DE4324821C2

DE4324821C2 - Hydraulische Untersee-Kupplung mit druckbetätigten Dichtungen

Info

Publication number: DE4324821C2
Application number: DE19934324821
Authority: DE
Inventors: Iii Robert E Smith
Original assignee: National Coupling Co Inc
Current assignee: National Coupling Co Inc
Priority date: 1992-07-28
Filing date: 1993-07-23
Publication date: 2003-09-25
Anticipated expiration: 2013-07-24
Also published as: NO932711D0; DE4324821A1; AU664629B2; NO309878B1; US5277225A; NO932711L; BR9303005A; GB2269216A; AU4202993A; GB2269216B; GB9315512D0

Description

Die Erfindung betrifft hydraulische Kupplungen zur Verwendung bei Unterseebohrungen oder Produktionsanwendungen mit zu mindest zwei flexiblen, druckbetätigten Dichtungen, die in nerhalb des ringförmigen Raumes zwischen einem Einsteckele ment und einem Aufnahmeelement angeordnet sind.

Hydraulische Unterseekupplungen sind allgemein bekannt. Die Kupplungen bestehen im wesentlichen aus einem Einsteck- und einem Aufnahmeelement, wobei abgedichtete Fluiddurchlässe zwischen ihnen verbunden sind. Das Aufnahmeelement ist im allgemeinen ein zylindrischer Körper mit einer Längsbohrung mit relativ großem Durchmesser an einem Ende und einer Längsbohrung mit relativ kleinem Durchmesser am anderen.

Die kleine Bohrung ermöglicht Verbindungen mit Hydrauli kleitungen, während die große Bohrung das Einsteckstück der Kupplung gleitend aufnimmt und abdichtet. Das Einsteckele ment oder die Sonde weist an einem Ende einen zylindrischen Teil auf, dessen Außendurchmesser etwa gleich dem Durchmes ser der großen Bohrung des Aufnahmeelementes der Kupplung ist. Das Einsteckelement umfaßt ferner eine Verbindung an seinem Außenende zur Ermöglichung des Anschlusses an Hydraulikleitungen. Wenn der zylindrische Abschnitt des Einsteckelementes in die große Bohrung des Aufnahmeelemen tes eingebracht wird, wird in verschiedenen Ausführungsfor men dieser Vorrichtung ein Fluidfluß zwischen dem Einsteck element und dem Aufnahmeelement hergestellt. Die US 4694859 beschreibt eine hydraulische Un terseekupplung und eine Metalldichtung. Dieses Patent of fenbart eine wiederverwendbare Metalldichtung, die den Um fang der Sonde umgibt und im Ringraum zwischen dem Einstec kelement und dem Aufnahmeelement angeordnet ist. Die Me talldichtung ist druckbetätigt und dehnt sich radial nach innen und nach außen während des Gebrauchs aus. Die Metall dichtung wird durch einen Sicherungsring am Ort gehalten.

Eine druckausgeglichene hydraulische Unterseekupplung zeigt US 4754780. In diesem Patent werden hydraulische Kupplungen beschrieben, bei denen die Fluid verbindung zwischen dem Einsteckelement und dem Aufnahmee lement durch radiale Fluiddurchlässe in den Elementen ge schaffen wird.

Die US 4832080 beschreibt eine druckausgeglichene Hydrau likkupplung mit Metalldichtungen. Gemäß diesem Patent sind ein Paar Metalldichtungen zur Abdichtung zwischen dem Um fang des Einsteckelementes und der Mittenbohrung des Auf nahmeelementes angeordnet, und ein Dich tungssicherungselement mit einem radialer Durchlaß ist im Ringraum zwischen ihnen derart angeordnet, daß die Dichtun gen auf jeder Seite des radialen Fluiddurchlasses sind. Die Dichtungen sind druckbetätigte Metalldichtungen der in der US 4694859 beschriebenen Art.

Probleme treten bei der Verwendung von Hydraulikkupplungen in Systemen mit relativ hohem Druck aufgrund der hohen Axi alkräfte auf, die während des Kupplungsvorganges und wäh rend des Gebrauchs auf das Einsteckelement und das Auf nahmeelement ausgeübt werden. Bei solchen Kupplungen ist es erforderlich, die Fluidkraft, die gegen die Stirnfläche des Einsteckelementes oder des Aufnahmeelementes drückt, überwunden wird, bevor die Fluidverbindung zwischen den Elementen hergestellt wird. In Systemen mit relativ hohem Druck können hohe Kräfte, die auf die Ventile der Elemente ausgeübt werden, die Verbindung des Einsteckelementes mit dem Aufnahmeelement sehr schwierig gestalten. Desweiteren tritt während des Gebrauchs Fluiddruck zwischen dem Einsteckelement und dem Aufnahmeelement derart auf, daß er sie voneinander trennt. Die für das Zusammenbringen der Elemente erforderliche Kraft und die resultierende Neigung der Elemente, sich voneinander zu trennen, sind im wesent lichen Probleme in der bekannten Technik. Hochdrucksysteme und Unterseeanwendungen zeigen ferner Probleme, die mit der Dichtung des Übergangs zwischen dem Einsteckelement und dem Aufnahmeelement verbunden sind.

