NO315874B1

NO315874B1 - Hydraulisk undervannskopling

Info

Publication number: NO315874B1
Application number: NO19953996A
Authority: NO
Inventors: Iii Robert E Smith
Original assignee: Nat Coupling Co Inc
Priority date: 1994-02-07
Filing date: 1995-10-06
Publication date: 2003-11-03
Also published as: US5355909A; GB9520638D0; GB2293424B; AU1840095A; DE19580102T1; DE19580102C2; NO953996D0; WO1995021349A1; AU685244B2; NO953996L; BR9505645A; GB2293424A

Description

HYDRAULISK UNDERVANNSKOPLING

Denne oppfinnelse angår generelt hydrauliske koplinger, og særlig hydrauliske koplinger som brukes til undervannsboring og produksjon. Nærmere bestemt innbefatter oppfinnelsen en hydraulisk undervannskopling som har to trykkaktiverte metalltetninger for tetting mellom koplingens tappelement og muffeelement.

Hydrauliske undervannskoplinger er tidligere kjent. Koplingene består generelt av et tappelement og et muffeelement med tetninger for tetting av skjøten mellom tapp- og muffeelementet.

Muffeelementet har generelt en sylindrisk hoveddel med en boring med forholdsvis stor diameter ved en ende og en boring med forholdsvis liten diameter ved den andre. Den lille boring letter forbindelser med hydrauliske ledninger, mens den store boring inneholder tetningene og opptar koplingens tapp-parti. Tappelementet innbefatter et sylindrisk parti ved en ende for å lette forbindelse med hydrauliske ledninger. Når tappelementets sylindriske parti er innført i muffeelementets store boring, i samsvar med forskjellige utføringsformer av anordningen, er enten tetningene i anslag mot enden, eller endeflaten, av tappelementet eller de ligger an mot tappelementet om dets omkrets. Hydraulikkfluidet kan deretter strømme fritt gjennom koplingens muffe- og tapp-partier, og tetninger hindrer denne strømning fra å unnslippe om skjøtene i koplingen.

En tilbakeslagsventil kan være montert i muffeelementet og dessuten i tappelementet. Hver tilbakeslagsventil er åpen når koplingen er gjort opp, men hver tilbakeslagsventil lukker imidlertid når koplingen brytes, slik at fluid hindres fra å lekke ut av systemet som koplingen er en del av.

Myke tetninger som brukes i hydrauliske undervannskoplinger har flere ulemper, idet de viktigste er: 1) tetningens manglende evne til å motstå de svekkende virkninger av de undersjøiske omgivelser i lengre tidsrom; og 2) den myke tetnings manglende evne til å inneholde de høyere trykk som påføres hydraulikk-systemer.

Det er tilgjengelig en metalltetning som bedre motstår svekkende virkninger av både omgivelsene og høyere trykk. Denne tetning er en tetning av klemmety-pen som er plassert mellom enden av koplingens tapp-parti og den innvendige ende av den store boring i muffepartiet. Når tapp-partiet innføres i muffepartiet, klemmes metalltetninger) mellom de to partier og tetningen bevirkes mellom de to. P.g.a. klemmevirkningen kan tetningen bare brukes én gang. Hvis koplingen av en eller annen årsak atskilles, kan tetningen som er klemt én gang erstattes med en ny tetning. Et eksempel på denne type kopling og tetning er vist i U.S. patent nr. 3 918 485.

En annen type hydraulisk kopling med en metalltetning er avdekket i U.S. patent nr. 4 647 470. Som det kan sees, anvender denne utforming en v-formet metalltetning. Den v-formede metalltetning hviler i muffeelementet og er bare virksom når den er fast sammentrykket ved hjelp av trykk fra tappelementets forside. Dette betyr at det kreves betydelige krefter for det første for å låse koplingen og for å holde den låst under det nødvendige trykk. Denne utforming kan lekke selv ved en liten atskillelse av tapp- og muffe-koplingselementet, hvilket er et problem p.g.a. de innvendige trykk når hver hydraulisk ledning trykkes opp, som ovenfor beskrevet. Koplingen med v-tetning krever en forbelastningsmekanisme for å hindre atskillelse av koplingselementene. Svært små toleranser er påkrevd for både koplingene og manifoldplatene. I prinsippet var koplingen med v-tetning gjenbrukbar, og koplingen kunne frakoples og igjen bringes til inngrep flere enn én gang uten å erstatte tetningen, i praksis ville imidlertid v-tetningen ganske ofte vendes ut eller vendes sideveis når koplingen ble frakoplet. Hvis koplingen igjen ble sammenkoplet uten ny plassering av v-tetningen, ville kobleren bli skadet ved bruk.

