NO177779B

NO177779B - Tetningsanordning for en svivel

Info

Publication number: NO177779B
Application number: NO932461A
Authority: NO
Inventors: Martin Sigmundstad
Original assignee: Statoil As
Priority date: 1993-07-06
Filing date: 1993-07-06
Publication date: 1995-08-14
Also published as: NO177779C; EP0710341B1; GB9526618D0; GB2294991B; FI960061A0; DE69423493T2; EP0710341A1; JP3571045B2; JPH08512390A; KR100325653B1; FI109933B; CA2166393A1; CA2166393C; PL312433A1; US6390478B1; AU685478B2; DE69423493D1; GB2294991A; GB2294991A8; NO932461L

Abstract

En tetningsanordning for en svivel (1) som omfatter Indre og ytre, innbyrdes dreibare sviveldeler (2, 3), hvor sviveldelene har respektive, indre fluidumbaner som står i forbindelse med hverandre via ett eller flere tilhrende ringrom (7) i grenseflaten mellom sviveldelene. En første (3) av sviveldelene er på hver side av ringrommet (7) forsynt med et periferisk spor (16) som opptar et radialt forskyvbart ringelement (17) som er forsynt med tetningsanordninger (18, 19) som er innrettet for statisk tetning mot den andre sviveldel (2) og for dynamisk tetning mellom ringelementet (17) og det periferiske spors (16) sidevegger, slik at den første svi veldel (3) bortsett fra ringelementene (17) er roterbar i forhold til den andre svi veldel (2).'

Description

Oppfinnelsen angår en tetningsanordning for en svivel som omfatter indre og ytre, innbyrdes dreibare sviveldeler, hvor sviveldelene har respektive indre f luidumbaner som står i forbindelse med hverandre via ett eller flere tilhørende ringrom i grenseflaten mellom sviveldelene, og hvor en første av sviveldelene på hver side av ringrommet eller ringrommene er forsynt med et periferisk spor som opptar et radialt bevegelig ringelement som er forsynt med tetningsanordninger for tetning mellom ringrommene.

En svivelanordning av ovennevnte type er kjent fra GB 1 163 505. Denne svivelanordning omfatter en "flytende" eller radialt forskyvbar ring som er anbrakt i et ringspor eller ringformet hulrom mellom en indre og en ytre sviveldel, og som er avtettet mot sviveldelene ved hjelp av pakninger.

Videre viser EP 0 144 110 en tetnings- eller svivelanordning hvor det i et ringspor på hver side av et ringrom som skal avtettes, er anbrakt to tetningsringer, idet sporet har større bredde enn tetningsringene og det til mellomrommet mellom tetningsringene tilføres et trykkfluidum med et trykk som er høyere enn trykket av det medium som det skal tettes mot.

EP 0 154 395 viser en svivelkonstruksjon hvor det i et ringspor på hver side av et ringrom som skal avtettes, er anbrakt en klaringskontrollring med tilhørende tetningselementer, og hvor det dessuten er anordnet kanaler for tilførsel til ringsporet av smøreolje med et trykk som er større enn produkttrykket, og som sørger for rensing av tetningsflåtene for forurensninger.

Mange forskjellige utførelser av svivelkonstruksjoner er i bruk innen industrien. Innen offshore-industrien benyttes eksempelvis svivelanordninger for å tillate overføring av hydrokarboner (olje og gass) eller annet prosessfluidum gjennom koplingsdeler som roterer eller skal være roterbare i forhold til hverandre, f.eks. mellom et marint stigerør som er koplet til en flytende lastebøye, og et rørsystem på et tankfartøy som er koplet til bøyen og skal være dreibart om bøyen under påvirkning av vind, bølger og vannstrømmer.

På forskjellige anvendelsesområder kan det være aktuelt å benytte svivelanordninger som er konstruert slik at de indre og ytre sviveldeler på enkel måte kan frakoples fra hverandre, og hvor en sviveldel senere kan sammenkoples med en samvirkende sviveldel i en annen svivelanordning av den aktuelle type, for å danne en operativ svivelenhet. Det vil her være av vesentlig betydning at sviveldelene kan frakoples fra eller tilkoples til hverandre på enkel, rask og sikker måte, samtidig som det oppnås en effektiv og sikker tetning mellom sviveldelene.

