DE69110862T2

DE69110862T2 - Dichtungsanordnung.

Info

Publication number: DE69110862T2
Application number: DE69110862T
Authority: DE
Inventors: Brian Hart
Original assignee: Cooper Cameron Corp
Current assignee: Cameron International Corp
Priority date: 1991-04-09
Filing date: 1991-04-09
Publication date: 1995-12-14
Anticipated expiration: 2011-04-10
Also published as: ATE124496T1; EP0509156B1; US5330201A; CA2065168A1; DE69110862D1; EP0509156A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Dichtungsanordnungen zum Abdichten zwischen zylindrischen Flächen und findet spezielle Anwendung in solchen Fällen, wo Dichtungen notwendig sind, die eine Abdichtung gewährleisten, nachdem sie zueinander etwas verdreht wurden. Die vorliegende Dichtungsanordnung wurde speziell zum Einsatz in Unterwassereinrichtungen entwickelt, sie ist jedoch keinesfalls auf diese Anwendung beschränkt.
In Unterwasserbohreinrichtungen ist es während einiger Phasen der Installation oft notwendig, die elastischen Dichtungseinrichtungen zu drehen, und darauf folgend müssen diese eine effektive Dichtungsfunktion ausüben. Ein Beispiel für ein solches Erfordernis ergibt sich bei einem sogenannten äußeren Tieback-Verbinder, welcher verwendet wird, um die Tieback- Ausrüstung mit einem Unterwasserbohrlochkopf zu verbinden. Der Tieback-Verbinder umfaßt eine drehbare Buchse, welche benutzt wird, um einen äußeren Ring anzutreiben und Verriegelungsklauen zur Verbindung des Tieback-Verbinders mit dem Bohrlochkopfgehäuse zu betätigen. Dichtungen sind zwischen der drehbaren Buchse und dem Körper des Tieback-Verbinders vorgesehen, und diese Dichtungen müssen sowohl vor als auch nach der Drehung der Buchse eine effektive Abdichtung gewährleisten. Die Dichtungen müssen normalerweise in der Lage sein, Drücken in der Größenordnung von 10 000 psi standzuhalten. Es war bisher üblich, als elastische Dichtungen O- Ringe oder Lippendichtungen vorzusehen, aber es haben sich Probleme hinsichtlich der Gewährleistung der Abdichtung ergeben, welche die o. g. Anforderungen erfüllen können. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung, die so ausgebildet ist, daß sie diese Probleme zumindest vermindert.
FR-A-2610382 offenbart eine Dichtungsanordnung zum Abdichten zwischen zwei relativ zueinander drehbaren zylindrischen Flächen, wobei die Anordnung zwei in einer Nut, die in einer der beiden Flächen vorgesehen ist, so angeordnete Teile umfaßt, daß eines der Teile radial außerhalb des anderen angeordnet ist, und dieses eine der Teile axial relativ zum anderen bewegbar ist, um das Setzen der Dichtungsanordnung zu vollziehen, und die Nut und die Teile so dimensioniert sind, daß die Teile zwischen den Flächen während des Setzens der Dichtungsanordnung zusammengepreßt werden.
Die Lösung der vorliegenden Erfindung ist Gegenstand des Patentanspruches 1, während spezielle Ausführungsformen der Erfindung Gegenstand der Unteransprüche sind.
Die Nut kann so geformt sein, daß sie eine nicht einheitliche Tiefe aufweist, und eines der Dichtungsteile axial in Abhängigkeit des Fluiddruckes von einem tieferen Teil der Nut zu einein flacheren Teil der Nut bewegbar ist, um ein Setzen der Dichtung zu vollziehen.
Die Profile können eine Vielzahl von sägezahnförmigen Zacken, die an den aneinanderliegenden Flächen der Dichtungsteile vorgesehen sind, aufweisen.
Die untere Fläche der Nut kann axial geneigt sein, um die nicht einheitliche Tiefe zu gewährleisten. Die Nut kann einen inneren und einen äußeren Teil aufweisen, wobei der äußere Teil eine etwas größere axiale Ausdehnung aufweist und so beschaffen ist, daß er das äußere Dichtungsteil aufnimmt, welches auf einer Stufe zwischen dem äußeren und dem inneren Nutteil aufliegt.
Die Außenfläche des äußeren Dichtungsteiles kann vor dem Setzen der Dichtungsanordnung gewölbt sein. Die Wölbung des äußeren Dichtungsteiles kann im Querschnitt halbkreisförmig sein.
Das äußere Dichtungsteil kann an seinem Außenrand das Herausquellen verhindernde Federn aufweisen.
Die Dichtungen können elastomere Dichtungen sein.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert werden.

