JPH0765708B2 - シ−ルした流体スイベルジヨイント - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はシールされた流体スイベルジヨイトに関するも
のである。

海中の石油およびガス生産系の開発は一つの概念をも
ち、その概念においては、処理および貯蔵用浮き船はそ
れの重要構成分として高圧の多通路流体スイベルジヨイ
ントを組込んでいる。流体スイベルジヨイントはその中
に、ジヨイントの内部から下向きにのびてガス、油、空
気、水あるいは他の流体をそこまであるいはそこから下
方へ運ぶ複数個の静止の流体通路またはパイプを含んで
いる。複数個のカツプリングが流体スイベルジヨイント
の外側上に取りつけられてそれと相対的に回転可能であ
り、各々の回転可能のカツプリングはその流体スイベル
ジヨイントを通して静止の流体通路またはパイプの一つ
と連通する。米国特許第2,894,268号および同第3,590,4
07号は上述ときわめて類似の概念を使用するフロート支
持の海中ターミナルを開示している。

このような流体スイベルジヨイントに関連する問題は60
00psi（41700kPa）にしばしばおよぶそれを横断する比
較的大きい差圧に耐え、一方ではまたスイベルジヨイン
トに関連する相対的回転運動を与えるシールを提供する
ことにある。これらの流体スイベルジヨイントの多くに
おいて利用されてきたシールはＶ型リツプシールであ
り、これらはしばしば、大きい差圧に適合するよう設計
するときにスイベルジヨイント中にきわめて大きい摩擦
力をもたらす。

さらに、大きい差圧は比較的柔軟なシール部材をそれら
がシールするよう設計されているギヤツプの中へ押出す
結果となつている。従来法のスイベルジヨイントは内側
リングの周りで回転する外側リングで以てしばしば構成
されそれらの間に放射状のシールをもつていた。高い内
圧はしばしばリング内に偏りをもたらしそれらは放射状
の間隙ギヤツプを増す。普通のシール材料はこのギヤツ
プを、シールの圧力保全性を維持しながら有効に埋める
ことができない。そこで、普通のシール材は各種の要素
で以て補強して放射状間隙ギヤツプを埋めるように材料
の物理的強度を増加させてきた。不幸にして、補強材は
シール材料配合物の弾性を少なくしより摩耗性のものに
する傾向がある。従ってこれらの配合物で形成されるシ
ールはシールを行なわせるためには大きい接触力をもた
ねばならない。弾性の少ない物質はあらゆる流体通過に
対抗してシールするよう、かみ合いシール表面中の微小
溝の中へ入り込む抵抗を増すからである。材料配合物の
補強用要素のより高い接触応力とより磨耗的な性質はシ
ールとシール噛み合い面との両方の磨耗を増す傾向があ
り、しばしばシールの圧力保全性の低下に通ずる。シー
ル材料がギヤツプ中へ押出される問題を解決するため
に、従来法はまた硬質プラスチツクまたは金属の押出し
防止リングを利用してシール用要素を支持しかつ流体ス
イベルジヨイントのリング間の間隙ギヤツプを埋めさせ
てきた。不幸にして、これらの従来法の設計は完全には
満足できるものでないことが判明したのである。

この種類の従来法のシール構造体において遭遇する問題
を改善するために、GB−Ａ−2132726はタンカー用沖合
積出しターミナルにおいて普通に用いられるような流体
スイベルジヨイントのための改善されたシール用装置を
開示している。各種の開示具体化のなかには、なかのシ
ール押出しギヤツプを最小にするためにかたより荷重
（bias−loaded）押出防止リングで以て設計されたシー
ル装置がある。また、シールの構成部品が流体スイベル
ジヨイントの構成部品中の偏心あるいはその他の変動ま
たは歪を補償するために比較的自由に浮遊している、流
体スイベルジヨイント用のシール装置が開示されてい
る。

