JPH08512390A - 回り継手用密封構成 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 相互に回転可能な内側および外側回り継手部材（２，３）から成る回り継手（１）のための密封構成において、前記回り継手部材は当該回り継手部材間の界面にある１つ以上の対応する環状空間（７）を通じて互いに連通するそれぞれの内部流体路を有する。前記環状空間（７）の各側において、前記回り継手部材の第１のもの（３）には、密封手段（１８，１９）が設けられ半径方向に変位可能なリング素子（１７）を受容する周辺溝（１６）が設けられており、前記密封手段は、他方の回り継手部材（２）に対する静的密封、および前記リング素子（１７）と前記周辺リング溝（１６）の側壁との間の動的密封を得るように構成されることにより、前記第１回り継手部材（３）は、前記リング素子（１７）を除いて、前記他方の回り継手部材（２）に対して回転可能となっている。

Description

【発明の詳細な説明】 回り継手用密封構成 本発明は、相互に回転可能な内側および外側回り継手部材から成り、前記回り 継手部材は当該回り継手部材間の界面にある１つ以上の対応する環状空間を通じ て互いに連通するそれぞれの内部流体路を有し、前記環状空間が密封手段によっ て互いに密封されている、回り継手用密封構成に関するものである。 上述の形式の回り継手構造は、その異なる多くの実施例が本業界で使用されて いる。海洋工業においては、例えば、互いに回転するまたは回転可能な結合部材 を介して、例えば、浮遊負荷ブイに結合された海中ライザと、このブイに結合さ れ風、波および水流の影響の下でブイを中心に回転可能なタンカ上の配管系との 間で、炭化水素（石油およびガス）またはその他のプロセス流体の移送を可能に するために、回り継手装置が用いられている。 別の応用分野においては、内側および外側回り継手部材が簡単に互いに切断可 能な構造を有し、一方の回り継手部材は後に、特定形式の他の回り継手装置にお いて協動する回り継手部材に接続し、作動する回り継手ユニットを形成すること ができる回り継手装置を使用することに、現在関心が持たれている。この場合、 本質的に重要なのは、回り継手部材が簡単、迅速かつ安全に互いに切断および接 続可 能であり、しかも同時に効率的で安全な密封が回り継手部材間で得られることで ある。 したがって、本発明の目的は、回り継手部材の迅速かつ安全な相互接続と、同 時に当該回り継手部材の環状空間の間に効率的かつ安全な密封を可能とする、特 定形式の回り継手用密封構成を提供することである。 同時に、本発明の目的は、かかる密封構成を提供し、その結果、回り継手部材 間の許容偏移即ち中心の変位が比較的大きいにも拘らず、協動する回り継手部材 を簡単かつ迅速に接続でき、しかもこれら回り継手部材を損傷する危険性を最少 化することである。 本発明の更に他の目的は、雰囲気圧よりも高い圧力を有するバリア液体を用い て、簡単に静的および動的密封を監視する可能性を与える密封構成を提供するこ とである。 上述の目的を達成するために、序言で述べた形式の回り継手用密封構成が提供 され、本発明によれば、回り継手部材の第１のものは、環状空間または空間群の 各側において、半径方向に変位可能なリング素子を受容する周辺溝が設けられ、 このリング素子には、他方の回り継手部材に対する静的密封、および前記リング 素子と前記周辺溝の側壁との間の動的密封を可能とするように構成された密封手 段が設けられることにより、前記リング素子を除く前記第１回り継手部材は他方 の回り継手部材に関して回転可能となっていることを特徴とする。 上述のリング素子構造によって、回り継手のリング素子は、比較的大きな裕度 以内で、回り継手部材間の中央にそれ自体を位置付けることが達成される。これ が達成されるのは、リング素子が自由に半径方向に浮遊可能であるため、回り継 手部材間に生じ得る中心の偏移即ち中心の変位を吸収するからである。 本発明の有利な実施例は、密封手段は、それが密封すべき流体よりも高い圧力 を有するバリア液体によって、油圧で作動するように構成されており、第１回り 継手部材にはバリア液体用供給チャネルが設けられている。