Die Zeichnungen zeigen:

Figur 1 ist eine Schnittansicht durch einen Tieback-Verbinder, der mit einem Bohrlochkopfgehäuse verbunden ist, und eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung aufweist, und
die Figuren 2A und 2B sind Detail-Schnittansichten, die eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung zeigen.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel befindet sich die Dichtungsanordnung in einem Tieback-Verbinder. Einem Fachmann ist klar, daß die Anwendung der Dichtungsanordnung keinesfalls auf solch einen Einsatzfall beschränkt ist, sondern ein viel weiteres Anwendungsgebiet umfaßt, und zwar in allen Fällen, wo Dichtungen zwischen relativ zueinander drehbaren zylindrischen Flächen erforderlich sind.
In Figur 1 der Zeichnungen ist ein Bohrlochkopfgehäuse 10 zu erkennen, welches in typischer Weise in einem Bohrloch unmittelbar über dem Meeresboden angeordnet ist. Das obere Ende des Bohrlochkopfgehäuses weist einen profilierten Flansch 11 auf. Axial oberhalb des Bohrlochkopfgehäuses befindet sich ein Tieback-Verbinder 12. Der Tieback-Verbinder 12 umfaßt ein im allgemeinen rohrförmiges Gehäuseteil 14, welches zu seinem unteren Ende hin eine Anzahl von winklig beabstandeten Verriegelungsklauen 16 aufweist. Die Verriegelungsklauen 16 sind in Eingriff mit dem profilierten Flansch 11 dargestellt, der am oberen Ende des Bohrlochkopfgehäuses 10 angeformt ist. Der radial äußere Teil jeder Verriegelungsklaue 16 hat Wangen 17, welche in entsprechend geformte Schlitze 19, die in die nach innen geneigte Fläche 21 eines äußeren Ringes 18 eingeformt sind, eingreifen. Der äußere Ring 18 ist axial relativ zum Gehäuseteil 14 beweglich, und in Reaktion auf eine solche Bewegung bewegen sich die Verriegelungsklauen 16 radial nach innen oder außen, und gleiten entlang der schiefen Ebene, die durch die geneigte Innenfläche 21 des Ringes 18 gebildet wird. Der Ring 18 trägt Bolzen 20, welche sich durch axial angeordnete Schlitze in dem Gehäuseteil 14 erstrecken, und greifen in einen mit Gewinde versehenen Ring 22 ein. Die innere Gewindefläche des mit Gewinde versehenen Ringes 22 wirkt mit der äußeren Gewindefläche einer mit Gewinde versehenen Buchse 24 zusammen. Die innere Fläche der Buchse 24 ist im wesentlichen zylindrisch und weist Ausnehmungen 25 auf, in welche Keile eingreifen können, die sich an einem Werkzeug befinden, welches in das Bohrloch abgesenkt wird und welche, wenn sie sich in Eingriff mit den Schlitzen 25 befinden, die Buchse 24 zur Drehung veranlassen können. Die Ober- und Unterseiten der Buchse 24 enden in dünneren Teilen 28, 29, wobei deren äußere zylindrische Flächen gegen innere zylindrische Flächen angeordnet sind, welche sich am Gehäuse 14 des Verbinders befinden. Die Dichtungsanordnungen 30, 31 sind vorgesehen, um zwischen diesen zylindrischen Flächen abzudichten.
Jedem Fachmann ist klar, daß bei der Installation des Tieback-Verbinders der Ring 18 sich ursprünglich in einer gegenüber der in Figur 1 dargestellten Position axial zurückgezogenen Position befindet, so daß sich die Verriegelungsklauen 16 in einer radial nach außen vorstehenden Position befinden, in welcher sie sich über den Flansch 11 bewegen können. Mit den in dieser Position befindlichen Bauteilen wird der Verbinder abgesenkt, bis er mit dem oberen Ende des Bohrlochkopfgehäuses 10 in Kontakt kommt. Ein Werkzeug wird dann in eine durch den Tieback-Verbinder bestimmte Position innerhalb des Bohrloches abgesenkt, so daß es in die Schlitze 25 eingreift. Das Werkzeug veranlaßt dann die Buchse 24 sich zu drehen, wodurch mittels des Ringes 22 und des Bolzens 20 der Ring 18 veranlaßt wird, sich axial nach unten zu bewegen. Durch Wirkung der geneigten Fläche 21 an der Innenseite des Ringes 18 werden die Klauen 16 dazu gebracht, sich radial nach innen in die in Figur 1 dargestellte Position zu bewegen, so daß der Tieback-Verbinder durch Ineinandergreifen der Verriegelungsklauen 16 und des Flansches 11 in der dargestellten Position gehalten wird.
Die Dichtungsanordnungen 30 und 31 üben sowohl vor der Drehung der Buchse 24 als auch nach deren Drehung eine Dichtungsfunktion aus. In Figur 2 der Zeichnungen ist eine Dichtungsanordnung detaillierter dargestellt.
