NO315481B1 - Fluidström-koplingsinnretning - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fluidstrøm-koplingsinnretning, særlig for høytrykks-anvendelser.

Slike koplingsinnretninger eller konnektorer er nødvendige for eksempel ved overføring av olje eller gass fra offshore-boreinstallasjoner til transport- eller lagringsfar-tøyer.

Koplingsinnretningene kan være en del av flytende bøyer som bærer et stigerør fra et undersjøisk utvinningssted og til hvilken en oljetanker tilkoples for å laste oljen eller gassen. Alternativt kan koplingsinnretningen være fastgjort på dekket til transportfartøyet. Det er også mulig at den ene del av koplingsinnretningen normalt kan bæres på fartøyet og kan tilkoples løsbart ved passende tidspunkter til den andre del i den flytende bøye.

Relativ bevegelse mellom delene av koplingsinnretningen er viktig for slike anvendelser for å ta hensyn til relativ bevegelse av fartøyet og stigerøret ved sterke vinder, høye bølger eller innvirkende strømmer.

En relativ rotasjonsevne er særlig fordelaktig, og koplingsinnretningen kan danne en svivelforbindelse eller et svivelledd mellom rørledninger. Et slikt svivelledd presenterer selvsagt vanskeligheter med hensyn til å sikre riktig og nøyaktig innretting av endene av tilsvarende fluidrørledninger, og ved tetning av rørledningsforbindelsen mot lekkasje.

En slik fluidkoplingsinnretning er kjent fra US 4 828 292 og omfatter to konsentriske, hule, sylindriske deler som er innbyrdes roterbare i forhold til hverandre og har samvirkende, innrettede, ringformede spor for å danne periferiske passasjer inne i koplingsinnretningen, og som er begrenset av de indre vegger av de to sylindriske deler. Innløps- og utløpsrør er fastsveiset til de indre eller ytre sylindriske deler slik det måtte passe, og er forbundet med de ringformede, periferiske passasjer. På denne måte kommuniserer innløps- og utløpsrørene til enhver tid via de ringformede passasjer, selv ved rotasjonsbevegelse av de to deler. Ringformede ringtetninger er innlemmet på hver side av passasjene og kan trykksettes ved hjelp av et barrierefluid.

Denne kjente konstruksjon er imidlertid vanskelig og kostbar å fremstille med tilstrekkelig nøyaktige toleranser, de sveisede skjøter er ofte utsatt for svikt, særlig under de høye trykk og i det skitne miljø i olje- og gassproduksjonsanlegg, og den er en permanent konstruksjon så snart den er fremstilt, dvs. den kan ikke lettvint tilkoples og frakoples, selv for rutinevedlikehold og reparasjon.

Fra US 4 111 467 er det kjent en koplingsinnretning for høytrykksledninger som tillater relativ bevegelse mellom to deler, hvor en første del har en sentral kjerne med langsgående boringer og radiale passasjer som står i forbindelse med boringene. Koplingen omfatter også ringformede passasjer mellom koplingsdelene, og en tetningsanordning for passasjene for å unngå lekkasje av produksjonsfluidet.

Fra US 4 561 679 er det kjent en tetningsinnretning som aktiveres med et differensialtrykk, og som tilføres et barrierefluid som ligger på en side av tetningen som ligger på avstand fra produksjonsfluidet.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt en innretning for sammenkopling av rørledninger som fører høytrykks-produksjonsfluid, slik at det tillates relativ bevegelse mellom to deler som bærer respektive tilkoplingsender av rørledningene, hvor

en første av koplingsdelene omfatter en sentral kjerne som har et antall boringer dannet i lengderetningen i denne, idet innretningen omfatter

et antall passasjer som er dannet radialt i kjernen, idet hver radial passasje står i forbindelse med en respektiv langsgående boring,

et antall ringformede passasjer som er dannet mellom koplingsdelene, idet hver ringformet passasje tilveiebringer en fluidstrømbane til en respektiv radial passasje i den sentrale kjerne, og

en anordning for tetning av den ringformede passasje eller hver ringformet passasje mot lekkasje av høytrykks-produksjonsfluidet, idet tetningsinnretningen omfatter en U-formet tetningsdel som aktiveres av et differensialtrykk, hvilken innretning er kjennetegnet ved at et barrierefluid med et høyere trykk enn produksjonsfluidet tilføres til den side av tetningsdelen som ligger på avstand fra produksjonsfluidstrømmen, hvor to langsgående boringer kommuniserer fluidmessig ved hver radial passasje.

