уплотняющее устройство для вертлюга

Формула изобретения

1. Уплотняющее устройство для вертлюга (1), содержащего внутренний и наружный взаимно вращающиеся элементы (2, 3, 45 и 46) вертлюга, которые имеют соответственные внутренние пути прохождения текучей среды (10 - 12 и 13 - 15), сообщающиеся друг с другом через одно или более соответственные кольцеобразные пространства (7 - 9) на границе раздела между элементами вертлюга, причем один из элементов вертлюга (3, 46) на каждой стороне кольцеобразного пространства или пространства (7 - 9) обеспечен периферийной канавкой (16, 18), в которой расположен способный перемещаться в радиальном направлении кольцевой элемент (17, 47), обеспеченный уплотняющим средством (18, 19; 49, 51), предназначенным для уплотнения между кольцеобразными пространствами (7 - 9), отличающееся тем, что уплотняющие средства выполнены с возможностью статического уплотнения относительно другого элемента (2, 45) вертлюга и динамического уплотнения между кольцевым элементом (17, 47) и боковыми стенками периферийной канавки (16, 48) для обеспечения вращения первого элемента (3, 46) вертлюга независимо от кольцевых элементов (17, 47) относительно другого элемента (2, 45) вертлюга, причем уплотняющие средства (18, 19, 49 и 51) расположены с возможностью приведения в действие гидравлическим способом посредством барьерной жидкости, имеющей более высокое давление, чем давление текучей среды, относительно которой необходимо уплотнять, причем первый элемент (3, 46) вертлюга снабжен подводящим каналом (20, 50) для подачи барьерной текучей среды.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подводящий канал (20, 50), находящийся во взаимодействии с каждой периферийной канавкой (16, 48) в первом элементе (3, 46) вертлюга впадает в буферную емкость, которая ограничивается нижней площадью периферийной канавки (16, 48) и кольцевым элементом (17, 47), и сообщается с уплотняющими средствами (18, 19; 49, 51) кольцевого элемента.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что первый элемент (3, 46) вертлюга представляет собой внутренний элемент, кольцевые элементы (17, 47) имеют больший наружный диаметр, чем остальная часть первого элемента (3, 46) вертлюга, причем наружный диаметр кольцевых элементов, по существу, соответствует внутреннему диаметру наружного элемента (2, 45) вертлюга.

4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что статическое уплотняющее средство (18) состоит из U-образного уплотнения манжетного типа (35), имеющего лапки (37), которые направлены по оси вдоль вертлюга (1), причем наружная лапка выполнена с возможностью прижатия под действием барьерной жидкости для обеспечения фрикционного сцепления с другим элементом (2) вертлюга.

5. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что динамическое уплотняющее средство (19) состоит из пары высокоэластичных U-образных уплотнений манжетного типа (38), расположенных в соответственных кольцевых канавках (39) в первом элементе (3) вертлюга на каждой стороне кольцевого элемента (17) и имеющих радиально направленные лапки (40), которые выполнены с возможностью прижатия под действием барьерной жидкости и прижимаются для обеспечения динамического уплотнения относительно кольцевого элемента (17) и кольцевой канавки (39), соответственно.

6. Устройство по любому из пп.1 - 4, отличающееся тем, что динамическое уплотняющее средство состоит из пары уплотняющих элементов (51), которые уплотняющим способом расположены в кольцевых канавках (52) в первом элементе (46) вертлюга на каждой стороне кольцевого элемента (47), причем нижняя часть кольцевой канавки (52) подсоединена к подводящему каналу (50) для подачи барьерной жидкости и дополнительной механической пружины (53), расположенной в нижней части кольцевой канавки (52), оказывающей действие на уплотняющий элемент (51) дополнительно к давлению барьерной жидкости.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что уплотняющий элемент (51) выполнен с возможностью действия и отпускания посредством кольца с круглым поперечным сечением (54), расположенного в кольцевой канавке (52), при этом сила от пружины (53), диаметр кольца с круглым поперечным сечением (54) и диаметр граничной поверхности уплотняющего элемента (51) относительно кольцевого элемента (47) выполнены с возможностью взаимного приспособления для получения требуемой величины неуравновешенной силы, с которой уплотняющий элемент (51) прижимается к граничной поверхности.

8. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что кольцеобразное пространство или каждое кольцеобразное пространство (16) определено кольцевым каналом (7, 8 и 9) в другом элементе (2) вертлюга посредством расположенных сбоку кольцевых элементов (17) в первом элементе (3) вертлюга и посредством части поверхности первого элемента (3) вертлюга между кольцевыми элементами (17).

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение касается уплотняющего устройства для вертлюга, содержащего в себе внутренний и наружный, способные взаимно вращаться, элементы вертлюга, в котором элементы вертлюга имеют соответственные пути прохождения текучей среды, сообщающиеся друг с другом через одно или более кольцеобразных пространства на границе раздела между элементами вертлюга, где кольцеобразные пространства взаимно уплотнены с помощью уплотняющих средств.

В промышленности используется большое количество различных вариантов осуществления конструкций вертлюгов вышеупомянутого типа. В морской промышленности устройства вертлюгов используют, например, для обеспечения возможности передачи углеводородов (нефти и газа) или другой технологической текучей среды через соединительные элементы, которые вращаются или должны иметь возможность вращаться относительно друг друга, например между морской вертикальной трубой, которая подсоединена к плавающему бую, и системой трубопроводов на наливном судне, которое соединяется с буем и должно иметь возможность вращаться относительно буя под действием ветра, воли и течений воды.

В различных областях применения может оказаться интересным использовать устройства вертлюгов, которые сконструированы таким образом, что внутренний и наружный элементы вертлюга можно простым способом отсоединять друг от друга, и в которых последний элемент вертлюга можно подсоединять к совместно действующему элементу вертлюга в другом вертлюжном устройстве местного типа для образования и работы вертлюжного блока. Особая важность здесь состоит в том, что элементы вертлюга можно разъединять друг от друга и соединять их между собой простым и надежным способом, получая в то же время эффективное и надежное уплотнение между элементами вертлюга.

Таким образом, задачей изобретения является обеспечить уплотняющее устройство для вертлюга местного типа, которое позволяет быстро и надежно соединять между собой элементы вертлюга и одновременно эффективно и надежно осуществлять уплотнение между кольцеобразными элементами вертлюга.

Одновременно задачей изобретения является обеспечить такое уплотняющее устройство, которое создает такое положение, что совместно действующие элементы вертлюга можно соединять между собой простым и быстрым способом, несмотря на относительно большие отклонения допусков или смещений центров между элементами вертлюга и с минимальным риском повреждения элементов вертлюга.

Еще одна задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить уплотняющее устройство, дающее возможность осуществлять простой контроль статистического, а также динамического уплотнения, где используется барьерная жидкость, имеющая более высокое давление, чем давление окружающей среды.

Для достижения технического результата применяются уплотняющие устройства вертлюга заранее установленного типа, который в соответствии с изобретением отличается тем, что первый из элементов вертлюга на каждой стороне кольцеобразного пространства или пространств обеспечен периферийной канавкой, принимающей способный перемещаться в радиальном направлении кольцевой элемент, который обеспечен уплотняющим средством, расположенным для статического уплотнения относительно другого элемента вертлюга и для динамического уплотнения между кольцевым элементом и боковыми стенками периферийной канавки таким образом, что первый элемент вертлюга может независимо от кольцевых элементов вращаться относительно другого элемента вертлюга.

