NL2013525B1

NL2013525B1 - Coupling device for rotatably coupling cryogenic fluid lines.

Info

Publication number: NL2013525B1
Application number: NL2013525A
Authority: NL
Inventors: Janssen Albert
Original assignee: Kanon Loading Equipment B V
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2016-09-29
Also published as: WO2016048137A1; CN106715991A; EP3198180A1

Abstract

Koppelinrichting (10) voor het roteerbaar koppelen van fluïdumleidingen voor cryogene fluïda, omvattend een ringvormig buitenlichaam (1) en een ten opzichte daarvan roteerbaar ringvormig binnenlichaam (2), een met het binnenlichaam (2) gekoppelde eerste flens (3) van een eerste fluïdumleiding en een met het buitenlichaam (1) gekoppelde tweede flens (4) van een tweede fluïdumleiding, tussen het buitenlichaam (1) en het binnenlichaam (2) verschafte lagerloopringen met kogels (12), afdichtmiddelen (16, 17, 18, 19) voor het verschaffen van een fluïdumdichte afdichting tussen het buitenlichaam (1) en het binnenlichaam (2), waarbij de kogels (12) zijn verschaft tussen een buitenring (9) en een binnenring (11) van een éénrijig kogellager dat is opgenomen tussen het buitenlichaam (1) en het binnenlichaam (2) en dat wordt begrensd door een tegen het buitenlichaam (1) aangebrachte ringvormige buitenste pakkingdrukker (14) en een tegen het binnenlichaam (2) aangebrachte ringvormige binnenste pakkingdrukker (6).Coupling device (10) for rotatably coupling fluid conduits for cryogenic fluids, comprising an annular outer body (1) and an annular inner body (2) rotatable relative thereto, a first flange (3) of a first fluid conduit coupled to the inner body (2) and a second flange (4) of a second fluid conduit coupled to the outer body (1), bearing races with balls (12), sealing means (16, 17, 18, 19) provided between the outer body (1) and the inner body (2) providing a fluid-tight seal between the outer body (1) and the inner body (2), the balls (12) being provided between an outer ring (9) and an inner ring (11) of a single-row ball bearing received between the outer body ( 1) and the inner body (2) and which is bounded by an annular outer packing press (14) arranged against the outer body (1) and an annular inner arranged against the inner body (2) to gasket printer (6).

Description

KOPPELINRICHTING VOOR HET ROTEERBAAR KOPPELEN VAN CRYOGENE FLUÏDUMLEIDINGENCOUPLING DEVICE FOR ROTATABLE COUPLING OF CRYOGENIC FLUID PIPES

De uitvinding betreft een koppelinrichting voor het roteerbaar koppelen van fluïdumleidingen voor cryogene fluïda, omvattend een ringvormig buitenlichaam en een ten opzichte daarvan roteerbaar ringvormig binnenlichaam, een met het binnenlichaam gekoppelde eerste flens van een eerste fluïdumleiding en een met het buitenlichaam gekoppelde tweede flens van een tweede fluïdumleiding, tussen het buitenlichaam en het binnenlichaam verschafte lagerloopringen met kogels, en afdichtmiddelen voor het verschaffen van een fluïdumdichte afdichting tussen het buitenlichaam en het binnenlichaam.The invention relates to a coupling device for rotatably coupling fluid conduits for cryogenic fluids, comprising an annular outer body and an annular inner body rotatable relative thereto, a first flange of a first fluid conduit coupled to the inner body and a second flange of a second flange coupled to the outer body fluid conduit, bearing race rings with balls provided between the outer body and the inner body, and sealing means for providing a fluid-tight seal between the outer body and the inner body.

