NO154808B - Fleksibel kobling mellom to stive roerseksjoner. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fleksibel kopling mellom to stive rørseksjoner som kan svinge i forhold til hverandre om et sentralt punkt med en begrenset vinkelamplitude, innbefattende første og andre stive legemer som er utført i ett med eller kan forbindes med en respektiv rørseksjon, hvilke to stive legemer er helt adskilt fra hverandre med et ringgap som begrenses av første og andre flater på henholdsvis det første og andre stive legeme, minst et første og andre separate elastiske ringelementer anordnet i gapet og forsynt med respektive inner- og ytterflater forbundet med ringflater som har sfærisk form og hører til de nevnte første og andre flater, og et fluidumfyllt ringkammer i gapet, mellom de første og andre elastiske elementer.

Oppfinnelsen er særlig egnet for sammenkopling av to rør i en rørledningsforbindelse mellom havbunnen og en på overflat-en anordnet borerigg eller plattform i forbindelse med undervanns-brønnhull, men oppfinnelsen er ikke begrenset til slik anvendelse.

I forbindelse med det foran nevnte spesielle anvend-elsesområdet må en fleksibel rørkopling kunne fylle følgende funksjoner : - overføring av de longitudinelle krefter som virker i forbindelsen , - muliggjøre relativ vinkelstilling av de sammenkoplede legemer (noen få grader), og - sikre en tett forbindelse i koplingen, særlig når det foreligger et høyt differensialtrykk.

for å oppnå dette har det vært foreslått å fremstille koplinger som innbefatter fleksible sfæriske elementer som hvert dannes av en stabel av vekslende sfæriske lag av et elastisk materiale (gummi) og et stivt, uforlengbart materiale (eksempelvis metall).

Man har funnet at slike komposittelementer ikke kan sikre de foran nevnte ulike funksjoner, særlig ikke over lengre tid.

Det har derfor vært foreslått mer komplekse løsninger.

I US-patentskrift 3.680.895 foreslås således bruk av

et sylindrisk tilleggselement for opptak av trekk-krefter og for unngåelse av en ødeleggelse av de sfæriske komposittelementer i koplingen.

I den franske patentsøknad nr. 2.323.089 foreslås det

å adskille de fleksible sfæriske elementer med lagervirkning fra de som har tetningsvirkning, for derved å unngå å utsette tetnings-elementene for krefter som kan beskadige dem.

Det dreier seg her imidlertid om dyre løsninger. De høye omkostninger skyldes særlig vanskelighetene i forbindelse med fremstillingen av elementene som dannes av vekslende sfæriske lag av metall (eller andre stive materialer) og av gummi, med skikke-lig innbyrdes forbindelse.

Det er således en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fleksibel kopling som tilfredsstiller de ulike funksjonskrav, samtidig som koplingen er billigere i fremstilling enn de foran nevnte koplinger.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at det første stive legeme har et ringparti ved en ende av den første rørseksjon, hvilket ringparti er helt omgitt av en ringutsparing i det andre stive legeme og danner det nevnte gap sammen med denne, at hvert

elastisk element er utført som én del av et ettergivende materiale, og at det respektive kammer i gapet, mellom de elastiske elementer, er lukket, er fyllt med en i hovedsaken ukomprimerbar væske og har motliggende vegger som hører til de første og andre legemer, for derved å kunne overføre aksialkrefter mellom de første og andre rørseksjoner via væsken.

Et stivt legeme vil således i forhold til det andre ha tre frihetsgrader ved dreiing om det sentrale punkt. Det er ikke nødvendig med noen tilførsel av hydraulisk fluidum fra en utvendig kilde (aktiv kompensasjon) under bevegelsene. Den nye kopling er derfor en fleksibel kopling med passiv kompensasjon.

Det er væsken i kammerne som sikrer overføringen av aksialkrefter mellom de stive legemer, hvormed man unngår at de elastiske elementer underkastes ødeleggende deformasjoner. De elastiske elementer er fremstilt som enhetlige stykker, av gummi eller elastomer. Kostnadene i forbindelse med slike elementer er langt lavere enn for elementer utformet ved legging av vekslende lag av gummi og uforlengbare forsterkninger på hverandre.

