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Dokumentenidentifikation DE19535139A1 28.03.1996
Titel Unterwasser-Hydraulikkupplungselement
Anmelder National Coupling Co., Inc., Stafford, Tex., US
Erfinder Smith III, Robert E., Missouri City, Tex., US
Vertreter Glawe, Delfs, Moll & Partner, Patentanwälte, 80538 München
DE-Anmeldedatum 21.09.1995
DE-Aktenzeichen 19535139
Offenlegungstag 28.03.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.03.1996
IPC-Hauptklasse F16L 29/02
IPC-Nebenklasse F16L 37/28   F16L 17/00   
Zusammenfassung Unterwasser-Hydraulikkupplungselement mit im Winkel angeordneten Strömungsöffnungen (19), um zu verhindern, daß Bohrschutt in die Hydraulikleitungen eintreten kann, mit einer Ablaßöffnung (39), die es ermöglicht, daß eingeschlossenes Hydraulikfluid abgelassen werden kann, wenn die Kupplungsteile voneinander getrennt sind. Das Rohrventil in Kombination mit den im Winkel angeordneten Strömungsöffnungen trägt dazu bei, das Hydrauliksystem bei voneinander getrennten Teilen von Bohrschutt freizuhalten.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Hydraulikkupplungen und insbesondere Hydraulikkupplungen, die bei Unterwasserbohrungen und -produktionseinsätzen verwendet werden. Im einzelnen beinhaltet die vorliegende Erfindung ein Hydraulikkupplungselement mit Strömungsöffnungen, die so geformt sind, daß das Eintreten von Bohrschutt verhindert wird, und mit einem Entnahmedurchlaß zum Ableiten von in den Leitungen eingeschlossenem Hydraulikfluid beim Trennen der Kupplung.

Unterwasser-Hydraulikkupplungen sind seit langem bekannt. Die Kupplungen bestehen allgemein aus einem Steckteil und einem Aufnahmeteil mit abgedichteten Fluiddurchlaßwegen, die zwischen beiden Teilen verbunden sind. Das Aufnahmeteil hat im allgemeinen einen zylindrischen Körper mit einer Längsbohrung mit relativ großem Durchmesser am einen Ende und einer Längsbohrung mit relativ kleinem Durchmesser am anderen Ende. Die kleine Bohrung erleichtert den Anschluß von Hydraulikleitungen, während die große Bohrung das Steckteil der Kupplung abdichtet und verschiebbar aufnimmt. Das Steckteil hat an einem Ende einen zylindrischen Abschnitt, dessen Außendurchmesser ungefähr gleich dem Durchmesser der großen Bohrung des Aufnahmeteils ist. Das Steckteil hat an seinem anderen Ende auch einen Anschluß, um das Anschließen an Hydraulikleitungen zu erleichtern. Wenn der zylindrische Abschnitt des Steckteils in die große Bohrung des Aufnahmeelements eingesetzt wird, wird gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Vorrichtung zwischen dem Steckteil und dem Aufnahmeteil ein Fluidstrom errichtet.

Kupplungen dieser Art sind in der US-PS 4,694,859 und anderen Patenten der Anmelderin offenbart.

Bei Unterwasserbohrungen und Produktionseinsätzen kann das Steckteil der Kupplung an einer Verteilerplatte oder anderen Befestigungseinrichtungen an einem Unterwasserort innerhalb oder außerhalb eines Bohrloches befestigt sein. In vielen Fällen sind die Steckteile so positioniert, daß das Ende oder die Stirnfläche jedes Teils vom Gewässerboden vertikal nach oben weist. Die Aufnahmeteile, die ebenfalls an einer verteilerplatte befestigt sein können, werden in die Position oberhalb der Steckteile gebracht und dann durch einen Taucher oder ein Unterwasserfahrzeug auf die Steckteile abgesenkt. Wenn die Aufnahmeteile auf den Steckteilen positioniert sind, fließt typischerweise Hydraulikfluid vom Aufnahmeteil zum Steckteil jeder Kupplung. In einigen Fällen hat nur das Aufnahmeteil der Kupplung ein Rohrventil.

Das Rohrventil hat typischerweise eine konische Ventilfläche, die in der geschlossenen Position im Kupplungsteil am Ventilsitz anliegt. Das Rohrventil öffnet, um ein fließendes Fluid zu erlauben und schließt gegenüber dem Ventilsitz innerhalb der Bohrung ab, um den Strom zu stoppen. Im allgemeinen ist das Rohrventil durch eine Feder in die geschlossene Position vorgespannt. Das Ventil kann einen Ventilstößel aufweisen, der eine Nase oder ein Stift sein kann, welcher am Scheitel der Ventilfläche in der Längsachse des Rohrventils vorsteht.

