NO315873B1 - Hydraulisk kopling med trykkutligningsventil - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår generelt hydrauliske koplinger, og særlig hydrauliske koplinger som anvendes ved undervannsboring og -produksjon. Nærmere bestemt gjelder denne oppfinnelse en hydraulisk kopling med en trykkutligningskanal og -ventil i muffe-koplingslegemet, som slipper sjøvann inn i ringrommet mellom plugg- og muffe-koplingsdelene.

Hydrauliske undervannskoplinger er tidligere kjent. Som eksempel kan nevnes US 4 813 454.

Koplingene består generelt av en pluggdel og en muffedel som er innbyrdes forbundet via avtettete fluidpassasjer. Muffedelen er generelt et sylindrisk legeme med en langsgående boring med forholdsvis stor diameter ved én ende og en langsgående boring med forholdsvis liten diameter ved den andre. Den lille boring letter tilkopling til hydraulikkiedningen, mens den store boring avtetter og danner forskyvbart inngrep med koplingens pluggdel. Pluggdelen innbefatter et sylindrisk parti ved en ende med en ytterdiameter tilnærmet lik diameteren til den store boring i koplingens muffedel. Puggdelen innbefatter også en forbindelse ved sin andre ende for å tette tilkopling til hydraulikkledninger. Når pluggdetens sylindriske parti innføres i den store boring i muffedelen, ifølge forskjellige utfø-ringsformer av anordningen, opprettes fluidstrømning mellom plugg- og muffedelene. Koplinger av denne type er kjent fra US patent nr. 4 694 859 til Robert E. Smith III, og andre patenter som eies av National Coupling Company, Inc. i Stafford, Texas.

Ved anvendelse i forbindelse med boring og produksjon, kan koplings-pluggdelen forbindes med en manifoldplate eller annen befestigelse ved et under-vannssted ved innsiden eller utsiden av borehullet. I mange tilfeller blir pluggdelene plassert slik at enden eller den fremre flate på hver del vender opp fra sjø-bunnen. Muffedelene, som også kan festes til en manifoldplate, beveges i posi-sjon over pluggdelene og senkes så ned på pluggdelene ved hjelp av en dykker eller et undervannsfartøy. Når muffedelene plasseres på pluggdelene, skjer hydraulisk fluidstrømning typisk fra muffedelen til pluggdelen hos hver kopling. I en-kelte tilfeller har bare koplingens muffedel en tallerkenventil.

Tallerkenventilen omfatter typisk en konisk ventilflate som i den lukkete stilling stenger mot et ventilsete i koplingsdelen. Tallerkenventilen åpner for å tillate fluidstrøm, og lukker mot ventilsetet i boringen for å stoppe strømmen. Tallerkenventilen er generelt fjærpåvirket til stengt stilling. Ventilen kan omfatte en ventilaktuator som kan være en nese eller spindel som strekker seg fra ventilflatens toppunkt langs tallerkenventilens lengdeakse.

Hydrauliske koplinger av ovennevnte art blir sammenkoplet og frakoplet mens de er under vann. I nød-situasjoner, f.eks. stormer, orkaner etc, må koplingsdelene hurtig kunne koples fra hverandre, og én av koplingsdelene, typisk muffedelen, fjernes fra undervannsstedet. Når pluggdelen trekkes ut fra muffedelens store sentrale boring, dannes det et lavtrykksområde eller -vakuum i boringen. Når pluggdelens endeflate passerer midtpunktet til elastomertetningen i boringen i muffedelen, har tetningen ikke lenger pluggdelens yttervegg til hjelp for å holde tetningen i dens spor. På dette punkt, kan vakuumsuget og sjøvannets hydrauliske trykk som søker å komme forbi elastomertetningen, implodere tetningen ut av sporet og inn i ringrommet mellom plugg- og muffedelene. Vakuumet øker også vanskeligheten ved manuell fråkopling av pluggdelen fra muffedelen. Denne motstand mot frakoping på grunn av vakuum, forstørres når flere koplinger og manifoldplater frakoples.