Ifølge en utførelse av den nye kopling danner ringrommet, sett i tverrsnitt, i hovedsaken en S. I delene av rommet som danner endearmene til S'en opptas avet respektiv elastisk element, mens den sentrale del danner et kammer fyllt med væske. Koplingen innbefatter fordelaktig minst tre elastiske, sfæriske ringelementer, nemlig to endeelementer og et mellomelement. Hvert element er utført som et stykke av et elastisk materiale og elementene er anordnet i ringrommet og begrenser deri to lukkede ringkamre som er fyllt med væske. Det elastiske mellomelement er på innsiden fiksert på en sfæriske flate hvis krumningsradius er større enn krumningsradien til i det minste en av de sfæriske flater hvorpå innsiden av de elastiske endeelementer er fiksert.

.Et av kammerne kan, i tverrsnitt, ha en avlang form

og strekke seg i hovedaken perpendikulært på aksen til de ringformede elastiske elementer. Ifølge et annet utførelseseksempel av koplingen kan ringrommet, i tverrsnitt, ha form av en U, idet de delene av rommet som danner U'ens armer opptar et elastisk element, mens den sentrale del danner et kammer som er fyllt med væske.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere under henvisning til tegningene hvor

fig. 1 viser et skjematisk halvsnitt gjennom et første utførelseseksempel av en fleksibel kopling ifølge oppfinnelsen ,

fig. 2 viser et skjematisk halvsnitt av en variant av utførelsen i fig. 1,

fig. 3 viser et snitt etter linjen III-III i fig. 2,

fig. 4 viser et skjematisk halvsnitt gjennom et andre utførelseseksempel av en fleksibel kopling ifølge oppfinnelsen, og

fig. 5 og 6 viser to skjematiske snitt hvor de-formasjonene av de elastiske elementer i koplingen i fig. 4

er vist.

Den i fig. 1 viste kopling 10 tjener til å forbinde endene av de to stive rør 11 og 12 med hverandre. Rørene 11 og 12 har vanligvis sammenfallende akser x-x og y-y. Koplingen 10 er imidlertid utført slik at den muliggjør en relativ dreiebevegelse mellom rørene 11 og 12, med begrenset vinkelamplitude om et sentralt punkt O plassert på aksene x-x og y-y. Er eksempelvis røret 11 et fast rør tilknyttet en plattform, så skal røret 12 kunne innta en .hvilken som helst stilling innenfor en konus med utgangspunkt i 0, med en konustoppvinkel på noen få grader, eksempelvis maksimum 20°.

Røret 11 er forsynt med et fortykket endeparti 13, hvis ytterflater 13a, 13b, 13c er symmetriske om aksen x-x og sentrert om punktet O.

Flatene 13a,13b, 13c er omdreiningsflater som

danner deler av" sfæriske flater. Disse flatene og andre lignende flater betegnes her som sfæriske ringflater. De sfæriske ringflater 13a og 13c er ytterflatene til et kuleledd 14 på hver side av det tverrgående midtplan i kuleleddet.

Den sfæriske ringflate 13b har en krumningsradius som er større enn krumningsradiusen til flatene 13a og 13c. Flaten 13b er periferiflaten til et ringstykke 15 som omgir kuleleddet 14 og er utført fast i forhold til dette. I det viste eksempel er flaten 13b forbundet med flatene 13a og 13c ved hjelp av en kontinuerlig sylinderflate 15a, med akse x-x, og en i hovedsaken radiell flate 15c.

Fortykkelsen 13 er helt omgitt av deler som utgjør en del av røret 12 eller er festet til dette.

Et hus 23 er skrudd fast på en flens 25 på røret 12 og det er fastsveiset til flensen. Dette hus ei utformet med sfæriske ringflater 23a, 23b som er symmetriske om aksen y-y og sentriske om punktet 0. Disse flatene er innvendige flater i huset og omgir de tidligere nevnte flater 13a, 13b med en avstand i forhold til disse. Flatene 23a, 23b er forbundne med hverandre ved hjelp av en sylinderflate 25a, med akse y-y, hvilken sylinderflate ligger overfor den tidligere nevnte sylinderflate 15a, i en avstand fra denne.