Ölbohrschächte od. dgl., in welchen die Kupplungen positioniert sind, sind häufig voller Bohrschutt. Das Steckteil, welches unter Wasser bleibt, wenn die Kupplung getrennt wird, ist dem Bohrschutt ausgesetzt, welcher sich in den Strömungsdurchlässen ansammelt. Die Strömungsdurchlässe im Steckteil können direkt quer zum Spalt zwischen der Ventilfläche und dem Ventilsitz liegen, wie dies in der US-PS 4,694,859 gezeigt ist. Oder wie in der US-PS 4,754,780, der US-PS 5,099,882 und der US-PS 4,832,089 gezeigt, kann der Hydraulikstrom radial zwischen den Teilen erfolgen. Bei jeder Konstruktion kann ein Eindringen von Bohrschutt erfolgen. Der Bohrschutt kann das Hydraulikfluid verschmutzen oder an den Dichtungen und Dichtungsflächen in den Hydraulikkupplungen und im Hydrauliksystem Verschleiß verursachen.

In Notsituationen, beispielsweise bei Stürmen, Hurricans etc., müssen die Teile schnell getrennt werden und es wird eines der Teile, üblicherweise das Aufnahmeteil, vom Unterwasserort entfernt. In diesen Situationen können Probleme durch den eingeschlossenen Hydraulikdruck in den Leitungen, die zum unter Wasser bleibenden Steckkupplungsteil führen, auftreten. Wenn Hydraulikdruck unter Wasser eingeschlossen ist, haben die Einstellungen der verschiedenen Ventile des Hydrauliksystems eine Tendenz dazu, sich in Abhängigkeit von dem aufgebauten Druck zu verändern. Es ist unerwünscht, daß die Ventileinstellungen auf diesen eingeschlossenen Druck unvorhersehbar reagieren und um den Druck zu entlasten, wurde vorgeschlagen, die Hydraulikleitungen, die unter Wasser eingeschlossen sind, abzulassen. Das Ablassen der Leitungen erfolgt auch, um eine Zerstörung des Hydrauliksystems durch Platzen zu vermeiden. Daher ist es dann, wenn das Hydrauliksystem in Gefahr steht, infolge von Stürmen stark belastet oder sonstwie zerstört zu werden, wünschenswert, die Teile zu trennen und eines der Teile abzusperren oder abzudichten, während das andere Teil, das unter Wasser bleibt, eingeschlossenen Hydraulikdruck ablassen kann. Gleichzeitig ist es unerwünscht, daß Wasser über das Kupplungsteil, welches unter Wasser bleibt, in das System eindringt.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein Unterwasser-Kupplungselement mit im Winkel angeordneten Strömungskanälen im Körper des Steckteils, um dazu beizutragen, das Eindringen von Bohrschutt zu verhindern. Der Hydraulikdruck durch die im Winkel angeordneten Strömungsöffnungen drückt ein Rohrventil im Steckteil in die offene Position. Beim Trennen schließt das Rohrventil und das eingeschlossene Hydraulikfluid in den Leitungen, die zum Teil führen, wird über eine Ablaßöffnung im Rohrventil abgelassen. Der Hydraulikfluidstrom durch die Ablaßbohrung und um das Rohrventil herum führt dazu, daß jeglicher Bohrschutt, der sich in den Strömungsöffnungen angesammelt hat, ausgespült wird.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der folgenden Figuren im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Steckteil und ein Aufnahmeteil gemäß der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Darstellung; und

Fig. 2 ein Steckteil einer Kupplung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schnitt.

Die Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung hat ein Steckteil 10 und ein Aufnahmeteil 20. Wie in der Fig. 1 gezeigt, ist das Steckteil 10 üblicherweise vom Unterwasserboden aus nach oben gerichtet, und das Aufnahmeteil kann auf dem Steckteil positioniert werden. Das Steckteil ist im allgemeinen an einer Verteilerplatte befestigt, während das Aufnahmeteil an einer gegenüberliegenden Platte befestigt ist, so daß es dem Steckteil gegenüberliegt und mit diesem fluchtet. Das Steckteil und das Aufnahmeteil können an den Verteilerplatten unter Verwendung verschiedener Mittel, wie beispielsweise Schrauben oder Gewinden, befestigt sein.