雰囲気圧よりも高い 圧力を有するバリア液体を用いることにより、バリア液体から特定のプロセス流 体、即ち、清浄な媒体から「汚れた」媒体の方向に、漏出路を制御することがで きる。バリア液体は、同時に潤滑効果を有する圧媒油とすることが適当であり、 非常に少量の清浄なバリア液体を「プロセス」内に漏出させることによって、密 封表面を保護することができる。バリア液体の体積および／または圧力を経時的 に制御することによって、システムにおいて発生し得る漏れまたはその他の変化 について早い時期に警告が得られる。 これより、添付図面を参照しながら、例示実施例に関連付けて本発明について 更に説明する。図面において、 第１図は、本発明による密封構成が設けられた回り継手装置の一実施例の軸方 向断面図を示し、回り継手部材が相 互接続された状態を示す。 第２図は、第１図に対応する断面図であるが、回り継手部材が相互に切断され た状態にある場合を示す。 第３図は、本発明による静的および動的密封手段の一実施例の拡大断面図を示 す。 第４図は、本発明による静的および動的密封手段の他の実施例の拡大断面図を 示す。 第１図および第２図に示す回り継手装置は、特に炭化水素の海洋生産のために 、ベッセル上で使用することを意図したものであり、このベッセルは、水中ブイ を受容するために、水中で下方に開いた受容空間を有し、水中ブイは海底に碇着 され、このブイと海底の生産井戸との間に延びる多数のライザに接続されている 。ここでは、回り継手装置は、ライザとベッセル上の配管系との間で相互接続を 行うものであり、この結合は同時に、風、波および水流の影響の下でベッセルが ブイを中心に回転可能にする。これは序言で述べた通りである。以下、本発明を この応用分野に関連して説明するが、本発明は異なる他の応用分野においても同 様の形式の回り継手装置に使用可能であることは理解されよう。 第１図および第２図に示す回り継手装置は、外側回り継手部材即ち雌部材２と 、この雌部材２に対して下降または引き上げ可能な内側回り継手部材即ち雄部材 ３から成る。雌部材２は、この場合、水中ブイ（図示せず）の中央部材 に永久的に取り付けられることを意図しており、一方雄部材３は、案内スリーブ ４に摺動可能に取り付けられている様子が示されている。案内スリーブ４は、特 定のベッセルに適切に支持され、回り継手装置とベッセル上の配管系（図示せず ）との間に流体接続部を形成する。ブイに関連する構成、ならびに雄部材の操作 およびベッセルの配管径の接続に関連する構成は、本発明の一部を形成するもの ではないので、これ以上説明しないこととする。かかるシステムについての詳し い記載については、同時に出願した特許出願第．．． ．．．号を参照されたい 。ここでは、雄部材３が引き上げ位置（第２図）にあるときに、これの上側部分 を受容することを意図した筐体５を、図示のような案内スリーブ４が支持するこ とを述べるに止めておく。筐体５は、雄部材３の引き上げおよび下降のための作 動手段６を支持する。作動手段６は油圧式アクチュエータ、例えば、図示のよう なシリンダ／ピストン手段とするのが適当である。 接続状態では、回り継手部材２、３は、従来通り、これら回り継手部材内の対 応する流体路と連通する共通環状空間を形成する。環状空間および流体路の数は 、特定の場合における必要性によって異なる。図示の例では、３ヶ所の環状空間 ７、８、９が設けられ、雌部材２内の３本の流体路１０、１１、１２の内別個の １本、および雄部材内の３本の流体路１３、１４、１５の内別個の１本と連通す る。 図示の場合では、環状空間は、雌部材２内に形成されている周辺リングチャネル によって形成されている。しかしながら、代替案として、これらを雄部材３内、 または両部材内に形成し、例えば、実質的に円形断面を有する環状空間を形成す ることもできる。 図示の実施例では、雄部材３は、環状空間の各々の各側に、半径方向に移動可 能なリング素子１７を受容する周辺リング溝１６が設けられている。あるいは、 リング溝およびリング素子を雌部材内に配してもよい。リング素子１７には密封 手段１８、１９が設けられており、これらは、それぞれ、雌部材に対する静的密 封、およびリング素子１７と周辺リング溝１６の側壁との間の動的密封を行うよ うに構成されている。この密封手段を作動させて、運転中に環状空間の間に密封 状態を形成することができると共に、回り継手部材２、３を相互に切断する場合 には解除することができる。