Uit het Amerikaanse octrooi US 4 355 827 is bekend een draaibare koppeling voor het verbinden van een paar buizen en voor het overbrengen van fluïdum tussen de buizen bij omgevingstemperatuur en cryogene temperaturen. Een cryogene afdichting tussen relatief draaibare binnenste en buitenste elementen van de koppeling voorkomt lekkage bij cryogene temperaturen, en een omgevingstemperatuur-afdichting tussen de gemeenschappelijke elementen zorgt voor een afdichting bij omgevingstemperaturen en voorkomt dat fluïda in contact komen met de cryogene afdichting. Het afdichtingsamenstel bij omgevingstemperatuur omvat een elastomere O-ring gehouden in het buitenste element en een ringvormige afdichtring bevestigd aan het binnenste element en verend naar de O-ring. Bij omgevingstemperaturen wordt de afdichtring gehouden tegen de O-ring in een fluïdumdichte wijze. Wanneer de temperatuur afneemt, trekt een aantal staven of draden, of een ringvormige huls met een hoge lineaire uitzettingscoëfficiënt de ringvormige afdichtring weg van de aangrenzende O-ring om slijtage daarvan en andere beschadiging daarvan bij lage temperaturen te voorkomen. De relatieve draaibaarheid van de binnenste en buitenste elementen is verschaft door een lagering van een aantal, in casu drie, ringvormige banen met kogels. Een axiale boring biedt een fluïda die eventueel langs de afdichtmiddelen zouden lekken een uitweg naar de buitenwereld, teneinde te voorkomen dat deze fluïda in de kogelruimte zouden belanden en daar de smeermiddelen voor de lagering zouden kunnen verontreinigen.U.S. Pat. No. 4,435,827 discloses a rotary coupling for connecting a pair of tubes and for transferring fluid between the tubes at ambient and cryogenic temperatures. A cryogenic seal between relatively rotatable inner and outer elements of the coupling prevents leakage at cryogenic temperatures, and an ambient temperature seal between the common elements provides a seal at ambient temperatures and prevents fluids from coming into contact with the cryogenic seal. The seal assembly at ambient temperature includes an elastomeric O-ring held in the outer member and an annular seal ring attached to the inner member and resilient to the O-ring. At ambient temperatures, the sealing ring is held against the O-ring in a fluid-tight manner. As the temperature decreases, a plurality of rods or wires, or an annular sleeve with a high linear expansion coefficient, pulls the annular seal ring away from the adjacent O-ring to prevent wear and other damage thereof at low temperatures. The relative rotatability of the inner and outer elements is provided by a bearing of a number of, in this case three, annular tracks with balls. An axial bore offers a way out to the outside world of a fluids that could possibly leak along the sealing means, in order to prevent these fluids from ending up in the ball chamber and there could contaminate the lubricants for the bearing.

Aan de bekende draaibare koppeling is een aantal nadelen verbonden. De verschillende afdichtsystemen voor omgevingstemperatuur en cryogene temperaturen, en in het bijzonder een ringvormige buis of een samenstel van staven of draden voor het terugtrekken of aandrukken van een ringvormige afdichtring resulteren in een complexe en daarmee kostbare constructie. Onbekend is in hoeverre deze complexe constructie op langere termijn kan voldoen aan eisen van betrouwbaarheid, en hoeveel onderhoud de constructie vereist. De aanwezigheid van een axiale boring als ontsnappingskanaal voor gelekte fluïda ter voorkoming van vervuiling van smeermiddelen voor de lagering wordt eveneens als een nadeel beschouwd.A number of drawbacks are associated with the known rotary coupling. The different sealing systems for ambient temperature and cryogenic temperatures, and in particular an annular tube or an assembly of rods or wires for withdrawing or pressing an annular sealing ring, result in a complex and therefore expensive construction. It is unknown to what extent this complex structure can meet reliability requirements in the longer term and how much maintenance the structure requires. The presence of an axial bore as an escape channel for leaked fluids to prevent contamination of lubricants for the bearing is also regarded as a disadvantage.

Uit US 2 430 445 A is een rotatiekoppeling bekend voor met lucht onder druk gevulde golfgeleiders voor radarinstallaties. Deze rotatiekoppeling is ongeschikt voor het geleiden van cryogene fluïda.US 2 430 445 A discloses a rotary coupling for air-filled waveguides for radar installations. This rotation coupling is unsuitable for conducting cryogenic fluids.

