NO339609B1 - Forbindelsesplateenhet for undervanns-hydrauliske koblinger - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen vedrører hydrauliske koplinger som brukes i undervannsolje- og gassbrønnapplikasjoner. Mer bestemt vedrører den forbindelsesplater som brukes til samtidig sammenføring av en flerhet av hann- og hunn-hydraulikkoplinger.

Offshoreleting etter og produksjon av olje og gass involverer plassering av tallrike ventiler og sikkerhetsutstyr på eller i nærheten av havbunnen. Samlingen av slikt utstyr på en brønn benevnes ofte et «tre». Disse innretningene blir ofte hydraulisk aktuertfra en fjerntliggende lokalisering, så som en produksjonsplattform, en bunt av hydraulikkledninger, kjent som en navlestreng, rutes fra et kontrollpanel på plattformen til undervannstreet. For enkelthet ved sammenstilling og vedlikehold, blir det typisk anvendt undervannshydraulikkoplinger for å forbinde hydraulikkledningene til treet. Eksempler på slike undervannshydraulikkoplinger er beskrevet i US patent nr 6.626.207 og US patent nr 6.375. 153.

Fordi slike koplinger må føres sammen under vann av dykkere eller fjernstyrte farkoster (remotely operated vehicles, «ROVer»), har det blitt funnet at sammenføringsprosessen kan fremskyndes ved å plassere en flerhet av koplinger på motstående forbindelsesplater. Forbindelsesplatene holder koplingene på plass, og er forsynt med midler for fastholding av de to plater i nærhet av hverandre, for å holde de individuelle koplinger i en sammenkoplet tilstand. Siden hydraulikkledningene kan trykksettes med hydraulikkfluid ved eller ca ved 120,7 MPa, må forbindelsesplatene være i stand til å motstå kraften fra hydraulikkfluidet som virker på hannelementene når de settes inn i mottakskammerne i hunnelementene og tallerkenventilene er åpne for å tillate strøm av hydraulikkfluid. Det er følgelig nødvendig å tilveiebringe en slags mekanisk kraftforsterkning for å bringe platene inn i den fullstendig sammenkoplede posisjon.

Hann- eller hunnkoplingselementer kan være anordnet på begge plater, men det er typisk å lokalisere hannkoplingene på den faste plate og hunnkoplingene på den avtagbare plate, fordi hunnkoplingene oftest inneholder tetningselementer, og dette muliggjør utbytting av disse tetningselementene ved at de er på en opphentbar innretning - d.v.s. at platene som holder hunnelementene kan bringes til overflaten for vedlikeholdsoperasjoner.

Undervannshydraulikkoplinger er gamle innen teknikken. Koplingene består generelt av et hannelement og et hunnelement med tettede fluidpassasjer som danner forbindelse derimellom. Hunnelementet er generelt et sylindrisk legeme med en langsgående boring med en relativt stor diameter i en ende, og en langsgående boring med en relativt liten diameter i den andre. Den lille boringen muliggjør forbindelser til hydraulikkledninger, mens den store boringen tetter og glidende går i inngrep med hannelementet i koplingen.

Hannelementet inkluderer et sylindrisk legeme med n sondeseksjon som har en diameter som er tilnærmet lik diameteren i hunnelementets boring, og en kopling ved sin andre ende for å muliggjøre forbindelse til hydraulikkledninger. Når sondeseksjonen på hannelementet settes inn i boringen i hunnelementet, etableres, i henhold til forskjellige utførelser av innretningen, fluidstrøm mellom hann- og hunnelementet.

Et hannelement og et hunnelement er generelt forbundet til motstående forbindelsesplater av en manifold, og holdes sammen med bolter eller hydrauliske elementer som er festet til platene. Hannelementet er vanligvis innfestet til en forbindelsesplate eller manifoldplate, mens hunnelementet er innfestet til en motstående plate, for å vende mot hannelementet og for å være innrettet med dette. Hann- og hunnelementene kan være innfestet til forbindelsesplatene eller manifoldplatene ved bruk av forskjellige midler, så som settskruer eller gjenger. Teknikker for innfesting av elementene til slike plater er velkjente for fagpersoner innen teknikken.