Foreliggende oppfinnelse dreier seg om en hydraulisk undervannskopling av ovennevnte art, innbefattende plugg- og muffedeler for innbyrdes f l<y>dforbin-delse med en trykkutligningskanal og -ventil i muffedel-legemet. Når innvendig trykk er større enn sjøtrykk, lukker ventilen og tetter for å hindre tap av innvendig hydraulikkfluid. Når innvendig trykk i hydraulikkfluid i systemet minskes til mindre enn sjøtrykket, åpner sjøtrykket ventilen og slipper sjøvann inn i ringrommet mellom koplingsdelene. Ventiltrykket utligner tetningene mellom delene for å hindre implosjon av tetningene når pluggdelen fjernes fra muffedel-boringen. Ventilen virker som en vakuumbryter for å hindre at det dannes et vakuum i ringrommet mellom delene når pluggdelen fjernes fra muffedel-boringen. Foreliggende oppfinnelse minsker også den nødvendige kraft for å fjerne pluggdelen fra muffedel-boringen. Ventilen ifølge foreliggende oppfinnelse er fortrinnsvis en kuleventil som er fjærspent til lukket stilling mot et ventilsete. Fig. 1 viser et snitt gjennom plugg- og muffekoplingsdelene ifølge en første utføringsform av foreliggende oppfinnelse, hvor pluggdelen er delvis fjernet fra muffedel-boringen. Fig. 2 viser et snitt gjennom kuleventilen ifølge en foretrukket utføringsform av foreliggende oppfinnelse. Fig. 3 viser et perspektivriss av en muffedel ved en kopling ifølge foreliggende oppfinnelse, med hoveddelen delvis avskåret. Fig. 4 viser et snitt gjennom en kuleventil ifølge en annen utføringsform av foreliggende oppfinnelse.

En foretrukket utføringsform av foreliggende oppfinnelse omfatter en pluggdel 10, en muffedel 20 og fluidkanaler som danner fluidforbindelse mellom pluggdelen og muffedelen. Når pluggdelen er innført i muffedelens opptakskammer 23, opprettes fluidkommunikasjon mellom delene når tallerkenventilenes 40 og 55 aktuatorer begge er innkoplet.

Fig. 1 er et snitt av plugg- og muffekoplingsdelene, som viser pluggdelen delvis innført i muffedelen. Som vist i fig. 1 omfatter pluggdelen 10 en sonde 11 med en langsgående gjennomløpende boring 12 og en tallerkenventil 40 som er forskyvbart opptatt i boringen. Pluggdelen omfatter også en skulder 14 og et håndtak 13 som eventuelt er gjenget eller på annen måte forbundet med en manifoldplate. Pluggdel-boringen 12 har en gjenget seksjon 15 for forbindelse med hydraulikkledninger.

Tallerkenventilen 40 omfatter fortrinnsvis en ventilflate 42 og en ventilaktuator 41 som strekker seg fra ventilflate-spissen. Ventilflaten tetter mot et sete i pluggdel-boringen 12 nær pluggdelens fremre flate 16. Tallerkenventilen tvinges til lukket stilling ved hjelp av ventilfjæren 44. Ventilfjæren 44 er plassert mellom ventilen 40 og holder 38. Holderen 38 omfatter fortrinnsvis en innvendig kanal og er forankret i pluggdel-boringen 12 ved hjelp av en holder-låsering 39.

Muffedelen 20 omfatter et legeme 21, en sentral boring 22, en tallerkenventil 55 og et opptakskammer 23 som forskyvbart kan oppta pluggdelen. Tallerkenventilen 55 er hovedsakelig pluggdelens tallerkenventil 40 og omfatter en konisk ventilflate 52 og en ventilaktuator 51 som strekker seg derfra, en ventilfjær 54 som tvinger tallerkenventilen 55 til lukket stilling, en holder 68 og en holder-låsering 69. Når pluggdelens ventilaktuator 41 kontakter muffedelens ventilaktuator 51, vil de gjensidig innkoplete tallerkenventiler åpne for å tillate fluidpassasje mellom plugg-og muffekoplingsdelene. Ved en ende av muffedel-legemet er det et gjenget håndtak 27 for tilkopling til manifoldflater og liknende. Muffedel-boringen 22 er også utstyrt med en gjenget seksjon 24 for tilkopling til hydraulikkledninger.

