NO315995B1 - Hydraulisk koplingselement - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår generelt hydrauliske koplinger, og særlig hydrauliske koplinger som brukes til anvendelser ved undervannsboring og produksjon. Nærmere bestemt innbefatter denne oppfinnelse et hydraulisk koplingselement med strømningsporter utformet til å hindre inntrengning av rusk, og en avblød-ningskanal for å slippe ut innesperret hydraulikkfluid i ledningene når koplingen er frakoplet.

Undersjøiske hydrauliske koplinger har lenge vært kjent teknikk. Koplingene består generelt av et tappelement og et muffeelement med avtettete fluidka-naler forbundet mellom disse. Muffeelementet er stort sett en sylindrisk hoveddel med en langsgående boring med forholdsvis stor diameter ved en ende og en langsgående boring med forholdsvis liten diameter ved den annen. Den lille boring letter tilkoplinger til hydrauliske ledninger, mens den store boring avtetter og er i forskyvbart inngrep med koplingens tappelement. Tappelementet innbefatter et sylindrisk parti ved en ende med en ytre diameter som er omtrent lik diameteren til den store boring i koplingens muffeelement. Tappelementet innbefatter også en kopling ved sin andre ende for å lette tilkopling til hydrauliske ledninger. Når tappelementets sylindriske parti innføres i muffeelementets store boring, i samsvar med forskjellige utføringsformer av anordningen, opprettes fluidstrømning mellom tapp- og muffeelementene. Koplinger av denne art er vist i US patent nr. 4 694 859 overdratt til Robert E. Smith III, og andre patenter som eies av National Coupling Co., Inc., Stafford, Texas.

Ved anvendelser for undervannsboring og produksjon, kan koplingens tappelement være forbundet med en manifoldplate eller annet feste ved et under-sjøisk sted på innsiden eller utsiden av et borehull. I mange tilfeller er tappelementene plassert slik at enden eller forsiden av hvert element peker vertikalt oppad fra sjøbunnen. Muffeelementene, som også kan være festet til en manifoldplate, beveges i stilling over tappelementene og nedsenkes deretter over på tappelementene ved hjelp av en dykker eller en undersjøisk fartøy. Når muffeelementene er plassert på tappelementene, er hydraulikkfluid-strømning i hver kopling typisk fra muffeelementet til tappelementet. I noen tilfeller har bare koplingens muffeelement en tallerkenventil.

Tallerkenventilen innbefatter typisk en konisk ventil-endeflate som, i lukket stilling, ligger an mot et ventilsete i koplingselementet. Tallerkenventilen åpner for å tillate fluidstrømning, og lukker mot ventilsetet i boringen for å sperre for strøm-ningen. Tallerkenventilen er generelt fjær-forspent i lukket stilling. Ventilen kan innbefatte en ventilaktuator som kan være en nese eller spindel forløpende fra spissen av ventil-endeflaten langs tallerkenventilens lengdeakse.

Ofte er det fullt av rusk i borehull hvor koplingene er plassert. Tappelementet, som forblir under havoverflaten når koplingen frakoples, utsettes for rusk som oppsamles i strømningskanaler. Strømningskanalene i tappelementet kan være rett overfor spalten mellom ventil-endeflaten og ventilsetet, som vist i US patent nr. 4 694 859. Eller, som vist i US patenter nr. 4 754 780 og 5 099 882 til 4 832 080 overdratt til Robert E. Smith III, kan det være hydraulisk strømning radielt mellom elementene. Begge utforminger kan være utsatt for inntrengning av rusk. Rusk kan forurense hydraulikkfluidet eller bevirke slitasje på tetningene og de tettende flater i de hydrauliske koplinger og det hydrauliske system.

I nødssituasjoner, f.eks. stormer, orkaner, o.l., kan koplingselementene hur-tig frakoples og ett av elementene, typisk muffeelementet, kan fjernes fra den undersjøiske beliggenhet. I disse situasjoner kan det oppstå problemer som en følge av innesperret hydraulikktrykk i ledningene til tapp-koplingselementet som er igjen under havoverflaten. Hvis det innesperres hydraulikktrykk under havoverflaten, har innstillingene av ulike ventiler i hele det hydrauliske system en tilbøyelig-het til å endres som resultat av det oppbygde trykk. Det er uønsket at ventilinnstil-lingene uforutsigbart reagerer på dette innesperrete trykk, derfor er det, for å av-laste trykket, foreslått å blø av de hydrauliske ledninger som er innesperret under havoverflaten. Avblødning av ledningene gjøres også for å unngå skade på det hydrauliske system fra utblåsninger. Hvis det hydrauliske system står i fare for å atskilles eller skades på annen måte pga. stormer, er det derfor ønskelig å frakop-le elementene og stoppe eller tette ett element mens det andre element, som er igjen under havoverflaten, tillates å blø av innesperret hydraulikktrykk. Samtidig er det uønsket at sjøvann kommer inn i systemet gjennom den koplingselement som er igjen under havoverflaten.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt et hydraulisk koplingselement som angitt i det etterfølgende krav 1, samt et tappelement for en under-sjøisk hydraulisk kopling, som angitt i krav 5 og i krav 9. Fordelaktige utførings-former av oppfinnelsen er angitt i de øvrige, etterfølgende krav.

