gebildet sind, die den freigelegten Seitenflächen des flexiblen Elements entsprechen.

3. Gelenkanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das eine der beiden starren Elemente, an denen beide elastomere Körper angreifen, der starre Ringkörper ist.

4. Gelenkanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jedes flexible Element eine Vielzahl voneinander mit Abstand angeordnete Einlagen aus im wesentlichen nicht dehnbarem Material umfaßt, die in dem elastomeren Körper des flexiblen Elements eingebettet sind.

5. Gelenkanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß jede Einlage Flächen aufweist, die im Radialschnitt durch Bogen bestimmt sind, die mindestens in Nachbarschaft der Punkte angeordnet sind, um welche die Bogen erzeugt sind, die die Endflächen des flexiblen Elements bestimmen, das den elastomeren Körper enthält, in dem die Einlage eingebettet ist.

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6. Gelenkanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Bogen, die die Endflächen der ersten und zweiten flexiblen Elemente bilden, Kreisbogen sind.

7. Gelenkanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten Punkte jeweils konzentrisch sind, daß die zweiten Punkte jeweils konzentrisch sind und daß die Punkte, um welche die gebogenen Flächen der Einlagen erzeugt sind konzentrisch mit den Punkten sind, um welche die die Endflächen des flexiblen Elements, das den elastomeren Körper, in den die Einlage eingebettet ist, enthält, bestimmenden Bogen erzeugt sind.

8. Gelenkanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der starre Ringkörper aus zwei dichtend aneinander in Eingriff bringbaren Ringabschnitten gebildet ist.

9. Gelenkanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Flansch des rohrförmigen Elements so bemessen und angeordnet ist, daß er mit dem zweiten Flansch des Gehäuses in Eingriff bringbar ist, so daß die Bewegung des rohrförmigen Teils längs der Längsachse des Gehäuses gegen das andere Ende des Gehäuses hin durch den zweiten Flansch begrenzbar ist.

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