NO313058B1 - Svivelinnretning - Google Patents

Abstract

En svivelinnretning for overføring av minst ett prosessfluid under trykk, omfattende en sentral stamme (2) på hvilken det er anbrakt et antall ringelementer (3-6) som omfatter minst én utløpsring (3) med et antall utløp (10) som via et ringrom (14) står i forbindelse med et tilhørende løp (12 hhv. 13) i stammen (2), og et antall støtteringer (5, 6) som er stasjonært anordnet på stammen (2). Mellom stammen (2) og ut-løpsringen (3) er det anordnet en i forhold til stammen stasjonær distansering (4), og på hver side av utløpsrin-gen er det anordnet en i forhold til stammen (2) stasjonær støttering (5 hhv.6) som er aksialt understøttet både av distanseringen (4) og et på radial avstand fra denne anordnet aksiallager (17) mellom støtteringen (5 hhv. 6) og utløpsringen (3). En dynamisk tetningsanordning (21) mellom utløpsringen (3) og hver støttering (5 hhv. 6) er anordnet i det radiale mellomrom mellom distanseringen (4) og vedkommende aksiallager (17).

Description

Oppfinnelsen angår en svivelinnretning for overføring av minst ett prosessfluid under trykk, omfattende en sentral stamme på hvilken det er anbrakt et antall ringelementer som omfatter minst to utløpsringer som hver har et antall utløp som via et tilhørende ringrom står i forbindelse med et tilhørende løp i stammen, og et antall støtteringer av hvilke minst én er stasjonært anordnet på stammen, idet det mellom innbyrdes bevegelige ringelementer er anordnet dynamiske tetningsanordninger for tetning mot ringrommet, og lageranordninger for innbyrdes opplagring av ringelementene.

En svivelinnretning av ovennevnte type er vist og beskrevet i den ikke før-publiserte norske patentsøknad nr. 1998 1379 (patent nr. 306 416). Denne svivelinnretning omfatter et antall ringromelementer som hvert består av en såkalt mellomting og en ytre utløpsring som mellom seg avgrenser et ringrom for fluidoverføring. Mellomringen er stasjonært anordnet på stammen, og på hver side av denne er det anordnet en lagerring som er forsynt med et lager for opplagring i forhold til mellomringen. Videre er det mellom mellomringen og hver lagerring anordnet aksiale, dynamiske tetninger som er integrert i lagerringene. Mellom stammen og mellomringen er det anordnet radiale, statiske tetninger, og radiale, statiske tetninger er også anordnet mellom hver av lagerringene og utløpsringen, for tetning mot fluid fra ringrommet. De sistnevnte statiske tetninger er beliggende på forholdsvis stor avstand fra stammen, på grunn av at mellomringen må ha en radial utstrekning som er tilstrekkelig for å gi plass til både lageranordningen og de nevnte dynamiske tetninger. Lagerringene som de dynamiske tetninger er integrert i, er her innspent eller understøttet bare på ett sted, og deformasjoner i tetningssonene i enkelte feilsituasjoner vil være en begrensende faktor.

Når det gjelder de radiale, statiske tetninger, har det vist seg at deformasjoner og utvidelser på grunn av temperaturgradienter og på grunn av innvendige trykk i området rundt disse tetninger, er en vesentlig faktor som setter operasjonelle begrensninger på svivelen.

Det er et generelt formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en svivelkonstruksjon som gjør det mulig å utvide operasjonsgrensene for svivelen med hensyn til strømningsmengde, trykk og temperatur, og som også innebærer en enklere oppbygning og montering, og dermed reduserte fremstillingskostnader.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en svivelkonstruksjon hvor noen av de tidligere benyttede, kritiske tetninger er fjernet, og hvor ringelementene i området hvor de dynamiske tetninger opererer, er bedre innspent eller understøttet, noe som medfører at tetningene opererer under mer optimale forhold.