En innretning ifølge oppfinnelsen er mer allsidig og mer pålitelig enn kjente koplingsinnretninger.

Den ene side av tetningsdelen er fortrinnsvis utsatt for trykket fra høytrykks-produksjonsfluidet som strømmer i rørledningene, og den andre side av tetningsdelen er utsatt for barrierefluidet som tilføres med et høyere trykk enn trykket av produksjonsfluidet som strømmer i rørledningene.

I en foretrukket utførelse er ytterligere omgivelsestetninger anordnet i området for toppen og bunnen av den sentrale kjerne.

De langsgående boringer kan være dannet i en ring konsentrisk i kjernen, og to slike boringer kan være fluidmessig forbundet med hver radial passasje.

Innretningen benytter fortrinnsvis en tetningsinnretning som beskrevet og vist i søkerens samtidig innleverte patentsøknad nr. 1996 4614 med tittelen "Tetningsinnretning".

En foretrukket utførelse av oppfinnelsen tilveiebringer et indre og et ytre kjerneelement som har uavhengige boringer dannet i respektive elementer, idet det indre kjerneelement strekker seg i lengderetningen utenfor det ytre kjerneelement og sammen med en annen hunnkoplingsdel med mindre diameter er forbundet med hunnkoplingsdelen for den ytre kjerne.

Dette forbedrer koplingsinnretningens kapasitet for å transportere mange forskjellige fluider samtidig og uavhengig, da det tilveiebringer muligheten for å anordne et stort antall boringer i den sentrale kjerne. Også boringer med forskjellige diametere for forskjellige fluidstrømmer kan dannes mer lettvint. Boringer med mindre diameter benyttes vanligvis for fluidrørledninger med høyere trykk.

Det skal også henvises til søkerens samtidig innleverte patentsøknader nr. 1996 4616 med tittelen "Høytrykks-fluidkoplingsinnretning", og nr. 1996 4617 med tittelen "Overvåkingssystem for en fluidkoplingsinnretning".

For bedre forståelse av oppfinnelsen og for å vise hvordan denne kan settes ut i livet, skal det nå henvises til de ledsagende tegninger, der

fig. 1 viser én utførelse av en fluidkoplingsinnretning ifølge oppfinnelsen i langsgående tverrsnitt og i sideriss,

fig. 2 viser et tverrsnitt gjennom fluidkoplingsinnretningen på fig. 1 og illustrerer et eksempel på et arrangement av boringer i den sentrale kjerne,

fig. 3 viser et delvis, langsgående tverrsnittsriss av en andre utførelse av en fluidkoplingsinnretning ifølge oppfinnelsen,

fig. 4 viser et tverrsnitt gjennom fluidkoplingsinnretningen på fig. 3 etter linjen

IV-IV,

fig. 5 viser et langsgående tverrsnittsriss av en tredje utførelse av en fluidkoplingsinnretning ifølge oppfinnelsen, og

fig. 6 viser et forstørret riss av en del av fig. 5.

Fig. 1 viser en koplingsinnretning eller konnektor for høyt trykk. I den venstre halvdel av figuren er det vist et langsgående tverrsnittsriss. I tverrsnittsrisset er motsatt rettet skravering benyttet for å angi deler av koplingsinnretningen som er innbyrdes roterende i forhold til hverandre. Således er en hanndel 1 angitt ved en skravering som er stigende fra venstre mot høyre, og en hunndel 2 er angitt ved en skravering som er fallende fra venstre mot høyre. Hanndelen 1 holdes vanligvis stasjonær, for eksempel på et lagrings- eller tran-sportfartøy til hvilket oljen eller gassen er i ferd med å pumpes via koplingsinnretningen.