En sfærisk ringflate 23c omgir flaten 13c og ligger 1 en avstand fra denne. Mellom flatene 23c og 23a går det en i hovedsaken radiell flate 25c som utgjør en endeflate på flensen

25. Rundt hele det fortykkede parti 13 av rørledningen 11 foreligger det således et kontinuerlig gap eller rom 30. I dette rommet er det anordnet tre sfæriske ringer 31, 32, 33 som er fremstilt av elastisk materiale, eksempelvis naturgummi eller syntetisk gummi. Enderingen 31 forbinder veggene 13a og 2 3a med hverandre, mens den andre endering 33 forbinder veggene 13c og 2 3c med hverandre. Mellomringen 32 danner en forbindelse mellom flatene 13b og 2 3b.

I rommet 30 vil ringene 31, 32, 33 begrense to lukkede ringkamre 34, 35. Disse er helt fyllt med en væske som er lite eller ikke kompressibel. Kammret 34 begrenses av de hosliggende kantflater av ringene 31, 32 og av veggene 15a og 25a. Dette kammer 34 har derfor i tverrsnitt en avlang for som i hovedsaken strekker seg parallelt med aksene x-x og y-y.

Kamret 35 begrenses av kantene på ringene 32, 33 og av veggene 15b, 25b og i tverrsnitt har dette kamret 35 en avlang form som strekker seg i hovedsaken radielt på aksene x-x og y-y.

Koplingen 10 virker på følgende måte:

Rørene 11 og 12 har i forhold til hverandre tre frihetsgrader med hensyn til dreiebevegelse om det sentrale punktet 0. De to frihetsgradene for kuleleddet begrenses i et direkte anslag av røret 11 mot den koniske innerflens 22 på huset 23. Kammerne 34, 35 sikrer en overføring av longitudinelle krefter mellom rørene 11 og 12 uten at ringene 31,.32, 33 derved underkastes deformasjoner ved strekk eller sammentrykking, dvs. deformasjoner som eventuelt ville kunne ødelegge disse ringer. Dette er grunnen til at disse ringene helt enkelt er utformet som enhetlige stykker og av et elastisk materiale.

De longitudinelle trykkspenninger overføres ved trykkpåvirkning av kamret 35, mens de longitudinelle strekk-krefter overføres gjennom trykk-kamret 34.

De radielle krefter overføres ved sammentrykking av de elastiske ringer 31, 32, 33. Når koplingen benyttes for forbindelse mellom to seksjoner av et rør som forbinder en overflateplattform med havbunnen vil radialkreftene være relativt små.

I den delen av rommet 30 hvor man har det S-formede tverrsnitt og hvor de elastiske elementer 31, 32 er anordnet,

på hver sin side av kamret 34, har man som nevnt overføring av strekk-krefter. Kamret 35, mellom de elastiske elementer 32 og 33,tjener til overføring av trykk-krefter. Dersom den ene eller andre kraftpåkjenning kan negliseres kan man naturligvis til-passe koplingens utførelse tilsvarende og eksempelvis bare ha to ringformede elastiske elementer adskilt med et ringkammer fyllt med væske, når de longitudinelle krefter som skal over-føres bare er trykk-krefter.

De aksiale deformasjoner av de elastiske ringer begrenses som følge av anordningen av kammerne 34, 35. En viss relativ aksial forskyvning med begrenset amplitude av rørene 11 og 12 kan imidlertid ikke utelukkes. Det er ønskelig å unngå

at de elastiske ringer utsettes for strekkdeformas joner som kan oppstå ved slike relative aksialforskyvninger. Særlig fore-trekkes det at det innvendige trykk som hersker i rørledningen utnyttes for å holde de elastiske ringer under kompressjons-belastning uansett hvor stort dette innvendige trykk er og uansett hvor stor strekk-kraft som utøves mellom rørene 11 og 12. For eksempelvis å beskytte en av ringene, eksempelvis ringen 33 er det anordnet en del 24 som er rotasjonsfast forbundet med røret 12, men kan bevege seg aksialt i forhold til røret 12. Denne delen 24 er et ringlegeme som er innlagt i enden av røret og er forbundet med røret ved hjelp av en elastisk ring 26 som er- festet til de motliggende sylindervegger på henholdsvis røret

og ringen.

