JP3571045B2 - 回り継手用密封構成 - Google Patents

Description

本発明は、相互に回転可能な内側および外側回り継手部材から成り、前記回り継手部材は当該回り継手部材間の界面にある１つ以上の対応する環状空間を通じて互いに連通するそれぞれの内部流体路を有し、前記環状空間が密封手段によって互いに密封されている、回り継手用密封構成に関するものである。
上述の形式の回り継手構造は、その異なる多くの実施例が本業界で使用されている。海洋工業においては、例えば、互いに回転するまたは回転可能な結合部材を介して、例えば、浮遊負荷ブイに結合された海中ライザと、このブイに結合され風、波および水流の影響の下でブイを中心に回転可能なタンカ上の配管系との間で、炭化水素（石油およびガス）またはその他のプロセス流体の移送を可能にするために、回り継手装置が用いられている。
別の応用分野においては、内側および外側回り継手部材が簡単に互いに分離可能な構造を有し、一方の回り継手部材は後に、特定形式の他の回り継手装置において協動する回り継手部材に接続し、作動する回り継手ユニットを形成することができる回り継手装置を使用することに、現在関心が持たれている。この場合、本質的に重要なのは、回り継手部材が簡単、迅速かつ安全に互いに分離および接続可能であり、しかも同時に効率的で安全な密封が回り継手部材間で得られることである。
したがって、本発明の目的は、回り継手部材の迅速かつ安全な相互接続と、同時に当該回り継手部材の環状空間の間に効率的かつ安全な密封を可能とする、特定形式の回り継手用密封構成を提供することである。
同時に、本発明の目的は、かかる密封構成を提供し、その結果、回り継手部材間の許容偏移即ち中心の変位が比較的大きいにも拘らず、協動する回り継手部材を簡単かつ迅速に接続でき、しかもこれら回り継手部材を損傷する危険性を最少化することである。
本発明の更に他の目的は、雰囲気圧よりも高い圧力を有するバリア液体を用いて、簡単に静的および動的密封を監視する可能性を与える密封構成を提供することである。
上述の目的を達成するために、序言で述べた形式の回り継手用密封構成が提供され、本発明によれば、回り継手部材の第１のものは、環状空間または空間群の各側において、半径方向に変位可能なリング素子を受容する周辺溝が設けられ、このリング素子には、他方の回り継手部材に対する静的密封、および前記リング素子と前記周辺溝の側壁との間の動的密封を可能とするように構成された密封手段が設けられることにより、前記リング素子を除く前記第１回り継手部材は他方の回り継手部材に関して回転可能となっていることを特徴とする。
上述のリング素子構造によって、回り継手のリング素子は、比較的大きな裕度以内で、回り継手部材間の中央にそれ自体を位置付けることが達成される。これが達成されるのは、リング素子が自由に半径方向に浮遊可能であるため、回り継手部材間に生じ得る中心の偏移即ち中心の変位を吸収するからである。
本発明の有利な実施例は、密封手段は、それが密封すべき流体よりも高い圧力を有するバリア液体によって、油圧で作動するように構成されており、第１回り継手部材にはバリア液体用供給チャネルが設けられている。雰囲気圧よりも高い圧力を有するバリア液体を用いることにより、バリア液体から特定のプロセス流体、即ち、清浄な媒体から「汚れた」媒体の方向に、漏出路を制御することができる。バリア液体は、同時に潤滑効果を有する圧媒油とすることが適当であり、非常に少量の清浄なバリア液体を「プロセス」内に漏出させることによって、密封表面を保護することができる。バリア液体の体積および／または圧力を経時的に制御することによって、システムにおいて発生し得る漏れまたはその他の変化について早い時期に警告が得られる。
これより、添付図面を参照しながら、例示実施例に関連付けて本発明について更に説明する。図面において、
第１図は、本発明による密封構成が設けられた回り継手装置の一実施例の軸方向断面図を示し、回り継手部材が相互接続された状態を示す。
第２図は、第１図に対応する断面図であるが、回り継手部材が相互的に切断された状態にある場合を示す。
第３図は、本発明による静的および動的密封手段の一実施例の拡大断面図を示す。
第４図は、本発明による静的および動的密封手段の他の実施例の拡大断面図を示す。
第１図および第２図に示す回り継手装置は、特に炭化水素の海洋生産のために、ベッセル上で使用することを意図したものであり、このベッセルは、水中ブイを受容するために、水中で下方に開いた受容空間を有し、水中ブイは海底に碇着され、このブイと海底の生産井戸との間に延びる多数のライザに接続されている。ここでは、回り継手装置は、ライザとベッセル上の配管系との間で相互接続を行うものであり、この結合は同時に、風、波および水流の影響の下でベッセルがブイを中心に回転可能にする。これは序言で述べた通りである。以下、本発明をこの応用分野に関連して説明するが、本発明は異なる他の応用分野においても同様の形式の回り継手装置に使用可能であることは理解されよう。