Hannkjernedelen 1 har flere aksiale boringer 31 som forbinder radiale passasjer 32 i kjerneelementet 1 med fluidrørledninger eller fluidkanaler 33 i hunndelen 2. Forbindelsen mellom disse fluidkanaler og de radiale passasjer 32 i hanndelen 1 er utformet som ringformede spor 3. På denne måte påvirker ikke den relative rotasjon av de to deler 1 og 2 fluidforbindelsen mellom delene.

Denne forbindelse mellom fluidkanalene og passasjene er tettet ved hjelp av doble overtrykks-tetningsinnretninger over og under hver forbindelse, koaksialt med de ringformede spor. Disse tetningsinnretninger er vist generelt ved 37 og er beskrevet mer detaljert i søkerens samtidig innleverte patentsøknad nr. 1996 4614 med tittelen "Tetningsinnretning".

En slik tetningsinnretning omfatter doble par av leppetetninger som hver har U-formet tverrsnitt og aktiveres ved hjelp av et høytrykks-barrierefluid som tilføres til den åpne side av tetningsringen. Barrierefluidet tilføres med høyere trykk i forhold til trykket av produksjonsfluidet i rørledningen, og tilveiebringer en smøring for tetningen, for å lette relativ rotasjon av delene 1 og 2 uten skade på tetningen.

Et slikt tetningsarrangement er anordnet over og under hvert ringformet spor 3.

Ved toppen og bunnen av fluidkoplingsinnretningen er det anordnet en omgivelsestetning 34, 35 som tetter et sett fluidførende kanaler mot omgivelsene (som vanligvis, men ikke nødvendigvis utelukkende, vil befinne seg på atmosfæretrykk). Også omgivelsestetningen omfatter et par innbyrdes atskilte, U-formede tetninger som aktiveres ved hjelp av trykkforskjeller.

I den utførelse som er vist på fig. 1, omfatter kjerneelementet 1 et ytterligere forlengelsesparti 38 som strekker seg i lengderetningen over hunndelen 2 og har mindre diameter. Forlengelsen 38 er forbundet med en andre hunndel 39 på samme måte som beskrevet i forbindelse med den første hunndel 2 og hoveddelen av kjernedelen 1. Dette betyr at tetningsinnretninger 37 så vel som en omgivelsestetning 34, 35 er anordnet. En slik kjemeforlengelse med mindre diameter er nyttig for fluidstrømmer med særlig høyt trykk.

I en ytterligere utførelse som er beskrevet senere under henvisning til fig. 3, kan kjerneforlengelsen 38 være utformet som et separat, indre kjerneelement som passer koaksialt i det ytre kjerneelement 1.

Fig. 2 er et tverrsnitt av fig. 1 som viser aksiale boringer 31 som er anordnet i konsentriske ringer.

Den ytre ring av boringer 31 er forbundet to ad gangen med radiale passasjer 32.

En indre ring av aksiale boringer 3 la er hver forbundet med en respektiv, radial passasje 32a. Disse er angitt ved hjelp av bratte linjer for å vise at de ikke ligger i planet for risset på fig. 2.

En sentral, aksial boring 40 i kjernen 1 fører elektriske ledninger 41 (fig. 1) og/eller andre støtteledninger og kraftforsyninger for koplingsinnretningen og rørledningen. Fig. 3 viser et alternativt arrangement i forhold til arrangementet på fig. 1, hvor arrangementet er identisk bortsett fra at hannkjernedelen 1 er dannet av en indre kjernedel 42 og en ytre kjernedel 43. Alle andre komponenter er betegnet med like henvisningstall. Benyttelse av en hannkjernedel som er seksjonert på denne måte, er fordelaktig da det tillater lettere fremstilling av koplingsinnretningen. Fig. 4 viser et tverrsnitt etter linjen IV-IV på fig. 3. Dette viser klart de aksiale boringer 31 i den ytre kjerne 43 som kommuniserer parvis med radiale passasjer 32.

Den indre kjernedel 42 har aksiale boringer 31a med mindre diameter i forhold til boringene i det ytre kjerneelement. Disse boringer 31a kommuniserer for fluidforbindelse parvis med radiale passasjer 32a. Hvert sett av aksiale boringer er anordnet i en ring.

