NO167232B - Avtettet fluidsvivel. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et avtettet fluidsvivelstykke

av den art som fremgår av ingressen til det etterfølgende selvstendige krav.

Utviklingen av undervanns petroleums- og gassproduksjonssystemer har omfattet et konsept der et flytende prosess- og lagrings-fartøy innehar som en betydelig komponent et høytrykks fluidsvivelstykke med mange passasjer. Fluidsvivelstykket innbefatter et antall stasjonære fluidkanaler eller rør som forløper nedad fra innsiden av svivelstykket for å transportere gass, olje, luft, vann eller andre fluider enten opp til dette eller ned fra dette. Et antall koplinger er montert på utsiden av fluidsvivelstykket

og er dreibare i forhold til dette, der hver dreibare kopling kommuniserer gjennom fluidsvivelstykket med en av de stasjonære fluidkanaler eller rør. US-patent 2894268 og 3590407 viser flottør-understøttede sjøterminaler som benytter et konsept svært likt det beskrevet ovenfor.

Et problem i tilknytning til et slikt fluidsvivelstykke er i for-bindelse med tetninger som skal motstå de forholdsvis høye trykkforskjeller, ofte opp til 41,7 MPa, samtidig som de gir mulighet for den relative dreiebevegelse tilknyttet svivelstykket. Tetningene som har vært benyttet i mange av disse fluidsvivelstykker har vært leppetetninger av V-typen, som ofte medførte svært store friksjons-krefter i svivelstykket når de er beregnet på å oppta de høye trykkforskjeller.

I tillegg har de høye trykkforskjeller medført "ekstrudering" eller utpressing av de forholdsvis føyelige tetningselementer inn i inettopp de åpninger som de er konstruert for å avtette. Tidligere kjente svivelstykker har ofte vært utstyrt med en ytre ring som roterer om en indre ring med radialtetninger mellom disse. Høye indre trykk medfører ofte avbøyninger i ringene som øker det radielle klaringsgap. Vanlige tetningsmaterialer kan ikke effektivt bygge over dette gap samtidig som tetningens trykkintegritet opp-rettholdes .

Derfor har vanlige tetningsntaterialer blitt forsterket med ulike elementer for å øke materialenes fysiske styrke for å overbygge de radielle klaringsgap. Uheldigvis har de forsterkende elementer tilbøyelighet til å gjøre tetningsmaterialstoffene mindre elastiske og mer abrasive. Følgelig må en tetning dannet av disse stoffer ha en høy kontaktkraft. for å besørge en tetning fordi de mindre elastiske materialer har økt motstand mot å trenge inn i mulige mikro-spor i de korresponderende tetningsflater for slik å tette mot mulig fluidgjennomgang. De høyere kontaktbelastninger og den mer abrasive beskaffenhet i de forsterkende elementer av disse material-forbindelser har tilbøyelighet til å øke slitasjen på både tetningen og tetningens virkeflater, som ofte fører til tap av tetningens trykkintegritet. For å løse problemene med utpressing av tetnings-materialene inn i. gapet, har den kjente teknikk også benyttet antiekstruderingsringer av hardplast eller metall for å støtte tetningselementene og overbygge klaringsgapet mellom ringene i et f luidsvivelstykke-. Dessverre har disse tidligere kjente konstruksjoner vist seg å' ikke være fullstendig tilfredsstillende.

For å forbedre problemene som påstøtes i tidligere kjente tetningskonstruksjoner av denne art, viser GB-A-2132726 for-bedrede tetningsarrangementer for fluidsvivelforbindelser slik som er vanlig brukt i lasteterminaler for tankere til havs.

Blant ulike fremlagte utførelser er et tetningsarrangement som

er konstruert med en fjærbelastet antiekstruderingsring eller tetning for å minimalisere tetningsekstruderingsåpningen deri.

Det er også fremlagt et tetningsarrangement for en fluidsvivelforbindelse hvor komponentene til tetningen er relativt fritt-flytende for å kompensere for eksentrisitet eller andre varia-sjoner eller forstyrrelser i komponenter av fluidsvivelforbindelsen.