Jede Dichtungsanordnung ist innerhalb einer Nut 40, die in die äußere Zylinderfläche der Buchse 24 eingeformt ist, angeordnet. Die Nut weist einen oberen ringförmigen Abschnitt 41 und einen unteren ringförmigen Abschnitt 42, dessen axiale Ausdehung geringfügig kleiner ist als die des oberen Abschnittes 41, auf, so daß sich zwischen den beiden Abschnitten eine Stufe 43 bildet. Zusätzlich ist die Unterseite 44 der Nut relativ zur Buchsenachse geneigt.
Der untere, radial innere Abschnitt 42 der Nut nimmt ein erstes Dichtungsteil 46 auf, dessen axiale Ausdehnung geringer ist als die axiale Ausdehnung des Nutabschnittes 42. Das Dichtungsteil 46 ist im wesentlichen ringförmig, und seine radiale Innenfläche ist in einem Winkel geneigt, der dem der Basis der Nut 44 entspricht. Die Dichtungsteile sind elastisch und bestehen aus einem Elastomer, z. B. einem Gummi aus der Familie der Nitrile oder aus PTFE.
Der radial äußere Abschnitt der Nut 41 nimmt ein oberes Dichtungsteil 48 auf, dessen axiale Ausdehnung im wesentlichen der der axialen Ausdehnung des Nutteiles 41 gleich ist. Das obere Dichtungsteil 48 ist im wesentlichen ringförmig und sein radial äußeres Teil weist einen am Umfang hervortretenden Vorsprung 50 auf, welcher im Profil im wesentlichen halbkreisförmig ist. Zusätzlich weisen die am äußeren Umfang befindlichen Teile des oberen Dichtungsteiles 48 das Herausquellen verhindernde Federn 52 auf.
Die aneinanderliegenden Flächen der Dichtungsteile 46 und 48, d. h. die Innenfläche des äußeren Dichtungsteiles 48 und die Außenfläche des inneren Dichtungsteiles 46, sind mit ineinandergreifenden Zacken versehen, die bei 55 dargestellt sind. Im Querschnitt sind die Zacken sägezahnförmig, und sie sind so angeordnet, daß das untere Dichtungsteil 46 in Reaktion auf Druck, der, wie in Figur 2 zu erkennen ist, von der rechten Seite ausgeübt wird, sich axial nach der in der Zeichnung linken Seite bewegen kann, wobei die schiefen Ebenen der Zacken übereinander gleiten. Eine Bewegung in die entgegengesetzte Richtung wird durch die ineinandergreifenden, sich radial ausdehnenden Flächen der Zacken verhindert.
Beim Einsatz der Dichtungsanordnung, wenn der Tieback-Verbinder vor der Befestigung am Bohrlochkopfgehäuse 10 in das Bohrloch abgesenkt wird, befindet sich jede Dichtungsanordnung in der in Figur 2A dargestellten Bewegungs- oder ungesetzten Position. Unter diesen Umständen wird durch die Wirkung der äußeren Abmessungen der Dichtungsteile ein geringfügiges Zusammenpressen von etwa 3 % erreicht, so daß sie während dieses Schrittes eine begrenzte Dichtungsfunktion im Funktionsablauf ausüben. Die Dichtungsteile verbleiben in der in Figur 2A dargestellten Position, bis der Tieback-Verbinder durch Ineinandergreifen der Verriegelungsklauen 16 und des Flansches 11 auf dem Bohrlochkopfgehäuse verriegelt ist.
Dann wird die Dichtungsanordnung veranlaßt, in Reaktion auf den im Bohrloch wirkenden Druck, ihre gesetzte Position einzunehmen. Bei Ausübung solchen Druckes wird das untere Dichtungsteil 46, wie in Figur 2 zu erkennen ist, nach links bewegt, so daß das Dichtungsteil in die in Figur 28 dargestellte Position kommt. Infolge der geneigten Basis 44 der Nut 40, welche einen Konus bildet, werden die Dichtungsteile zusammengepreßt, wenn das untere Dichtungsteil diese Bewegung ausführt. Wie in Figur 2B zu erkennen ist, wird das obere Dichtungsteil zusammengepreßt, so daß das äußere Profil zusammengedrückt wird und die Außenfläche mit der inneren Zylinderfläche am Gehäuse 14 des Tieback-Verbinders bündig wird. Wenn das untere Dichtungsteil in die in Figur 2B dargestellte Position bewegt wird, befindet sich die Dichtung in ihrer gesetzten Position und ein Zurückbewegen entlang der Nut wird durch das Ineinandergreifen der radial vorstehenden Flächen der Zacken 55, die an den zusammenwirkenden Flächen der Dichtungsteile angeformt sind, verhindert.
Es wird besonders darauf hingewiesen, daß die in die Nut eingeformte Stufe 43 dazu dient, die obere Dichtung während der Druckanwendung abzustützen und zu verhindern, daß das Dichtungsteil 48 sich in den Raum 56 zwischen dem unteren Dichtungsteil und der Endwand der Nut bewegt.
Die in den Zeichnungen dargestellte Dichtungsanordnung hat den Vorteil, daß sie eine effektive Abdichtung sowohl vor als auch nach der relativen Drehung zwischen den Teilen der Dichtung ausübt.

