NO834865L - Tetningsanordning for fluid svivel-ledd - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en tetningsanordning for

et fluid svivel-ledd, og særlig et høytrykksvæske- og gass-svivel-ledd med en stor diameter. Slike svivel-ledd brukes vanligvis på offshore-lasteterminaler for olje og gasstankere.

Utviklingen av undervanns-petroleum og gassproduksjonssystemer innbefatter gjerne en flytende foredling- og lagertank med en viktig komponent som omfatter et høytrykks fluid svivel-ledd med flere kanaler. Fluid svivel-leddet innbefatter flere faste fluidkanaler eller rør som strekker seg nedover på innsiden av fluid svivel-leddet for å bringe gass, olje, luft,

vann eller andre fluider enten opp eller ned fra tanken. Flere koplinger er montert på utsiden av fluid svivel-leddet og er dreibare i forhold til leddet. Hver dreibar kopling har forbindelse, gjennom fluid svivel-leddet, med en av de faste fluidkanalene eller rørene. US-patent 2.894.268 og 3.590.407 viser en flytende terminal som benytter et prinsipp som har store likheter med systemet beskrevet ovenfor.

Et problem i forbindelse med et slikt fluid svivel-ledd er utførelsen av tetningene som må motstå det relativt høye trykket, ofte opp til 4,2 ganger 104 kPa, og samtidig muliggjørelrotasjonsbevegelsene i forbindelse med svivel-leddet. Tetningene som har blitt benyttet til mange av disse fluid svivel-leddene har vært V-formede flenstetninger som ofte gir store friksjonskrefter i svivelleddene når tetningene opptar de høye trykkene.

I tillegg kan de høye trykkene medføre at de relativt

bøyelige tetningsdelene presses inn i åpningene som de er konstruert til å tette. Tidligere kjente svivel-ledd har ofte blitt bygget opp av en ytterring som dreier om en innerring med radielle tetninger mellom. Høye innvendige trykk medfører ofte utbøying av ringene, noe som vil gi øket radiell klaringsåpning. Alminnelige tetningsmaterialer vil ikke tette denne åpningen effektivt hvis det opprettholdes fullt trykk på tetningen. Derfor har alminnelige tetningsmaterialer blitt for-

sterket med forskjellige elementer for å forsterke materialets fysiske fasthet med den hensikt å tette de radielle klaringsåpningene. Uheldigvis har de forsterkende elementene en til-bøyelighet til å gjøre materialsammensetningen mindre elastisk og gi materialet en slipeeffekt. Følgelig må en tetning dannet av disse sammensetningene ha høyere kontaktkraft for å få til en tetning. De'lite elastiske materialene har mindre evne til å tette mikrofordypningene i tetningsflaten, mot fluidlekkasje. Høyere kontaktspenning og bedre elastiske egenskaper! i for sterkningselementene i materialsammensetningen har en tilbøyelighet til å øke slitasjen i både tetningen og tetningsflaten, noe som ofte går utover tetningens egenskaper til å holde på trykket. For å løse problemene med utpressing av tetningsmaterialene i klaringsåpningen har det tidligere kjent også blitt benyttet utpresningshindrende rinqer av hard plast eller metall for å holde tetningselementene på plass og tette klaringsåpningen mellom ringene i et fluid svivel-ledd. Dess-verre har ikke disse konstruksjonene vist seg å være fullstendig tilfredsstillende.

Ifølge foreliggende oppfinnelse innbefatter et tett fluid svivel-ledd følgende: (a) første og andre tilliggende leddringer er dreibare i forhold til hverandre om en alminnelig senter lengdeakse og definerer' en sirkelformet klaringsåpning, slik at en dreie-bevegelse er mulig mellom den første og andre leddringen.

Den første ringen definerer et sirkelformet opptaksspor som

ligger nær opp til klaringsåpningen;

(b) en sirkelformet tetning montert i opptakssporet og tilpasset for å fungere som en fluidtetning mellom den første leddringen og den andre leddringen. Den sirkelform-

ede tetningen innbefatter en sirkelformet, fleksibel tetnings-

del og en relativ stiv sirkelformet utpressingshindrende ring som skal hindre den fleksible tetningsdelen fra å bli presset inn i klaringsåpningen av det eksisterende trykket over den sirkelformede tetningen,og innretninger som presser

den sirkelformede tetningsdelen mot en tilliggende tetningsflate på den andre ringen for å hindre at den nevnte fluid-tetningen presses inn mellom ringene.