Idealerweise sollten Hydraulikkupplungen soweit wie möglich druckausgeglichen sein, so daß der Fluiddruck die Verbin dung des Einsteckelementes und des Aufnahmeelementes nicht verhindert oder deren Trennung verursacht. Um vorzugsweise einen Verlust von Fluid beim Kuppeln oder Entkuppeln zu vermeiden, sollten die Elemente Ventileinrichtungen aufwei sen, die sich beim Kuppeln automatisch öffnen und beim Ent kuppeln automatisch schließen. Desweiteren sollten die Kupplungen Dichtungen einsetzen, die sowohl hohen Drücken als auch korrosiven Einwirkungen aus der Umgebung widerstehen können.

Die oben erwähnten Probleme werden durch den Patenanspruch 1 gelöst.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Fluidverbin dung zwischen dem Einsteckelement und dem Aufnahmeelement hergestellt zwischen einem radialen Durchlaß an der äußeren Längsfläche des Einsteckelementes und einem passenden ra dialen Durchlaß in der Seitenwandung der Aufnahmekammer des Aufnahmeelementes. Die Vorderflächen von gegenseitig gegen überliegenden Ventilstangen in den beiden Elementen kommen miteinander in Kontakt und zwingen Rückschlagventile und ihre entsprechenden Elemente in die geöffnete Position. Die Dichtungen sind vorzugsweise ein Paar radial flexibler, C- förmiger Metalldichtungen, die zwischen den Elementen ange ordnet sind, so daß auf jeder Seite des ringförmigen Raumes eine Dichtung ist. Fluiddruck in der Kupplung zwingt die Dichtungen zum dichtenden Eingriff mit der Aufnahmekammer und dem Außenumfang des Einsteckelementes. Ein Paar Positi onsringe und Sperringe wird verwendet, um die Dichtunge bei der Trennung des Einsteckelementes und des Aufnahmeelemen tes im ringförmigen Raum zu halten.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der beige fügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittdarstellung des bevorzugten Ausführungs beispiels des Einsteckelementes und des Aufnahmeelementes der Kupplung im Kupplungszustand und

Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Metalldichtungen und Halteringe gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung.

Bezugnehmend auf Fig. 1 umfaßt ein bevorzugtes Ausführungs beispiel der Erfindung ein Aufnahmeelement 10, ein Einstec kelement 50 und ein Paar flexible, druckbetätigte radiale Metalldichtungen 13, 25 für den dichtenden Eingriff der Elemente, wenn das Einsteckelement in das Aufnahmeelement eingebracht wird. Die radialen Metalldichtungen 13, 25 sind an jedem Ende des ringförmigen Raumes 23 angeordnet, wobei die Dichtungen so ausgebildet sind, daß sie einen Austritt von Fluid aus jedem Ende des ringförmigen Raumes verhindern. Als Sicherungsdichtungen kann ein zweites Paar fle xibler, druckbetätigter Metalldichtungen an jedem Ende des ringförmigen Raumes eingebracht sein, oder Sicherungdich tungen 16 und 35 können verwendet werden. Ein Paar Dich tungs-Positionsringe 17, 26 und Schnappringe 18, 27, sind ferner im ringförmigen Raum 23 angeordnet, um bei der Trennung des Einsteckelementes und des Aufnahmeelemen tes, die Metalldichtungen 13, 25 im ringförmigen Raum zu halten.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Fluidverbin dung ohne wesentlichen Druck hergestellt, der gegen die Stirnfläche des Einsteckelementes ausgeübt wird, während oder nach dem Einbringen, und er wird vorzugsweise radial über einen Durchlaß 52 in der Außenlängsfläche des Einsteckelementes und einem korrespondierenden radialen Fluiddurchlaß 20 in der Aufnahmekammer des Aufnahmeelemen tes hergestellt.