I samsvar med GB-A-2132726 har en avtettet fluidforbindelse

en første og andre tilstøtende forbindelsesring som er dreibare relativt hverandre omkring en felles sentral lengdeakse. Forbindelsesringene har en liten ringformet klaringsåpning forsynt derimellom for slik å tillate for relativ dreiebevegelse og en av ringene definerer et ringformet tetningshusspor inntil klaringsåpningen. En ringformet tetning er anbragt i tetningshussporet og innbefatter et ringformet elastisk tetningselement og en tilstøtende antiekstruderingsring for å forhindre det føyelige tetningselement fra å bli ekstrudert inn i klaringsåpningen av den relativt høye fluidtrykkdifferanse som eksisterer tvers over tetningen. Antiekstruderingsringen eller tetningselementet er forspent mot en tilstøtende tetningsover-flate for å tilveiebringe en effektiv høytrykks-fluidtetning derimellom og også for å minimere ekstruderingsåpningen som eksisterer i tetningen. I mange utførelser, definerer svivelforbindelsen en radiell tetningskonfigurasjon som har en sylindrisk utformet klaringsåpning som forløper symmetrisk rundt den sentrale lengdeakse. I andre alternative konstruksjoner, defineres svivelforbindelsen en flatetetningskonfigurasjon som har en radielt flattformet klaringsåpning plassert symmetrisk rundt den sentrale lengdeakse.

Videre oppnås den forspennende virkning av en fjær som er anbragt i tetningshussporet for slik å forspenne det ringformede tetningselement mot en tetningsflate på den andre forbindelsesring. I en utførelse, er en spiralfjær sammenpresset anordnet mellom en vegg av tetningshussporet og den ringformede tetning. I en annen utførelse, forløper en fjær langs omkretsen rundt den ringformde tetning i det ringformede tetningshusspor. I flere andre utførelser, forspenner fjæren antiekstruderingsringen mot det ringformede tetningselement for å bevirke det til å bære mot en tetningsflate på den andre forbindelsesring og for også å minimere tetningsekstruderingsåpningen i tetningen .

I mange av tetningskonstruksjonene, anvender tetningen trykkdifferansen som eksisterer tvers over tetningen for å trykkfor-spenne det ringformede tetningselement mot en tetningsflate og også for å minimere tetningsekstruderingsåpningen. Andre konstruksjoner tillater for trykkdifferansen å forspenne antiekstruderingsringen mot det ringformede tetningselement for å bevirke det å bære mot en tetningsflate på den andre forbindelsesring og også for å. minimere antiekstruderingsåpningen. I en beskrevet utførelse, ef trykkdifferansen brukt for direkte å forspenne det ringformede tetningselement mot en tetningsflate.

I flere av tetningskonstruksjonene, er det ringformede tetningselement formet med en V-formet konkav utsparing som for-løper langs dets ringformede lengde for ytterligere å ta for-del av trykkdifferansen, mens de andre tetningskonstruksjoner er antiekstruderingsringen konstruert med et L-formet tverr-snitt, og det ringformede tetningselement er anbragt mellom de to armene av L-en. I en utførelse, har den V-formede konkave utsparing sin V-formede åpning vendende i retning av den ringformede klaringsåpning, mens i en annen vender den V-formede åpning ortogonalt bort fra den ringformede klaringsåpning.

Videre er flere multielementtetninger beskrevet i utførelser konstruert for å eliminere problemer i tilknytning med tidligere kjente tetninger av denne art, slik som ekstrudering av tetningselementet og unødvendig slitasje av begge de tetnings-samvirkende flater. Mange av disse tetningskonstruksjoner innbefatter et sekundært tetningselement posisjonert mellom det føyelige tetningselement og antiekstruderingsringen. I disse utførelser er O-ringer plassert mellom det føyelige tetningselement og det sekundære tetningselement og også mellom det sekundære tetningselement og antiekstruderingsringen.

Antiekstruderingsringer kan konstrueres av separate deler eller, alternativt kan være en integrert komponent av tetningen.