Foreliggende oppfinnelse ligger således i et undersjøisk hydraulisk koplingselement med i vinkel anordnete strømningskanaler i tappelementets hoveddel for å medvirke til å hindre inntrengning av rusk. Hydraulikktrykk gjennom de i vinkel anordnete strømningsporter skyver en tallerkenventil åpen i tappelementet. I frakoplet tilstand lukker tallerkenventilen og det innesperrete hydraulikkfluid i ledningene som fører til elementet blør av gjennom et avblødningshull i tallerkenventilen. Strømmen av hydraulikkfluid gjennom avblødningshullet og rundt tallerkenventilen medvirker til å spyle ut rusk som samles opp i strømningsportene. Figur 1 viser i perspektiv et tappelement og et muffeelement i henhold til foreliggende oppfinnelse. Figur 2 er et snitt av et tappelement til en kopling i henhold til en foretrukket utføringsform av foreliggende oppfinnelse.

Koplingen ifølge foreliggende oppfinnelse innbefatter et tappelement 10 og et muffeelement 20. Som vist i Figur 1, vender tappelementet 10 typisk oppad fra sjøbunnen og muffeelementet kan anbringes på tappelementet. Tappelementet er vanligvis festet til én manifoldplate, mens muffeelementet er festet til en mot-stående plate for derved å vende mot tappelementet og være innrettet på linje med det. Tapp- og muffeelementene kan være festet til manifoldplatene ved bruk av forskjellige midler, så som settskruer eller gjenger. Teknikker for feste av elementene til slike manifoldplater er godt kjent for en fagmann på området. Tappelementet 10 innbefatter et gjenget håndtak 11 beregnet til forbindelse med en manifoldplate eller andre festemidler i eller utenfor et borehull. En skulder 12 ender ved en første seksjon 13 av den sylindriske sondevegg, som er innrettet til forskyvningsinngrep med muffeelementet. Tappelementets sondevegg er fortrinnsvis avtrappet og innbefatter flere endringer i sin diameter. I en foretrukket utføringsform, ender sondeveggens første seksjon 13 ved en avsmalnende skulder 14, som så er tilstøtende sondeveggens andre seksjon 15. Den andre seksjon 15 har smalere diameter enn den første seksjon 13 av sondeveggen. Sondeveggens andre seksjon 15 ender ved en avsmalnende skulder 16 som danner en ytterligere reduksjon av sondeveggens diameter. I tilstøtning til den avsmalnende skulder 16 er sondeveggens tredje seksjon 17 som har en smalere diameter og som ender ved tappelement-endeflaten 18. Tappelementets fremre endeflate 18 berører muffeelementets ventilaktuator 25 når tappelementet er fullt ut innført i muffeelementets opptakskammer 24. Kontakten mellom den fremre endeflate 18 og ventilaktuatoren 25 åpner ventilaktuatoren 25 i muffeelementet for å tillate fremføring av hydraulikkfluid mellom koplingselementene.

I den tredje seksjon 17 av tappelement-sondeveggen er det i vinkel anordnet kanaler 19. Disse i vinkel anordnete kanaler eller hull har fortrinnsvis en diameter på 1,588 mm (1/16 tomme) og er innbyrdes atskilt med regelmessige inter-valler rundt omkretsen av sondeveggens tredje seksjon 17. Kanalene 19 er, som vist i Figur 2, anordnet i vinkel for å hindre inntrengning av rusk når muffeelementet er frakoplet og tappelementet er igjen under havoverflaten.

Ifølge Figur 1, innbefatter muffeelementet 20 en gjenget ende 21 for forbindelse med en manifoldplate, en skulder 22 og en hoveddel 23 som er utformet med et opptakskammer 24. Muffeelementet innbefatter fortrinnsvis en tallerkenventil med en ventilaktuator 25 forløpende fra denne, som åpner ved gjensidig kontakt med en ventilaktuator eller spindel på tappelementet 10.