I flere versjoner definerer svivelleddet en radiell tetnings-utforming med en sylindrisk formet klaringsåpning som.går symmetrisk rundt senterlengdeaksen. Andre alternative løsninger definerer svivelleddet en flatetetningsutforming med en radiell flat klaringsåpning tilvirket symmetrisk rundt senterlengdeaksen.

Vanligvis oppnås den ovenfornevnte forspenning ved hjelp av

en fjær montert i opptakssporet slik at den sirkelformede tetningsdelen spenner mot den nevnte tetningsflaten på

den andre leddringen.

I tillegg eller som et alternativ til fjæren kan det eksisterende trykket over tetningen opptre slik at den sirkelformede tetningsdelen presses mot tetningsflaten på den andre; leddringen og også hjelpe til å minimalisere den utpressede åpningen på tetningen.

I de medfølgende tegningene er komponentene angitt med alminnelige henvisningstall.

Fig. 1 viser et sidesnitt av en kjent type fluid svivel-ledd

med en radiell tetningsfasong;

fig. 2, 3, 5 og 7 viser snitt, henholdsvis av eksempel 1,

2, 3 og 4, av svivel-ledd-tetninger ifølge den foreliggende oppfinnelse; og

fig. 4 og 6 viser snitt av, henholdsvis eksempel 1 og 2,

av radiell fluid-ledd-tetninger ifølge den fore-

liggende oppfinnelse.

Fig. 1 viser en kjent type fluid svivel-ledd 10 med radielle fluidtetninger. Flere ikke dreibare fluidkanaler eller rør 12, med forskjellige diametre, går på innsiden av svivel-leddet.

vertikal til respektive forskjellige nivåer. Vanligvis frakter disse kanalene eller rørene gass, olje, luft, vann, eller andre fluider, med trykkområder opp til 4,2 x 10 4 kPa, enten opp til eller ned fra svivel-leddet 10. Det aller øverste nivået på fluid svivel-leddet kan tjene som eksempel f ori de andre nivåene, og innbefatter en forholdsvis fast innvendig leddring 14,og en dreibar ytre leddring 16. Den utvendige og ytre leddringen 14 og 16 definerer et mellomliggende sirkelformet fluid-grenrør 18. En av fluidkanalene 12 er koplet sammen ved hjelp av en kopling 19 gjennom den innvendige veggen på ring 14 til det sirkelformede fluid-grenrøret 18 og på samme måte går en kopling 20 (kun vist på noen av de nedre nivåene på fluid svivel-leddet) fra den ytre veggen av den ytre leddringen 16. Anordningen er slik at en fluidkanal vil strekke seg fra koplingen 20, gjennom fluid-grenrør 18, til en av de vertikale fluidkanalene 12, mens det også vil være mulig å dreie koplingen 20 og ytterleddringen 16 i forhold til den faste innvendige leddringen 14 og fluidkanal eller rør 12. De innvendige og ytre leddringene 14 og 16 har en alminnelig konsentrisk lengdeakse 21, og dreining av den ytre ringen 16 foregår også om denne akselen.

pe innvendige og ytre leddringene 14 og 16 definerer de mellomliggende små øvre og nedre sirkelformede klaringsåpningene 22 slik at relative rotasjonsbevegelser muliggjøres. Fig. 1 viser en radiell svivel-leddtetning der klaringsåpningen 22 stort sett danner en sylindrisk fasong. Klaringsåpningene 22 ut-styres med flere sirkelformede tetninger 24 for å tette fluid-grenrøret, mens også for å muliggjøre relative rotasjonsbevegelser .