Het is een doel van de uitvinding een koppelinrichting voor cryogene fluïdumleidingen te verschaffen, die geschikt is voor het koppelen van leidingen voor cryogene vloeistoffen met een temperatuur lager dan min 160 C, bijvoorbeeld vloeibaar aardgas. De koppeling dient relatief eenvoudig van constructie, onderhoudsarm en daarmee relatief goedkoop te zijn in exploitatie.It is an object of the invention to provide a coupling device for cryogenic fluid pipes, which is suitable for coupling pipes for cryogenic liquids with a temperature lower than minus 160 ° C, for example liquefied natural gas. The coupling must be relatively simple in construction, low in maintenance and therefore relatively inexpensive to operate.

Deze doelen worden bereikt, en andere voordelen worden behaald, met een koppelinrichting van het in de aanhef genoemde type, waarbij de kogels zijn verschaft tussen een buitenring en een binnenring van een éénrijig kogellager dat is opgenomen tussen het buitenlichaam en het binnenlichaam en dat wordt begrensd door een tegen het buitenlichaam aangebrachte ringvormige buitenste pakkingdrukker ("outer gland") en een tegen het binnenlichaam aangebrachte ringvormige binnenste pakkingdrukker ("inner gland"), en waarbij de eerste flens statisch is gekoppeld met de binnenste pakkingdrukker, die op zijn beurt statisch is gekoppeld met het binnenlichaam, en de tweede flens statisch is gekoppeld met het buitenlichaam dat op zijn beurt dynamisch is gekoppeld met het binnenlichaam, welke koppelinrichting wordt gekenmerkt door eerste statische afdichtmiddelen tussen de eerste flens en de binnenste pakkingdrukker, tweede statische afdichtmiddelen tussen de binnenste pakkingdrukker en het binnenlichaam, eerste dynamische afdichtmiddelen tussen de tweede flens en het binnenlichaam, en tweede dynamische afdichtmiddelen tussen de tweede flens en het binnenlichaam.These objectives are achieved, and other advantages are achieved, with a coupling device of the type mentioned in the preamble, wherein the balls are provided between an outer ring and an inner ring of a single-row ball bearing which is received between the outer body and the inner body and which is limited. by an annular outer packer ("outer gland") mounted against the outer body and an annular inner packer ("inner gland") mounted against the inner body, and wherein the first flange is statically coupled to the inner packer (in turn) which is static coupled to the inner body, and the second flange is statically coupled to the outer body which in turn is dynamically coupled to the inner body, which coupling device is characterized by first static sealing means between the first flange and the inner packer, second static sealing means between the inner packer and the inner body aam, first dynamic sealing means between the second flange and the inner body, and second dynamic sealing means between the second flange and the inner body.

Bij de vervaardiging van een dergelijke koppelinrichting wordt een gereed éénrijig kogellager tussen het buitenlichaam en het binnenlichaam ingebracht, en worden, anders dan in een koppelinrichting volgens de stand der techniek, geen kogels afzonderlijk en in direct contact met het buitenlichaam en het binnenlichaam ingebracht. Aldus verschaft de uitvinding een koppelinrichting met eenvoudig aan te brengen en betrouwbare afdichtingen, waarbij kan worden afgezien van smeermiddelen voor het lager en van een ontsnappingskanaal voor gelekte fluïda.In the manufacture of such a coupling device, a ready single-row ball bearing is inserted between the outer body and the inner body, and, unlike in a coupling device according to the prior art, no balls are inserted separately and in direct contact with the outer body and the inner body. The invention thus provides a coupling device with easy-to-fit and reliable seals, wherein lubricants for the bearing and an escape channel for leaked fluids can be dispensed with.

Ten minste één van de eerste statische afdichtmiddelen, de tweede statische afdichtmiddelen, de eerste dynamische afdichtmiddelen en de tweede dynamische afdichtmiddelen omvat bijvoorbeeld een afdichtring die is vervaardigd uit een polyethyleen met ultra hoog moleculair gewicht (UHMW PE).For example, at least one of the first static sealing means, the second static sealing means, the first dynamic sealing means and the second dynamic sealing means comprises a sealing ring made of an ultra high molecular weight polyethylene (UHMW PE).