I en foretrukket utføringsform har opptakskammeret 23 minst én rundtlø-pende skulder som kan brukes til å plassere en tetning og tetningsholder. I utfø-ringsformen ifølge fig. 1 er den rundtløpende skulder 28 beliggende mellom opptakskammeret og en hul, ringformet metalltetning 29 er plassert på skulderen. Tetningen 29 har et innvendig hulrom som er ekspanderbart som reaksjon på hyd-raulikk-fluidtrykk for radiell tetning mellom opptakskammeret og sonden 11. For å holde tetningen 29 på plass ved fråkopling av plugg- og muffekoplingsdelene, er tetningsholderen 31 innført i muffedelen. I utføringsformen på fig. 1 ertetnings-holderen 31 en hylseformet del med en ytterdiameter som er dimensjonert for inn-skyving i opptakskammeret og en innerdiameter som er dimensjonert for å oppta sonden 11 derigjennom. Tetningsholderen 31 holdes på plass med en holder-låsedel 30 som er innskrudd i opptakskammeret. Alternativt kan holder-låsedelen omfatte en låsering for å holde tetningsholderen på plass. Tetningsholderen kan brukes for aksiell sammentrykking av den radielle metalltetning 29, idet slik aksiell sammentrykking tvinger metalltetningens indre omkrets innad mot sonden 11. Tetningsholderen 31 ligger an mot en ringformet skulder 26 i opptakskammeret. En O-ring eller elastomertetning 25 kan brukes som en støttetetning mellom holderen 31 og skulderen 26.

I utføringsformen på fig. 1 er elastomertetningen 32 plassert mellom tetningsholderen 31 og holder-låsedelen 30. Som vist har elastomertetningen 32 et svalehale-tverrsnitt som passer inn mellom tetningsholderen 31 og tetnings-låsedelen 30 for å hjelpe til å hindre implosjon av tetningen inn i opptakskammeret når pluggdelen fjernes derfra. Elastomertetningen 32 tetter radielt mot sonden 11.

Trykkutligningskanalen strekker seg mellom opptakskammeret og muffedel-legemets utvendige overflate. Trykkutligningsventilen i kanalen er fortrinnsvis en

kuleventil omfattende kule 61 og fjær 59 for å tvinge kulen mot setet 63. Kuleventilen er således fjærbelastet mot lukket stilling. I utføringsformen ifølge fig. 1 omfatter trykkutligningskanalen en radiell kanal 56 som strekker seg utad fra opptakskammeret og er forbundet med en langsgående kanal 58. Setet 63 har en gjenget ytterdiameter for befestigelse til muffedel-legemet og omfatter en innvendig kanal 62. En fjær 59 ligger fortrinnsvis an mot en skulder 60. Når innvendig

trykk i koplingen kombinert med kraften fra fjæren 59 er større enn sjøtrykket, forblir kulen 61 lukket mot setet 63, for derved å hindre tap av innvendig fluid. Når innvendig trykk i koplingen og fjærkraften er mindre enn sjøtrykket, tvinger dette kulen bort fra setet og slipper sjøvann inn i ringrommet mellom pluggdelen og muffedelen.