GB−Ａ−2132726によると、シールされた流体ジヨイン
トは共通の中央縦軸のまわりで相互に相対的に回転でき
る第一および第二の隣接ジヨイントリングをもつてい
る。これらのジヨイントリングは小さい環状のリング形
間隙ギヤツプがそれらの間に設けられて相対的回転運動
が許されるようになつており、そして、リングの一つは
間隙ギヤツプに隣接する環状のシールハウジング溝を規
定している。環状シールがこのシールハウジング溝の中
に置かれ、そして、環状の柔軟なシール部材とこれが間
隙ギヤツプの中へシールを横断して存在する比較的大き
い流体差圧によつて押出されるのを防ぐための隣り合う
押出し防止リングとを含む。押出し防止リングあるいは
シール部材は隣接シール表面へ向けて片よせられてそれ
らの間で有効な高圧流体シールを提供しそしてまたシー
ル内に存在する押出ギヤツプを最小にする。いくつかの
具体化にといて、スイベルジヨイントは中央縦軸のまわ
りで対称的にひろがる円筒状間隙ギヤツプをもつ放射状
シールを規定している。他の別の構造体においては、ス
イベルジヨイントは中央縦軸のまわりで対称的に位置す
る放射状に平らな形状の間隙ギヤツプをもつ面シール構
造を規定している。

その上、片よらせ作用は、環状シール部材を第二ジヨイ
ントリング上のシール表面へ向けて片よらせるようにシ
ールハウジング溝中に位置するスプリングによつて達成
される。一つの具体化においては、コイルスプリングが
シールハウジング溝の壁と環状シールとの間に圧縮状で
とりつけられている。もう一つの具体化においては、ス
プリングは環状のシールハウジング溝の中で環状シール
の周りで周辺状にひろがつている。いくつかのその他の
具体化においては、スプリングは環状シール部材へ向け
て押出し防止リングを片よらせてそれを第二ジヨイント
リング上のシール表面へ向けて触れさせかつまたシール
内のシール押出ギヤツプを最小化する。

各種のシール設計において、シールはシールを横断して
存在する差圧を利用して環状シール部材をシール表面へ
向けて圧して片よらせかつまたシール押出ギヤツプを最
小化させる。その他の設計は押出防止リングを環状シー
ル部材へ向けて片よせる差圧を与えてそれを第二ジヨイ
ントリング上のシール表面へ向けて触れさせかつまた押
出防止ギヤツプを最小化する。一つの開示具体化におい
ては、差圧は環状シール部材をシール表面へ向けて直接
的に片よらせるのに利用される。

シール設計のいくつかにおいては、環状シール部材はそ
の中でそれの環状長さに沿つてひろがるＶ形凹状スロツ
トで以て形成されて差圧をさらに利用し、一方、その他
のシール設計においては、押出防止リングがＬ形断面で
以て構成されかつ環状シール部材がそのＬの２本の脚の
間に位置する。一つの設計においては、Ｖ形凹状スロツ
トは環状間隙ギヤツプの方向に面するそのＶ形開口をも
ち、一方もう一つの設計においては、Ｖ形開口は環状間
隙ギヤツプからはなれて矩形状で面する。

その上、いくつかの多要素シールが、シール要素の押出
およびシール噛み合い両表面の不必要な磨耗のようなこ
の種の従来法シールに関連する問題を除くよう設計され
た具体化の中で開示されている。これらのシール設計の
いくつかは柔軟シール部材と押出防止リングの間に位置
する第二のシール部材を含んでいる。これらの具体化に
おいては、Ｏ−リングが柔軟シール部材と第二シール部
材との間に、かつまた第二シール部材と押出防止リング
との間に、置かれる。

押出防止リングは別々の部分として構成されてもよく、
あるいはまた、シールの一体的構成部品であつてもよ
い。

スイベルジヨイントの内側リングと外側リングが相互に
同心的条件にあるかぎり、押出防止リングまたは装置は
それらのシール機能を満足すべき姿で果たす。しかし、
操作条件は、スイベルジヨイントの内側および外側のリ
ングが相互に関して偏心状態となつてプラスチツク材料
で構成されている押出防止リングが破壊されるかあるい
は有効でなくなる点まで変形するようになる状態に、と
きには遭遇する。類似条件の下で押出防止リングが金属
で構成されているときには、それらはそれらの相対的偏
心の結果として内外スイベルジヨイント・リングのシー
ル表面に容易に損傷を与える。その上、内外リング間で
出会う偏心はシールの不均一な放射状負荷をひきおこし
てシールの圧力保全性に悪い影響を及ぼしかつ早期のシ
ール破壊をもたらす傾向のある不均質シール磨耗を生ず
るようになる。