I U.S. patent nr. 4 694 859 overdratt til Robert E. Smith III, er det avdekket en hydraulisk undervannskopling med en radial-metalltetning. Denne kopling tilveiebringer en gjenbrukbar radial-metalltetning som ligger an mot sondens omkrets når den plasseres i muffeelement-hoveddelen. Metalltetningen holdes på plass ved hjelp av en sylindrisk hoveddel eller holder. Holderen hindrer at metalltetningen unnslipper fra muffeelement-hoveddelen. Når koplingens tapp- og muf-fepartier atskilles undertrykk, hindrer holderen at metalltetningen blåses ut gjennom muffeelementets boring. Denne kopling bruker en trykk-aktivert c-ring-metalltetning. Et av fortrinnene ved denne utforming er at den ikke krever noen forbelastningsmekanisme, motstår bevegelse av koplingens to halvdeler i forhold til hverandre, og tillater større toleranser mellom koplingene og manifoldplatene. Holderen kan dessuten brukes til forbelastning av c-ring-metalltetningen ved å tvinge den radielt innad for anlegg mot omkretsen av tappelementet. Dette utfø-res ved å plassere tetningen på en skulder i muffeelement-boringen, og deretter låse holderen mot tetningen.

I U.S. patentene nr. 4 832 080, 5 099 882 og 5 277 225 overdratt til Robert E. Smith III, er det avdekket hydrauliske undervannskoplinger som har minst to radial-metalltetninger for tetting mellom tappelementet og muffeelement-opptakskammeret. Det er vist trykkaktiverte tetninger som er utformet for å tette radielt mellom tapp- og muffeelementene, og koplingene er trykkutliknet for fluidforbindelse gjennom overensstemmende, radielle kanaler og det ringformede rom mellom elementene.

I U.S. patent nr. 5 015 016 overdratt til Robert E. Smith III, er det vist en hydrauliske undervannskopling som har en ringformet metalltetning med et v-formet tverrsnitt. En sylindrisk hylse holder tetningen på plass. Ved innføring av tappelementet i koplingen, berører tappelementets forside v-tetningens leppe, hvilket sammentrykker v-tetningen noe for å forbelaste tetningen før koplingen trykksettes. Når systemet trykkaktiveres, tvinges hylsen mot tappelementet for å holde v-tetningen mot tappelementet. Trykksettingen tvinger v-tetningen til å ekspandere i lengderetningen mot tappelementets forside og hylseelementets innvendige skulder.

Foreliggende oppfinnelse ligger i en hydraulisk kopling av foregående type innbefattende tapp- og muffeelementer for fluidforbindelse mellom disse, og ventiler for styring av fluidstrøm i hvert av elementene. Foreliggende oppfinnelse innbefatter to hule metalltetninger som trykkaktiveres til å tette mellom tapp- og muffeelementet. Én av de trykkaktiverte metalltetninger ekspanderer radielt for anlegg mot tappelementets sylindriske ytterflate og muffeelementets boring, og den andre trykkaktiverte metalltetning er innrettet til å ekspandere i lengderetningen for anlegg mot tappelementets ytter-skulderflate og muffeelementboringens inner-skulderflate. Hver av tetningene holdes igjen ved atskillelse av elementene.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer fortrinnene ved både en radial-metalltetning og en tetning av endeflate-typen mellom koplingselementene, og kan brukes gjentatte ganger uten erstatning av tetningene. Dessuten tilveiebringer denne kopling et redusert antall separate komponenter som må maskineres sepa-rat, idet tetningene kan plasseres mellom separate skulderflater på tapp- og

muffeelementene.