In der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 1 weist das Aufnahemelement 10 einen Körper 11, eine Aufnahmekammer 12 und eine Ventilanordnung 38 auf. Das Aufnahmeelement weist ferner einen ersten Radialdurchlaß 20, einen Längsdurchlaß 21 und einen zweiten Radialdurchlaß 22 auf. Der Radial durchlaß 20 kommuniziert mit der Aufnahmekammer 12 und dem Längsdurchlaß 21. Der Radialdurchlaß 22 kommuniziert mit dem Längsdurchlaß 21 und der Bohrung 48. Die Ventilanordnung 38 weist ein Tellerventil 47 auf, das durch eine Ven tilfeder 57 in eine normalerweise geschlossene Position ge gen den Ventilsitz 58 vorgespannt ist. Ausgehend von der Nase des Tellerventils ist eine Stange oder ein Ventilbetä tigungselement 49 angeordnet, das innerhalb der Bohrung 48 gleitet. Im wesentlichen ist die Ventilanordnung von der gleichen Bauart, die im US-Patent Nr. 4832080 beschrieben ist.

Eine Längsbohrung beginnt an einem Ende des Aufnahemelemen tes, an dem eine Ventilbohrung 60 zur Aufnahme der Ventila nordnung 38 ausgebildet ist. Die Ventilbohrung 60 ist nach innen abgeschrägt und bildet um den Ventilsitz 58. Nach dem Ventilsitz befindet sich eine verengte Ventilstangenbohrung 48 zur gleitenden Einbringung der Ventilstange oder des Ventilbetätigungselementes 49. Die Ventilstangenbohrung 48 erstreckt sich längs durch das Aufnahmeelement bis sie die Aufnahmekammer 12 erreicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aufnahmekammer 12 abgestuft in einen ersten Abschnitt 63, eine innere Schulter 64, einen zweiten Abschnitt 65, eine weitere in neren Schulter 66 und einen dritten Abschnitt 67. Der In nendurchmesser des ersten Abschnittes 63 der Aufnahmekammer ist so dimensioniert, daß er gleitend das Einsteckelement 50 oder die Sonde aufnehmen kann. Der Innendurchmesser des zweiten Abschnittes 65 ist größer als der des ersten Abschnittes 63, so daß ein ringförmiger Raum 23 zwischen dem Einsteckelement und dem Aufnahmeelement für die Dichtungen und die Dichtungssicherungsanordnungen, die darin angeord net werden, gebildet wird. Der Innendurchmesser des dritten Abschnittes 67 der Aufnahmekammer ist größer als der des zweiten Abschnittes und ist vorzugsweise so dimensioniert, daß er ein Gewindestück 32 oder ein Sicherungs-Sperr element aufnehmen kann, wie später im Detail beschrieben wird.

Eine Sicherungsdichtung kann im ersten Abschnitt 63 der Aufnahmekammer vorgesehen sein, um eine Abdichtung zwischen dem Einsteckelement und der Aufnahmekammer zu schaffen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dies eine elastomere Dichtung 16, die in einer Nut 15 im ersten Abschnitt der Aufnahmekammer angeordnet ist.

Im zweiten Abschnitt 65 der Aufnahmekammer sind in der Aus führungsform gemäß Fig. 1 und 2 die radialen Metalldich tungen und die Dichtungssicherungselemente im ringförmigen Raum 23 zwischen dem Einsteckelement und dem Aufnahmeele ment angeordnet. Die erste radiale Metalldichtung 13 ist eine flexible, C-förmige, ringförmige Metalldichtung, die auf der Schulter 64 in der Aufnahmekammer angeordnet ist. Die Metalldichtung 13 hat einen inneren Hohlraum 39 und kann druckbetätigt werden, um sich radial nach außen und nach innen in Abhängigkeit vom Fluiddruck in der Kupplung auszudehnen, so daß die Fluiddichtung zwischen dem Einsteckele ment und dem Aufnahmeelement erhöht wird. Ein Positionsring 17 ist angrenzend an das offene Ende des Hohlraums 39 ange ordnet und wird durch einen Schnappring 18 der eine Nut 19 eingreift, gesichert. Optionell ist eine innere Schulter (nicht dargestellt) in der Wandung der Aufnahmekammer vor gesehen, um den Positionsring 17 aufzunehmen und zu posi tionieren.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist der erste Radial durchlaß 20 nach außen gerichtet. Der erste Radialdurchlaß 20 kommuniziert mit dem Längsdurchlaß 21, der seinerseits mit dem zweiten Radialdurchlaß 22 kommuniziert. Wenn das Einsteckelement 50 vollständig in die Aufnahmekammer 12 des Aufnahmeelementes eingebracht ist, trifft der radiale Durchlaß 52 am Außenumfang des Einsteckelementes auf den ersten Radialdurchlaß 20 des Aufnahmeelementes und läßt zwischen ihnen einen Fluidfluß zu.