Flere undervannshydraulikkonnektorer er typisk gruppert sammen på hver forbindelsesplate eller manifoldplate. For eksempel kan to eller flere koplingselementer være festet til hver motstående plate. I undervannsomgivelsen brukes en dykker eller en fjernstyrt farkost for å kople sammen de motstående plater, og derved kople sammen de motstående koplingselementer på hver av platene. Koplingselementene blir typisk samtidig koplet sammen, og de motstående plater låses sammen.

Høye separasjonskrefter overføres til de motstående forbindelsesplater, hvilket skyldes separasjonskreftene fra høytrykkshydraulikkfluidet i hvert koplingselement. I mange tilfelle må platene være relativt tykke og tunge for å motstå høye separasjonskrefter. Platene er typisk av rustfritt stål og mellom 25,4 mm og 38,1 mm i tykkelse.

Kjent teknikk beskriver forskjellige midler for sammenføying av to forbindelsesplater. For eksempel beskriver US patent nr 5.265.980 en forbindelsesplateenhet for en undervannsstruktur som har en konnektoraksel med utvendige trapesgjenger, som føres sammen med en innvendig gjenget andre forbindelsesplate. Et håndtak er forbundet til en motstående ende av akselen for å rotere akselen for hånd. Akselen kan alternativt være forsynt med en forbindelse for en ROV.

US patent nr 4.915.419 tilhørende Robert E. Smith III vedrører en glidende låseplate for samtidig sammenlåsing av hann- og hunnkoplingselementer på motstående forbindelsesplater. Forskjellige andre låseinnretninger har blitt brukt eller foreslått for å låse sammen hann- og hunnkoplingselementene som er festet til forbindelsesplater. Disse låseinnretningene låser sammen koplingselementene etter at hannendens koplingselementer er fullstendig innkoplet, og bistår ikke ved å bringe hann- og hunnelementene sammen til full tilkopling før låsing. I mange tilfelle er betydelige aksiale krefter nødvendig for å bringe alle hannkoplingselementene på en forbindelsesplate inn i fullt inngrep med hunnkoplingselementene på den motstående forbindelsesplate. Hydraulikksystemer på undersjøiske dyp utsettes for en rekke forskjellige krefter som forsøker å hindre sammenkoplingen av hann- og hunnkoplingselementer. Foreksempel, undervannstrykk på store havdyp, høye hydraulikktrykk i systemet, og mekaniske krefter som er påkrevet for å åpne ventiler og føre sammen forbindelsesplater, er blant faktorene av betydning. En kombinasjon av disse faktorer kan resultere i vanskelighet ved samtidig tilkopling av hann- og hunnkoplingselementene på motstående forbindelsesplater, og også resultere i betydelige separasjonskrefter etter at koplingselementene er koplet sammen.

Forsøk har blitt gjort for samtidig å bringe forbindelsesplatene sammen, inkludert gjengede innretninger. Gjengede forbindelser har imidlertid ulempene med oppbygging av marint vekst i gjengene og avslitning av gjengene. Videre krever gjengede forbindelsesplatekonnektorer typisk flere omdreininger av det gjengede element for å bringe de to forbindelsesplater inn i den fullstendig sammenførte posisjon. Det kreves tid for å oppnå dette, og under denne tiden er hydraulikkoplingene ikke fullstendig sammenkoplet. Dette presenterer muligheten for fluidtap eller inngang av sjøvann. Et annet alternativ for å bringe sammen undervannshydrauliske konnektorer er låsemuffer. Låsemuffer er imidlertid relativt tunge og omfangsrike, hvilket er uønsket i undervannsomgivelsen. Andre problemer forårsakes av oppbygging av silt, bruddstykker/avfall fra havet og marin vekst i låsemuffene. Låsemuffesystemene inkluderer typisk låsemuffer som er forbundet til en plate som er anordnet mellom hann- og hunnforbindelsesplatene. Når den mellomliggende plate trekkes tilbake, blir alle låsemuffene på koplingselementene samtidig trukket tilbake og deretter utløst. Oppbygningen av silt, bruddstykker/avfall fra havet og marin vekst kan resultere i fastkiling av låsemuffene, og særlig låsekulene.