Techniken zum Befestigen der Teile an derartigen Verteilerplatten sind dem Fachmann allgemein bekannt. Das Steckteil 10 hat einen Gewindegriff 11 zum Anschließen an eine Verteilerplatte oder eine andere Befestigungseinrichtung innerhalb oder außerhalb eines Bohrlochs. Die Schulter 12 endet an einem ersten Abschnitt 13 der zylindrischen Sondenwand, die verschiebbar in dem Aufnahmeteil aufgenommen werden kann. Die Sondenwand des Steckteils ist vorzugsweise gestuft und hat mehrere Durchmesseränderungen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform endet der erste Abschnitt 13 der Sondenwand an einer abgeschrägten Schulter 14, an die sich dann ein zweiter Abschnitt 15 der Sondenwand anschließt. Der zweite Abschnitt 15 hat einen engeren Durchmesser als der erste Abschnitt 13 der Sondenwand. Der zweite Abschnitt 15 der Sondenwand endet an einer abgeschrägten Schulter 16, die eine weitere Durchmesserreduktion der Sondenwand bildet. An die abgeschrägte Schulter 16 schließt sich der dritte Abschnitt 17 der Sondenwand an, der einen geringeren Durchmesser hat und an der Stirnfläche 18 des Steckteils endet. Die Stirnfläche 18 des Steckteils berührt den Ventilstößel 25 des Aufnahmeteils, wenn das Steckteil vollständig in die Aufnahmekammer 24 des Aufnahmeteils eingesetzt ist. Der Kontakt zwischen der Stirnfläche 18 und dem Ventilstößel 25 öffnet den Ventilstößel 25 im Aufnahmeteil, um einen Durchlaß von Hydraulikfluid zwischen den Kupplungsteilen zu ermöglichen.

Im dritten Abschnitt 17 der Steckteil-Sondenwand sind im Winkel angeordnete Durchlässe 19 vorgesehen. Diese im Winkel angeordneten Durchlässe oder Bohrungen haben vorzugsweise einen Durchmesser von 27 mm und sind in regelmäßigen Abständen am Umfang des dritten Abschnittes 17 der Sondenwand angeordnet. Die Durchlässe 19 sind, wie in der Fig. 2 gezeigt, im Winkel angeordnet, um ein Eindringen von Bohrschutt zu verhindern, wenn das Aufnahmeteil abgetrennt wird und das Steckteil unter Wasser bleibt.

Zurück zur Fig. 1 ist zu sehen, daß das Aufnahmeteil 20 ein Gewindeende 21 zum Anschließen an eine Verteilerplatte, eine Schulter 22 und einen Körper 23 mit einer darin befindlichen Aufnahmekammer 24 aufweist. Das Aufnahmeteil hat vorzugsweise ein Rohrventil mit einem Ventilstößel 25, der am Ventil vorsteht und der bei Berührung mit einem Ventilstößel oder Stift am Steckteil 10 das Ventil öffnet.

Im folgenden wird auf die Fig. 2 Bezug genommen, die eine Schnittdarstellung der bevorzugten Ausführungsform des Steckteils zeigt. Das Steckteil hat eine interne Bohrung 30, die an der Fläche 35 endet. An einem Ende der Bohrung befindet sich ein Gewinde 31 zum Anschließen an eine Hydraulikleitung. In der Nähe und weiter innenliegend schließt sich an den Gewindeabschnitt ein zylindrischer Durchlaß 32 an, der sich in Längsrichtung innerhalb des Körpers des Steckteils erstreckt und der am Ventilsitz 33 endet. Der Ventilsitz 33 ist eine abgeschrägte Schulter, die an dem zylindrischen Durchlaß 34 endet, welcher einen verringerten Durchmesser aufweist. Der zylindrische Durchlaß 34 endet an einer geschlossenen Fläche 35. Die im Winkel verlaufenden Durchlässe 19 erlauben zwischen dem Durchlaß 34 und der externen Fläche des Steckteils eine Fluidkommunikation.

Die verschiedenen Teile der Ventilbaugruppe des Steckteils sind der Ventilkopf 36 mit Öffnungen 37, die sich durch diesen erstrecken, und die Ventilfläche 38, die eine konische Form aufweist und so dimensioniert ist, daß sie innerhalb des Ventilsitzes 33 am Ende der Bohrung des Steckteils sitzt. Von der Ventilfläche 38 ausgehend, erstreckt sich ein Ventilstift 39, der eine zylindrische Form aufweist und sich entlang der Längsachse des Steckteils erstreckt. Der Ventilstift 39 ist am Scheitel der konischen Ventilfläche angeordnet. Eine wendelförmige Ventilfeder 41 wird dazu verwendet, die Ventilfläche 38 in eine am Ventilsitz 33 anliegende Position vorzuspannen. Die wendelförmige Ventilfeder ist innerhalb des zylindrischen Durchlasses 32 angeordnet und ist an einem hohlen Federbund 42 verankert, der durch einen Bund-Sprengring 43 an der Innenfläche des zylindrischen Durchlasses in Position gehalten ist. Das gegenüberliegende Ende der wendelförmigen Ventilfeder berührt den Ventilkörper 36 und drückt das Ventil in eine geschlossene Position.