En relativ aksial strekkforskyvning mellom rørene

11 og 12 vil derfor tas opp som skjærbelastning i ringen 26,

som eksempelvis er fremstilt av naturlig eller syntetisk gummi.

Ved overføring av trykkpåkjenninger vil ringen 2 4

få kontakt med en radiell vegg 27 i røret 12.

I den variant som er vist i fig. 2 er flaten 2 3c utformet på røret 12 eller en del som er fast forbundet med røret, mens flaten 13c er utformet på en ringdel 14' med akse x-x. Denne ringformede del 14' er rotasjonsfast forbundet med røret 11, men kan bevege seg aksialt i forhold til røret 11.

I utførelseseksemplet danner ringen 14' en del av kuleleddet 14, sammen med et utvidet parti 14'<1> som er fast forbundet med eller utgjør en del av røret 11. Fra denne fortykkede del går det ut et ringfremspring 15. Forbindelsen mellom delene 14'

og 14'' skjer ved hjelp av en elastisk ring 16, eksempelvis fremstilt av gummi, hvilken ring er festet til de omgivende sylindervegger på de to deler 14' og 14''.

En relativ aksial strekkforskyvning mellom rørene

II og 12 vil tas opp ved skjærpåkjenning i ringen 16. Over-føring av kompressjonskrefter skjer ved at delen 14' vil få anslag mot den radielle vegg 17 på delen 14''.

Variantutførelsen i fig. 2 og 3 er slik at man har. en begrensning av den relative dreiebevegelse mellom rørene 11 - og 12 om deres akser i tilfelle oppståelsen av betydelige dreiemomenter. Koplingselementer med relativ stor klaring mellom rørene gjør at man får en fast forbindelse mellom rørene når rørene dreies i forhold til hverandre over en bestemt verdi.

Koplingselementene er utformet som boss 18 på røret 11, hvilket boss rager inn i utsparinger 28 i rørets 12 fremre radielle flate 26c. Utsparingene og bossene har sektorform som vist.

Den maksimale vinkelbevegelse for bossene 18 i utsparingene 28 velges slik at den er kompatibel med de maksimale deformasjoner som kan tillates for det elastiske materiale i ringene 31 - 33. Det er således bare når torsjonsmomentet mellom rørene 11 og 12 overskrider en viss grense at man får direkte kontakt mellom rørene.

Fig. 4 viser en utførelse av en fleksibel kopling særlig beregnet for tilveiebringelse av en leddet, tett ledning som eksempelvis danner en tørr passasje mellom en over-flate plattform og et undervannsbrønnhode.

Den fleksible ring 40 i fig. 4 kan utgjøre et ledd eller en del av en tett ledning eller passasje som fremkommer ved sammensetting av flere slike ringer ende mot ende. Den fleksible ring 40 kan også danne en leddforbindelse i en tett ledning eller passasje, idet den da innsettes mellom to stive rørseks joner.

Den fleksible ring 40 innbefatter tre stive rør-legemer 41, 42 og 43. Rørlegemene 41 og 43 utgjør ringens aksiale ender og er forbundet med mellomlegemet 42 ved hjelp av fleksible koplinger 44, 45, utført i samsvar med oppfinnelsen. Ringens 40 symmetriplan er det midtre radialplan P

for legemet 42.

Koplingene 44, 45 er opptatt i ringformede spor

46, 47 uttatt i endeflatene til legemet 42. Hvert ringspor har to sfæriske ringvegger 46a, 46b, 47a, 47b og en bunn 46c, 47c. I sporene 46, 47 rager det inn sfæriske ringer 48, 49

som er fast forbundet med de respektive legemer 41, 43.