Den sentrale boring 40 er anordnet for å føre kraftforsyningsledninger eller andre tjenester.

Fig. 5 viser en nedre hannkoplingsinnretning 56 med stor diameter med en øvre koplingsinnretning 57 med liten diameter stablet på toppen av denne, idet hver har et hult, sentralt parti 59.

Hver av disse hannkoplingsinnretninger (56, 57) har langsgående boringer for fluidtransport som er forbundet med respektive radiale passasjer, ringformede spor og kanaler i samvirkende hunndeler, slik det er blitt beskrevet under henvisning til fig. 1 og 3 ovenfor. Boringene og passasjene i den nedre koplingsinnretning 56 er ikke vist på fig. 5. Boringene 31 i den øvre koplingsinnretning 57 er forbundet med rør 58 som er beliggende i den hule, sentrale del 59 av den nedre koplingsinnretning 56. Tetninger 60 er anordnet i forbindelsen mellom boringer 31 og rør 58, og disse kan være hvilken som helst av forskjellige kjente konstruksjoner.

Den øvre koplingsinnretning 57 har også en hul, sentral del 61. De øvre og nedre koplingsinnretninger 56, 57 har hver en massiv kjerne som omgir deres hule sentra, og gjennom hvilken de langsgående boringer er boret for transport av fluid.

De øvre og nedre hannkoplingsinnretninger har hver separate, samvirkende hunnkoplingsinnretninger. På fig. 5 er den nedre hunnkoplingsinnretning ikke vist, men den øvre er vist ved 62.

Forbindelsen av de fluidførende kanaler mellom hann- og hunndelene er tettet på liknende måte som det system som er beskrevet for utførelsene på fig. 1 og 3, og er også beskrevet i søkerens samtidig innleverte patentsøknad nr. 1996 4614 med tittelen "Tetningsinnretning". På fig. 5 er det imidlertid benyttet et forskjellig arrangement av delene, og dette er vist i større målestokk på fig. 6 som viser et tverrsnitt gjennom en del av én fluidkanalforbindelse.

Arrangementet av deler i denne forbindelse skal nå beskrives i detalj under henvisning til fig. 5 og 6.

De ringformede spor 3 i utførelsen på fig. 5 er dannet mellom hunndelen 2 og kilestykker 63 som er fastboltet til kjernen av hanndelen 57 ved hjelp av bolter 64. Dette gjør hanndelen 57 enklere å konstruere, og de toleranser som kreves for fluidkanalene, er lettere å oppnå i disse mindre, individuelle deler.

Over og under hvert ringformet spor finnes en dobbel tetningsinnretning som hver omfatter en primær 8, 9 og en sekundær 12, 13 tetningsring i respektive spor. Tetningsringene er leppetetninger med U-formede tverrsnitt. De er anordnet med de åpne armer vendende bort fra den fluidbane som er dannet av det ringformede spor 3. I denne utførelse er dette radialt innover i koplingsinnretningen, i motsetning til arrangementet i de utførelser som er beskrevet ovenfor, hvor armene vender radialt utover (men fremdeles bort fra fluidbanen).

Disse tetningsringer tetter produksjonsfluidet mot lekkasje i klaringen mellom innbyrdes bevegelige overflater 4, 5 under sporet 3, og mellom overflater 6 og 7 over sporet. De er således kjent som dynamiske tetninger. Tetningene aktiveres ved hjelp av trykksatt barrierefluid som tilføres via kanaler 44 til den åpne side for å frembringe en trykkforskjell.

Rullelagre 65 er anordnet for å bistå den relative bevegelse mellom overflatene 4 og 5 og mellom overflatene 6 og 7. Glidelagre eller nålelagre 66 bistår bevegelse mellom mot hverandre vendende, vertikale overflater.

Statiske tetninger 28 omfattende O-ringer 19 og støtteplater 20 benyttes også i koplingsinnretningen som vist, men disse benyttes mellom overflater som har en fast forbindelse med hverandre. Disse statiske tetninger kan alternativt omfatte U-formede leppetetninger som trykksettes ved hjelp av barrierefluid som tilføres via borede kommunikasjonskanaler.