Посредством установленной конструкции кольцевого элемента достигается такое положение, что кольцевые элементы вертлюга центрируются между элементами вертлюга в пределах сравнительно больших допусков. Это достигается тем, что кольцевые элементы способны свободно плавать в радиальном направлении и, таким образом, поглощать возможность отклонений центров или смещений центров между элементами вертлюга.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения отличается тем, что уплотняющие средства расположены таким образом, чтобы приводиться в действие гидравлическим путем с помощью барьерной жидкости, имеющей более высокое давление, чем давление текучей среды, относительно которой она должна уплотняться, причем первый элемент вертлюга обеспечен каналом подачи барьерной жидкости. Благодаря использованию барьерной жидкости, имеющей более высокое давление, чем давление окружающей среды, обеспечивается управляемый путь утечки в направлении от барьерной жидкости к местной технологической текучей среде, то есть от чистой к "грязной" среде. Подходящей барьерной жидкостью может быть гидросмесь, которая в этом случае одновременно обладает смазывающим действием, и уплотняющие поверхности могут защищаться благодаря обеспечению возможности просачивания очень маленьких количеств чистой барьерной текучей среды в "технологическую жидкость". Посредством управления объемом барьерной жидкости по времени получают раннее предупреждение о возможной утечке или других изменениях в системе.

Далее изобретение будет описано в связи с предпочтительным вариантом осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 представляет вид в разрезе в осевом направлении устройства вертлюга, которое обеспечено соответствующим изобретению уплотняющим устройством и в котором элементы вертлюга показаны во взаимно соединенном состоянии.

Фиг. 2 представляет соответствующий фиг. 1 вид в разрезе, но с элементами вертлюга, находящимися во взаимно разъединенном состоянии.

Фиг. 3 представляет увеличенный вид в поперечном разрезе соответствующего изобретению варианта осуществления статического и динамического уплотняющих средств.

Фиг. 4 представляет увеличенный вид в поперечном разрезе другого соответствующего изобретению варианта осуществления статического и динамического уплотняющих средств.

Показанное на фиг. 1 и 2 устройство вертлюга предназначено главным образом для использования на судне, предназначенном для морской добычи углеводородов, где судно имеет погруженное открытое вниз принимающее пространство, предназначенное для принятия затопленного буя, который прикреплен с помощью якоря к морскому дну и соединен с рядом вертикальных труб, идущих между буем и добывающей скважиной на дне моря. Устройство вертлюга обеспечивается для взаимного соединения между вертикальными трубами и системой трубопроводов на судне, где соединение одновременно обеспечивает возможность разворачивания судна относительно буя под влиянием ветра, волн и течений воды, как упоминалось выше. Даже хотя изобретение далее будет описываться в связи с этой областью применения, следует понимать, что изобретение можно также использовать на устройствах вертлюгов аналогичного типа в других отличающихся областях применения.

Показанное на фиг. 1 и 2 устройство вертлюга состоит из наружного элемента или охватывающего элемента 2 вертлюга и внутреннего элемента или охватываемого элемента 3 вертлюга, который может опускаться в охватывающий элемент 2 или подниматься из него. Охватывающий элемент 2 в этом случае предназначен для постоянного крепления на центральном элементе затопленного буя (не показанного), тогда как охватываемый элемент 3 показан таким, что может скользящим образом монтироваться в направляющей втулке 4, которая соответственным образом поддерживается на местном судне и которая образует жидкостное соединение между устройством вертлюга и системой трубопроводов (не показанной) на судне. Устройство, связанное с буем и связанное с манипулированием охватываемого элемента, и соединение с системой трубопроводов судна не являются частью настоящего изобретения и поэтому не будет приведено их дальнейшее описание. Здесь следует только отметить, что направляющая втулка 4, как показано на фиг. 1, поддерживает корпус 5, который предназначен для приема верхней части охватываемого элемента 3, когда он находится в приподнятом положении (фиг. 2). Корпус 5 поддерживает средство приведения в действие 6, предназначенное для поднимания и опускания охватываемого элемента 3. Подходящим средством приведения в действие 6 является гидравлический привод, например средство цилиндра с поршнем, как показано на фиг.