従つて、本発明の一つの目的は従来法のシールされた流
体スイベルジヨイントで以て経験する欠点を軽減あるい
は克服することである。

本発明はシールされた流体スイベルジヨイントにあり、
それは、 a.共通の中央縦軸のまわりで相互に相対的に回転し得る
第一および第二の隣接ジヨイントリングであつて、か
つ、それらの間で環状間隙ギヤツプを規定して第一およ
び第二のジヨイントリングの間の上記相対運動を可能に
し、環状シールハウジング溝が上記間隙ギヤツプと連通
する上記第一ジヨイントリング内に形成される、第一お
よび第二の隣接ジヨイントリング； b.上記第一ジヨイントリングと上記第二ジヨイントリン
グとの間にシールを提供する上記環状シールハウジング
溝の中に位置する環状シールであつて、環状の柔軟シー
ル部材と上記環状シールを横断して存在する流体差圧に
よつて柔軟シール部材が上記間隙ギヤツプの中へ変形さ
れるのを防ぐ硬質の環状押出し防止リングとを含み、こ
の流体差圧が上記環状部材を上記第二ジヨイントリング
上の隣接シール面へ向けて片よらせてそれらの間に有効
な流体シールを提供する、環状シール； c.上記環状シール部材と上記第二ジヨイントリング上の
隣接シール面との間に油の循環流を提供して上記シール
部材と第二ジヨイントリングとの間の界面から発生熱と
シール磨耗屑とを除くようにする油注入手段； から成る。

図面において、第１図は中に放射タイプのシール構造を
もつ既知タイプの流体スイベルジヨイントの正面断面図
であり、第２図は本発明の一つの実施例による流体ジヨ
イントシールの放射タイプの拡大した断面図である。

第１図を参照すると、中に放射状流体シールをもつ、タ
ンカー用沖合出荷ターミナルのための流体スイベルジヨ
イントの既知のタイプ10が示されている。各主直径の複
数個の非回転性流体通路12はそのスイベルジヨイント内
部で垂直にその中の各種水準の一つへのびている。代表
的には、これらの通路はガス、油、空気、水、あるいは
他の流体をそのスイベルジョイントへまであるいはそれ
から下方へ、6000pai（41370kPa）までの範囲の圧力に
おいて運ぶ。この流体スイベルジョイントの最上部はそ
の他の部分の模範例であり、相対的に静止している内側
ジヨイントリング14と回転可能の外側ジヨイントリング
16とを含む。内外のジヨイントリング14と16はそれらの
間で環状流体マニホールド18を規定している。流体通路
の一つ12はカツプリング19によつてリング14の内壁から
環状流体マニホールド18へ接合され、そして同様にカツ
プリング20（この流体スイベルジヨイントの下部のいく
つかについて示されている）は外側ジヨイントリング16
の外壁から通ずる。この装置は流体通路はカツプリング
20から流体マニホールド18を通つて垂直流体通路12の一
つへ設定され、一方また、静止の内側ジヨイントリング
14と流体通路またはパイプ12と相対的なカツプリング20
および外側ジヨイントリング16の回転を可能にするよう
な装置である。内外のジヨイントリング14と16は共通の
同心縦軸21をもち、外側リング16の回転はまたこの共通
軸のまわりでおこる。

内外のジヨイントリング14と16はそれらの間で上方およ
び下方の小さい環状の空隙ギヤツプ22を規定して相対回
転運動を可能にしている。第１図は放射状タイプのスイ
ベルジヨイントを解説するものであつて、その中で間隙
ギヤツプ22は一般的に円筒状である形状を形成してい
る。複数個の環状シール24がこの間隙ギヤツプ内に設け
られていてこの流体マニホールドをシールし、一方また
相対的な回転運動を提供する。