Så lenge som de indre og ytre ringer av svivelforbindelsen er

i en konsentrisk tilstand relativt hverandre, vil antiekstruderingsringer eller innretninger utføre sine tetningsfuksjoner på en tilfredsstillende måte. Imidlertid påstøtes driftsbeting-elser tid om annen hvor de indre og ytre ringer av svivelforbindelsen blir eksentriske relativt hverandre, for slik å bevirke at mulige antiekstruderingsringer som er sammensatt av plastmaterialer enten å bli frakturert eller deformert til det punkt at de blir ubrukbare. Under like betingelser, når anti-ekstruderingsringene er oppbygget av metall, kan de hurtig skade tetningsoverflaten av de indre og ytre svivelforbind-elsesringer som en følge av deres relative eksentrisitet. Videre kan eksentrisiteten som kan påstøtes mellom de indre

og ytre ringer bevirke at de ikke-ensartede radielle belast-ninger på tetningen kan ufordelaktig påvirke tetningstrykk-integriteten, og til å fremskaffe ujevn tetningsslitasje som tenderer til å resultere i for tidlig tetningsfeil.

Følgelig er det et mål med den foreliggende oppfinnelse å dempe eller overkomme ulempene erfart med tidligere kjente avtettede fluidsvivelforbindelser.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt et avtettet fluidsvivelstykke av den innledningsvis nevnte art, som spesielt kjennetegnes av de trekk som fremgår av karakter-istikken i det etterfølgende selvstendige krav. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige krav.

I de vedlagte tegninger er

fig. 1 et snitt sett fra siden av en kjent type fluidsvivelforbindelse med en radiell type tetningskonstruksjon, og

fig. 2 er en snittskisse i en forstørret målestokk gjennom

en radiell type fluidforbindelsestetning i samsvar med et eksempel av den foreliggende oppfinnelse.

Idet det vises til fig. 1, er det vist en kjent type av en fluidsvivelforbindelse eller svi veistykke 10 for en lasteterminal for tankere til havs, som har radielle fluidtetninger i seg. Et flertall av ikke-dreibare fluidpassasjer 12, av forskjellig diameter for-løper vertikalt i svivelforbindelsen til en av ti forskjellige nivåer deri. Vanligvis frakter disse passasjer gass, olje,

vann, luft eller andre fluider enten opptil eller ned fra svivelforbindelsem 10, ved trykk opptil 41.370 kPa. Det øverste nivå av fluidsvivelforbindelsen danner eksempel for de andre nivåer, og innbefatter en relativ stasjonær, indre forbindelsesring 14 og en dreibar ytre forbindelsesring 16. De indre og ytre forbindelsesringer 14 og 16 definerer derimellom en ringformet fluidmanifold 18. En av fluidpassasjene 12 er for-bundet ved en kopling. 19 gjennom den indre vegg av ringen 14

til den ringformede fluidmanifold 18, og likeledes en kopling 20 (vist for noen av de nedre nivåer av fluidsviveiforbindelsen) fører fra den ytre vegg av den ytre forbindelsesring 16. Arr-angementet er slik at en fluidpassasje etableres fra koplingen 20 gjennom fluidmanifolden 18, til en av de vertikale fluidpass-as jer 12, samtidig som den også tillater dreining av koplingen 20 og den ytre forbindelsesring 16 relativt til den stasjonære, indre forbindelsesring 14 og fluidpassasjen eller røret 12.

Den indre og ytre forbindelsesring 14 og 16 har en felles konsentrisk lengdeakse 21, og dreining av den ytre ring 16 finner også sted omkring denne felles akse.

Den indre og ytre forbindelsesring 14 og 16 definerer øvre og nedre små ringformede klaringsåpninger 22 derimellom for å tillate for den relative dreiebevegelse. Fig. 1 viser en radiell type av en svivelforbindelsestetning i hvilken klaringsåpning-

en 22 former en i hovedsak sylindrisk form. Et flertall av ringformede tetninger 24 er anordnet i klaringsåpningen 22 for å tette fluidmanifolden, samtidig som de relative dreiebevegelser tillates.

Fluidsviveiforbindelser kjent i faget kan også bruke en andre type av fluidsvivelforbindelse med en flåtetype tetnings-konstruks jon , hvilken konstruksjon er vist generelt med stip-lede linjer på høyre side i det nest høyeste nivå av fluidsvivelforbindelsen vist i fig. 1. I denne type tetning avgrenses hver fluidmanifold av den øvre forbindelsesring og den nedre forbindelsesring, og klaringsåpningen 26 derimellom er en radielt flattformet åpning som forløper symmetrisk rundt den felles sentrale lengdeakse 21. I en fluidsvivelforbindelse med en flåtetype tetning, er den øvre og nedre forbindelsesring likt konstruert som separate integrerte deler som er dreibare relativt til hverandre. Et flertall av ringformede tetninger 28 er forsynt i den radielt flate åpning 26, og disse tetninger fungerer likt med de ringformede tetninger 24 som beskrevet tidligere.