Disse ringlegemer 48, 49 har innerflater 48a, 49a og ytterflater 48b, 49b i form av sfæriske ringflater med samme krumningssenter som flatene 46a, 47a og 46b, og de vender mot disse. Endeflatene 48c, 49c er plane radielle flater som vender mot bunnene 4 6c, 4 7c i sporene 46, 47.

Mellom ringlegemene 48, 49 og veggene i sporene

46, 47 er det gap eller rom 50, 51, slik at det altså dannes i tverrsnitt U-formede rom.

Rommet 50 er i hver av Uens armer utfyllt av elastiske sfæriske ri-ngelementer 52, 53. Hvert slikt element er utført i et stykke og sammen med veggene 46c, 48c begrenser de et lukket ringkammer 54 som er helt fyllt med en væske som er lite eller ikke kompressibel. Elementene 52, 53 er festet til veggene 46a, 48a og 46b, 48b.

På lignende måte er det i rommet 51 anordnet elastiske,sfæriske ringelementer 55, 56 som begrenser et lukket ringkammer 57 som er helt fyllt med væske som er lite eller ikke kompressibelt.

Den fleksible ring i fig. 4 virer på følgende måte: Tettheten mellom ringens innside og utside sikres som følge av forbindelsen mellom de elastiske elementer og de stive legemer.

Holdingen av et differensialtrykk mellom innsiden og utsiden av ringen oppnås som følge av de elastiske elementers motstand mot sidekrefter (fig. 5) .

Den passive kompensering av kompressjonskreftene som utøves på ringen, særlig når flere ringer stables på hverandre vertikalt, tilveiebringes av væsken i kammerne 54, 57.

Ringens 40 fleksibilitet tilveiebringes ved en relativ dreiebevegelse mellom delene 41, 42 og delene 42, 4 3

på den andre siden med deformering av de elastiske elementer (fig. 5) .

Krumningssenterne for koplingene i sporene 4 6 og

4 7 kan være separate eller gå sammen i punktet O i planet P, idet ringen da enten utgjør en leddforbindelse om to punkter eller om punktet 0 i planet P.

Når ringene 40 danner enkeltledd eller enkeltdeler

i en tett ledning, passasje eller tunnel, anordnes et opptak 58 i enden av det ene stive legemet 43. I dette opptak kan så enden. 59 på det andre stive legeme i en hosliggende ring passe fint. Flenser 61 er utformet ved endene, fortrinnsvis i form av de viste innerflenser, slik at man kan få adgang innenifra ved fastspenningen av ringene til hverandre. I flensene er det uttatt boringer 62 for fastgjøringsorganer. Mellom de enkelte ringer anordnes det tetninger etter behov.

På denne måten kan man tilveiebringe en tett og tørr ledning eller tunnel hvorigjennom man kan transportere ulikt utstyr også personell, mellom en overflateplattform og et ned-dykket brønnhode.

De fleksible koplinger ifølge oppfinnelsen innbefatter elastiske ringelementer fremstilt i et stykke og festet til stive vegger, idet elementene begrenser lukkede kammere som er fyllt med væske.

For å få en tilfredsstillende forbindelse mellom

de elastiske elementer, som vanligvis fremstilles av naturgummi eller syntetisk gummi, og de stive metall-legemer, vanligvis fremstilt av stål, kan man foreta en fastbaking in situ (polymerisering eller vulkanisering) av det materiale som danner

de elastiske elementer.

For dette formål kan det råmateriale som etter bak-ingen gir det elastiske materiale, støpes på plass i de rom hvor de elastiske ringer skal være.

Kammerne 34, 35, 54 og 57 kan tilveiebringes ved at man der hvor kammerne senere skal være anbringer massive kjerner av et materiale som er oppløsbart i et oppløsningsmiddel, idet materialet også må kunne tåle de betingelser som er nødvendig for oppnåelsen av polymeriseringen eller vulkaniseringen av det elastiske materiale. Etterpå kan de nevnte kjerner oppløses ved å sprøyte inn oppløsningsmiddel gjennom ikke viste kanaler, eksempelvis i veggen i huset 23 eller i legemet 42. Etter oppløs-ningen av kjernene blir de væskefyllte kammere definitivt avstengt ved stenging av kanalene.