Den foreliggende oppfinnelse utligner trykket i koplingen og hindrer implosjon av tetningen når pluggdelen fjernes fra muffedel-boringen. Som vist i fig. 1 er ventilene lukket når pluggdelen er delvis uttrukket fra opptakskammeret, samtidig som pluggdelen forblir avtettet mot opptakskammeret ved hjelp av tetningene 29 og 32. Dette medfører et lavtrykksområde i opptakskammeret nær pluggdelens fremre flate. Med foreliggende oppfinnelse overskrider imidlertid utvendig trykk av sjøvann det innvendige trykk og fjærkraften, hvorved kuleventilen åpnes slik at lavtrykksområdet mottar sjøvann for trykkutligning av koplingen. Fig. 2 viser et forstørret snitt avtrykkutligningsventilen ifølge en foretrukket utføringsform. Som vist i fig. 2 lukker kulen 61 mot setet 63 for å blokkere kanalen 62. Fig. 3 viser koplings-muffedelen med ytre holder 30, elastomer-svalehale-tetning 32, holderhylse 31, O-ring 25, og trykkaktivert metalltetning 29, som alle kan innføres i opptakskammeret i muffedelen. I fig. 3 er det også vist en radiell kanal 56, en langsgående kanal 58 og kuleventilenhetens komponenter, innbefattende kule 61, fjær 59 som ligger an mot skulder 60, og sete 63. Kanalen 56 er fortrinnsvis boret inn i muffelegemet 21 og er avtettet med en plugg 57. Fig. 4 viser en andre eller alternativ utføringsform av foreliggende oppfinnelse hvor trykkutligningskanalen er en radial kanal 75 mellom opptakskammeret og muffedel-legemets ytre omkrets. Kuleventilen omfatter en kule 72 som tetter mot et sete 73 for å blokkere kanalen 74. En ventilfjær 71 ligger an mot en skulder 70. I denne utføringsform strømmer fluid i opptakskammeret inn gjennom trykkutligningskanalen i en radiell retning.

Trykkutligningsventilen ifølge foreliggende oppfinnelse virker som en vakuumbryter for å hindre et vakuum i opptakskammeret når pluggdelen fjernes fra muffedelen. Oppfinnelsen minsker den kraft som er nødvendig for å fjerne pluggdelen fra muffedelen, særlig i undervannsforhold og/eller der flere koplingsdeler samtidig frakoples. Oppfinnelsen ifølge foreliggende oppfinnelse kan benyttes eller innbefattes i praktisk talt enhver kopling som har elastomer- eller metalltet-ninger eller eventuelle kombinasjoner av slike, men er mest fordelaktige i hydrauliske undervannskoplinger av ovennevnte art.

Selv om varianter av utføringsformen av foreliggende oppfinnelse ikke alle vil realisere fordelene ved oppfinnelsen, kan visse trekk bli mer viktige enn andre i forskjellige anvendelser av anordningen. Oppfinnelsen skal følgelig forstås å være begrenset bare av omfanget av de medfølgende krav.

Claims (16)

1. Hydraulisk kopling, omfattende: (a) en muffedel (20) med en innvendig boring (22) og en i muffedelen innført, forskyvbar ventil (55) for styring av fluidstrøm gjennom muffedel-boringen, (b) en pluggdel (10) som kan innføres i muffedel-boringen og har en innvendig boring (12) som en forskyvbar ventil (40) er innført deri for styring av fluid-strøm gjennom pluggdel-boringen, (c) minst én tetning (29) som er utformet for å danne en fluidtett tetning mellom muffedel-boringen og pluggdelen, og (d) en trykkutligningskanal (56, 58) som strekker seg mellom muffedel- boringen og en utvendig overflate på muffedelen, karakterisert ved en i kanalen anordnet ventil (61) som er forspent til den lukkete stilling og som kan åpnes som reaksjon på at trykk ved muffedelens utvendige overflate overskrider ventilens forspenningskraft og innvendig trykk i muffedel-boringen.

2. Hydraulisk kopling ifølge krav 1, karakterisert ved at trykkutligningsventilen omfatter en kuleventil (61), et ventilsete (63), og en fjær (59) for å tvinge kuleventilen til å tette mot setet.

3. Hydraulisk kopling ifølge krav 1, karakterisert ved at tetningen (29) omfatter en ringformet trykkaktivert, hul metalltetning.

4. Hydraulisk kopling ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter en holder (31) for å holde tetningen på plass ved fraskilling av pluggdelen fra muffedelen.

5. Hydraulisk kopling ifølge krav 4, karakterisert ved at holderen omfatter en hylsedel (31) som er utformet til å gli inn i muffedel-boringen og en låsedel (30) som kan bringes i inngrep med muffedelen for å holde hylsedelen i muffedel-boringen.

6. Hydraulisk kopling ifølge krav 1, karakterisert ved at trykkutligningskanalen omfatter en første radiell kanal (56) som strekker seg utad fra muffedel-boringen, og en andre langsgående kanal (56) som strekker seg mellom den første radielle kanal og en ende av muffedelen.