Patent nr 6.471.250 fra de Forente Stater beskriver en forbindelsesplateenhet for undervannshydraulikk-koplinger som bruker en skråstilt kamflate på én av forbindelsesplatene, og en sentral aksel som har en kamfølger som beveger seg opp den skråstilte kamflate for å bringe de to forbindelsesplater sammen. Denne anordningen tilveiebringer imidlertid kun mekanisk kraftforsterkning for å bringe forbindelsesplatene nærmere hverandre; det er ikke tilgengelig noen mekanisk assistanse for separasjon av platene - d.v.s. fråkopling av koplingene som er montert på disse.

Det er følgelig nødvendig med en enkel og svært pålitelig mekanisme for samtidig tilkopling og fråkopling av hann- og hunnkoplingselementer på forbindelsesplater i undervannsomgivelsen. Det som er nødvendig er anordning som både kan koples sammen og løsgjøre hydraulikkforbindelser raskt, med minimal friksjon. Den foreliggende oppfinnelse løser dette problem.

Den foreliggende oppfinnelse overvinner de ovennevnte problemer og ulemper ved å tilveiebringe en forbindelsesplate- eller manifoldplateenhet for hydrauliske koplingselementer, hvor forbindelsesplatene beveges sammen og fra hverandre ved hjelp av kammer og kamfølgere som er festet til en sentral aksel. Én av forbindelsesplatene som koplingselementene er forbundet til inkluderer motstående skråstilte kamflater. Den sentrale aksel som forløper mellom forbindelsesplatene har kamfølgere, som kan være ruller eller lågere. Når den sentrale aksel roteres, beveges en første kamfølger opp en skråstilt kamflate, og en andre kamfølger beveges ned en motstående skråstilt flate. De skråstilte kamflater omformer rotasjonsbevegelsen av den sentrale aksel til aksial bevegelse, for å bringe de to manifoldplater sammen eller fra hverandre, i avhengighet av rotasjonsretningen for den sentrale aksel. Når tilkoplingskamfølgeren når enden av dens skråstilte kamflate, er hann- og hunnkoplingselementene fullstendig sammenkoplet. Likeledes, når frakoplingskamfølgeren når anslagsstiften ved enden av dens skråstilte kamflate, er hann- og hunnkoplingselementene funksjonelt frakoplet fra hverandre, og forbindelsesplatene kan separeres fullstendig, hvis dette er ønskelig. Den rotasjonsbevegelse som er nødvendig for å bringe forbindelsesplatene og koplingene sammen eller fra hverandre kan oppnås manuelt ved hjelp av en dykker som bruker et håndtak som er festet til den sentrale aksel, eller med en fjernoperert farkost på undersjøiske dyp. Denne oppfinnelse har særlig anvendelse på dypt vann hvor den hjelper installatører med å overvinne de store hydrostatiske krefter man treffer på slike dybder.

De følgende tegninger danner en del av den foreliggende beskrivelse, og er inkludert for ytterligere å vise visse aspekter ved den foreliggende oppfinnelse. Oppfinnelsen kan bedre forstås med henvisning til én eller flere av disse tegningene i kombinasjon med den detaljerte beskrivelse av en bestemt utførelse som presenteres her. Fig. 1a er et grunnriss bakfra av forbindelsesplateenheten i henhold til en foretrukket utførelse av den foreliggende oppfinnelse, og viser tilkoplingskamfølgeren initiale i inngrep med den første skråstilte kamflate, og frakoplingskamfølgeren ved anslagsstiften på den andre skråstilte kamflate.

Fig. 1b er et tverrsnittsriss gjennom forbindelsesplateenheten på fig. 1a.