Claims (7)

1. Fleksibel kopling mellom to stive rørseksjoner som kan svinge i forhold til hverandre om et sentralt punkt med en begrenset vinkelamplitude, innbefattende første og andre stive legemer (11,12;41,42) som er utført i•ett med eller kan forbindes med en respektiv rørseksjon, hvilke to stive legemer er helt adskilt fra hverandre med et ringgap (30;50;51) som begrenses av første og andre flater på henholdsvis det første og andre stive legeme, minst et første og andre separate elastiske ringelementer (31,32,33;52,53;55,56) anordnet i gapet og forsynt med respektive inner- og ytterflater forbundet med ringflater som har sfærisk form og hører til de nevnte første og andre flater, og et fluidumfyllt ringkammer i gapet, mellom de første og andre elastiske elementer, karakterisert ved atdet første stive legeme (11;41; 43) har et ringparti (15;48;49) ved en ende av den første rørseksjon, hvilket ringparti er helt omgitt av en ringutsparing i det andre stive legeme (23;42) og danner det nevnte gap sammen med denne, at hvert elastisk element (31,32,33;52,53;55,56) er utført som én del av et ettergivende materiale, og at det respektive kammer (34,35;54;57) i gapet, mellom de elastiske elementer, er lukket, er fyllt med en i hovedsaken ukomprimerbar væske og har motliggende vegger som hører til de første og andre legemer, for derved å kunne overføre aksialkrefter mellom de første og andre rørseksjoner via væsken.

2. Fleksibel kopling ifølge krav 1, karakterisert ved at ringpartiet ved en ende av den første rørsek-sjon er i form av et ringformet fremspring (15) som har en front-ytterflate rettet mot den andre rørseksjon og en rygg-ytterflate rettet mot den første rørseksjon, idet fremspringet er helt omgitt av ringutsparingen i det andre stive legeme (23), og ved at kammeret (34) er hosliggende i det minste en del av ryggflaten til fremspringet for derved å muliggjøre en overføring av aksielle strekkrefter mellom første og andre rørseksjon via væsken i kammeret (34).

3. Fleksibel kopling ifølge krav 2, karakterisert ved at ringgapet i et tverrgående meridiansnitt i hovedsaken har form av i det minste en S med de deler av gapet som danner endearmen i S'en utfyllt av et respektivt elastisk element (31,32), mens den del av gapet som danner S'ens sent-ale del, danner et kammer (34) som er fyllt med væske.

4. Fleksibel kopling ifølge et av kravene 2 og 3, karakterisert ved at den innbefatter et tredje elastisk ringelement (33) anordnet i ringgapet og med indre og ytre flater som er forbundet med sfæriske flater som hører til de respektive første og andre flater, idet de nevnte første, andre og tredje elastiske elementer (31,32,33) i gapet begrenser første og andre kammere (34,35) som er fyllt med væske, idet det andre kammer (35) er hosliggende i det minste en del av frontflaten på fremspringet (15) på det første stive legeme, for derved å muliggjøre en overføring av aksielle kompresjons-krefter mellom første og andre rørseksjon via væsken i det andre kammer (35).

5. Fleksibel kopling ifølge et av kravene 2-4, karakterisert ved at et elastisk ringelement (33) med en av sine flater kleber til en del (14') som er rotasjonsfast forbundet med et av de stive legemer (11) og er aksialforbundet med dette ved hjelp av en elastisk ring (16) som er innlagt i et sylindrisk gap mellom delen og legemet.

6. Fleksibel kopling ifølge et av kravene 2-5, karakterisert ved at den videre innbefatter en koplings-del (18) som gir rotasjonskopling mellom de stive legemer om aksen til de elastiske elementer (31,32,33) når dreievinkelen mellom de stive legemer om den nevnte akse overskrider en viss verdi.

7. Fleksibel kopling ifølge krav 1, karakterisert ved at ringgapet i tverrsnitt i hovedsaken har form av en U, idet de deler av gapet som danner U'ens armer hver er utfyllt med et elastisk element (52,53;55,56) og at den del av gapet som danner U'ens sentrale del, utgjør et kammer (54;57) som er fylt med væske.