Eine Ablaßöffnung 40 erstreckt sich durch den Ventilstift 39, um zu ermöglichen, daß ein geschlossenes, unter Druck stehendes Fluid durch die Ablaßöffnung abgelassen werden kann, wenn das Aufnahmeteil vom Steckteil getrennt wird und das Rohrventil des Steckteils geschlossen ist. Das Ende des Ventilstiftes 39 kann die Fläche 35 innerhalb des Steckteils berühren oder nicht. Das eingeschlossene Fluid, welches über den Durchlaß 40 abgelassen wird, läuft aus dem Steckteil über die im Winkel angeordneten Durchlässe 19. Wenn der Ablaßdruck hoch genug ist, bewirkt der Strom durch die Ablaßöffnung eine "Strahl"-Wirkung gegen die Fläche 35, die dazu neigt, das Ventil leicht zu öffnen, wobei die Ventilfläche 38 zwangsweise vom konischen Ventilsitz 33 weggedrückt wird. Diese "Strahl"-Wirkung trägt zu dem Ausspülen von jeglichem Bohrschutt bei, der sich in den im Winkel befindlichen Strömungsöffnungen 19 angesammelt haben kann. Diese Ausspulwirkung während dem Ablassen der Hydraulikleitungen des Steckteils wird solange fortgeführt, bis der aufgebaute Hydraulikdruck abgefallen ist.

Wenn das Aufnahmeteil an dem Steckteil befestigt wird, fließt das Hydraulikfluid üblicherweise vom Aufnahmeteil zum Steckteil. Das Fluid läuft durch ein übliches Aufnahmeteil und tritt in die im Winkel liegenden Öffnungen in das Steckteil ein. Der Hydraulikdruck durch die im Winkel liegenden Öffnungen 19 und gegen die Fläche 38 des Rohrventils öffnet das Rohrventil zwangsweise, um einen Fluidstrom durch das Steckteil zu erlauben. Wenn das Steckteil und das Aufnahmeteil voneinander getrennt werden, schließt das Rohrventil, da die Feder 41 die Ventilfläche 38 gegen den Ventilsitz 33 vorspannt. Wie vorstehend erläutert, kann das Rohrventil geringfügig öffnen, wenn der Ablaßdruck hoch genug ist, um die Federkraft zu überwinden. Das Rohrventil in Kombination mit den im Winkel liegenden Strömungsöffnungen im Steckteilkörper tragen dazu bei, ein Eindringen von Bohrschutt zu verhindern, während es ermöglicht, daß eingeschlossener Hydraulikfluiddruck abgelassen werden kann. Dadurch wird ein sicheres Schließen der Ventile in Notfallsituationen ermöglicht, bei denen die Hydraulikkupplung entkuppelt wird.

Variationen bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind möglich, auch wenn sie nicht alle Vorteile der vorliegenden Erfindung realisieren. Gewisse Merkmale können bei den verschiedenen Anwendungsfällen der Vorrichtung wichtiger als andere sein. Die Erfindung ist demgemäß nur durch den Schutzumfang der Patentansprüche begrenzt.