Det er således et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en tetningsanordning for en svivel av den aktuelle type som muliggjør en rask og sikker sammenkopling av sviveldelene på tross av forholdsvis store toleranseawik eller senterforskyvninger mellom sviveldelene, og med minimal risiko for å skade sviveldelene, samtidig som det oppnås en effektiv og sikker tetning mellom sviveldelenes ringrom.

Et ytterligere formål er å tilveiebringe en tetningsanordning som gir mulighet for enkel overvåkning av tetningsanordningene, idet det benyttes en barrierevæske med høyere trykk enn omgivelsestrykket.

For oppnåelse av ovennevnte formål er det tilveiebrakt en tetningsanordning for en svivel av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at tetningsanordningene er innrettet for henholdsvis statisk tetning mot den andre sviveldel og for dynamisk tetning mellom ringelementet og det periferiske spors sidevegger, slik at den første sviveldel er roterbar i forhold til den andre sviveldel og ringelementene, idet tetningsanordningene er innrettet til å opereres hydraulisk ved hjelp av en barrierevæske som har høyere trykk enn det fluidum som det skal tettes mot, idet den første sviveldel er forsynt med en tilførselskanal for barrierevæsken.

Ved anordningen ifølge oppfinnelsen oppnås en enkel og rask sammenkopling henholdsvis fråkopling av sviveldelene og samtidig en effektiv og sikker tetning mellom ringrommene. Ved at tetningsanordningene opereres hydraulisk ved hjelp av en barrierevæske med høyere trykk enn omgivelsestrykket, oppnås en kontrollert lekkasjevei i retning fra barrierevæsken til det aktuelle prosessfluidum, dvs. fra rent til "skittens" medium. Barrierevæsken kan hensiktsmessig være en hydraulisk olje som da samtidig har smørende virkning, og tetningsflåtene kan beskyttes ved å la meget små mengder av ren barrierevæske lekke ut i "prosessen" . Ved å kontrollere volumet av barrierevæske over tid, vil man få et tidlig varsel om en eventuell lekkasje eller andre

endringer i systemet.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med utførelseseksempler under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et aksialt gjennomskåret riss av en svivelinnretning som er forsynt med en tetningsanordning ifølge oppfinnelsen, og hvor sviveldelene er vist i sammenkoplet tilstand, fig. 2 viser et tilsvarende snittriss som fig. 1, men med sviveldelene i innbyrdes frakoplet tilstand, fig. 3 viser et forstørret tverrsnittsriss av en utførelse av de statiske og dynamiske tetningsanordninger ifølge oppfinnelsen, og fig. 4 viser et forstørret tverrsnittsriss av en annen utførelse av de statiske og dynamiske tetningsanordninger ifølge oppfinnelsen.

Den på fig. 1 og 2 viste svivelinnretning er spesielt beregnet for anvendelse på et fartøy for offshore-produksjon av hydrokarboner, hvor fartøyet har et neddykket, nedad åpent opptaksrom for opptakelse av en neddykket bøye som er forankret til havbunnen og er forbundet med et antall stigerør som strekker seg mellom bøyen og en produksjonsbrønn på havbunnen. Svivelinnretningen sørger her for sammenkopling mellom stigerørene og et rørsystem på fartøyet, idet koplingen samtidig tillater dreining av fartøyet om bøyen under påvirkning av vind, bølger og vannstrømmer, slik som innledningsvis omtalt. Selv om oppfinnelsen i det følgende vil bli beskrevet i tilknytning til dette anvendelsesområde, vil man innse at oppfinnelsen også kan komme til anvendelse på svivelinnretninger av liknende type på forskjellige andre anvendelsesområder.