第１図および第２図に示す回り継手装置は、外側回り継手部材即ち雌部材２と、この雌部材２に対して下降または引き上げ可能な内側回り継手部材即ち雄部材３から成る。雌部材２は、この場合、水中ブイ（図示せず）の中央部材に永久的に取り付けられることを意図しており、一方雄部材３は、案内スリーブ４に摺動可能に取り付けられている様子が示されている。案内スリーブ４は、特定のベッセルに適切に支持され、回り継手装置とベッセル上の配管系（図示せず）との間に流体接続部を形成する。ブイに関連する構成、ならびに雄部材の操作およびベッセルの配管径の接続に関連する構成は、本発明の一部を形成するものではないので、これ以上説明しないこととする。かかるシステムについての詳しい記載については、同時に出願した特許出願第... ...号を参照されたい。ここでは、雄部材３が引き上げ位置（第２図）にあるときに、これの上側部分を受容することを意図した筐体５を、図示のような案内スリーブ４が支持することを述べるに止めておく。筐体５は、雄部材３の引き上げおよび下降のための作動手段６を支持する。作動手段６は油圧式アクチュエータ、例えば、図示のようなシリンダ／ピストン手段とするのが適当である。
接続状態では、回り継手部材２、３は、従来通り、これら回り継手部材内の対応する流体路と連通する共通環状空間を形成する。環状空間および流体路の数は、特定の場合における必要性によって異なる。図示の例では、３ヶ所の環状空間７、８、９が設けられ、雌部材２内の３本の流体路10、11、12の内別個の１本、および雄部材内の３本の流体路13、14、15の内別個の１本と連通する。図示の場合では、環状空間は、雌部材２内に形成されている周辺リングチャネルによって形成されている。しかしながら、代替案として、これらを雄部材３内、または両部材内に形成し、例えば、実質的に円形断面を有する環状空間を形成することもできる。
図示の実施例では、雄部材３は、環状空間の各々の各側に、半径方向に移動可能なリング素子17を受容する周辺リング溝16が設けられている。あるいは、リング溝およびリング素子を雌部材内に配してもよい。リング素子17には密封手段18、19が設けられており、これらは、それぞれ、雌部材に対する静的密封、およびリング素子17と周辺リング溝16の側壁との間の動的密封を行うように構成されている。この密封手段を作動させて、運転中に環状空間の間に密封状態を形成することができると共に、回り継手部材２、３を相互に分離する場合には解除することができる。密封手段は、雰囲気圧即ちそれが密封すべき流体の圧力より高い圧力を有するバリア液体により、油圧で作動するように構成するのが適当である。バリア液体は、リング溝16が形成された回り継手手段、即ち、図示の場合では雄部材３内に配された適当な供給チャネル20を通じて供給される。第３図により明瞭に示すが、バリア液体用供給チャネル20は、緩衝体積（buffer volume）に流入する（debouch）。緩衝体積は、リング溝16の底面積および対応するリング素子17によって範囲を決められ、リング素子の密封手段18、19と連通する。したがって、密封手段を作動させたとき、雄部材３は、リング素子17を除いて、雌部材２に対して回転可能となる。密封手段の構造および動作態様については、後に第３図を参照して更に説明する。
第１図および第２図から明らかなように、リング素子17は内側回り継手部材３の残りの部分よりも大きな外径を有し、リング素子の外径は、外側回り継手部材３の内径に本質的に対応する。このリング素子構造によって、リング素子17は、比較的大きな裕度、例えば、±12ミリ以内で、雌部材内の中央に位置することができる。これが可能なのは、リング素子は半径方向に自由に浮遊し、雌部材と雄部材との間で生じ得る中心偏移即ち中心変位を吸収するからである。
上述のように、雄部材３は案内スリーブ４に摺動可能に取り付けられている。案内スリーブは、３本の管22、23、24の形状のチャネル手段21に締結され、これらの管はベッセル上の前記配管系に接続されているが、その態様についてはこれ以上示さない。雄部材は、下側の掘り下げ部25と頂部26とから成り、第１図から明らかなように、掘り下げ部を雌部材２に進入させると、頂部は案内スリーブ４内に位置付けられる。この位置において、案内スリーブ４と頂部26は、雄部材３の流体路13、14、15の各１本および前記管22、23、24と連通する３ヶ所の共通環状空間27、28、29を規定する。案内スリーブ４は、環状空間と対応する管との間に貫通孔を有する。頂部26は、環状空間の間に、密封手段18に対応し、供給チャネル20を通るバリア液体によって作動する、油圧作動式静的密封手段30が設けられている。