Ten minste één van de eerste statische afdichtmiddelen, de tweede statische afdichtmiddelen, de eerste dynamische afdichtmiddelen en de tweede dynamische afdichtmiddelen omvat bijvoorbeeld een aandrukring die is vervaardigd uit een op nikkel-chroom gebaseerde austenitische superlegering.At least one of the first static sealing means, the second static sealing means, the first dynamic sealing means and the second dynamic sealing means comprises, for example, a pressure ring made of a nickel-chromium-based austenitic superalloy.

Ten minste één van de eerste statische afdichtmiddelen, de tweede statische afdichtmiddelen, de eerste dynamische afdichtmiddelen en de tweede dynamische afdichtmiddelen omvat bijvoorbeeld een afstandhouderring die is vervaardigd uit een corrosiebestendig roestvast staal.At least one of the first static sealing means, the second static sealing means, the first dynamic sealing means and the second dynamic sealing means comprises, for example, a spacer ring made of a corrosion-resistant stainless steel.

In een voordelige uitvoeringsvorm van een koppelinrichting volgens de uitvinding is ten minste één van de buitenring en de binnenring van het kogellager vervaardigd uit een gehard martensitisch staal.In an advantageous embodiment of a coupling device according to the invention, at least one of the outer ring and the inner ring of the ball bearing is made of a hardened martensitic steel.

Bij voorkeur zijn de lagerloopring van de buitenring en de lagerloopring van de binnenring elk voorzien van een wrijving verlagende en slijtage remmende coating.The bearing race of the outer ring and the bearing race of the inner ring are each provided with a friction-reducing and wear-inhibiting coating.

Bij voorkeur zijn in een koppelinrichting volgens de uitvinding de kogels vervaardigd uit een keramisch materiaal, bijvoorbeeld uit siliciumnitride (Si3N4).In a coupling device according to the invention, the balls are preferably made from a ceramic material, for example from silicon nitride (Si3 N4).

Bij een geschikte keuze van het keramische materiaal heeft men de beschikking over kogels die een hardheid vertonen groter dan die van kogels uit roestvast staal, en is het mogelijk een smeringsvrij lager te construeren.With a suitable choice of the ceramic material, balls with a hardness greater than that of balls made of stainless steel are available, and it is possible to construct a lubrication-free bearing.

Om effecten van een axiale belasting op de koppelinrichting te minimaliseren zijn de kogels bij voorkeur in een vierpunts-contact tussen de lagerloopring van de buitenring en de lagerloopring van de binnenring van het kogellager opgenomen.In order to minimize the effects of an axial load on the coupling device, the balls are preferably arranged in a four-point contact between the bearing race of the outer ring and the bearing race of the inner ring of the ball bearing.

De uitvinding zal in het volgende worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld, onder verwijzing naar de tekeningen.The invention will be elucidated hereinbelow on the basis of an exemplary embodiment, with reference to the drawings.

In de tekeningen tonenShow in the drawings

Fig. la in perspectivisch beeld een uitvoeringsvorm van een koppelinrichting volgens de uitvinding, gezien op de voorzijde, met een eerste flens,FIG. 1a shows a perspective view of an embodiment of a coupling device according to the invention, viewed on the front, with a first flange,

Fig. lb in opengebroken perspectief de in fig. la getoonde koppelinrichting,FIG. 1b in broken-away perspective the coupling device shown in fig. la,

Fig. lc in perspectivisch beeld de in fig. la getoonde koppelinrichting, gezien op de achterzijde, met een tweede flens,FIG. 1c is a perspective view of the coupling device shown in FIG. 1a, viewed from the rear, with a second flange,

Fig. ld de in fig. la getoonde koppelinrichting in vooraanzicht,FIG. the coupling device shown in Fig. 1a in front view,

Fig. Ie de in fig. ld getoonde koppelinrichting in een dwarsdoorsnede volgens de lijn E-E,FIG. The coupling device shown in Fig. 1d in a cross-section along the line E-E,

Fig. lf de in fig. la getoonde koppelinrichting in achteraanzicht, enFIG. the coupling device shown in Fig. 1a in rear view, and

Fig. 2 in een dwarsdoorsnede een afdichting voor een koppelinrichting volgens de uitvinding.FIG. 2 shows in a cross-section a seal for a coupling device according to the invention.