Den på fig. 1-2 viste svivelinnretning 1 består av en ytre sviveldel eller hunndel 2 og en indre sviveldel eller hanndel 3 som kan nedsenkes i eller oppløftes fra hunndelen 2. Hunndelen 2 er i dette tilfelle beregnet for permanent montering på senterdelen av en neddykket bøye (ikke vist), mens hanndelen 3 er vist å være glidbart montert i en føringshylse 4 som er passende understøttet på det aktuelle fartøy og som danner fluidumforbindelse mellom svivelinnretningen og et rørsystem (ikke vist) på fartøyet. Arrangementet i forbindelse med bøyen og i forbindelse med manipulering av hanndelen og tilkopling til fartøyets rørsystem utgjør ikke noen del av den foreliggende oppfinnelse, og vil derfor ikke bli nærmere beskrevet. For nærmere beskrivelse av et slikt system henvises til den samtidig innleverte patentsøknad nr. 932460. Det skal her bare nevnes at føringshylsen 4 som vist understøtter et hus 5 som er beregnet for opptakelse av en øvre del av hanndelen 3 når denne er i den oppløftede stilling (fig. 2). Huset 5 understøtter en manøveran-ordning 6 for heving og senking av hanndelen 3. Manøveranordnin-gen 6 er hensiktsmessig en hydraulisk aktuator, f.eks. en sylinder/stempelanordning slik som vist.

I sammenkoplet tilstand danner sviveldelene 2, 3 på konvensjonell måte felles ringrom som kommuniserer med tilhørende fluidumbaner i sviveldelene. Antallet av ringrom og fluidumbaner er avhengig av behovet i det aktuelle tilfelle. I det viste eksempel er det anordnet tre ringrom 7, 8, 9 som kommuniserer med hver sin av tre fluidumbaner 10, 11, 12 i hunndelen 2, og med hver sin av tre fluidumbaner 13, 14, 15 i hanndelen 3. I det viste tilfelle er ringrommene dannet av periferiske ringkanaler som er dannet i hunndelen 2, men de kan alternativt være dannet i hanndelen 3, eller også i begge deler, f.eks. for å danne ringrom med stort sett sirkulært tverrsnitt.

I den viste utførelse er hanndelen 3 på hver side av hvert av ringrommene forsynt med et periferisk ringspor 16 som opptar et radialt bevegelig ringelement 17. Alternativt kan ringsporene og ringelementene være plassert i hunndelen. Ringelementet 17 er forsynt med tetningsanordninger 18, 19 som er innrettet for hhv. statisk tetning mot hunndelen og for dynamisk tetning mellom ringelementet 17 og sideveggene av det periferiske ringspor 16. Disse tetningsanordninger kan aktiveres for under drift å danne tetning mellom ringrommene, og kan avlastes i tilfelle av innbyrdes fråkopling av sviveldelene 2, 3. Tetningsanordningene er hensiktsmessig innrettet til å opereres hydraulisk ved hjelp av en barrierevæske som har høyere trykk enn omgivelsestrykket, dvs. trykket av det fluidum som det skal tettes mot. Barrierevæsken tilføres via en passende tilførselskanal 20 som er anordnet i den sviveldel som er forsynt med ringsporene 16, dvs. i det viste tilfelle hanndelen 3. Slik som tydeligere vist på fig. 3, munner tilførselskanalen 20 for barrierevæske ut i et buffervolum som er begrenset av ringsporets 16 bunnområde og det tilhørende ringelement 17, og som står i forbindelse med ringelementets tetningsanordninger 18, 19. Når tetningsanordningene er aktivert, er altså hanndelen 3 bortsett fra ringelementene 17 roterbar i forhold til hunndelen 2. Tetningsanordningenes konstruksjon og virkemåte skal beskrives nærmere under henvisning til fig. 3.

Slik det fremgår av fig. 1 og 2, har ringelementene 17 større ytterdiameter enn resten av den indre sviveldel 3, idet ringelementenes ytterdiameter i hovedsaken svarer til den ytre sviveldels 2 innerdiameter. Ved hjelp av denne ring-elementkonstruksjon oppnås at ringelementene 17 sentrerer seg inne i hunndelen innenfor forholdsvis store toleranser, f.eks. ± 12 mm. Dette er mulig da ringelementene kan flyte fritt i radial retning og således absorbere eventuelle senterawik eller senterforskyvninger mellom hunndelen og hanndelen.