Claims

1. Dichtungsanordnung zum Abdichten zwischen zwei zueinander drehbaren zylindrischen Flächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung umfaßt: Zwei in einer Nut (40), die in einer der beiden Flächen vorgesehen ist, so angeordnete Teile, daß eines der Teile (46) radial außerhalb des anderen (48) angeordnet ist, und dieses eine der Teile axial relativ zum anderen bewegbar ist, um das Setzen der Dichtungsanordnung zu vollziehen, und die Nut und die Teile so dimensioniert sind, daß die Teile zwischen den Flächen während des Setzens der Dichtungsanordnung zusammengepreßt werden, und die aneinanderliegenden Flächen der Dichtungsteile (46, 48) ineinandergreifende Profile (55) aufweisen, welche eine relative Bewegung in axialer Richtung zulassen, jedoch eine Bewegung in der Gegenrichtung verhindern.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (40) so geformt ist, daß sie eine nicht einheitliche Tiefe aufweist, daß eines der Dichtungsteile (46) in Abhängigkeit eines Fluiddruckes aus einem tieferen Teil (42) der Nut zu einem flacheren Teil (41) der Nut axial beweglich ist, um das Setzen der Dichtung zu vollziehen.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile eine Vielzahl von sägezahnförmigen Zacken (55), die an den aneinanderliegenden Flächen der Dichtungsteile (46, 48) vorgesehen sind, aufweisen.

4. Dichtungsanordnung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Fläche (44) der Nut (40) axial geneigt ist, um die nicht einheitliche Tiefe zu gewährleisten.

5. Dichtungsanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (40) einen inneren (42) und einen äußeren (41) Teil aufweist, wobei der äußere Teil eine etwas größere axiale Ausdehnung aufweist und so beschaffen ist, daß er das äußere Dichtungsteil (48) aufnimmt, welches auf einer Stufe zwischen dem äußeren und dem inneren Nutteil aufliegt.

6. Dichtungsanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Dichtungsteil (48) in entspanntem Zustand eine gewölbte Außenfläche aufweist.

7. Dichtungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbung der Außenfläche im Querschnitt halbkreisförmig ist.

8. Dichtungsanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Dichtungsteil (48) an seinem Außenrand das Herausquellen verhindernde Federn (52) aufweist.

9. Dichtungsanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsteile (46, 48) aus einem Elastomer hergestellt sind.