In de figuren zijn overeenkomstige onderdelen aangeduid met dezelfde verwijzingsgetallen.Corresponding components are designated in the figures with the same reference numerals.

Figuren la-f tonen een koppelinrichting 10, samengesteld uit een ringvormig buitenlichaam 1 en een ten opzichte daarvan roteerbaar ringvormig binnenlichaam 2. Een eerste flens 3 is met bouten 5 vast gekoppeld met een ringvormige binnenste pakkingdrukker ("gland innerbody") 6, die op zijn beurt met bouten 7 vast is gekoppeld met het binnenlichaam 2. Een tweede flens 4 is met bouten 8 vast gekoppeld met het buitenlichaam 1. Tussen het buitenlichaam 1 en het binnenlichaam 2 is een gereed kogellager opgenomen, met een buitenring 9, een binnenring 11 waartussen kogels 12 van siliciumnitride (Si3N4) zijn opgesloten in een kooi 13 van messing. Het kogellager 9, 11, 12, 13 wordt verder begrensd door de gland innerbody 6 en een ringvormige buitenste pakkingdrukker ("gland outerbody") 14, die met bouten 15 vast is gekoppeld met het buitenlichaam 1. De lagerloopring van de buitenring 9 en de lagerloopring van de binnenring 11 elk zijn voorzien van een wrijving verlagende en slijtage remmende Xylan coating. Tussen de eerste flens 3 en de binnenste pakkingdrukker 6 is een ringvormige afdichting 16 aangebracht voor een eerste fluïdumdichte statische afdichting. Tussen de binnenste pakkingdrukker 6 en het binnenlichaam 2 is een ringvormige afdichting 17 aangebracht voor een tweede fluïdumdichte statische afdichting. Tussen de tweede flens 4 en het binnenlichaam 2 is een ringvormige afdichting 18 aangebracht voor een eerste fluïdumdichte dynamische afdichting. Tussen de tweede flens 4 en het binnenlichaam 2 is een ringvormige afdichting 19 aangebracht voor een tweede fluïdumdichte dynamische afdichting. De figuur toont voorts nog een afdichting 20 die toegang geeft tot een kanaal waardoor een reinigingsgas, bijvoorbeeld stikstof, door het kogellager kan worden geleid.Figures 1a-f show a coupling device 10 composed of an annular outer body 1 and an annular inner body 2 rotatable relative thereto. A first flange 3 is fixedly coupled with bolts 5 to an annular inner packing pusher ("gland innerbody") 6 in turn with bolts 7 is fixedly coupled to the inner body 2. A second flange 4 is fixedly coupled with bolts 8 to the outer body 1. Between the outer body 1 and the inner body 2 a ready ball bearing is received, with an outer ring 9, an inner ring 11 between which balls 12 of silicon nitride (Si 3 N 4) are enclosed in a cage 13 of brass. The ball bearing 9, 11, 12, 13 is further delimited by the gland inner body 6 and an annular outer packing pusher ("gland outerbody") 14, which is fixedly coupled with bolts to the outer body 1. The bearing race of the outer ring 9 and the Bearing race of inner ring 11 are each provided with a friction-reducing and wear-resistant Xylan coating. An annular seal 16 is provided between the first flange 3 and the inner packing pusher 6 for a first fluid-tight static seal. Between the inner packing pusher 6 and the inner body 2, an annular seal 17 is provided for a second fluid-tight static seal. An annular seal 18 is provided between the second flange 4 and the inner body 2 for a first fluid-tight dynamic seal. An annular seal 19 is provided between the second flange 4 and the inner body 2 for a second fluid-tight dynamic seal. The figure further shows a seal 20 which gives access to a channel through which a cleaning gas, for example nitrogen, can be passed through the ball bearing.