静的および動的密封手段の一実施例を、第３図により詳しく示す。この図は、雌部材２の一部と雄部材３の掘り下げ部25とを示し、第１図に示したように、回り継手装置の軸を通る長手方向断面図として、かかる部材が相互接続位置にあるところを示すものである。
静的密封手段18は、リング素子17内の周辺溝36に配置された１対のＵ字型縁密封部35から成り、静止密封筐体と呼ぶこともできる。リング素子は、図示のように互いに組み合わされ固定される一対の鋼製リングから成るので、これら鋼製リングを互いに組み合わせる前に、密封素子を溝36に配置することができる。Ｕ字型縁密封部は、適当なエラストマ材で作られ、軸方向に向けられた脚部37を有する。外側の脚部は、バリア液体の影響の下で、外側に押圧され、雌部材２の隣接する密封表面と摩擦によって固着係合される。上述のように、バリア液体はチャネル20およびリング溝16の底部の緩衝体積を通じて供給され、リング素子17にはこの目的のために適当な開口が設けられている。
エラストマ製密封素子35の各々には、埋め込み支持リング41（破線で示唆されている）が設けられ、バリア液体からの圧力の影響の下で、互いに隣接する密封表面間で密封素子材料が押し出されるを防止する。
動的密封手段19も、１対のエラストマ製Ｕ字型縁密封部38から成るが、これらの密封素子は、雌部材２において雄部材３が回転する場合に、リング素子17と雄部材３の隣接部分との間で密封状態を形成しなければならないので、周辺リング溝16の側壁にある別個のリング溝39に配置されている。Ｕ字型密封素子38は、半径方向に向けられた脚部40を有し、これら脚部はバリア液体の影響の下で押圧され、リング素子17およびリング溝39それぞれに対する動的密封が得られる。
密封素子38にも、密封素子35について述べたのと同様の支持リング（図示せず）が設けられており、密封材が押し出されるのを防止する。
雄部材と雌部材とが相互接続位置にあるとき、リング素子17は半径方向に自由に移動可能となっているので、上述のように、それ自体を雌部材２内の中心に位置付ける。バリア液体（例えば、圧媒油または水）は加圧され、バリア液体の圧力が、静的密封素子35に、雌部材の密封表面に対して展伸させ、リング素子または密封筐体をそれらの位置に固着させる。動的密封部に関しては、リング素子17とリング溝16との密封表面間に狭いギャップがあるため、バリア液体は密封素子38に導かれる。バリア液体とプロセス流体との間の圧力差のために、密封素子がリング素子の密封表面と密着する。
したがって、密封手段18および19を作動させると、静的密封素子35はリング素子17を摩擦によって雌部材２に固着し、これに対してリング素子17およびリング溝16の隣接する側壁は、相互に移動可能な摺動面を形成し、これが動的密封素子38によって密封される。静的密封部の密封機能のために、密封素子と雌部材の密封表面との間に、堅固で強力な摩擦締結を得ることが決定的に重要である。密封素子と雌部材との移動は、密封部間の圧力差が大きいために、漏れの原因となる。圧力および摩擦係数は決定的であり、密封材として、できるだけ大きな摩擦を与えるエラストマ材を選択することになる。一方、動的密封部については、少ない摩擦で良好な密封を達成するために、摺動面間に少ない摩擦を与えるエラストマ材を選択する。
雄部材と雌部材とを互いに分離すると、バリア液体の圧力が緩和されるので、リング素子17はもはやそれらの位置に固着されない。このとき、雄部材を雌部材から引き抜くことができる。この動作の間密封素子が緩和されても、それらの密封表面と接触したままとなっている。
リング素子および密封構造体の代替実施例を第４図に示す。この図では、個々の素子間の隙間距離および遊隙は、明瞭にするために、かなり誇張して示されている。第３図に対応するように、雌部材45の一部および雄部材46の掘り下げ部が示されており、回り継手装置の軸を通る長手方向断面図として、かかる部材が相互接続位置にある場合が示されている。本実施例では、半径方向に移動可能なリング素子47が、雄部材46内の周辺リング溝48内に配されている。リング素子には、雌部材45の隣接する密封表面に向けられている縁を有する、Ｕ字状縁密封素子49の形状の静的密封手段が配されている。チャネル50を通じて、リング溝48の底部にある緩衝体積にバリア液体が供給される。バリア液体を加圧すると、密封縁が外側に押圧され、雌部材の対向する密封表面と摩擦により固着係合する。
ここでは、動的密封手段は１対の密封素子51から成り、これらはリング素子47の各側の各リング溝52内に密封配置され、リング素子の隣接する密封表面と密封係合する。図示のように、各リング溝52はバリア液体用供給チャネル50に接続されている。リング溝の底部では、バリア液体からの圧力に加えて密封素子に作用する圧力ばね53も配されている。更に、各密封部材51は、リング溝に配されているＯ−リング54による作用を受け、これによって保持されている。