Optionell kann ein Schlitz 30 in der Wandung des zweiten Abschnittes der Aufnahmekammer angrenzend an den ringförmi gen Raum 23 vorgesehen sein. Ohne den Schlitz 30 schafft jedoch der ringförmige Raum 23 im zweiten Abschnitt der Aufnahmekammer einen Raum für die Fluidverbindung zwischen den Radialdurchlässen der Elemente, selbst wenn die Kupp lungselemente nicht richtig ausgerichtet sind.

Die Metalldichtungen 13 und 25 an jeder Längsseite des Ra dialdurchlasses 20 dichten den Flüssigkeitsfluß ab, mit Ausnahme zwischen den entsprechenden Radialdurchlässen des Einsteckelementes und des Aufnahmeelementes. Ein zweites Paar Metalldichtungen (nicht dargestellt) kann an jeder Seite der Metalldichtungen 13, 25 vorgesehen sein. Vorzugs weise verläuft der Fluidfluß zwischen dem Einsteckelement und dem Aufnahmeelement senkrecht zur Längsachse der Ele mente. Dementsprechend wird keine Längskraft durch das Fluid auf die Vorderfläche des Einsteckelementes ausgeübt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite radiale Metalldichtung 25 eine flexible, druckbetätigte radiale Me talldichtung mit C-förmigem Querschnitt. Der Raum 70 in der Dichtung ist in Abhängigkeit vom Fluiddruck in der Kupplung dehnbar, um die Dichtung radial nach außen und innen auszu dehnen. Die radiale Metalldichtung 25 ist im zweiten Ab schnitt 65 der Aufnahmekammer angeordnet, um die Dichtung zwischen der Aufnahmekammerwandung und der Längsfläche des Einsteckelementes zu schaffen. Ein Abstandsring 26 ist angrenzend an den Hohlraum 70 der Metalldichtung 25 angeordnet und wird durch einen Schnappring 27, der in eine Nut 28 eingreift, in der Aufnahmekammerwandung gehalten.

Angrenzend an die Metalldichtung 25 ist eine interne Schulter 66, die eine weitere Stufe im Durchmesser der Aufnahmekammer definiert. Ein Gewindestück 32 ist in dem dritten Abschnitt 67 der Aufnahmekammer eingebracht und schlägt an die Schul ter 66. Das Gewindestück 32 hält die Metalldichtung 25 und den Positionsring 26 innerhalb der Aufnahmekammer des Aufnahme elementes, wenn die Elemente getrennt werden. Das Gewinde stück 32 ist in den dritten Abschnitt der Aufnahmekammer eingeschraubt. Das Gewindestück 32 kann eine Nut 37 zur Aufnahme eines O-Ringes 36 aufweisen, zur Dichtung zwischen der Nut und der Schulter 66. Der Innenumfang des Gewinde stücks kann ebenfalls eine Nut 34 zur Sicherungsdichtung aufweisen, die vorzugsweise eine elastomere Dichtung 35 ist, um zwischen dem Gewindestück und dem Einsteckelement 50 abzudichten.

Die Kupplung der Fig. 1 umfaßt ferner ein Einsteckelement 50 mit einem Körper 80, einer Mittenbohrung oder Ventilboh rung 81, einem Tellerventil 82 und einem Radialdurchlaß 52. Das Einsteckelement und das Aufnahmeelement sind im allgemeinen mit gegenüberliegenden Platten einer Verteilung verbunden und werden durch Bolzen oder hydraulische Ele mente, die mit den Platten befestigt sind, zusammengehal ten. Das Einsteckelement ist normalerweise an einer Platte befestigt, während das Aufnahmeelement an einer gegenüber liegenden Platte befestigt ist, so daß es auf das Einsteck element gerichtet und mit ihm ausgerichtet ist. Das Ein steckelement und das Aufnahmeelement können unter Verwen dung verschiedener Einrichtungen mit den Verteilerplatten verbunden sein, beispielsweise Schrauben oder Gewinde. Dem Fachmann sind Techniken zum Befestigen der Elemente an sol chen Verteilerplatten allgemein bekannt. Das in Fig. 1 dar gestellte Einsteckelement 50 ist im wesentlichen identisch zu dem, das in dem US-Patent Nr. 4832080 beschrieben ist.