Tidligere kjente fluid svivel-ledd benytter også en annen utforming på tetningsanordningen. Denne anordningen vises med stiplede linjer på det nest øverste svivelleddet, med stiplede linjer, på høyre side av fig. 1. Ved denne type tetning blir hvert fluid-grenrør definert med en øvre leddring og en underliggende leddring og den mellomliggende klarings åpningen 26 er en radiell plan åpning som strekker seg symmetrisk rundt den alminnelige senterlengdeaksen 21. I et fluid svivel-ledd med tetning er vanligvis øvre og nedre leddringer konstruert som adskilte integrerte deler, som er roterbare i forhold til hverandre. Flere sirkelformede tetninger 28 benyttes i den radielle plane åpningen 26 og disse tetningene har en lignende virkemåte som de sirkelformede tetningene 24 som tidligere beskrevet.

Med henvisning til fig. 2 dannes et fluid svivel-ledd mellom en øvre leddring 36 og en underliggende leddring 38 slik at det mellom disse ringene dannes en liten, plan, sirkelformet klaringsåpning 40. Et sirkelformet opptaksspor 42 er i forbindelse med åpningen 40 dannet rundt den øvre ringen 36 for å holde en sirkelformet tetningsdel på plass. Den tilpassede sirkelformede tetningen innbefatter en sirkelformet, myk tetningsdel 44 som skal danne en fluidtetning mellom de relativt bevegelige ringene 36, 38 og en relativt stiv utpressingshindrende ring 46. Den utpressingshindrende ringen 46 har et L-formet tverrsnitt hvor tetningsdelen 44 plasseres i ut-sparingen som er dannet mellom de to benene i ringen. Den utpressingshindrende ringens funksjon er å hindre den myke tetningsdelen 44 fra å bli presset inn i klaringsåpningen 40 av den relativt høye trykkforskjellen i fluidet som fore-kommer over tetningen. Et sirkelformet opptaksspor 51 i ytter-delen av den utpressingshindrende ringen 46 er forsynt med en O-ringstetning 48 for å fremskaffe en relativt statisk tetning mellom den utpresningshindrende ringen 46 og tverr-veggen i det sirkelformede sporet 42.

Spiral trykkfjærer 50 er plassert med lik avstand rundt peri-ferien av den utpressingshindrende ringen, som står sammen-presset mellom den øvre veggen i opptakssporet og den øvre flaten i den utpressingshindrende ringen, slik at den utpressingshindrende ringen er forspent sammen med den underliggende tetningsdelen 44 som ligger mot den relativt plane øvre tetningsflaten i den underliggende ringen 38, slik at en lavtrykks tetning vil fremkomme. Trykkforskjellen over tetningen medvirker også til denne sammenpressingen, etter-som det relativt høye innvendige fluidumtrykket i gren-røret 18 er tilgjengelig gjennom åpningen 40 og en klaringsåpning mellom de innvendige sidene på tetningen 44 og den utpressingshindrende ringen 46 og den innvendige siden i sporet 42 slik at det høye innvendige trykket overføres til den øvre flaten i den utbøyingshindrende ringen 46. Det vil eksistere en relativt liten klaringsåpning 52 mellom den nederste kanten på den utpressingshindrende ringen 46 og den øvre tetningsflaten på den underliggende ringen 38, slik at det høye trykket som eksisterer over den utpressingshindrende ringen vil presse tetningen 44 fast i mot den øvre tetningsflaten i den underliggende ringen 38. Forklart på en annen måte vil forskjellen i diameteren i flatetetningen på den nedre kanten av tetningsdelen 44 og O-ring tetningen 48 fremskaffe et sirkelformet stempelareal som vil tvinge den utpressingshindrende ringen ned mot den øvre tetningsoverflaten på den underliggende ringen 38. Den nedovervirkende kraften på den utpressingshindrende ringen 46 vil fremkomme både av trykkforskjellen og fjærene 50, som vil presse ned tetningsdelen 44 slik at tetningsåpningen 52 minimaliseres eller elimineres og dermed effektivt hindrer tetningen 44 fra å bli presset inn i åpningen 52.

Tetningsdelen 44 innbefatter et V-formet, konkavt spor på den innvendige siden langs den sirkelformede lengden, hvilke også vil bidra til å dra nytte av trykkforskjellen som eksisterer mellom den nedre flaten på V-sporet og den nedre flate på tetningsdelen 44,slik at tetningsdelen 44 presses fast mot den øvre tetningsplaten på den underliggende ringen 38, noe som vil gi en effektiv tetning.