В соединенном состоянии элементы 2 и 3 вертлюга образуют обычные кольцеобразные пространства, сообщающиеся с соответственными путями прохождения текучей среды в элементах вертлюга. Количество кольцеобразных пространств и путей прохождения текучей среды зависит от необходимости в конкретном случае. В иллюстрируемом примере здесь расположены три кольцеобразных пространства 7, 8, 9, каждое из которых сообщается с одним из трех путей прохождения текучей среды 10, 11, 12 в охватывающем элементе 2 и с одним из трех путей прохождения текучей среды 13, 14, 15 в охватываемом элементе 3. В иллюстрируемом случае кольцеобразные пространства образованы периферийными кольцевыми каналами, образованными в охватывающем элементе 2, но в качестве альтернативы их можно образовать в охватываемом элементе 3 или также в обоих элементах, например, в случае образования кольцеобразных пространств, имеющих по существу круглое поперечное сечение.

В иллюстрируемом варианте охватываемый элемент 3 на каждой стороне каждого из кольцеобразных пространств обеспечен периферийной кольцевой канавкой 16, в которую входит подвижный в радиальном направлении кольцевой элемент 17. В качестве альтернативы кольцевые канавки и кольцевые элементы можно располагать в охватывающем элементе. Кольцевой элемент 17 обеспечен уплотняющими средствами 18, 19, которые расположены для статического уплотнения относительно охватываемого элемента и для динамического уплотнения между кольцевым элементом 17 и боковыми стенками и периферийной кольцевой канавки 16 соответственно. Эти уплотняющие средства можно приводить в действие таким образом, чтобы образовать уплотнение между кольцеобразными пространствами во время работы, и могут разгружаться в случае взаимного разъединения элементов 2, 3 вертлюга. Подходящие уплотняющие средства располагают таким образом, чтобы их приводить в действие гидравлическим путем посредством барьерной жидкости, имеющей более высокое давление, чем давление окружающей среды, то есть давление текучей среды, относительно которой необходимо осуществлять уплотнение. Барьерная текучая среда подается по подающему каналу 20, расположенному в элементе вертлюга, который обеспечен кольцевыми канавками 16, то есть в иллюстрируемом случае в охватываемом элементе 3. Как более ясно показано на фиг. 3, подающий канал 20 барьерной жидкости впадает в буферную емкость, которая ограничивается площадью основания кольцеобразной канавки 16 и соответственным кольцевым элементом 17 и которая сообщается с уплотняющими средствами 18, 19 кольцевого элемента. Таким образом, когда приводятся в действие уплотняющие средства, охватываемый элемент 3, независимо от кольцевого элемента 17, может вращаться относительно охватывающего элемента 2. Конструкция и способ работы уплотняющего средства далее будут описаны со ссылкой на фиг. 3.

Как видно на фиг. 1 и 2, кольцевой элемент 17 имеет больший наружный диаметр, чем остальная часть внутреннего элемента 3 вертлюга, где наружный диаметр кольцевых элементов по существу соответствует внутреннему диаметру наружного элемента 2 вертлюга. Посредством этой конструкции кольцевого элемента достигается такое состояние, что кольцевые элементы 17 центрируются в охватывающем элементе в пределах относительно больших зазоров, например 12 мм. Это возможно потому, что кольцевые элементы могут свободно плавать в радиальном направлении и, таким образом, могут поглощать возможные отклонения центров или смещения центров между охватывающим элементом и охватываемым элементом.

Как упоминалось выше, охватываемый элемент 3 скользящим образом смонтирован в направляющей втулке 4. Направляющая втулка прикреплена к средству 21 каналов в форме трех труб 22, 23, 24, которые не показанным далее способом подсоединены к системе трубопроводов на судне. Охватываемый элемент содержит в себе нижнюю вставленную часть 25 и верхнюю часть 26, и верхняя часть располагается в направляющей втулке 4, когда вставленная часть вводится в охватывающий элемент 2, как показано на фиг. 1. В этом положении направляющая втулка 4 и верхняя часть 26 определяют три обычных кольцеобразных пространства 27, 28, 29, каждое из которых сообщается с одним из путей прохождения текучей среды 13, 14, 15 охватываемого элемента 3 и с упомянутыми трубами 22, 23, 24, причем направляющая втулка 4 имеет сквозные отверстия между кольцеобразными пространствами и соответственными трубами. Между кольцеобразными пространствами верхняя часть 26 обеспечена приводимым в действие гидравлическим способом статическим уплотняющим средством 30, соответствующим уплотняющему средству 18, которые приводятся в действие барьерной жидкостью, проходящей по подающему каналу 20.