Et ytterligere formål er å tilveiebringe en svivelkonstruksjon som er egnet for bygging av flerløpssvivler som har helt uavhengige løp, og som også muliggjør at produksjonen gjennom noen løp i en slik svivel kan opprettholdes under utskiftning eller vedlikehold av de andre svivelløp.

For oppnåelse av ovennevnte formål er det tilveiebrakt en svivelinnretning av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at det mellom stammen og hver utløpsring er anordnet en i forhold til stammen stasjonær distansering, og at det på hver side av hver utløpsring er anordnet en i forhold til stammen stasjonær støttering og shk at hver av utløpsringene har sitt separate sett av støtteringer, der støtteringene hver er understøttet både av den respektive distansering og et på radial avstand fra denne anordnet aksiallager mellom støtteringen og vedkommende utløpsring, idet en dynamisk tetningsanordning mellom den enkelte utløpsring og hver tilstøtende støttering er anordnet i området mellom distanseringen og vedkommende aksiallager.

I en fordelaktig utførelse av svivelinnretningen omfatter distanseringen et antall radiale hull som kommuniserer med et ringromdannende, periferisk spor i stammen, og med et ringspor i den tilstøtende endeflate av utløpsringen. Videre er utløpsringen ved sin ytre ende fortrinnsvis forsynt med to aksialt motsatt rettede ringflenser som grenser til respektive av støtteringene, idet et radiallager er anordnet mellom en indre overflate av hver ringflens og et tilgrensende overflateparti av vedkommende støttering.

Slik det vil innses, er ringelementene rundt de dynamiske tetninger i den foreliggende svivelkonstruksjon opplagret på to steder, nemlig både i distanseringene og aksiallagrene, og dette vil medføre betydelig mindre deformasjoner, noe som er en av de viktigste forutsetninger for å sikre et driftssikkert tetnings- og svivelsystem.

I svivelinnretningen ifølge oppfinnelsen er de enkelte ringelementer endret med hensyn til utforming og funksjon, sammenliknet med den foran beskrevne svivelkonstruksjon. Det angitte lagerarrangement med aksial- og radiallagre sørger for at de relative bevegelser og friksjonsforholdene er kontrollert. På grunn av utformingen av utløpsringene, i tillegg til at det ikke finnes statiske, radiale tetninger i tilknytning til disse, kan utløpsringene dimensjoneres for store strømningsmengder i kombinasjon med høye trykk og høy temperaturgradient.

Som følge av det faktum at bare utløpsringene er roterbare i forhold til senterstammen, mens de øvrige ringelementer er stasjonært anordnet på stammen, vil fmidløpene i den foreliggende svivelkonstruksjon være uavhengige av hverandre. Man kan således operere med uavhengige løp i svivelen, noe som innebærer at man kan benytte seg bare av det antall løp som det til enhver tid er behov for. De ubenyttede løp eller reserveløp kan være trykkavlastet og uten rotasjon under drift av de øvrige løp, slik at man unngår unødvendig slitasje på deler som har begrenset levetid. Dette er en vesentlig fordel i forhold til den tidligere kjente teknikk.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med utførelseseksempler under henvisning til tegningene, der

fig. 1 viser et aksialt snittriss av en svivelinnretning ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 viser et aksialt snittriss av en svivelinnretning som inneholder to innbyrdes uavhengige svivelmontasjer,

fig. 3 og 4 viser to alternative arrangementer av tetningsanordninger, og fig. 5 og 6 viser to alternative arrangementer av lageranordninger.

Den på fig. 1 viste svivelinnretning 1 omfatter en sentral kjerne eller stamme 2 på hvilken det er anbrakt en rekke ringelementer, i det viste tilfelle nærmere bestemt to utløpsringer 3, to distanseringer 4 som hver er beliggende mellom stammen og en tilhørende utløpsring, og fire støtteringer som er anordnet på respektive sider av utløpsringene 3, nærmere bestemt to mellomringer 5 og to enderinger 6 som er tilnærmet identiske. Videre er det på toppen av senterstammen 2 anbrakt en låsemutter 7 og en under mutteren anordnet kompenseirngsenhet 8 for å holde ringelementene forspent mot en nedre holdeflens 9 på senterstammen 2. Kompenseringsenheten sørger for at forspenningen på ringelementene opprettholdes under drift, slik at svivelinnretningens tetninger og lagre opererer under mest mulig optimale forhold. For nærmere beskrivelse av denne enhet henvises det til den forannevnte patentsøknad.