Tetningskonstruksjonen, vist i figur 2, frembringer også en fritt flytende sirkelformet tetning som vil være istand til å kompensere for begrensede variasjoner i klaringsåpningen 40. Som vist i figur 2 eksisterer det en begrenset klaring mellom den øvre delen av den utpressingshindrende ringen 46 og den øvre delen av det sirkelformede sporet 42 som tillater en begrenset vertikal bevegelse av den utpressingshindrende ringen sporet, slik at variasjoner i klaringsåpningen kan kompenseres. Denne begrensede bevegelsen vil ikke ha noen vesentlig virkning på tetningsåpningen.

Figur 3 viser en annen versjon der en trykkpåvirket, lav-friksjon, roterende tetningsdel 54 er fremstilt med en inte-grert utpressingshindrende ring 56. Tetningsdelen 54 er definert av en sirkelformet mykt legeme som er utstyrt med

et sirkelformet spor 60, i den ytre delen, der en O-r ing kan monteres i slik at det fremkommer en relativt statisk tetning mellom tetningsdelen 54 og den ytre tverrsiden på det sirkelformede opptakssporet 42. På tilsvarende måte som versjonen i figur 2, står spiraltrykkfjærer 50 i spenn mellom den øvre veggen i opptakssporet 42, og den øvre flaten i tetningsdelen 54 slik at den nedre delen av tetningen 54 står i spenn mot den øvre tetningsflaten i underliggende ring 38, slik at det frembringer en lavtrekkstetning. Trykkforskjellen over tetningen presser også den nedre delen av tetningen 54 mot den øvre tetningsflaten i underliggende ring 38. På tilsvarende måte som versjonen i figur 2 dannes et sirkelformet stempelareal av forskjellen på tetningsdiameterne mellom 0-ringtetningen 58 og kontaktflaten på tetningsdelen 54, som frembringer et nedovervirkende trykk som presser

den nedre delen av pakning 54 mot den øvre tetningsflaten på den underliggende ringen 38.Differensialtrykkraften på den sirkelformede tetningen bestemmer i en begrenset grad friksjonskreftene mellom tetningsdelen 54 og den underliggende ringen 38 og tetningsdiameterne kan velges slik at disse friksjonskreftene minimaliseres uten at det går ut over fluidtettingen. Versjonen i figur 3 frembringer også en

fritt flytende sirkelformet tetning som fungerer på tilsvarende måte som versjonen i figur 2.

Figur 4 viser et fluidsvivelledd med en radiell tetning som innbefatter fritt flytende deler for å kompensere for pro-blemer med hensyn til eksentrisitet, noe som muligens vil bryte med en radiell tetning. Tidligere kjente tetninger fungerte stort sett tilfredsstillende, i fluidsvivelledd med radielle tetninger, så lenge som inner- og ytterleddringene forblir konsentriske. Likevel vil en liten eksentrisitet i inner- og ytterleddringene ofte medføre at den utpressingshindrende ringen av plast knekkes eller ødelegges såpass at<1>den ikke lenger er effektiv. På den annen side kan metall-utpressingshindrende ringer ødelegge tetningsflaten på de innvendige og de ytre ringene hvis ringene blir eksentriske. Derfor vil eksentrisitet ofte medføre ujevn radiell belast-ning av tetningene, noe som kan gi en uheldig virkning på tetningen eller medføre ujevn tetningsslitasje som igjen medfører for tidlig tetningssammenbrudd. De her beskrevne versjoner, særlig med henvisning til figur 4, har til hensikt å kompensere for eksentrisitet i de innvendige og ytre leddringene, og for å hindre uønsket utpressing av tetningen inn i klaringsåpningen.

Med henvisning til figur 4 innbefatter svivelleddet en innvendig leddring 64 og en utvendig leddring 66, med en mellomliggende radiell klaringsåpning 68. En tette-holdering 70 holdes på plass av boltene 72 (kun én bolt vises på tegningen) og en O-ring-tetning 74 er tetting'mellom de to delene. Tetnings-holderingen 70 og ytterringen 66 definerer sammen en sirkelformet tetningsopptaksspor 76 som står i forbindelse med klaringsåpningen 68. En sirkelformet tetning innbefatter en sirkelformet myk tetningsdel 78, og en L-formet utpressingshindrende ring 80 på samme måte som i versjonen i figur 2.