Fig. 1c er et grunnriss forfra av forbindelsesplateenheten på fig. 1a.

Fig. 2a er et grunnriss bakfra av forbindelsesplateenheten i henhold til en foretrukket utførelse, hvor hver kamfølger har beveget seg tilnærmet halvveis langs sin tilhørende skråstilte kamflate.

Fig. 2b er et tverrsnittsriss av forbindelsesplateenheten på fig. 2a.

Fig. 2c er et grunnriss forfra av forbindelsesplateenheten på fig. 2a.

Fig. 3a er et grunnriss bakfra av forbindelsesplateenheten i henhold til en foretrukket utførelse, med tilkoplingskamfølgeren ved enden av sin tilhørende skråstilte kamflate, og koplingselementene fullstendig sammenkoplet.

Fig. 3b er et tverrsnittsriss av forbindelsesplateenheten på fig. 3a.

Fig. 3c er et grunnriss forfra av forbindelsesplateenheten på fig. 3a.

Det skal vises til fig. 1 på tegningene, hvor en første manifoldplate eller forbindelsesplate 20 er vist med en flerhet av sylindriske åpninger 37 for å forbinde hannkoplingselementer 42 til denne. Det er typisk festet minst to hannkoplingselementer til den første forbindelsesplate, som typisk er den bakre forbindelsesplate. En hannhydraulikkledning er forbundet til en ende av hvert hannkoplingselement 42, mens den andre ende av hvert hannkoplingselement er konfigurert til å føres sammen med et hunnkoplingselement 41, og etablere fluidstrøm derimellom. Den andre manifoldplate eller forbindelsesplate 21 inkluderer en flerhet av sylindriske åpninger 38 for å forbinde hunnkoplingselementer 41 til denne. I en foretrukket utførelse er den andre manifoldplate den fremre plate. Forskjellige midler kan brukes til å forbinde hann- og hunnkoplingselementene til forbindelsesplatene, hvilket er velkjent innen teknikken.

Én eller flere styrepinner 40 er anordnet på den første manifoldplate 20 for å innrette de to manifoldplater under sammenkopling mellom hann- og hunnkoplingselementene. I en foretrukket utførelse settes styrepinnen 40 inn i og gjennom en sylindrisk åpning 39 i den fremre manifoldplate 21.

Den første manifoldplate 28 inkluderer også en avlang åpning eller et hull 100 som er dimensjonert til å tillate at et første bakre element 36 passerer gjennom platen 20 når elementet 36 er innrettet med denne ved hjelp av et roterende håndtak 19.

En sentral aksel 35 forløper mellom den fremre og bakre manifoldplate. Den sentrale aksel er roterbar om sin vertikale akse, for å forandre avstanden mellom den fremre og bakre manifoldplate. Aksen i den sentrale aksel står perpendikulært på overflaten av den første og andre manifoldplate. En ende av den sentrale aksel inkluderer håndtaket 19, hvilket kan brukes av dykkere eller fjernstyrte farkoster, for å dreie den sentrale aksel og bringe koplingselementene i inngrep, eller for å frigjøre koplingselementene.

I en foretrukket utførelse inkluderer den andre manifoldplate en muffe 17 ved sitt senter, og den sentrale aksel forløper gjennom muffen. Et par flenser 16 på den sentrale aksel hindrer aksial bevegelse av den sentrale aksel i forhold til den andre manifoldplate. En ende av den sentrale aksel inkluderer en arm eller et første bakre element 36 som står perpendikulært på aksen i den sentrale aksel. Armen eller det første bakre element inkluderer minst én kamfølger som er innfestet til denne. I en foretrukket utførelse er kamfølgerne ruller eller lågere 31, 33, selv om andre kamfølgere kan brukes for å beveges på den skråstilte kamflate og minimalisere eller redusere friksjon mellom kamfølgerne og den skråstilte kamflate 32.