Hver av utløpsringene 3 er forsynt med et antall radiale boringer eller utløp 10 (bare ett er vist) som via en ringromanordning 11 står i forbindelse med et tilhørende løp 12 hhv. 13 i stammen, slik at det er dannet en forbindelse for overføring av prosessfluid (væske eller gass) under trykk fra stammen 2 til et rørarrangement (ikke vist) som i praksis vil være montert på utløpsringene. Slik det fremgår, består ringrom-anordningen 11 av et i senterstammen anordnet, periferisk ringspor 14 som via et antall radiale hull 15 (bare ett er vist) i distanseringen 4 står i forbindelse med et ringspor 16 i den tilstøtende endeflate av utløpsringen 3.

Både distanseringene 4 og støtteringene 5, 6 er stasjonært anordnet på senterstammen 2, mens utløpsringene 3 er bevegelige i forhold til de førstnevnte ringer. Når en slik svivelinnretning benyttes om bord på et flytende fartøy, vil utløpsringene være stasjonære i forhold til skipet og bevege seg i forhold til de øvrige ringer og senterstammen. Slik som innledningsvis omtalt, er fluidløpene i svivelen uavhengige av hverandre, slik at man eventuelt kan benytte seg bare av noen av løpene, mens de øvrige løp er trykkavlastede reserveløp som dermed er ute av drift og ikke er utsatt for slitasje.

Slik det fremgår, er distanseringene 4 radialt korte ringer som tjener til opplagring av de indre ender av de respektive støtteringer 5, 6. I tillegg til denne opplagring eller understøttelse er hver av støtteringene også opplagret ved hjelp av et aksiallager 17 som er anordnet på radial avstand fra distanseringen 4 mellom vedkommende støttering og den tilstøtende utløpsring 3. Som vist, er hver utløpsring 3 ved sin ytre ende forsynt med to aksialt motsatt rettede ringflenser 18 hhv. 19 som grenser til respektive av støtteringene 5, 6, og et radiallager 20 er anordnet mellom en indre overflate av hver ringflens og et tilgrensende overflateparti av vedkommende støttering 5 hhv. 6. Dette arrangement av aksial- og radiallagre sørger for kontroll av bevegelsene og friksjonsforholdene.

Mellom hver utløpsring 3 og de tilstøtende støtteringer 5, 6 er det anordnet en dynamisk tetningsanordning 21 som er beliggende i det radiale mellomrom mellom distanseringen 4 og vedkommende aksiallager 17. Tetningsanordningen 21 er vist å bestå av tre separate tetningselementer som er anbrakt i separate ringspor i utløpsringens 3 øvre og nedre overflater. Tetningselementene kan hensiktsmessig bestå av leppetetninger som på kjent måte er innrettet til å aktiveres enten av prosessfluidet eller av en barrierevæske, fortrinnsvis olje, med et trykk som er høyere enn: prosessfluidtrykket.

På fig. 1 er ledninger eller kanaler 22, 23 for tilførsel av slik barrierevæske antydet i utløpsringene 3. På grunn av at støtteringene 5, 6 er opplagret på to radialt atskilte steder, slik som ovenfor omtalt, oppnås at klaringene i de dynamiske tetningssoner kan kontrolleres meget godt og holdes innenfor snevre toleranser. Det viste arrangement innebærer også at det kan oppnås tilstrekkelig plass for montering av det ønskede antall tetningselementer, uten store radiale dimensjoner av utløps- og støtteringene.

De sideflater av støtteringene 5, 6 som de dynamiske tetningselementer ligger an mot, er belagt med et hardt belegg med henblikk på slitasjebestandighet.