Den underliggende flaten på den utpressingshindrende ringen 80 er et sirkelformet spor 82 som holder på en O-ring 84 slik at det frembringes en tetning mellom den utpressingshindrende ringen 80 og tetningsholderingen 70. Den fr ittflytende utpressingshindrende ringen 80 er adskilt fra innerledd-ringen 64 med en relativt liten tetning-utbøyingsåpning 86.

Ved bruk blir det innvendige trykket overført gjennom klaringsåpningen 68 (over radielltetningen 78) og den utpressingshindrende ring 80 til utsiden av den utpressingshindrende ringen, slik at trykket over tetningen tvinger den I utpressingshindrende ringen mot den ytre flaten på innerring 64. Følgelig reagerer denne anordningen på en måte tilsvarende versjonen i figur 2. Ytterligere tilveiebringes en klaring mellom den ytre diameteren på opptakssporet 76 for tetningen som tillater begrensede eksentriske, horisontale bevegelser i ytterring 66 i forhold til den innvendige ringen 64 uten å virke hindrende hverken på utbøyingsåpningen 86 eller radiellbelastningen på tetningselementet 78.

Figur 5 viser en versjon av et fluidsvivelledd med en tetning som har et lignende grunntrekk som versjonen i figur 4. Den øvre leddringen 36 har et tetning-opptaksspor 88, der

et tetningselement 90 er montert, og en L-formet utpressingshindrende ring 92 med et sirkelformet spor 94 i ringens flate,, der en O-ring 96 er montert for å tette mellom den utpressingshindrende ringen og den under-

liggende ringen 38.Under_bruk vil trykket overmet-

ningen tvinge den utpressingshindrende ringen nedover mot den øverste flaten i den underliggende leddringen 38 slik at de to delene holdes på plass i forhold til hverandre. Dreiing av den øvre leddringen 36 medfører at den beveger

seg i forhold til tetningsdelene, slik at tetning-opptakssporet 88 roterer i forhold til tetningselementene. Trykkforskjellen over tetningen vil også tvinge den utvendige flaten på tetningselementet 90 mot ytterveggen av opptakssporet 88. Denne versjonen virker som en mellomting mellom

en flatetetning og en radiell tetning. Enda den er formet som en flatetetning, har den dynamiske tettingen mellom tetningselementet 90 og den ytre veggen i tetnings-opptakssporet 88 de samme grunntrekk som en radiell tetning.

Figur 6 viser en radiell fluidsvivelledd tetningsanordning med flere deler som innbefatter en hovedtetningsdel 98, en sekundær tetningsdel 100, og en utpressingshindrende ring 102. Hovedtetningsdelen 102 har samme tetningsfunksjon som tetningselementene 44, 54, 78 og 90, og er tilvirket av et materiale som har fremragende tetningsegenskaper. For eksempel gummi eller teflon som har høy elastisitet men lav fasthet. Tetningens hovedfunksjon er å fremskaffe en fluidtetning mot den ytre veggen i ring 64. Den sekundære tetningsdelen 100 er fremstilt av et materiale med dårligere tetningsegenskaper og større fasthet enn hovedtetningsdelen. Hensikt-en med den sekundære tetningsdelen er først og fremst å

hindre utpressing av hovedtetningen 98, men den sekundære tetningsdelen skal også virke som en reservetetning i det tilfelle hovedtetningen lekker. Den utpressingshindrende ringen 102 virker på samme måte som de utpressingshindrende ringene 46, 54, 70 og 92, og kan fremstilles av et materiale med stor fasthet, enten metall eller ikke-metall, og som stort sett har små eller ingen tetningsegenskaper. Den utpressingshindrende delen har til oppgave å tette den radielle klaringsåpningen og hindre utpressing av den sekundære<p>g primære tetningen.