Da Fluiddurchlässe im Aufnahmeelement 10 gefertigt oder gebohrt werden, erstrecken sich diese Durchlässe zum Außenumfang des Aufnahmeelementes und zur Vorderfläche des Aufnahmeelementes und sind mit Stopfen 43 abgedichtet. Es ist offensichtlich, daß diese sich zum Außenumfang und zur Fläche des Aufnahmeelementes erstrec kenden Durchlässe und die Stopfen zum Schließen der Durch lässe nicht wesentlich sind für das erfindungsgemäße Kon zept. Falls eine andere Herstellungstechnik wie Gießen zur Herstellung der Vorrichtung verwendet wird, sind die Durch lässe, Erweiterungen und Stopfen nicht erforderlich und müssen bzw. können nicht vorhanden sein.

Wie Fig. 1 zeigt, hat das Aufnahmeelement 10 ferner einen oder mehrere Ableitungsdurchlässe 31 zur Ableitung von Was ser aus der Aufnahmekammer des Aufnahmeelementes. Jeder Ab leitungsdurchlaß verbindet die Mitte der Aufnahmekammer 12 und die Außenlängsfläche des Aufnahmeelementes. Optionell wird eine Ableitungsdurchlaßdichtung 41 in einer Lüftungdichtungsnut verwendet, um Fluidfluß nur nach außen aus der Aufnahmekammer zu gestatten, wenn das Einsteckele ment in das Aufnahmeelement eingebracht wird und Fluid aus der Mitte der Aufnahmekammer ausgedrückt wird. Die Ablei tungsdurchlässe schaffen eine Einrichtung zur zwangsweisen Ableitung von aufgenommenem Seewasser aus der Aufnahmekam mer beim Eintritt des Einsteckelementes. Auf diese Weise kann Seewasser oder anderes Fluid aus den Ableitungsdurch lässen abgeleitet werden, und ein Druck, der eine Trenn kraft zwischen dem Einsteckelement und dem Aufnahmelement ausübt, wird nicht aufgebaut.

Claims

1. Untersee-Hydraulikkupplung mit:

a) einem Aufnahmeelement (10) mit einer Mittenbohrung entlang einer Längsachse, einem Längsdurchlaß (21) im wesentlichen parallel zur Mittenbohrung, einem ersten und einem zweiten Radialdurchlaß (20, 22), die sich zwischen der Mittenbohrung und dem Längs durchlaß erstrecken,
b) einem Einsteckelement (50) mit einem Außenumfang, einem Längsdurchlaß (81) und einem dritten Radialdurchlaß (52), der sich zwischen dem Längsdurchlaß und dem Außen umfang des Einsteckelementes erstreckt, wobei das Einsteckelement (50) in die Mittenboh rung des Aufnahmeelements, die einen ringförmigen Raum (23) zwischen dem dritten Ra dialdurchlaß und dem zweiten Radialdurchlaß bildet, einbringbar ist, und
c) einem Paar druckbetätigter radialer Metalldichtungen (13, 25), die angrenzend an jedes Ende des ringförmigen Raumes (23) angeordnet sind, wobei die radialen Metalldichtungen zwischen dem Einsteckelement und der Mittenbohrung gegen einen Austritt von Fluid an jedem Ende des ringförmigen Raumes (23) abdichten,

gekennzeichnet durch

a) ein Paar Dichtungspositionierringe (17, 26), die in dem ringförmigen Raum zwischen den Dichtungen angeordnet sind, wobei jeder Dichtungspositionierring bei Entfernung des Einsteckelementes aus der Mittenbohrung die radialen Metalldichtungen in Position halten kann.

2. Untersee-Hydraulikkupplung nach Anspruch 1, wobei das Einsteckelement (50) und das Aufnahmeelement (10) jeweils im Normalzustand geschlossene Tellerventile (82, 47) aufweisen, die bei Einbringung des Einsteckelementes in die Mittenbohrung geöffnet werden.

3. Untersee-Hydraulikkupplung nach Anspruch 1, wobei die Dichtungshalteeinrichtung ein Ringelement und einen Schnappring (18, 27) aufweist, der mit einem Schlitz in der Mittenbohrung des Aufnahmeele mentes in Eingriff bringbar ist.

4. Untersee-Hydraulikkupplung nach Anspruch 1, wobei die Mittenbohrung eine innerne Schulter (64) aufweist und eine der radialen Metall dichtungen (13) auf der innernen Schulter positioniert ist.

5. Untersee-Hydraulikkupplung nach Anspruch 1, mit ferner einem Ableitungs-Durchlaß (31) zwischen der Mittenbohrung und der Außen fläche des Aufnahmeelementes.

6. Untersee-Hydraulikkupplung nach Anspruch 1, mit ferner einem Paar Sicherungsdichtungen (16, 35), wobei je eine der Sicherungsdich tungen angrenzend an eine radiale Metalldichtung (13, 25) angeordnet ist.