En statisk, radial tetningsanordning 24 er anordnet mellom stammen 2 og den tilgrensende, indre overflate av hver av støtteringene 5, 6. Også denne tetningsanordning kan hensiktsmessig bestå av separate tetningselementer som er innrettet til å aktiveres av en barrierevæske, slik som nevnt i forbindelse med de dynamiske tetninger.

Arrangementet av de dynamiske og statiske tetninger skal beskrives nærmere nedenfor under henvisning til fig. 3 og 4.

Fig. 2 viser en utførelse av en svivelinnretning ifølge oppfinnelsen i form av en flerløpssvivel hvor innretningen omfatter to svivelmontasjer 30, 31 som er anordnet på henholdsvis oversiden og undersiden av den på senterstammen 2 anordnede holdeflens 9 som er beliggende i et midtre område av stammen. Den øvre montasje 30 svarer til svivelutførelsen på fig. 1 og omfatter således to utløpsringer 3 med tilhørende distanseringer 4 og' støtteringer 5, 6, mens den nedre montasje 31 i denne utførelse omfatter en eneste utløpsring 3 med tilhørende distansering 4 og støtteringer i form av to enderinger 6. Ringelementene i den øvre montasje 30 holdes forspent mot holdeflensen 9 ved hjelp av låsemutteren 7 og kompenseringsenheten 8, mens ringelementene i den nedre montasje 31 holdes forspent mot holdeflensen 9 ved hjelp av en nedre låsemutter 32 og en kompenseirngsenhet 33.

Den øvre svivelmontasje inneholder således to fluidløp 12, 13, mens den nedre montasje inneholder bare ett løp 34. Slik som foran omtalt, er fluidløpene uavhengige av hverandre, idet et enkeltløp kan settes ut av drift ved å fjerne en medbringerarm (ikke vist), slik at hele utløpsenheten roterer som en del av stammen 2. Ved at svivelinnretningen er oppdelt i to uavhengige montasjer, kan det eventuelt utføres vedlikehold på svivelmontasjen 30, som er beliggende over holdeflensen eller skulderen 9, mens det produseres fra svivelmontasjen 31 under skulderen.

Eksempler på alternative tetningsarrangementer som kan benyttes i svivelinnretningen ifølge oppfinnelsen, er vist på fig. 3 og 4. Valget av tetningsarrangement vil bli gjort på bakgrunn av aktuelle feltmessige/operasjonsmessige forhold, og i noen tilfeller på bakgrunn av krav eller ønsker fra operatøren.

I det på fig. 3 viste arrangement omfatter den dynamiske tetningsanordning 21 tre separate tetningselementer, nærmere bestemt en primær tetning 38, en sekundær tetning 39 og en ytterligere sekundær tetning eller miljøtetning 40. Også den statiske tetningsanordning 24 omfatter tre separate tetningselementer, nærmere bestemt en primær tetning 41, en sekundær tetning 42 og en ytterligere sekundær tetning eller miljøtetning 43. Slik som antydet, er både de dynamiske og de statiske tetninger barrierevæskeaktivert, idet en barrierevæske (olje) tilføres via kanalene 22 og 23. Det benyttes her to trykknivåer på barrierevæsken, idet kanalen 22 er del av et høytrykkssystem og kanalen 23 er del av et lavtrykkssystem.

Både i den dynamiske og i den statiske tetningsanordning er den primære og den sekundære tetning 38 og 39 henholdsvis 41 og 42 nærmest prosessløpet 12 montert mot hverandre og er aktivert av høytrykkssystemet. Den ytterligere sekundære tetning eller miljøtetningen 40 hhv. 43 er aktivert av lavtrykkssystemet. Som et alternativ kan lavtrykksbarrierekanalen 23, dersom man velger ikke å benytte barrierevæskeaktiverte tetninger, være en trykkavlastet kanal som benyttes for deteksjon av lekkasje fra de andre tetninger. Dersom den primære dynamiske tetning 38 svikter, vil sekundærtetningen 39 bli prosessaktivert. Dersom sekundærtetningen 39 svikter, vil sekundær/miljøtetningen 40 overta funksjonen til tetningen som har sviktet.