I Figur 2 er vist et snitt av en foretrukket utføringsform av tappelementet. Tappelementet innbefatter en innvendig boring 30 som ender ved en flate 35. Ved en ende av boringen er det en gjenget kanal 31 for forbindelse med en hydraulisk ledning. I tilstøtning til og innenbords i forhold til den gjengete seksjon er det en sylindrisk kanal 32 som strekker seg på langs i tappelement-hoveddelen og ender ved et ventilsete 33. Ventilsetet 33 er en skrånende skulder som ender ved en sylindrisk kanal 34 med redusert diameter. Den sylindriske kanal 34 ender ved den lukkete flate 35. De i vinkel anordnete kanaler 19 tillater fluidkommunikasjon mellom kanalen 34 og tappelementets ytre flate.

De forskjellige deler av tappelementets ventilenhet er et ventilhode 36 med gjennomgående åpninger 37 og en konisk utformet ventil-endeflate 38 som er dimensjonert for anlegg i ventilsetet 33 ved enden av tappelement-boringen. Fra ventil-endeflaten 38 strekker det seg en sylindrisk utformet ventilspindel 39 forlø-pende langs tappelementets lengdeakse. Ventilspindelen 39 er beliggende ved spissen av den koniske ventil-endeflate. En spiralformet ventilfjær 41 brukes til å tvinge ventil-endeflaten 38 til en lukket stilling mot ventilsetet 33. Den spiralformete ventilfjær er beliggende i den sylindriske kanal 32 og er forankret ved en hul fjærkrave 42 som holdes på plass av en kraveklemme 43 ved den indre flate av den sylindriske kanal 32. Den motsatte ende av den spiralformete ventilfjær er i kontakt med ventil-hoveddelen 36, slik at ventilen tvinges til en lukket stilling.

Et avblødningshull 40 strekker seg gjennom ventilspindelen 39 for å tillate avblødning av innesperret trykkfluid gjennom avblødningshullet når muffeelementet fjernes fra tappelementet og tappelement-tallerkenventilen er lukket. Enden av ventilspindelen 39 kan enten berøre eller ikke berøre flaten 35 i tappelementet. Innesperret fluid som blør av gjennom kanalen 40 beveger seg ut av tappelementet gjennom de i vinkel anordnete kanaler 19. Hvis avblødningstrykket er høyt nok, bevirker strømningen gjennom avblødningshullet en "stråie"-virkning mot flaten 35 som søker å åpne ventilen noe, slik at ventil-endeflaten 38 tvinges bort fra det koniske ventilsete 33. Denne "stråle"-virkning medvirker til å spyle ut rusk som er oppsamlet i de i vinkel anordnete strømningsporter 19. Denne spylevirkning under avblødning av tappelementets hydrauliske ledninger fortsetter inntil det oppbygde hydraulikktrykk synker. Hydraulikkfluid kan således avblødes fra koplingselementet gjennom kanalen mens det oppbygde hydraulikktrykket i det innesperrete hydraulikkfluid overstiger undervannstrykket, selv om noe sjøvann kan trenge inn i koplingselementet gjennom avblødningskanalen dersom undervannstrykket overskrider hydraulikktrykket i det innesperrete hydraulikkfluid.

Når muffeelementet er festet til tappelementet, er strømningen av hydraulikkfluid typisk fra muffeelementet til tappelementet. Fluid føres gjennom et typisk muffeelement og kommer inn i de i vinkel anordnete porter i tappelementet. Hydraulikktrykket gjennom de i vinkel anordnete porter 19 og mot tallerkenventilens endeflate 38 tvinger tallerkenventilen åpen for å tillate fluid å strømme gjennom tappelementet. Når tappelementet og muffeelementet er frakoplet, lukker tallerkenventilen etter hvert som fjæren 41 tvinger ventil-endeflaten 38 mot ventilsetet 33. Som ovenfor beskrevet, kan tallerkenventilen åpne noe hvis avblødningstryk-ket er høyt nok til å overvinne fjærkraften. Tallerkenventilen i kombinasjon med de i vinkel anordnete strømningsporter i tappelement-hoveddelen medvirker til å hindre inntrengning av rusk, mens det tillates avblødning av innesperret hydraulisk trykkfluid. Dette tillater lukking av sikkerhetsventiler i nødssituasjoner når den hydrauliske kopling ikke er koplet.