Kjente tetninger av typen vist i fig. 1 virker vanligvis tilfredsstillende i fluidsvivelforbindelser med radielle tetninger så lenge som den indre og ytre forbindelsesring forblir konsentrisk. Imidlertid en hver eksentrisitet av den indre og ytre forbindelsesring i forhold til hverandre resulterer ofte i at antiekstruderingsringer av plast blir frakturert eller deformert til det punkt at de blir ubrukbare. Antiekstruderingsringer av metall på den annen side kan hurtig skade tetnings-overflatene av den indre og ytre ring hvis ringene blir eksentriske. Videre resulterer ofte eksentrisiteten i ikke-ensartet radiell belastning av tetningen, hvilket kan ufordelaktig påvirke integriteten av tetningen eller bevirke ujevn tetningsslitasje, hvilket resulterer i for tidlig tetningsfeil.

Idet det vises til fig. 2, er svivelforbindelsen vist deri konstruert for å kompensere for mulig eksentrisitet i de ytre forbindelsesringer 30, 32 og for å forhindre uønsket ekstrudering av tetningen inn i den radielleklaringsåpning 34 definert mellom ringene. En tetningsholdering 36 er sikret på plass ved et flertall bolter 38, og en O-ringstetning 40 avtetter de to komponentene relativt hverandre. Tetningsholderingen 3 6 og den ytre ring 32 definerer til sammen et ringformet tetningshusspor 42 inntil klaringsåpningen 34. Den ringformede tetning innbefatter et første ringformet, føyelig tetningselement 44 som har en V-formet utsparing som kommuniserer med åpningen 34 og som er plassert mellom benene av en L-formet antiekstruderingsring 46. Den nedre overflate av antiekstruderingsringen 4 6 definerer et ringformet spor 48 for å romme en 0-ring 50, for å skape én tetning mellom antiekstruderingsringen 46 og tetningsholderingen.. 36. Antiekstruderingsringen 46 er fritt-flytende og er til å begynne med forskjøvet fra den indre forbindelsesring 30 med en relativt liten tetningsekstruderings-åpning.

I drift overføres det indre trykk gjennom klaringsåpningen 34 og over den radielle tetning 44 og antiekstruderingsringen 46

til den ytre side av antiekstruderingsringen, slik at trykkdifferansen tvers over tetningen, presser antiekstruderingsringen mot den ytre diameter av tetningselementet 44, og mot den ytre overflate av den indre ring 30. Videre er en klaring anordnet mellom ytterflaten av antiekstruderingsringen 46 og den indre flate av tetningshussporet 42 hvilket tillater for begrensede, eksentriske horisontalbevegelser av den ytre ring 32. relativt til den indre ring 30 uten ufordelaktig å påvirke den radielle belastning på tetningselementet 44.

Det indre trykk som virker på den ytre flate av antiekstruderingsringen 4 6 trykker den siste innad mot den indre forbindelsesring 30, og derved reduserer tetningsekstruderingsåpningen. Som et resultat vil et økende trykk redusere tetningsekstruderingsåpningen og derved forhindre et hvert problem med tetning sekst ruderingj..

Et oljeinnføringssystem, som opererer under et lavt trykk, an-vendes for å avkjøle tetningen og å fjerne tetningsslitasje-avsetninger fra tetningens leppeområde, og opererer som følger: Olje innføres til tetningsstrukturen gjennom innløpspassasjen 62 i den indre forbindelsesring 30, strømmer inn i og sirkulerer i ringformede spor 56 i tetningselementet 44, strømmer nedad gjennom forsenkninger eller spor 58 i tetningselementet og antiekstruderingsringen 56, og entrer det ringformede rom