当業において知られている流体スイベルジヨイントはま
た面タイプのシール形態をもつ第二のタイプの流体スイ
ベルジヨイントを利用してもよく、その構造は一般的に
は破線で、第１図に描く流体スイベルジヨイントの二番
目の高さの水準の右側において示されている。このタイ
プのシールにおいては、各々の流体マニホールドは上部
ジヨイントリングと下部ジヨイントリングとによつて規
定され、かつそれらの間の間隙ギヤツプ26は共通の中央
縦軸21のまわりで対称的にひろがる放射方向に平らな形
状のギヤツプである。面タイプのシールをもつ流体スイ
ベルジヨイントにおいては、上部と下部のジヨイントリ
ングは普通は相互に相対的に回転できる別々の一体部品
として構成される。複数個の環状シール28は放射方向に
平らなギヤツプ26の中に設けられ、これらのシールは前
述の環状シール24と同様に機能する。

第１図に示すタイプの既知のシールは一般的には、内外
のジヨイントリングが同心的のままであるかぎり、放射
状シールをもつ流体スイベルジヨイント中で満足な成績
を示す。しかし、内外リングの相互に関する何らかの偏
心はしばしばプラスチツクの押出防止リングが破壊され
るかあるいは有効でなくなる点まで変形される結果をも
たらす。金属の押出防止リングは内外リングが偏心的に
なるとそれらのシール表面を容易に損傷することができ
る。その上、偏心はしばしばシールの不均一な放射方向
負荷をもたらし、それはシールの保全性に悪い影響を及
ぼしあるいは不均一のシール摩耗をひきおこし、従つて
早期シール破壊を伴なう。

第２図を参照すると、その中で示されるスイベルジヨイ
ントは外側ジヨイントリング30,32における偏心をすべ
て補償しかつリング間に規定される放射方向の間隙ギヤ
ツプ34の中へのシールの望ましくない押出を防ぐように
設計されている。シール保持リング36は複数個のボルト
38によつて固定され、Ｏ−リングシール40は二つの構成
成分を相互に対して相対的にシールする。シール保持リ
ング36と外側リング32とは一緒に間隙ギヤツプ34に隣接
する環状シールハウジング溝42を規定する。環状シール
は、ギヤツプ34と通ずるＶ形スロツトをもちかつＬ形押
出防止リング46の脚の間に位置する第一の環状の柔軟シ
ール部材44を含む。押出し防止リング46の下面はＯ−リ
ング50をかこうための環状溝48を規定して押出し防止リ
ング46とシール保持リング36との間にシールを提供す
る。押出し防止リング46は自由浮遊状でありはじめは内
側ジヨイントリング30から比較的小さいシール押出ギヤ
ツプだけずらされている。

操作に際しては、内圧は間隙ギヤツプ34を通つてかつ第
一の環状の柔軟シール部材44および押出防止リング46の
上方で押出防止リングの外側面へ伝達され、シールを横
切る差圧がこの押出防止リングを第一の環状の柔軟シー
ル部材44の外径へ向けてかつ内側リング30の外側表面へ
向けて圧しつけるようになる。その上、一つの間隙が、
押出防止リング46の外径とシールハウジング溝42の内径
との間に設けられて、第一の環状の柔軟シール部材44の
放射方向負荷のいずれにも悪い影響を及ぼすことなしに
内側リング30と相対的な外側リング32の限定された偏心
的水平運動を可能にする。

押出防止リング46の外側直径上に作用する内圧はこのリ
ングを内側ジヨイントリング30の方へ内向きにずらせ、
それによつてシール押出ギヤツプを小さくする。その結
果、増加する内圧はシール押出ギヤツプを減らしそれに
よつてシール押出の問題を軽減する。