Claims (12)

1. Hydraulisk koplingselement omfattende: en sylindrisk hoveddel (10) med en første ende og en andre ende, en ytre omkrets (13,15, 17), en avtrappet langsgående boring (30) og en normalt lukket tallerkenventil (36) som er forskyvbar i boringen og har en spindel (39) som strekker seg derfra;karakterisert ved: at den avtrappete langsgående boring (30) ender ved en lukket flate (35) ved den sylindriske hoveddelens (10) andre ende, at minst to strømningsporter (19) nær den sylindriske hoveddelens (10) andre ende og forløpende mellom boringen og den ytre omkrets, idet strømnings-portens ende i forbindelse med boringen befinner seg over enden av strømnings-porten i forbindelse med den ytre omkrets når koplingselementet er plassert med den andre ende vendt oppad, at tallerkenventil-spindelen (39) strekker seg gjennom boringen (30) nær strømningsportene (19), idet tallerkenventilen (36) kan åpnes som reaksjon på hydraulikk-fluidtrykk gjennom strømningsportene inn i boringen, og en avblødningskanal (40) som strekker seg gjennom spindelen (39) og tillater innesperret hydraulikkfluid å strømme fra boringen (30) ut gjennom strøm-ningsportene når tallerkenventilen (36) er lukket.

2. Hydraulisk koplingselement ifølge krav 1, karakterisert ved at boringen omfatter en større diameter (32) nær den første ende, en mindre diameter (34)nær den andre ende og ender ved den lukkete flate (35), og et avsmalnende ventilsete (33) mellom de to diametre.

3. Hydraulisk koplingselement ifølge krav 1, karakterisert ved at den sylindriske hoveddel omfatter tre gradvis mindre diametre (13,15, 17) fra den første ende til den andre ende av hoveddelen.

4. Hydraulisk koplingselement ifølge krav 1, karakterisert ved at tallerkenventilen (36) er utformet til å åpne noe når strømning fra boringen utad gjennom avblødningskanalen (40) overskrider en forutbestemt volumstrøm.

5. Tappelement for en undersjøisk hydraulisk kopling omfattende: en hoveddel (10) med en ytre flate (13,15,17), en første ende og en andre ende, en boring (30), en forskyvbar ventil (36) for styring av fluidstrømning gjennom boringen (30), hvilken ventil (30) forspent lukket mot et ventilsete (33);karakterisert veden lukket flate (35) nær boringens (30) andre ende, et antall strømningspor-ter (19) mellom boringen (30) og den ytre flate (13,15, 17), hvilke strømningspor-ter er anordnet i vinkel for å medvirke til å hindre inntrengning av rusk når tappelementet er neddykket med den andre ende høyere enn den første ende, idet tallerkenventilen (36) kan åpnes som reaksjon på fluidtrykk gjennom strømnings-portene (19) for å tvinges bort fra setet (33).

6. Tapp-koplingselement ifølge krav 5, karakterisert ved at den ytterligere omfatter en avblødningskanal (40) forløpende gjennom ventilen (36) for avblødning av hydraulikkfluid fra boringen ut gjennom strømningsportene (19) når ventilen er lukket.

7. Tapp-koplingselement ifølge krav 6, karakterisert ved at ventilen (36) er innrettet til å åpne når avblødning av hydraulikkfluid mot den lukkete flate (35) ved tappelementets andre ende overskrider forspenningen som tvinger ventilen lukket.

8. Tapp-koplingselement ifølge krav 5, karakterisert ved at ventilen (36) omfatter en konisk ventil-endeflate (38) med en spindel (39) som strekker seg fra denne, idet avblødningskanalen strekker seg gjennom endeflaten og spindelen.

9. Tapp-element for en undersjøisk hydraulisk kopling, omfattende: en hoveddel (10) med en ytre flate (13,15,17), en første ende og en andre ende, en boring (30), en forskyvbar ventil (36) for styring av fluidstrømning gjennom boringen (30), hvilken ventil (30) forspent lukket mot et ventilsete (33);karakterisert ved: at boringen (30) ender ved en lukket flate (35) nær den andre ende, et antall strømningsporter (19) mellom boringen (30) og den ytre flate (13, 15, 17), idet ventilen kan åpnes som reaksjon på fluidtrykk for å tvinges bort fra setet (33), samt en avblødningskanal (40) som strekker seg gjennom ventilen (36) for av-blødning av hydraulikkfluid som er innesperret i boringen (30) når ventilen (36) er lukket.

10. Tapp-koplingselement ifølge krav 9, karakterisert ved at strøm-ningsportene (19) er anordnet i vinkel for å hindre inntrengning av rusk når tappelementet er plassert under havoverflaten.

11. Tapp-koplingselement ifølge krav 9, karakterisert ved at den ytterligere omfatter en spindel (39) som strekker seg fra ventilen (36), idet avblød-ningskanalen (40) strekker seg gjennom spindelen.

12. Tapp-koplingselement ifølge krav 9, karakterisert ved at ventilen (36) er utformet for å åpne noe når volumstrømmen av hydraulikkfluid som blør gjennom avblødningskanalen (40) overskrider en forutbestemt volumstrøm.