Som ovenfor nevnt, er hanndelen 3 glidbart montert i føringshylsen 4. Føringshylsen er festet til en kanalanordning 21 i form av tre rør 22, 23, 24 som på ikke nærmere vist måte er forbundet med det nevnte rørsystem på fartøyet. Hanndelen omfatter en nedre innstikksdel 25 og en toppdel 26, og toppdelen er beliggende i føringshylsen 4 når innstikksdelen er innført i hunndelen 2, slik det fremgår av fig. 1. I denne stilling avgrenser føringshylsen 4 og toppdelen 26 tre felles ringrom 27, 28, 29 som kommuniserer med respektive av hanndelens 3 fluidumbaner 13, 14, 15 og med de nevnte rør 22, 23, 24, idet førings-hylsen 4 har gjennomgående hull mellom ringrommene og de tilhørende rør. Mellom ringrommene er toppdelen 26 forsynt med hydraulisk påvirkede, statiske tetningsanordninger 30 som svarer til tetningsanordningene 18 og som aktiveres av barrierevæsken via tilførselskanalen 20.

En utførelse av de statiske og dynamiske ' tetningsanordninger er nærmere vist på fig. 3. Figuren viser et utsnitt av hunndelen 2 og hanndelens 3 innstikksdel 25 med delene i sammenkoplet stilling og vist i lengdesnitt gjennom svivelinnretningens akse, slik som på fig. 1.

Den statiske tetningsanordning 18 består av to U-formede leppetetninger 35 som er anbrakt i et periferisk spor 36 i ringelementet 17 som også kan benevnes som statisk tetningshus. Ringelementet består av to stålringer som er sammensatt og festet til hverandre slik som vist på figuren, slik at tetningselementene kan anbringes i sporet 36 før stålringene monteres til hverandre. De U-formede leppetetninger består av et passende, elastomert materiale og har aksialt rettede ben 37, hvor det ytre ben under påvirkning av barrierevæsken presses utover til friksjonsmessig låsende inngrep med den motstående tetningsflate av hunndelen 2. Barrierevæsken tilføres som nevnt via tilførselskanalen 20 og buffervolumet i bunnen av ringsporet 16, idet ringelementet 17 er forsynt med passende åpninger for dette formål.

Hvert av de elastomere tetningselementer 35 er forsynt med en innstøpt støttering 41 (antydet stiplet), for å hindre ekstrusjon av tetningselementmateriale mellom innbyrdes tilstøtende tetningsflater, under trykkpåvirkning fra barrierevæsken.

Den dynamiske tetningsanordning 19 består også av to elastomere, U-formede leppetetninger 38, men disse tetningselementer er anbrakt i separate ringspor 39 i det periferiske ringspors 16 sidevegger, idet de skal danne tetning mellom ringelementet 17 og det tilstøtende parti av hanndelen 3 ved dreining av denne i hunndelen 2. De U-formede tetningselementer 38 har radialt rettede ben 40 som under påvirkning av barrierevæsken presses til dynamisk tetning mot hhv. ringelementet

17 og ringsporene 39.

Tetningselementene 38 vil også være forsynt med liknende støtteringer (ikke vist) som omtalt for tetningselementene 35, for å hindre ekstrusjon av tetningsmateriale.

Når hanndelen og hunndelen er i sammenkoplet stilling, har som nevnt ringelementene 17 sentrert seg inne i hunndelen, idet de er fritt bevegelige i radial retning. Barrierevæsken (f.eks. hydraulisk olje eller vann) er satt under trykk, og barrierevæsketrykket tvinger de statiske tetningselementer 35 til å ekspandere mot hunndelens tetningsflate og låser ringelementene eller tetningshusene i sin stilling. Når det gjelder den dynamiske tetning, leder en liten spalte mellom ringelementets 17 og ringsporets 16 tetningsflater barrierevæsken frem til tetningselementet 38. Trykkforskjellen mellom barrierevæsken og prosessfluidumet bringer tetningselementet i fast kontakt med ringelementets tetningsflate.