Вариант осуществления статического и динамического уплотняющих средств более подробно показан на фиг. 3. На фиг. 3 показан сегмент охватывающего элемента 2 и вставленная часть 25 охватываемого элемента 3, где элементы находятся во взаимосоединенном положении и показаны в продольном разрезе по оси устройства вертлюга, показанного на фиг. 1.

Статическое уплотняющее средство 18 состоит из пары U-образных уплотнений манжетного типа 35, расположенных в периферийной канавке 36 в кольцевом элементе 17, который можно также называть корпусом статического уплотнения. Кольцевой элемент состоит из пары стальных колец, которые соединены в блок и прикреплены друг к другу как показано на фиг. таким образом, что уплотняющие элементы можно располагать в канавке 36 перед соединением стальных колец друг с другом. U-обраэные уплотнения манжетного типа состоят из подходящего высокоэластичного материала и имеют направленные вдоль оси лапки 37, в которых внешняя ножка под действием барьерной жидкости отжимается наружу с целью фрикционного сцепления с находящейся напротив уплотняющей поверхностью охватывающего элемента 2. Как упоминалось выше, барьерная жидкость подается через подводящий канал 20 и буферную емкость в основании кольцевой канавки 16, где кольцевой элемент 17 обеспечен подходящими для этой цели отверстиями.

Каждый из высокоэластичных уплотняющих элементов 35 обеспечен заделанным поддерживающим кольцом 41 (показанным пунктирными линиями), предназначенным для предотвращения выдавливания материала уплотняющего элемента между находящимися рядом друг с другом уплотняющими поверхностями под действием давления барьерной жидкости.

Динамическое уплотняющее средство 19 также состоит из пары высокоэластичных U-образных уплотнений манжетного типа 38, но эти уплотняющие элементы расположены в отдельных кольцевых канавках 39 в боковых стенках периферийной кольцевой канавки 16, поскольку они предназначены для образования уплотнения между кольцевым элементом 17 и прилегающей частью охватываемого элемента 3 в случае его вращения в охватывающем элементе 2. U-образные уплотняющие элементы 38 имеют радиально направленные лапки 40, которые под действием барьерной жидкости сжимаются с целью динамического уплотнения относительно кольцевого элемента 17 и кольцевых канавок 39 соответственно.

Уплотняющие элементы 38 также обеспечены поддерживающими кольцами (не показанными), аналогичными кольцам, упоминаемым для уплотняющих элементов 35, предназначенными для предотвращения выдавливания уплотняющего материала.

Когда охватываемый элемент и охватывающий элемент находятся во взаимно соединенном положении, кольцевые элементы 17, как упоминалось выше, центрируются в охватывающем элементе, где элементы способны свободно перемещаться в радиальном направлении. Барьерная жидкость (например, гидросмесь или вода) нагнетается, и давление барьерной жидкости форсирует статические уплотняющие элементы с целью расширения относительно уплотняющей поверхности охватывающего элемента и блокирует кольцевые элементы или уплотнительные корпуса в их положениях. Что касается динамического уплотнения, то маленький зазор между уплотняющими поверхностями кольцевого элемента 17 и кольцевой канавки 16 ведет барьерную жидкость к уплотняющему элементу 38. Разница между давлениями барьерной жидкости и технологической текучей среды приводит уплотняющий элемент в жесткий контакт с уплотняющей поверхностью кольцевого элемента.