De skråstilte tilkoplingskamflater 32, 24 strekker seg fra en første overflate av den bakre manifoldplate 20. I den foretrukne utførelse er det to skråstilte tilkoplingskamflater, som hver danner en bue ca 120° rundt den sentrale akse i manifoldplaten. I en foretrukket utførelse tilveiebringer hver skråstilte kamflate en stigning på ca 12,7 mm over rotasjonen på120° omkring den vertikale akse. For å kople sammen koplingene, dreies den sentrale aksel slik at hver kamfølger 31, 33 beveger seg opp en av tilkoplingskamflatene. Dette presser den første eller bakre manfoldplate 20 nærmere den fremre manfoldplate, hvilket kopler sammen hann- og hunnkoplingselementene.

Skråstilte frakoplingskamflater 132, 134 strekker seg fra en andre overflate av den bakre manfoldplate 20. I den foretrukne utførelse er det to skråstilte frakoplingskamflater, som hver danner en bue ca 120° omkring den sentrale akse i manifoldplaten. I en foretrukket utførelse tilveiebringer hver skråstilte frakoplingskamflate en stigning på ca 12,7 mm over rotasjonen på 120° omkring den vertikale akse. For å løse ut koplingene, dreies den sentrale akse, slik at hver frakoplingskamfølger 131, 133 beveger seg opp én av frakoplingskamflatene. Dette presser den første eller bakre manfoldplate 20 bort fra den fremre manifoldplate, hvilket frigjør hann- og hunnkoplingselementene. Det kan velges hydraulikkoplinger som i det minste frigjøres i den utstrekning som er nødvendig for fullstendig å stenge deres tallerkenventilerl i den aksiale distanse som tilveiebringes av frakoplingskamflaten(e).

Fig. 2 viser den fremre og bakre manfoldplate etter at den sentrale aksel har blitt rotert ca 60°, og fig. 3 viser platene etter at den sentrale aksel har blitt rotert ca 120°.

I en foretrukket utførelse er anslagsstifter anordnet i de skråstilte kamflater ved deres ender. Når tilkoplingskamfølgerne 31, 33 når anslagsstiftene 50, 51, hindres ytterligere bevegelse av manfold- eller forbindelsesplatene, og koplingselementene holdes i den posisjon hvor de er fullstendig sammenkoplet, som vist på fig. 3. Når frakoplingskamfølgerne 131, 133 når anslagsstiftene 151,150, overføres følbar tilbakemelding via håndtaket 19 til dykkeren, som derved kan føle når håndtaket har blitt rotert tilstrekkelig til å løsgjøre hydraulikkoplingene.

Den foreliggende oppfinnelse kan brukes enten manuelt eller av en ROV, for å bevege overflatene av manifold- eller forbindelsesplatene sammen og bringe koplingene i inngrep, eller for å separere overflaten av manifold- eller forbindelsesplatene og løsgjøre koplingene. Den sentrale aksel roterer og presser platene sammen eller fra hverandre når én eller flere kamfølgere beveges 120° rundt den sentrale aksel, hvilket bringer hann- og hunnkoplingselementene sammen eller fra hverandre. Den foreliggende oppfinnelse kan brukes sammen med undervannshydraulikkoplinger av den type som er beskrevet i US patenter som eies av National Coupling Company, Inc., i Stafford, Tex.

Claims (10)

1. Forbindelsesplateenhet for undervannshydraulikk-koplinger,karakterisert vedå omfatte: (a) en første forbindelsesplate (20) som har en flerhet av hannhydraulikk-koplingselementer (42) montert til denne; den første forbindelsesplaten (20) har minst to skråstilte kam-flater (32, 34, 132, 134) på motstående overflater av denne; (b) en andre forbindelsesplate (21) i en avstand fra den første forbindelsesplaten (20), og med en flerhet av hunnkoplingselementer (41) montert på denne; og (c) en sentral aksling (35) som forløper mellom den første og den andre forbindelsesplaten, den sentrale akslingen (35) roterer om en akse som står perpendikulært på overflatene til den første og andre forbindelsesplaten, den sentrale akslingen har minst to kam-følgere (31, 33, 131, 133) nær en ende av denne, kamfølgerne er posisjonert til å ri på de skråstilte kam-flatene (32, 34, 132, 133) ved rotasjon av den sentrale akslingen, for å forandre avstanden mellom den første og andre forbindelsesplaten.