Omgivelsestetninger 34, 35 er anordnet over og under hver seksjon av koplingsinnretningen.

Claims (12)

1. Innretning for sammenkopling av rørledninger som fører høytrykks-produksjonsfluid, slik at det tillates relativ bevegelse mellom to deler som bærer respektive tilkoplingsender av rørledningene, hvor en første av koplingsdelene omfatter en sentral kjerne (1) som har et antall boringer (31) dannet i lengderetningen i denne, idet innretningen omfatter et antall passasjer (32) som er dannet radialt i kjernen, idet hver radial passasje (32) står i forbindelse med en respektiv langsgående boring (31), et antall ringformede passasjer (3) som er dannet mellom koplingsdelene, idet hver ringformet passasje (3) tilveiebringer en fluidstrømbane til en respektiv radial passasje (32) i den sentrale kjerne (1), og en anordning (37) for tetning av den ringformede passasje eller hver ringformet passasje mot lekkasje av høytrykks-produksjonsfluidet, idet tetningsinnretningen (37) omfatter en U-formet tetningsdel (8,9,12, 13) som aktiveres av et differensialtrykk, karakterisert ved at et barrierefluid med et høyere trykk enn produksjonsfluidet tilføres til den side av tetningsdelen (8, 9, 12, 13) som ligger på avstand fra produksjonsfluidstrømmen, hvor to langsgående boringer (31) kommuniserer fluidmessig ved hver radial passasje (32).

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at den ene side av tetningsdelen (8, 9, 12, 13) er utsatt for trykket fra høytrykks-produksjonsfluidet som strømmer i rørledningene, og den andre side av tetningsdelen (8, 9, 12, 13) er utsatt for barrierefluidet som tilføres med et høyere trykk enn trykket av produksjonsfluidet som strømmer i rørledningene.

3. Innretning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den omfatter ytterligere omgivelsestetninger (34,35) i området for toppen og bunnen av den sentrale kjerne (1).

4. Innretning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at de langsgående boringer (31) er dannet i en ring konsentrisk i kjernen (1).

5. Innretning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at tetningsinnretningen (37) omfatter to tetninger (8, 9, 12, 13) som er anordnet mellom hvert par av innbyrdes bevegelige overflater av delene.

6. Innretning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den sentrale kjerne (1) omfatter et indre (42) og et ytre (43) kjerneelement som er konsentrisk anordnet i forhold til hverandre, idet boringene (31a) og de radiale passasjer (32a) i det indre kjerneelement (42), med hensyn til strømmen av produksjonsfluid, er uavhengige av boringene (31) og de radiale passasjer (32) i det ytre kjerneelement (43).

7. Innretning ifølge krav 6, karakterisert ved at det indre kjerneelement (42) strekker seg i lengderetningen utenfor det ytre kjerneelement (43), og to andre koplingsdeler med forskjellige diametere er anordnet for å danne forbindelse med henholdsvis de indre (42) og ytre (43) kjerneelementer.

8. Innretning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den sentrale kjerne (1) består av rustfritt stål.

9. Innretning ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den sentrale kjerne (1) har en hul seksjon (40) som strekker seg aksialt gjennom denne.

10. Innretning ifølge krav 9, karakterisert ved at en ytterligere, første koplingsdel med mindTe diameter enn diameteren av den første koplingsdel er stablet i denne, slik at de langsgående boringer (31) i den ytterligere del kommuniserer fluidmessig med den hule seksjon (40) av den første del.

11. Innretning ifølge krav 10, karakterisert ved at den omfatter rør i den hule seksjon (40) som er forbundet hydraulisk med boringene i den ytterligere, første koplingsdel.

12. Innretning ifølge krav 9, 10 eller 11, karakterisert ved at den omfatter et antall første koplingsdeler og samvirkende andre koplingsdeler med forskjellige diametere, idet delene er stablebare for å benyttes sammen, eller kan benyttes uavhengig av hverandre.