Таким образом, когда уплотняющие средства 18 и 19 приводятся в действие, статические уплотняющие элементы 35 блокируют фрикционным образом кольцевые элементы 17 относительно охватывающего элемента 2, тогда как прилегающие боковые стенки кольцевых элементов 17 и кольцевые канавки 16 образуют взаимно подвижные скользящие поверхности, которые уплотняются посредством динамических уплотняющих элементов 38. Для функции уплотнения статического уплотнения несомненная важность заключается в том, что достигается жесткое и сильное фрикционное закрепление между уплотняющим элементом и уплотняющей поверхностью охватывающего элемента. Перемещение уплотняющего элемента и охватывающего элемента вызывает утечку из-за большой разницы давлений на уплотнении. Решающее значение имеют давление и коэффициент трения, и в качестве уплотняющего материала выбирают высокоэластичный материал, имеющий самое высокое возможное трение. С другой стороны, в случае динамического уплотнения выбирают высокоэластичный материал, создающий низкое трение между уплотняющими поверхностями для получения хорошего уплотнения при низком трении.

При необходимости разъединения друг от друга охватываемого элемента и охватывающего элемента уменьшают давление барьерной текучей среды, чтобы кольцевые элементы 17 больше не блокировались в их положениях. Теперь охватываемый элемент можно изъять из охватывающего элемента. Даже если уплотняющие элементы во время этой операции освобождаются, они все еще находятся в соприкосновении с их уплотняющими поверхностями.

На фиг. 4 показан альтернативный вариант кольцевого элемента и уплотняющего узла. На фиг. промежуточные пространства и зазоры между отдельными элементами в целях ясности сильно увеличены. Соответствующим фиг. 3 способом здесь показан сегмент охватывающего элемента 45 и вставленная часть охватываемого элемента 46, и эти элементы находятся во взаимно соединенном положении, причем элементы показаны в продольном разрезе по оси устройства вертлюга. В этом варианте способный перемещаться в радиальном направлении кольцевой элемент 47 расположен в периферийной кольцевой канавке 48 в охватываемом элементе 46. В кольцевом элементе здесь расположено статическое уплотняющее средство в форме элемента 49 U-образного уплотнения манжетного типа, имеющего выступы, которые направлены к прилегающей уплотняющей поверхности охватывающего элемента 45. По каналу 50 барьерная жидкость подается в буферную емкость у основания кольцевой канавки 48. При нагнетании барьерной жидкости уплотняющие выступы отжимаются во внешние стороны с целью фрикционного сцепления с находящейся напротив уплотняющей поверхностью охватывающего элемента.

Динамическое уплотняющее средство здесь состоит из пары уплотняющих элементов 51, которые уплотнительным образом размещены в соответственных кольцевых канавках 52 на каждой стороне кольцевого элемента 47 в уплотняющем сцеплении с прилегающей поверхностью кольцевого элемента. Как показано на фиг. , каждая кольцевая канавка 52 соединена с подающим каналом 50 для барьерной жидкости. В нижней части кольцевой канавки здесь расположена также нажимная пружина 53, действующая на уплотняющий элемент дополнительно к давлению барьерной жидкости. Далее, каждый уплотняющий элемент 51 подвергается действию кольца с круглым поперечным сечением 54, расположенного в кольцевой канавке, и освобождается от этого действия.

Как хорошо известно специалистам в данной области техники, в уплотняющей поверхности между уплотняющими элементами 61 и прилегающей границей или уплотняющей поверхностью кольцевого элемента 57 здесь будет устанавливаться равновесие между силами "посадки", представляемыми силой от пружины 63 и гидравлической силой из-за давления барьерной жидкости, и силами "посадки", представляемыми гидравлической силой из-за давления технологической жидкости и давления барьерной жидкости. При соответствующей конфигурации уплотняющего элемента 61 в отношении выбора диаметра граничной поверхности уплотняющего элемента относительно кольцевого элемента 57 и при соответствующем выборе диаметра кольца с круглым поперечным сечением и давления пружины можно оказывать воздействие на неуравновешенную силу, с которой уплотняющий элемент 61 давит на опорную поверхность, и благодаря этому получить давление на поверхность динамического уплотнения. Таким образом можно получить оптимальную функцию динамического уплотнения.

Как становится ясно, способ работы и функциональные свойства показанного на фиг. 4 вертлюга в других отношениях по существу такие же, как и в случае описанного выше варианта, и, следовательно, в этом отношении соответствуют предыдущему описанию.