Når det gjelder den statiske tetningsanordning, sørger barrierevæskesystemet for å aktivere tetningene initielt, hvilket medfører at tetningene opererer under tilnærmet statiske forhold. Det viste arrangement med tre separate tetningselementer kan benyttes uavhengig av hvordan de dynamiske tetninger er arran-gert.

Fig. 4 viser et tetningsarrangement hvor den statiske tetningsanordning 24 er prosessaktivert mens den dynamiske tetningsanordning 21 er barrierevæskeaktivert.

Den statiske tetningsanordning 24 omfatter en primær tetning 44 og en sekundær tetning 45 som er anordnet i serie mellom stammen 2 og en støttering 5 eller 6 og er aktivert av prosessvæsketrykket. I tillegg er det anordnet en mulighet for å detektere lekkasje over primærtetningen, eller alternativt å foreta en tetningsreparasjon gjennom en boring i støtteringen 5 hhv. 6, slik som antydet ved den stiplede linje 47. En tilsvarende, stiplet linje 46 for det samme formål er vist på fig. 3.

Den dynamiske tetningsanordning 21 omfatter en primær tetning 48, en sekundær tetning 49 og en ytterligere sekundær tetning eller miljøtetning 50. Også i denne utførelse benyttes to trykknivåer på barrierevæsken, men primærtetningen aktiveres her av en barrierevæske som har lavere trykk enn barrierevæsken for aktivering av sekundærtetningene. Således aktiveres primærtetningen med et barriereoljetrykk i en kanal 51 som er satt over det maksimale prosesstrykk, mens de to sekundærtetninger er montert mot hverandre og er aktivert av et barriereorjetrykk i en kanal 52 som ligger ca.

10 bar over barriereoljetrykket i kanalen 51.

Slik det vil være klart, kan det benyttes mange andre alternative tetningsarrangementer. For eksempel kan samtlige tetninger være prosessaktivert, slik at det ikke er noe behov for et barrierevæskesystem med tilhørende kontrollpanel. I den dynamiske tetningsanordning kan primærtetningen da f.eks. endres til en skrapering, og i tillegg kan to dynamiske tetninger (primær og sekundær) være anordnet i serie etter skraperingen. Videre kan de enkelte tetninger være utstyrt med deteksjonskanaler for tilstandskontroll, og disse kanaler kan alternativt benyttes som injeksjonspunkter for tetningsreparasj on.

På tilsvarende måte som for tetningssystemet kan det benyttes alternative lagerløsninger for de foran omtalte aksial- og radiallagre 17 hhv. 20. Således viser fig. 5 og 6 alternative løsninger med glidelagre og rullelagre (antifriksjonslagre). Samtidig viser disse figurer et tetningsarrangement hvor de dynamiske tetninger 38, 39, 40 svarer til utførelsen ifølge fig. 3, mens de statiske tetninger 44, 45 svarer til utførelsen ifølge fig. 4.

Nærmere bestemt viser fig. 5 en utførelse med et radial-glidelager 53 og et aksial-rullelager 54, der rullelageret er plassert utenfor miljøtetningen 50. Smøring av rullelageret skjer fra utsiden gjennom en ikke vist smørenippel.

Liksom fig. 5 viser fig. 6 en kombinasjon med et glidelager 53 og et rullelager 55.1 denne utførelse er imidlertid rullelageret 55 plassert mellom tetninger 49 og 50 som er barriereoljeaktivert. På denne måte unngås ekstern smøring av lageret.

Som et alternativ til fig. 5 og 6 kan det benyttes en ren glidelagerløsning, slik det er antydet i utførelsene på fig. 3 og 4. Dette er den enkleste og mest kostnadsoptimale løsning, men rotasjonsmotstanden øker.