Figur 1 er et snitt av koplingens tapp- og muffeelement, med tappelementet delvis innført i muffeelementboringen. Figur 2 er et snitt av tetningene som brukes i koplingen, før tappelementet fullt ut er innført i muffeelementboringen. Figur 3 er et snitt av tetningene som brukes i koplingen, med tappelementet fullt ut innført i muffeelementboringen. Figur 1 er et snitt av tappelementet 10 og muffeelementet 20 idet tappelementet er delvis innført i muffeelementboringen. Tappelementet 10 er festet til en manifoldplate 11 ved hjelp av gjenger 41 eller andre midler, så som settskruer. Muffeelementet 20 er festet til en andre manifoldplate 21 ved hjelp av gjenger 90 eller andre midler. Teknikker for feste av elementer til slike plater er godt kjent for en fagmann på området.

Tappelementet 10, som vist i Figur 1, omfatter et sondeskaft 31, som er skrudd til manifoldplaten 11, som ovenfor beskrevet. I tilstøtning til sondeskaftet er det en flens 42 og en avsmalnende skulder 43. Skulderen 43 avsmalner ned til den første ende 44 av den sylindriske sondevegg, en ytre skulder 38 som danner en avtrappet reduksjon i ytterdiameteren, og en andre ende 37 av sondeveggen som ender ved en sondeforside 45. Den sylindriske sondevegg er innrettet til for-skyvningsinngrep med muffeelementet, som nedenfor beskrevet. I en foretrukket utføringsform er det variasjoner i sondeveggens ytterdiameter.

Tappelementets hoveddel er også anordnet med en sentral boring 32. Det kan være flere variasjoner i boringens 32 diameter langs dens forløp gjennom tappelementets 10 hoveddel. I en foretrukket utføringsform omfatter den første ende av den sentrale boring en innvendig gjenget seksjon 50 for forbindelse med en hydraulisk ledning. I tilstøtning til og innenbords i forhold til den gjengede seksjon er det en sylindrisk kanal 51 som strekker seg i lengderetningen i tappele-menthoveddelen og ender ved et ventilsete 66 som er en skrånende skulder.

Som vist i Figur 1, er tappelementets tallerkenventilenhet forskyvbart opptatt i den sentrale boring 32. Tallerkenventilenhetens forskjellige deler er et sylindrisk, hult ventilhode 64 med en ytterdiameter som er dimensjonert for forskyvning i den sylindriske boring 32. Ventilhodet har konisk form og er dimensjonert for anlegg mot ventilsetet 66 ved enden av tappelementboringen. En spiralformet ventilfjær 71 brukes til å tvinge ventilen 64 til en lukket stilling mot ventilsetet 66. Den spiralformede ventilfjær 71 er beliggende i den sylindriske boring 32 og er forank-ret med en fjærkrave 72 som holdes på plass av en kraveklemme 73.

Muffeelementet 20 omfatter et skaft 90 som valgfritt er skrudd til manifoldplaten 21. Muffeelementet 20 innbefatter dessuten en skulder 91 i tilstøtning til skaftet 90 og den primære, sylindriske hoveddel 92. Det er flere variasjoner i diameteren til den sentrale boring 81, langs dens forløp på langs eller aksielt gjennom muffeelementets 20 hoveddel. Ved en første eller ytre ende av den sentrale boring 81 er det en gjenget innvendig kanal 95 for forbindelse med en gjenget hydraulisk ledning. Det gjengede parti 95 av den sentrale boring 81 ender ved en sylindrisk kanal 96 som forskyvbart opptar en tallerkenventilenhet. Den sylindriske kanal 96 ender ved et ventilsete 106 innrettet til å danne sete for en tallerkenventil 104. Innenbords i forhold til ventilsetet er det et sylindrisk opptakskammer 107. Opptakskammeret opptar forskyvbart tappelementets 10 son-de. Når tallerkenventilene er i kontakt med hverandre, som vist i Figur 1, tvinges ventilene til åpne stillinger for fluidstrømning mellom tapp- og muffeelementet.