7. Muffedel til en hydraulisk undervannskopling, omfattende: (a) et legeme (20) med en første ende, en andre ende, og en gjennomgående boring (22), (b) en i boringen anordnet første ventil (55) som er forspent til den normale lukkete stilling for å hindre fluidstrøm gjennom boringen, hvilken første ventil er forskyvbar mot den første ende av legemet i den åpne stilling som reaksjon på krefter som virker på den første ventil tilstrekkelig større enn forspenningen for å tvinge den første ventil lukket, (c) en trykkutligningskanal (56, 58) som danner forbindelse mellom boringen ved et punkt mellom ventilen og den andre ende av legemet, karakterisert ved(d) en andre ventil (61) i trykkutligningskanalen, og forspenningsmidler for å forspenne den andre ventil til den lukkete stilling for å hindre fluidstrøm ut fra boringen gjennom kanalen, og tillate fluidstrøm inn i boringen gjennom kanalen når utvendig fluidtrykk ved den andre ende av legemet overskrider den samlete kraft av forspenningsmidlene og innvendig fluidtrykk i boringen.

8. Hydraulisk undervanns-muffekoplingsdel ifølge krav 7, karakterisert ved at den andre ventil (61) er en kuleventii.

9. Hydraulisk undervanns-muffekoplingsdel ifølge krav 7, karakterisert ved at den omfatter minst én rundtløpende tetning (29) i boringen, og midler (31) for å holde tetningen i boringen.

10. Hydraulisk undervanns-muffekoplingsdel ifølge krav 7, karakterisert ved at den første ventil (55) er en tallerkenventil med en ventilaktuator (51).

11. Hydraulisk undervannskopling omfattende: (a) en muffedel (20) som har et legeme med en langsgående, gjennomgående boring (22), minst én innvendig rundtløpende skulder (28) mellom boringen, og en ventil (55) som er forskyvbar i boringen og forspent til å lukke mot et ventilsete i boringen, (b) minst én rundtløpende tetning (29) som kan innføres i boringen og plasseres på minst én rundtløpende skulder (28), (c) en tetningsholder (31) som kan bringes i inngrep med muffedelen for å holde den rundtløpende tetning på skulderen, (d) en pluggdel (10) som kan innføres i muffedelens langsgående boring har en fremre flate (16) og en ytre flate som tettende danner inngrep med den rundtløpende tetning deri under innføring i den langsgående boring, (e) en trykkutligningskanal (56, 58) som strekker seg mellom den langsgående boring og en ytterflate på muffedel-legemet, hvilken kanal er anordnet i muffedel-boringen slik at pluggdelen forblir tettende i inngrep med den rundt-løpende tetning uten blokkering av kanalen, karakterisert ved (f) en kuleventii (60) i trykkutligningskanalen, og forspenningsmidler (59) for å tvinge kuleventilen i lukket stilling uten at fluidtrykk på utsiden av muffedel-legemet overskrider den samlete kraft av forspenningsmidlene og fluid-trykket i den langsgående boring.

12. Hydraulisk undervannskopling ifølge krav 11, karakterisert ved at den rundtløpende tetning (29) omfatter en ringformet hul metalltetning.

13. Hydraulisk undervannskopling ifølge krav 11, karakterisert ved at den omfatter et tetningssete (63) som kan bringes til inngrep med trykkutligningskanalen.

14. Hydraulisk undervannskopling ifølge krav 11, karakterisert ved at tetningsholderen omfatter en hylseformet del (31) som kan forskyves i den langsgående boring og en låsedel (30) som er utformet til å holde den hyslefor-mete del i den langsgående boring.

15. Hydraulisk undervannskopling ifølge krav 11, karakterisert ved at den omfatter en langsgående boring (11) i pluggdelen og en ventil (40) som er forskyvbar i boringen og forspent til den lukkete stilling mot et ventilsete i boringen, idet ventilene i plugg- og muffedelene har gjensidig innkoplingsbare ventilaktuato-rer (41, 51) som er utformet til å tvinge ventilene åpne.

16. Hydraulisk undervannskopling ifølge krav 11, karakterisert ved at trykkutligningskanalen omfatter en første radiell seksjon (56) som er forbundet med en andre langsgående seksjon (58).