Claims (10)

1. Svivelinnretning for overføring av minst ett prosessfluid under trykk, omfattende en sentral stamme (2) på hvilken det er anordnet et antall ringelementer (3-6) som omfatter minst to utløpsringer (3) som hver har et antall utløp (10) som via et tilhørende ringrom (14) står i forbindelse med et tilhørende løp (12 hhv. 13) i stammen (2), og et antall støtteringer (5, 6) av hvilke minst én er stasjonært anordnet på stammen (2), idet det mellom innbyrdes bevegelige ringelementer (3, 5 hhv. 3, 6) er anordnet dynamiske tetningsanordninger (21) for tetning mot ringrommet (14), og lageranordninger (17) for innbyrdes opplagring av ringelementene, karakterisert ved at det mellom stammen (2) og hver utløpsring (3) er anordnet en i forhold til stammen stasjonær distansering (4), og at det på hver side av hver utløpsring (3) er anordnet en i forhold til stammen (2) stasjonær støttering (5 hhv. 6) og slik at hver av utløpsringene (3) har sitt separate sett av støtteringer (5, 6), der støtteringene hver er understøttet både av den respektive distansering (4) og at på radial avstand fra denne anordnet aksiallager (17) mellom støtteringen (5 hhv. 6) og vedkommende utløpsring (3), idet en dynamisk tetningsanordning (21) mellom den enkelte utløpsring (3), og hver tilstøtende støttering (5 hhv. 6) er anordnet i området mellom distanseringen (4) og vedkommende aksiallager (17).

2. Svivelinnretning ifølge krav 1, karakterisert ved at distanseringen (4) omfatter et antall radiale hull (15) som kommuniserer med et ringromdannende, periferisk spor (14) i stammen (2), og med et ringspor (16) i den tilstøtende endeflate av utløpsringen (3).

3. Svivelinnretning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at utløpsringen (3) ved sin ytre ende er forsynt med to aksialt motsatt rettede ringflenser (18, 19) som grenser til respektive av støtteringene (5, 6), idet et radiallager (20) er anordnet mellom en indre overflate av hver ringflens (18 hhv. 19) og et tilgrensende overflateparti av vedkommende støttering (5 hhv. 6)

4. Svivelinnretning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den omfatter to montasjer (30, 31) som hver består av minst to utløpringer (3) som hver har en tilhørende distansering (4) og støtteringer (5, 6), og som er anordnet på hver sin side av en på stammen (2) anordnet, radialt utragende holdeflens (9), idet det ved hver ende av stammen (2) er anordnet en låsemutter (7 hhv. 32) for å holde ringelementene (3-6) i vedkommende montasje forspent mot den nevnte holdeflens (9).

5. Svivelinnretning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at en statisk tetningsanordning (24) er anordnet mellom stammen (2) og den tilgrensende, indre overflate av hver støttering (5 hhv. 6).

6. Svivelinnretning ifølge krav 5, karakterisert ved at i det minste noen av tetningsanordningene (21, 24) er innrettet til å aktiviseres av prosessfluidet.

7. Svivelanordning ifølge krav 5, karakterisert ved at i det minste noen av tetningsanordningene (21, 24) er innrettet til å aktiveres ved hjelp av en barrierevæske som har høyere trykk enn prosessfluidet.

8. Svivelinnretning ifølge krav 6 eller 7, karakterisert ved at hver av de dynamiske tetningsanordninger (21) består i det minste av en primær og en sekundær tetning (38 hhv. 39; 48 hhv. 49) som er anbrakt ved siden av hverandre mellom distanseringen (4) og aksiallageret (17).

9. Svivelinnretning ifølge krav 3, karakterisert ved at aksiallageret er et rullelager (54; 55) og radiallageret er et glidelager (53).

10. Svivelinnretning ifølge krav 7 og 8, karakterisert ved at aksiallageret (55) er plassert mellom en radialt indre og en radialt ytre tetning (49 hhv. 50), idet lageret (55) er et rullelager som er innrettet til å smøres av en barrierevæske i form av olje.