Muffeelementets 20 ventilenhet omfatter en tallerkenventil 104 som er forskyvbart opptatt i muffeelementets 20 sylindriske kanal 96. Tallerkenventilen 104 har en stort sett konisk form for anlegg mot ventilsetet 106. For å tvinge ventilen til lukket stilling, er en spiralformet ventilfjær 119 montert mellom ventilens skulder og en fjærkrave 120 som haren kraveklemme 121 i muffeelementboringen. Muffeelementets og tappelementets ventiler har fortrinnsvis identiske komponenter og virkemåte.

I Figur 2 er tetningene i en foretrukket utføringsform av foreliggende oppfinnelse vist i detalj. I muffeelementets opptakskammer 107 er det variasjoner i Innerdiameteren, for anbringelse av to hule trykkaktiverte metalltetninger. Ved den innerste enden av opptakskammeret er en sylindrisk seksjon 54 dimensjonert for forskyvbart opptak av den andre ende 37 av sondeveggen. Ved den ytterste ende av opptakskammeret er en sylindrisk seksjon 56 dimensjonert for forskyvbart opptak av den første ende 44 av sondeveggen. Den sylindriske seksjon 54 ender ved en innvendig skulder 46 som danner en flate for anbringelse av en hul metalltetning 48. Den hule metalltetning 48 er fortrinnsvis en c-formet metalltetning som er trykkaktivert for ekspansjon både radielt innad mot tappelementsondeveggen og radielt utad mot opptakskammeret ved en sylindrisk seksjon 55. Hvis ønsket kan metalltetningen 48 være dimensjonert for å ha et lite radielt inngrep enten med opptakskammeret ved seksjonen 55, eller med den andre seksjon 37 av sondeveggen. Det er et formål at metalltetningen 48 oppnår en fluidtett tetning p.g.a. hydraulikkfluidtrykk i selve koplingen. Metalltetningen er fortrinnsvis laget av et tynt metall som er tilstrekkelig bøyelig til å motstå gjentatte anvendelser uten å utmattes. Tetningen kan lett tilveiebringes fra metalltetningsprodusenter.

For å holde metalltetningen 48 på plass ved atskillelse av tapp- og muffeelementene, er en skive 47 plassert over tetningen. Skiven 47 holdes på plass med en holdeklemme 49. Holdeklemmen 49 er fortrinnsvis utformet for inngrep med en slisse i opptakskammerveggen, selv om andre metoder, så som gjenge-forbindelse, kan brukes til forankring av holderen eller andre midler for å holde metalltetningen 48 og/eller skiven 47 på plass. Alternativt kan skiven 47 utelates og en holder eller andre midler kan brukes som den eneste mekanisme for å holde metalltetningen 48 på plass.

Videre utover i opptakskammeret 107 er en skulder 58 en innvendig skulder som danner et sted for plassering av en andre hul metalltetning 60. Den andre hule metalltetning 60 er lik den første hule metalltetning 48. Metalltetningen 60 er imidlertid plassert slik at den kan sammentrykkes i en langsgående eller aksiell retning. Som vist i en foretrukket utføringsform, er metalltetningen 60 også bøye-lig for å tette i lengderetningen eller aksielt som reaksjon på fluidtrykk, som tvinger tetningen til å ekspandere mot den innvendige skulder 58 i opptakskammeret og tappelementets ytre skulder 38. Metalltetningen 60 holdes av en holdeklemme 61 som er utformet til å passe i et spor i opptakskammeret. Andre holdemidler så som en gjenget holder kan imidlertid brukes til å holde metalltetningen slik at den kan brukes gjentatte ganger.

Den hule metalltetning 60 kan være en c-formet tetning, en u-formet tetning eller en v-formet tetning som danner en tetning endeflate mot endeflate mellom tappelementets ytre skulder 38 og muffeelementets innvendige skulder 58. Slike tetninger er kommersielt tilgjengelige fra flere metalltetningsprodusenter.

Muffeelementets opptakskammer 107 har også et spor 77 for en elastomer-reservetetning 76, som vist i Figurene 2 og 3. Elastomer-reservetetningen kan være en svalehaletetning som vist i U.S. patentene nr. 4 900 071 og 5 052 439 overdratt til Robert E. Smith III, for medvirkning til å hindre implosjon av tetningen i opptakskammeret når tappelementet blir trukket tilbake. I en foretrukket utførings-form av foreliggende oppfinnelse er imidlertid tappelementsondeveggen utformet med et lite trinn 57 i dens ytterdiameter for å medvirke til å hindre implosjon ved å utlikne elastomertetningen 76 med sjøtrykk etter hvert som tappelementet fjernes fra opptakskammeret.