Når tetningsanordningene 18 og 19 er aktivert, låser altså de statiske tetningselementer 35 ringelementene 17 friksjonsmessig til hunndelen 2, mens ringelementenes 17 og ringsporenes 16 tilstøtende sidevegger danner innbyrdes bevegelige glideflater som er avtettet ved hjelp av de dynamiske tetningselementer 38. For tetningsfunksjonen til den statiske tetning er det av avgjørende betydning at det oppnås et solid og kraftig friksjonsfeste mellom tetningselementet og hunndelens tetningsflate. Bevegelse mellom tetningselementet og hunndelen vil forårsake lekkasje på grunn av de store trykkforskjeller over tetningen. Trykket og f riksjonskoef fisienten vil være avgjørende, og som tetningsmateriale vil man velge et elastomermateriale som gir størst mulig friksjon. For den dynamiske tetning vil man derimot velge et elastomermateriale som gir lav friksjon mellom glideflatene, for å oppnå god tetning med lav friksjon.

Når hanndelen og hunndelen skal frakoples fra hverandre, avlastes barrierefluidumtrykket, slik at ringelementene 17 ikke lenger er låst i sin stilling. Hanndelen kan nå trekkes ut av hunndelen. Selv om tetningselementene under denne operasjon er avlastet, er de fremdeles i kontakt med sine tetningsflater.

En alternativ utførelse av en ringelement- og tet-ningsmontasje er vist på fig. 4. På figuren er mellomroms-avstander og klaringer mellom enkelte elementer for tydelighetens skyld vist sterkt overdrevet. På tilsvarende måte som på fig. 3 er det vist et utsnitt av en hunndel 45 og innstikksdelen av en hanndel 46 med delene i sammenkoplet stilling, og vist i lengdesnitt gjennom svivelinnretningens akse. I denne utførelse er et radialt bevegelig ringelement 47 anordnet i et periferisk ringspor 48 i hanndelen 46. I ringelementet er det anbrakt en statisk tetningsanordning i form av et U-formet leppetet-ningselement 49 med lepper som er rettet mot hunndelens 45 tilgrensende tetningsflate. Barrierevæske tilføres via en kanal 50 til et buffervolum i bunnen av ringsporet 48. Når barrierevæsken trykksettes, presses tetningsleppene utover til friksjonsmessig låsende inngrep med den motstående tetningsflate av hunndelen.

Den dynamiske tetningsanordning består her av to tetningselementer 51 som er tettende anbrakt i respektive ringspor 52 på hver side av ringelementet 47, i tettende inngrep med en tilstøtende tetningsf late av ringelementet. Hvert ringspor 52 er som vist forbundet med tilf ørselskanalen 50 for barrierevæske. I ringsporets bunnparti er det også anbrakt en trykkfjær 53 som virker på tetningselementet i tillegg til trykket fra barrierevæsken. Hvert tetningselement 51 er videre påvirket og fastholdt av en i ringsporet anbrakt O-ring 54.

Slik det vil innses av en fagmann, vil det i tet-ningsflaten mellom tetningselementene 51 og den tilstøtende anleggs- eller seteflate av ringelementet 47 innstille seg en kraftbalanse mellom de "lukkende" krefter representert ved kraften fra fjæren 53 og den hydrauliske kraft som skyldes barrierevæsketrykket, og de "åpnende" krefter representert ved den hydrauliske kraft som skyldes prosessfluidumtrykket og barrierevæsketrykket. Ved passende utforming av tetningselementet 51 med hensyn til valg av diameter av tetningselementets anleggsflate mot ringelementet 47, og ved passende valg av 0-ringdiameter og fjærtrykk, kan man påvirke den ubalanserte kraft med hvilken tetningselementet 51 presses mot anleggsflaten, og derved oppnå ønsket flatetrykk i den dynamiske tetningsflate. Således kan optimal dynamisk tetningsfunksjon oppnås.

Slik det vil innses, er virkemåten og de funksjonsmes-sige egenskaper ved utførelsen på fig. 4 for øvrig i hovedsaken de samme som for den foran beskrevne utførelse, og det henvises derfor i denne henseende til den foregående beskrivelse.