2. Forbindelsesplateenhet som angitt i krav 1, hvor de skråstilte kam-flatene (32, 34, 132, 134) danner buer på overflatene av den første forbindelsesplaten (20).

3. Forbindelsesplateenhet som angitt i krav 1 eller 2, hvor de begge kam-flatene danner buer på ca. 120° i forhold til overflaten til den første forbindelsesplaten.

4. Forbindelsesplateenhet som angitt i et hvilket som helst krav 1 til 3, hvor den andre forbindelsesplaten (21) inkluderer en sentral muffe (17) som den sentrale akslingen (35) strekker seg gjennom, og den sentrale akslingen har minst én flens (16) for å begrense aksial bevegelse av den sentrale akslingen (35) i forhold til den andre forbindelsesplaten (21).

5. Forbindelsesplateenhet som angitt i et hvilket som helst krav 1 til 4, omfattende fire skråstilte kam-flater (32, 34, 132, 134) og fire kam-følgere (31, 33, 131, 133).

6. Forbindelsesplateenhet som angitt i et hvilket som helst krav 1 til 5, hvor kam-følgerne (31, 33, 131, 133) er innfestet til armer som er posisjonert på den sentrale akslingen (35).

7. Forbindelsesplateenhet som angitt i et hvilket som helst krav 1 til 6, videre omfattende minst én styrepinne (40) som strekker seg fra overflaten av én av forbindelsesplatene (20, 21), og minst én åpning (39) i den andre forbindelsesplaten for innsetting av styrepinnen (40) i denne.

8. Forbindelsesplateenhet som angitt i et hvilket som helst krav 1 til 7, omfattende: (a) et par av skråstilte kam-flater (32, 34) på en første overflate av den første forbindelsesplaten (20), idet hver av de skråstilte kamflater danner en bueformet bane langs den første overflaten av den første forbindelsesplaten (20); (b) et par av skråstilte kam-flater (132, 134) på en andre overflate av den første forbindelsesplaten (20), idet hver av de skråstilte kam-flatene (132, 134) danner en bueformet bane langs den andre overflaten av den første forbindelsesplaten; (c) den sentral akslingen (35) har i en ende en første arm (36) tilstøtende den første overflaten til den første forbindelsesplaten (20) og en andre arm i en avstand fra den første armen (36) tilstøtende den andre overflaten til den første forbindelsesplaten (20), den sentrale akslingen (35) har minst én flens (16) tilstøtende overflaten til den andre forbindelsesplaten (21), hvilken hovedsakelig hindrer aksial bevegelse av den andre forbindelsesplaten (21) langs aksen i den sentrale akslingen (35); og (d) et par av kam-følgere (31, 33) som er montert på den første armen (36) på den sentrale akslingen (35), og et par av kam-følgere (131, 133) som er montert på den andre armen på den sentrale akslingen (35), idet kam-følgerne (31, 33, 131, 133) er posisjonert til å ri på de skråstilte kam-flatene under aksial rotasjon av den sentrale akslingen (35), hvorved avstanden mellom overflatene på den første og andre forbindelsesplaten kan varieres.

9. Forbindelsesplateenhet som angitt i et hvilket som helst krav 1 til 8, videre omfattende en muffe (17) som er innfestet til den andre forbindelsesplaten (21), gjennom hvilken den sentrale akslingen (35) forløper, hvor en flens (16) på den sentrale akslingen (35) ligger an mot muffen (17), for å blokkere aksial bevegelse av den andre forbindelsesplaten i forhold til den sentrale akslingen.

10. Forbindelsesplateenhet som angitt i et hvilket som helst krav 1 til 9, hvor kam-flatene (32, 34, 132, 134) hver inneholder i minst en ende anslagsstifter (50, 51, 150, 151).