Som vist eliminerer foreliggende oppfinnelse behovet for ytre forbelastningsanordninger, eller fjærskiver, for forbelastning av hver av metalltetningene. I stedet blir den hule metalltetning 60 noe sammentrykket forut for trykksetting, deretter brukes ledningstrykk til å tvinge metalltetningen 60 til å danne en forsidetet-ning mellom tappelementets ytter-skulderflate 38 og inner-skulderflaten 58 i muffeelementets sylindriske boring. Samtidig blir metalltetningen 48 trykkaktivert for å ekspandere radielt for å bringes til anlegg mot tappelementhoveddelens sylindriske ytterflate og muffeelementets sylindriske boring. Begge tetninger er gjenbruk-bare fordi de holdes på plass ved atskillelse av koplingens tapp- og muffeelement.

En fagmann på området vil forstå at det kan lages en forbedret hydraulisk undervannskopling ved å benytte foreliggende oppfinnelse. Selv om ikke hver variant av utføringsformer av foreliggende oppfinnelse virkeliggjør alle fortrinn ved oppfinnelsen, kan enkelte særtrekk bli viktigere enn andre ved forskjellige anvendelser av anordningen. Følgelig skal det forstås at oppfinnelsen bare er begren-set av rammen til de vedlagte krav.

Claims

1. Hydraulisk undervannskopling omfattende

(a) et muffeelement (20) som har en hoveddel (92) med en sylindrisk boring (81) som strekker seg i lengderetningen fra en første ende til en andre ende av hoveddelen, første og andre separate innvendige skulderflater (46, 58) i muffeelementboringen, og en normalt lukket ventil (104) i muffeelementboringen for styring av fluidstrøm mellom den første ende og andre ende; (b) et tappelement (10) som kan innføres i muffeelementboringen og har en hoveddel med en boring (32) som strekker seg i lengderetningen fra en første ende til en andre ende av hoveddelen, en normalt lukket ventil (64) i tappelementboringen for styring av fluidstrøm mellom den første ende og andre ende, hvilken hoveddel har en sylindrisk ytterflate (37, 44); (c) en første hul metalltetning (48) som kan plasseres nær den første innvendige skulderflate (46) i muffeelementboringen, og som er trykkaktiverbar for radiell ekspansjon til anlegg mot tappelementhoveddelens sylindriske ytterflate (37) og boringen (81) i muffeelementet; karakterisert ved(d) at tappelementets (10) sylindriske ytterflate (37) har minst én ytter-skulderflate (61), og at undervannskoplingen videre omfatter en andre hul metalltetning (60) som kan plasseres nær den andre innvendige skulderflate (58) i muffeelementets sylindriske boring, og som kan trykkaktiveres for ekspansjon i lengderetningen til anlegg mot tappelementhoveddelens ytter-skulderflate (61) og den andre inner-skulderflate (58) i muffeelementets (20) sylindriske boring.

2. Hydraulisk undervannskopling ifølge krav 1,karakterisert ved at den første hule metalltetning (48) har et C-formet tverrsnitt.

3. Hydraulisk undervannskopling ifølge krav 1,karakterisert ved at den omfatter en tetning-holdeinnretning (47, 49) som kan bringes til anlegg mot muffeelementhoveddelen og at den første tetning (48) kan plasseres mellom den første inner-skulderflate (46) og tetning-holdeinnretningen.

4. Hydraulisk undervannskopling ifølge krav 1,karakterisert ved at den andre hule metalltetning (60) har et C-formet tverrsnitt.

5. Hydraulisk undervannskopling ifølge krav 1,karakterisert ved at den omfatter en tetning-holdeinnretning (61) som kan bringes til anlegg mot muffeelementhoveddelen og at den andre tetning (60) kan plasseres mellom den andre inner-skulderflate (58) og tetning-holdeinnretningen.