60 mellom holderingen 36 og den indre forbindelsesring 30 etter dannelsen av en oljefilm på grenseflaten mellom antiekstruderingsringen 56 og den indre forbindelsesring 30. Et tetningselement 54 i rommet 60 forhindrer lekkasje av olje til atmosfæren, og tvinger sirkulasjon av olje gjennom en oljeutløpspassasje 64 i den indre forbindelsesring 30. Varmen som genereres ved friksjonen av tetningselementet 44 og antiekstruderingsringen 46 mot overflaten av den indre forbindelsesring 30 overføres til den innsprøytede sirkulerende olje. Etter å ha forlatt ut-løpspassasjen 64, kan oljen bli filtrert og avkjølt før den blir resirkulert gjennom tetningsarrangementet ved hjelp av en egnet sirkulasjonspumpe (ikke vist).

Således tjener oljeinnf©ringssystemet primært den hensikt

å fjerne varme og tetningens slitasjeavsetninger, skjønt skaper også en mindre grad av smøring til grenseflatekomponentene.

Claims (5)

1. Avtettet fluidsvivelstykke, innbefattende første og andre tilstøtende forbindelsesringer (30,32) som er dreibare relativt hverandre om en felles, sentral lengdeakse (21) og som definerer en ringformet klaringsåpning (34) mellom seg for å tillate nevnte relative dreiebevegelse mellom de første og andre forbindelsesringer (30,32), et ringformet tet-ningshus-spor (42) tildannet i den første forbindelsesring (32) og som kommuniserer med klaringsåpningen (34), en ringformet tetning plassert i det ringformede tetningshusspor (42) for å gi en tetning mellom den første og andre forbindelsesring, hvilken ringformede tetning omfatter et ringformet, føyelig tetningselement (44), og en stiv, ringformet antiekstruderingsring (46) for å forhindre det føyelige tetningselement (44) fra å bli deformert inn i klaringsåpningen (34) av en trykkforskjell i fluidet som foreligger over den ringformede tetning, hvilken fluidtrykk-forskjell spenner det ringformede tetningselement (44) mot en tilstøtende tetningsflate på den andre forbindelsesring (30) for å skape en effektiv fluidtetning mellom disse, karakterisert ved at den innbefatter en oljeinn-føringsinnretning som tilveiebringer en sirkulerende oljestrøm mellom det ringformede tetningselement (44) og den tilstøtende tetningsflate på den andre forbindelsesring (30) for slik å fjerne generert varme og tetningens slitasjeavsetninger fra grenseflaten mellom tetningselementet og den andre forbindelsesring.

2. Avtettet f luidsvivelstykke ifølge krav 1, karakterisert ved at klaringsåpningen (34) er avgrenset mellom overflatene av de første og andre forbindelsesringer (30,32) avstandsplassert i en retning vinkelrett til aksen for dreiebevegelsen.

3. Avtettet fluidsvlvelforbindelse ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at trykkforskjellen som foreligger over den ringformede tetning presser antiekstruderingsringen (46) mot det ringformede tetningselement (44) for å bevirke at det sistnevnte ligger an mot tetningsflaten på den andre forbindelsesring.

4. Avtettet fluidsvivelstykke ifølge et eller flere av de foranstående krav, karakterisert ved at det innbefatter et ringformet spor (56) tildannet i overflaten av det ringformede tetningselement (44) som kontakter den hosliggende tetningsflate på den andre forbindelsesring (30); omkretsmessig avstandsplasserte forsenkninger tildannet i det ringformede tetningselement (44) og antiekstruderingsringen (46) som kommuniserer med det ringformede spor (56); en oljeinnløpspassasje (62) i den andre forbindelsesring (30) som kommuniserer med det ringformede spor, og oljeutløpspas-sasjer (64) i den andre forbindelsesring som kommuniserer med forsenkningene og avstandsplassert fra det ringformede spor for å tillate sirkulerende oljestrømning gjennom passasjene, det ringformede spor og forsenkningene.

5. Avtettet fluidsvivelstykke ifølge krav 4, karakterisert ved at det innbefatter et andre, ringformet tetningselement (54) mellom de første og andre forbindelsesringer i nærheten av utslippsenden av de oljesirkulerende forsenkninger i antiekstruderingsringen (46) for slik å forhindre lekkasje av olje til atmosfæren.