低圧で作動する油注入系はシールを冷却しかつシールリ
ツプ領域からシール磨耗屑を除くのに用いられ、次のと
おり作動する。

油はシール構造の中へ、内側ジヨイントリング30の中に
取り入れ通路62を通つて注入され、第一の環状の柔軟シ
ール部材44中の環状溝56の中へ流れかつその中で循還
し、シール部材と押出防止リング46の中のくぼみまたは
溝58を通つて下向きに流れ、そして保持リング36と内側
ジヨイントリング30との間の環状空間60の中へ押出し防
止リング46と内側ジヨイントリング30との間の界面上に
油皮膜を形成させたのちに入る。空間60中の第二環状シ
ール部材54は油が大気へ洩れるのを妨げ、内側ジヨイン
トリング30中の油取り出し通路64を通して油を強制循環
させる。シール部材44と押出し防止リング46との内側ジ
ヨイントリング30の表面へ向けての摩擦によつて発生さ
れる熱は注入された循環油へ伝達される。取り出し通路
64を出たのち、油は過され適当な循環ポンプ（図示せ
ず）によつてシール装置中に循環される前に冷却されて
よい。

このように、油注入系は主として熱とシール摩耗屑を除
く目的に役立つものであるが、また相対する構成成分へ
わずかにいくらかの潤滑性も与える。

【図面の簡単な説明】

第１図は放射タイプのシール形態をなかにもつ流体スイ
ベルジヨイントの既知のタイプの正面断面図であり、第
２図は本発明の一つの実施例による放射タイプの流体ス
イベルジヨイントを貫通する拡大規模の断面図である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ａ）共通の中央縦軸の周りで互いに相対的
   に回転可能である第一および第二の隣接するジョイント
   リングであって、かつ、それらの間に環状の間隙ギャッ
   プを規定してその第一および第二のジョイントリングの
   間で上記の相対的回転運動を可能にし、環状のシールハ
   ウジング溝が上記第一ジョイントリングの中で形成され
   て上記間隙ギャップと連通する、第一および第二の隣接
   ジョイントリング； ｂ）上記の第一ジョイントリングと上記の第二ジョイン
   トリングとの間にシールを提供する上記環状シールハウ
   ジング溝中に位置する環状シールであって、この環状シ
   ールは環状の柔軟シール部材とこの柔軟シール部材が上
   記環状シールを横切って存在する流体差圧によって上記
   間隙ギャップの中へ変形するのを防ぐ硬質環状の押出し
   防止リングとを含み、この流体差圧が上記環状シール部
   材を上記第二ジョイントリング上の隣接シール面へかた
   よらせてそれらの間に有効な流体シールを提供する、環
   状シール；並びに ｃ）、上記環状シール部材と上記第二ジョイントリング
   上の隣接シール面との間に油の循環流を提供するための
   油注入手段であって、油源および前記第一ジョイントリ
   ングと第二ジョイントリングとの間に油を射出するため
   の手段から成る、油注入手段； から成る、シールされた流体スイベルジョイント。
2. 【請求項２】上記間隙ギャップが上記回転運動軸に対し
   て垂直の方向に間隔をもった上記第一および第二のジョ
   イントリングの両面の間で規定される、特許請求の範囲
   第１項に記載のシールされた流体スイベルジョイント。
3. 【請求項３】上記環状シールを横断して存在する上記差
   圧が、上記押出し防止リングを上記環状シール部材へ向
   けて圧して片よらせて、環状シール部材を上記第二ジョ
   イントリング上のシール面へ押す、特許請求の範囲第１
   項または第２項に記載のシールされた流体スイベルジョ
   イント。
4. 【請求項４】上記第二ジョイントリング上の隣接シール
   表面と接触する上記環状シール部材の表面において形成
   された環状溝；該環状シール部材と上記押出し防止リン
   グの中で形成されて上記環状溝と連通する円周状空間の
   くぼみ；上記第二ジョイントリング中の上記環状溝と連
   通する油取入れ通路と、上記くぼみと連通しかつ上記環
   状溝から間隔をもった油取出し通路手段であってこの通
   路手段、上記環状溝および上記くぼみを通って油循環流
   を可能にする油取出し通路手段； を含む、特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか
   に記載のシールされた流体スイベルジョイント。
5. 【請求項５】上記第一および第二のジョイントリングの
   間で上記押出防止リング中の上記油循環くぼみの排出端
   の近くの第二環状シール部材を含み、上記油の大気への
   漏洩を防ぐようにする、特許請求の範囲第４項に記載の
   シールされた流体スイベルジョイント。