当業者は分かるであろうが、密封素子61とリング素子57の隣接する当接面即ち座面との間の密封表面には、ばね63からの力およびバリア液体圧力による油圧力によって表わされる「閉成」力と、プロセス流体圧力およびバリア液体圧力による油圧力によって表わされる「開成」力との間に、力の均衡が成立する。リング素子57に対する密封素子の当接面の直径の選択に関して適切な形状の密封素子61を用いると共に、Ｏ−リングの直径およびばねの圧力を適切に選択することにより、密封素子61が当接面に対して押圧する不均衡力に影響を及ぼし、これによって動的密封表面に所望の表面圧力を得ることができる。こうして、最適な動的密封機能を達成することができる。
認められようが、第４図の実施例の動作態様および機能的特性は、その他の点において、前述の実施例と本質的に同一であるので、これに関しては、先の説明を参照されたい。

Claims (7)

1. 相互に回転可能な内側および外側回り継手部材であって、当該回り継手部材間の界面にある１つ以上の対応する環状空間を通じて互いに連通するそれぞれの内部流体路を有するものと、
   第１の回り継手部材内の周辺溝内に位置する、半径方向に移動可能なリング素子と、
   前記リング素子と第２の回り継手部材との間に配置され た静的密封手段と、
   前記リング素子と前記周辺溝の側壁との間の動的密封を得るように前記第１の回り継手部材のリング溝内に配置 された動的密封手段であって、前記第１の回り継手部材 が前記リング素子及び前記第２の回り継手部材に対して回転可能であるものと、
   前記静的及び動的密封手段に接続され、回り継手装置に より移送される少なくとも一種の液体よりも高い圧力を有するバリア液体を供給して前記静的及び動的密封手段 を油圧により作動させるバリア液体供給源とを具備す る、少なくとも１種の液体を移送するための回り継手装 置。
2. 前記バリア液体供給源は、前記周辺溝の底 部と前記リング素子とにより規定される緩衝体積に流入 し、かつ、該緩衝体積は、前記静的及び動的密封手段の 少なくともいずれかと連通する請求項１記載の回り継手 装置。
3. 前記静的密封手段は、前記回り継手に沿って軸方向に向けられた内側及び外側脚部を有するＵ字状縁密封部から成り、外側の脚部は、前記バリア液体の影響の下で押圧され、前記第２の回り継手部材と摩擦により固定係合される、請求項１記載の回り継手装置。
4. 前記動的密封手段は、前記リング素子の各側内の各リング溝に配され、かつ半径方向に向けられた脚部を有する、１対のエラストマ製Ｕ字型縁密封部から成り、該脚部は、前記バリア液体の影響の下、前記リング素子および前記リング溝のそれぞれに対して押圧され る、請求項１記載の回り継手装置。
5. 前記動的密封手段は、前記リング素子の各側の前記第１回り継手部材内にあるリング溝内に密封状に配された１対の密封素子から成り、前記リング溝の底部は前記バリア液体用供給源に接続され、更に、前記リング溝の底部には機械的ばねも配され、該ばねは、前記バリア液体からの圧力に加えて、前記密封素子に作用し、かつ、前記機械的ばねは各リング溝の底部に配置さ れる、請求項１記載の回り継手装置。
6. 前記密封素子は、前記リング溝に配されたＯ−リングによる作用を受けかつこれに保持され、前記ばねからの力、前記Ｏ−リングの直径および前記リング素子に対する前記密封素子の当接面の直径を相互に適合させることにより、前記密封素子が前記当接面に対して押圧する所望の大きさの不均衡力が得られる、請求項１ 記載の回り継手装置。
7. 相互に回転可能な内側および外側回り継手 部材であって、前記回り継手部材は当該回り継手部材間 の界面にある１つ以上の対応する環状空間を通じて互い に連通するそれぞれの内部流体路を有するものと、
   前記環状空間に隣接する第１の回り継手部材中に形成さ れた周辺溝と、
   該周辺溝内に配置され、該溝内で半径方向に自由に移動 可能な寸法を有するリング素子と、
   前記リング素子の軸方向に伸びる表面と第２の回り継手 部材の間に配置された静的密封手段と、
   前記リング素子と前記周辺溝の側壁の間に配置された動 的密封手段であって、前記周辺溝の側壁内のリング溝内 に配置され、第１の回り継手部材が第２の回り継手部材 に対して回転可能である動的密封手段と、
   前記静的及び動的密封手段に接続され、回り継手装置に より移送される少なくとも１種の液体よりも高い圧力を 有するバリア液体を供給して前記静的及び動的密封手段 を油圧により作動させるためのバリア液体供給源とを具 備する、少なくとも１種の液体を移送するための回り継 手装置。

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