Fig. 2 toont in detail de in fig. Ie getoonde ringvormige afdichting 18, die is samengesteld uit een in dwarsdoorsnede U-vormige afdichtring ("jacket") 21 van UHMW PE, een in dwarsdoorsnede V-vormige aandrukring ("spring") 22 van een op nikkel-chroom gebaseerde austenitische superlegering ("Iconel") voor het uitoefenen van een kracht op de afdichtring 21 in axiale richting, en een in dwarsdoorsnede rechthoekige afstandhouderring ("spacer") 23 van een corrosiebestendig roestvast staal ("AISI") voor het uitoefenen van een kracht in radiale richting op de afdichtring 21.FIG. 2 shows in detail the annular seal 18 shown in FIG. 1e, which is composed of a UHMW PE sealing ring ("jacket") 21 of a UHMW PE, a pressure ring ("spring") 22 of a cross-section nickel-chromium-based austenitic superalloy ("Iconel") for exerting a force on the sealing ring 21 in the axial direction, and a cross-sectional rectangular spacer ring ("spacer") 23 of a corrosion-resistant stainless steel ("AISI") for the exerting a radial force on the seal ring 21.

De getoonde koppelinrichting maakt het mogelijk leidingen voor cryogene vloeistoffen met een temperatuur lager dan min 160 C en een inwendige druk tussen 2,5 en 3,5 barg te koppelen, waarbij een aantal van ten minste 400.000 rotaties over een hoek tussen 6 en 10 graden storingsvrij kan worden uitgevoerd.The coupling device shown makes it possible to connect pipes for cryogenic liquids with a temperature lower than minus 160 ° C and an internal pressure between 2.5 and 3.5 barg, with a number of at least 400,000 rotations through an angle between 6 and 10 degrees can be carried out fault-free.

Claims

Coupling device (10) for rotatably coupling fluid lines for cryogenic fluids, comprising an annular outer body (1) and an annular inner body (2) rotatable relative thereto, a first flange (3) coupled to the inner body (2) first fluid line and a second flange (4) of a second fluid line coupled to the outer body (1), bearing race rings with balls (12), sealing means (16, 17, 18, 19) provided between the outer body (1) and the inner body (2) ) for providing a fluid-tight seal between the outer body (1) and the inner body (2), the balls (12) being provided between an outer ring (9) and an inner ring (11) of a single-row ball bearing received between the outer body (1) and inner body (2) and which is bounded by an annular outer packer (14) arranged against the outer body (1) and an annular inner arranged against the inner body (2) first gasket press (6), and wherein the first flange (3) is statically coupled to the inner gasket press (6), which in turn is statically coupled to the inner body (2), and the second flange (4) is statically coupled to the outer body (1) which in turn is dynamically coupled to the inner body (2), characterized by first static sealing means (16) between the first flange (3) and the inner packing pusher (6), second static sealing means (17) between the inner packing pusher (6) and inner body (2), first dynamic sealing means (18) between the second flange (4) and the inner body (2), and second dynamic sealing means (19) between the second flange (4) and the inner body ( 2).

Coupling device (10) according to claim 1, characterized in that at least one of the first static sealing means (16), the second static sealing means (17), the first dynamic sealing means (18) and the second dynamic sealing means (19) comprises a sealing ring (21) made from an ultra high molecular weight polyethylene (UHMW PE).

Coupling device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the first static sealing means (16), the second static sealing means (17), the first dynamic sealing means (18) and the second dynamic sealing means ( 19) comprises a pressure ring (22) made from a nickel-chromium-based austenitic superalloy.

Coupling device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the first static sealing means (16), the second static sealing means (17), the first dynamic sealing means (18) and the second dynamic sealing means ( 19) comprises a spacer ring (23) made from a corrosion-resistant stainless steel.

Coupling device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the outer ring (9) and the inner ring (11) of the ball bearing is made of a hardened martensitic steel.

Coupling device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the bearing race of the outer ring (9) and the bearing race of the inner ring (11) are each provided with a friction-reducing and wear-resistant coating.

Coupling device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the balls (12) are made of a ceramic material.

Coupling device (10) according to claim 7, characterized in that the ceramic material is silicon nitride (Si 3 N 4).

9.

Coupling device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the balls (12) are arranged in a four-point contact between the bearing race of the outer ring (9) and the bearing race of the inner ring (12) of the ball bearing.