Den primære tetningen 98, sekundære tetningen 100 og den utpressingshindrende ringen 102 har et periferispor., henholdsvis 104, 106, og 108, dannet i de underliggende flatene, der O-ringene 110, 112 og 114, er satt på plass for å frembringe tetninger mellom henholdsvis den primære og sekundære tetningen, den sekundære tetningen og den utpressingshindrende ringen, og den utpressingshindrende ringen og ringen som holder på tetningen. O-ringstetningene tillater relativ bevegelse mellom tetningskomponentene uten at det oppstår trykktap. De ytre periferifjærenel116, hvilke kan være spiralfjærer, er anbragt i periferispor Irundt delene 98, 100 og 102, slik at hver av dem kan presses tett sammen med den ytre veggen på den innvendige ringen 64. Trykket som fremkommer over tetningen blir opprettholdy av O-ringene 110, 112 og 114 og vil også presse delene, særlig delene 100 og 102, mot den ytre veggen på den innvendige ringen.

Figur 7 viser formen på en tetning som kan sammenlignes med den radielle utformingen i figur 6. Utformingen av flatetetningen innbefatter en primær tetning 118, en sekundær-tetning 120 og en utpressingshindrende ring 122, som tettes av henholdsvis O-ringene 124, 126 og 128. Delene 118, 120 og 122 presses mot den øvre flaten på den underliggende

ringen 38 ved hjelp av flere fjærer 130, 132 og 134. Disse bladfjærene kan bøyes som vist eller det kan anvendes andre passende typer fjærer. Trykket over tetningen vil

også hjelpe til å presse delene, særlig 120 og 122, mot den øvre flaten på den underliggende ringen.

Claims (10)

1. En tetningsanordning for fluidsvivelledd, karakterisert ved a) første og andre tilliggende leddringer som er roterbare i forhold til hverandre om en alminnelig senterlengdeakse og definerer en sirkelformet klaringsåpning mellom ringene som gir mulighet for en relativ rotasjonsbevegelse mellom den første og andre leddringen, der den første ringen definerer et tilliggende sirkelformet tetning-opptaksspor til klaringsåpningen; b) en ringformet tetning montert i det sirkelformede tetningsopptaksspor et og tilpasset for å frembringe en fluidtetning mellom den første leddringen og den andre leddringen, der den sirkelformede tetningen innbefatter en sirkelformet fleksibel tetningsdel og en relativt stiv sirkelformet utpressingshindrende ring som skal hindre den fleksible tetningsdelen fra å bli ødelagt i klaringsåpningen av trykket som fremkommer i fluiden over den sirkelformede tetningen, og innretninger som presser den sirkelformede tetningsdelen mot en tilliggende tetningsflate på den andre ringen for å holde tetningen på plass mellom ringene.

2. Et ledd ifølge krav 1, karakterisert ved forspenningsinnretninger som innbefatter fjærinnret-ninger plassert i tetnings-opptakssporet for å tvinge den sirkelformede tetningsdelen mot tetningsflaten på den andre leddr ingen.

3. Et ledd ifølge krav 2, karakterisert ved fjær innretninger som ligger mot den utpressingshindrende ringen og presser den utpressingshindrende ringen mot den sirkelformede tetningsdelen for å tvinge tetningsdelen mot tetningsflaten på den andre leddringen.

4. Et ledd ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved forspenningsinnretninger som gjør bruk av fluidtrykket som som eksisterer over den sirkelformede tetningen.

5. Et ledd ifølge krav 4, karakterisert ved at trykket virker på den utpressingshindrende ringen og presser den utpressingshindrende ringen mot den sirkelformede tetningsdelen for å tvinge tetningsdelen mot tetningsflaten på den andre leddringen.

6. Et ledd ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at sirkelformede tetningsdeler fremstilles med et sirkulært V-formet spor.

7. Et ledd ifølge krav 6, karakterisert ved at V-formet spor i den sirkelformede tetningsdelen som står i forbindelse med klaringsåpningen.

8. Et ledd ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved utpressingshindrende ringer med L-formet tverrsnitt og sirkelformede tefeningsdeler montert mellom benene på den utpressingshindrende ringen.

9. Et ledd ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved sirkelformet tetning som innbefatter en sirkelformet sekundær tetningsdel plassert mellom den fleksible tetningsdelen og den utpressingshindrende ringen.

10. Et ledd ifølge krav 9 og O-r inger plassert mellom den fleksible tetningsdelen og den sekundære tetningsdelen, og mellom den sekundære tetningsdelen og den utpressingshind-drende ringen.