Anspruch[de]
  1. 1. Hydraulikkupplungselement mit:
    1. (a) einem zylindrischen Körper mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, einem Außenumfang und einer in Längsrichtung verlaufenden, gestuften Bohrung, die an einer geschlossenen Fläche am zweiten Ende des Körpers endet;
    2. (b) wenigstens zwei Strömungsöffnungen in der Nähe des zweiten Endes, die sich zwischen der Bohrung und dem Außenumfang erstrecken, wobei das in die Bohrung mündende Ende der Strömungsöffnung oberhalb des am Außenumfang mündenden Endes der Strömungsöffnung liegt, wenn das Kupplungselement so positioniert ist, daß die zweite Stirnfläche nach oben weist;
    3. (c) einem normalerweise geschlossenen Rohrventil, das verschiebbar in der Bohrung aufgenommen ist und einen Stift aufweist, der von diesem ausgehend sich durch die Bohrung neben den Strömungsöffnungen erstreckt, wobei das Rohrventil in Abhängigkeit von durch die Strömungsöffnungen in die Bohrung wirkendem Hydraulikfluiddruck zu öffnen ist; und
    4. (d) einer Ablaßöffnung, die durch den Stift des Steckteils verläuft und es ermöglicht, daß eingeschlossenes Hydraulikfluid bei geschlossenem Rohrventil aus der Bohrung durch die Strömungsöffnungen abfließen kann.
  2. 2. Hydraulikkupplungselement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung in der Nähe des ersten Endes einen größeren Durchmesser aufweist, in der Nähe des zweiten Endes einen kleineren Durchmesser aufweist und an der geschlossenen Fläche endet, und zwischen den Teilen mit unterschiedlichem Durchmesser einen abgeschrägten Ventilsitz aufweist.
  3. 3. Hydraulikkupplungselement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Körper vom ersten Ende bis zum zweiten Ende des Körpers drei zunehmend kleiner werdende Durchmesser aufweist.
  4. 4. Hydraulikkupplungselement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrventil so konstruiert ist, daß es ein wenig öffnet, wenn die Strömung von der Bohrung nach außen durch die Ablaßöffnung eine vorbestimmte Geschwindigkeit überschreitet.
  5. 5. Steckteil für eine Unterwasser-Hydraulikkupplung, mit:
    1. (a) einem Körper mit einer Außenfläche, einem ersten Ende und einem zweiten Ende und einer Bohrung, die sich zwischen dem ersten Ende und einer Fläche nahe dem zweiten Ende erstreckt;
    2. (b) einer Anzahl von im Winkel angeordneten Strömungsöffnungen zwischen der Bohrung und der Außenfläche, wobei die Strömungsöffnungen so im Winkel angeordnet sind, daß sie dazu beitragen, ein Eindringen von Bohrschutt zu verhindern, wenn das Steckteil unter Wasser so positioniert ist, daß das zweite Ende höher als das erste Ende liegt; und
    3. (c) einem verschiebbaren Ventil zum Steuern des Fluidstroms durch die Bohrung und die Strömungsöffnungen, wobei das Ventil gegen den Ventilsitz vorgespannt ist und in Abhängigkeit vom Fluiddruck, der es vom Sitz wegdrückt, zu öffnen ist.
  6. 6. Steckteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Ablaßöffnung vorgesehen ist, die durch das Ventil verläuft, um Hydraulikfluid bei geschlossenem Ventil aus der Bohrung durch die Strömungsöffnungen abzulassen.
  7. 7. Steckteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil so ausgebildet ist, daß es öffnen kann, wenn das gegen die geschlossene Fläche am zweiten Ende des Steckteils abgelassene Hydraulikfluid die Vorspannung, welche das Ventil zwangsweise in geschlossenem Zustand hält, überwindet.
  8. 8. Steckteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil eine konische Ventilfläche mit einem an dieser vorstehenden Stift aufweist, wobei sich die Ablaßöffnung durch die Fläche und den Stift erstreckt.
  9. 9. Steckteil für eine Unterwasser-Hydraulikkupplung mit:
    1. (a) einem Körper mit einer Außenfläche, einem ersten Ende und einem zweiten Ende und einer Bohrung, die sich zwischen dem ersten Ende und einer Fläche nahe des zweiten Endes erstreckt;
    2. (b) einer Anzahl von Strömungsöffnungen zwischen der Bohrung und der Außenfläche;
    3. (c) einem verschiebbaren Ventil zum Steuern des Fluidstroms durch die Bohrung und die Strömungsöffnungen, wobei das Ventil gegen einen Ventilsitz vorgespannt ist und in Abhängigkeit von Fluiddruck zu öffnen ist, der das Ventil vom Sitz wegdrückt; und
    4. (d) einer Ablaßöffnung, die sich durch das Ventil erstreckt, um in der Bohrung eingeschlossenes Hydraulikfluid bei geschlossenem Ventil abzulassen.
  10. 10. Steckteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsöffnungen im Winkel angeordnet sind, um ein Eindringen von Bohrschutt zu verhindern, wenn das Steckteil unter Wasser positioniert ist.
  11. 11. Steckteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Stift vorgesehen ist, der an dem Ventil vorsteht, wobei sich die Ablaßöffnung durch den Stift erstreckt.
  12. 12. Steckteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil so konstruiert ist, daß es dann geringfügig öffnet, wenn die Geschwindigkeit des durch die Ablaßöffnung abgelassenen Hydraulikfluids eine vorbestimmte Geschwindigkeit überschreitet.






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