Claims

1. Tetningsanordning for en svivel (1) som omfatter indre og ytre, innbyrdes dreibare sviveldeler (2, 3; 45, 46), hvor sviveldelene har respektive indre fluidumbaner (10-12 hhv. 13-15) som står i forbindelse med hverandre via ett eller flere tilhørende ringrom (7-9) i grenseflaten mellom sviveldelene, og hvor en første (3; 46) av sviveldelene på hver side av ringrommet eller ringrommene (7-9) er forsynt med et periferisk spor (16;

48) som opptar et radialt bevegelig ringelement (17; 47) som er forsynt med tetningsanordninger (18, 19; 49, 51) for tetning mellom ringrommene (7-9), KARAKTERISERT VED at tetningsanordningene er innrettet for henholdsvis statisk tetning mot den andre sviveldel (2; 45) og for dynamisk tetning mellom ringelementet (17; 47) og det periferiske spors (16; 48) sidevegger, slik at den første sviveldel (3; 46) er roterbar i forhold til den andre sviveldel (2; 45) og ringelementene (17; 47), idet tetningsanordningene (18, 19; 49, 51) er innrettet til å opereres hydraulisk ved hjelp av en barrierevæske som har høyere trykk enn det fluidum som det skal tettes mot, idet den første sviveldel (3;

46) er forsynt med en tilførselskanal (20; 50) for barrierevæsken .

2. Anordning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at tilførselskanalen (20; 50) i forbindelse med hvert periferisk spor (16;

48) i den første sviveldel (3; 46) munner ut i et buffervolum som er begrenset av det periferiske spors (16; 48) bunnområde og vedkommende ringelement (17; 47), og som står i forbindelse med ringelementets tetningsanordninger (18, 19; 49, 51).

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, hvor den første sviveldel (3; 46) er den indre sviveldel, KARAKTERISERT VED at ringelementene (17; 47) har større ytterdiameter enn resten av den første sviveldel (3; 46), idet ringelementenes ytterdiameter i hovedsaken svarer til den ytre sviveldels (2; 45) innerdiameter.

4. Anordning ifølge ett av kravene 1-3, KARAKTERISERT VED at den statiske tetningsanordning (18) består av en U-formet leppetetning (35) med ben (37) som er rettet aksialt langs svivelen (1), hvor det ytre ben under påvirkning av barrierevæsken presses til friksjonsmessig låsende inngrep med den andre sviveldel (2).

5. Anordning ifølge ett av kravene 1-4, KARAKTERISERT VED at den dynamiske tetningsanordning (19) består av to elastomere, U-formede leppetetninger (38) som er anbrakt i respektive ringspor (39) i den første sviveldel (3) på hver side av ringelementet (17), og som har radialt rettede ben (40) som under påvirkning av barrierevæsken presses til dynamisk tetning mot hhv. ringelementet (17) og ringsporet (39).

6. Anordning ifølge ett av kravene 1-4, KARAKTERISERT VED at den dynamiske tetningsanordning består av to tetningselementer (51) som er tettende anbrakt i ringspor (52) i den første sviveldel (46) på hver side av ringelementet (47), idet ringsporets (52) bunnparti er forbundet med tilførselskanalen (50) for barrierevæske, og det i ringsporets (52) bunnparti videre er anbrakt en mekanisk fjær (53) som påvirker tetningselementet (51) i tillegg til trykket fra barrierevæsken.

7. Anordning ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED at tetningselementet (51) er påvirket og fastholdt av en i ringsporet (52) anbrakt O-ring (54), og at kraften fra fjæren (53), 0-ringens (54) diameter og diameteren av tetningselementets (51) anleggsflate mot ringelementet (47) er innbyrdes tilpasset slik at det oppnås en ønsket størrelse av den ubalanserte kraft med hvilken tetningselementet (51) presses mot anleggsflaten.

8. Anordning ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at ringrommet eller hvert ringrom (16) er avgrenset av en ringkanal (7 hhv. 8 hhv. 9) i den andre sviveldel (2), av de på siden beliggende ringelementer (17) i den første sviveldel (3), og av den første sviveldels (3) overflateparti mellom de nevnte ringelementer (17).