密封手段は、雰囲気圧即ちそれが密封すべき流体の 圧力より高い圧力を有するバリア液体により、油圧で作動するように構成するの が適当である。バリア液体は、リング溝１６が形成された回り継手手段、即ち、 図示の場合では雄部材３内に配された適当な供給チャネル２０を通じて供給され る。第３図により明瞭に示すが、バリア液体用供給チャネル２０は、緩衝体積（ buffer volume）に流入する（debouch）。緩衝体積は、リング溝１６の底面積お よび対応するリング素子１７によって範囲を決められ、リン グ素子の密封手段１８、１９と連通する。したがって、密封手段を作動させたと き、雄部材３は、リング素子１７を除いて、雌部材２に対して回転可能となる。 密封手段の構造および動作態様については、後に第３図を参照して更に説明する 。 第１図および第２図から明らかなように、リング素子１７は内側回り継手部材 ３の残りの部分よりも大きな外径を有し、リング素子の外径は、外側回り継手部 材３の内径に本質的に対応する。このリング素子構造によって、リング素子１７ は、比較的大きな裕度、例えば、±１２ミリ以内で、雌部材内の中央に位置する ことができる。これが可能なのは、リング素子は半径方向に自由に浮遊し、雌部 材と雄部材との間で生じ得る中心偏移即ち中心変位を吸収するからである。 上述のように、雄部材３は案内スリーブ４に摺動可能に取り付けられている。 案内スリーブは、３本の管２２、２３、２４の形状のチャネル手段２１に締結さ れ、これらの管はベッセル上の前記配管系に接続されているが、その態様につい てはこれ以上示さない。雄部材は、下側の掘り下げ部２５と頂部２６とから成り 、第１図から明らかなように、掘り下げ部を雌部材２に進入させると、頂部は案 内スリーブ４内に位置付けられる。この位置において、案内スリーブ４と頂部２ ６は、雄部材３の流体路１３、１４、１５の各１本および前記管２２、２３、２ ４と連通する３ヶ 所の共通環状空間２７、２８、２９を規定する。案内スリーブ４は、環状空間と 対応する管との間に貫通孔を有する。頂部２６は、環状空間の間に、密封手段１ ８に対応し、供給チャネル２０を通るバリア液体によって作動する、油圧作動式 静的密封手段３０が設けられている。 静的および動的密封手段の一実施例を、第３図により詳しく示す。この図は、 雌部材２の一部と雄部材３の掘り下げ部２５とを示し、第１図に示したように、 回り継手装置の軸を通る長手方向断面図として、かかる部材が相互接続位置にあ るところを示すものである。 静的密封手段１８は、リング素子１７内の周辺溝３６に配置された１対のＵ字 型縁密封部３５から成り、静止密封筐体と呼ぶこともできる。リング素子は、図 示のように互いに組み合わされ固定される一対の鋼製リングから成るので、これ ら鋼製リングを互いに組み合わせる前に、密封素子を溝３６に配置することがで きる。Ｕ字型縁密封部は、適当なエラストマ材で作られ、軸方向に向けられた脚 部３７を有する。外側の脚部は、バリア液体の影響の下で、外側に押圧され、雌 部材２の隣接する密封表面と摩擦によって固着係合される。上述のように、バリ ア液体はチャネル２０およびリング溝１６の底部の緩衝体積を通じて供給され、 リング素子１７にはこの目的のために適当な開口が設けられている。 エラストマ製密封素子３５の各々には、埋め込み支持リ ング４１（破線で示唆されている）が設けられ、バリア液体からの圧力の影響の 下で、互いに隣接する密封表面間で密封素子材料が押し出されるを防止する。 動的密封手段１９も、１対のエラストマ製Ｕ字型縁密封部３８から成るが、こ れらの密封素子は、雌部材２において雄部材３が回転する場合に、リング素子１ ７と雄部材３の隣接部分との間で密封状態を形成しなければならないので、周辺 リング溝１６の側壁にある別個のリング溝３９に配置されている。Ｕ字型密封素 子３８は、半径方向に向けられた脚部４０を有し、これら脚部はバリア液体の影 響の下で押圧され、リング素子１７およびリング溝３９それぞれに対する動的密 封が得られる。 密封素子３８にも、密封素子３５について述べたのと同様の支持リング（図示 せず）が設けられており、密封材が押し出されるのを防止する。 雄部材と雌部材とが相互接続位置にあるとき、リング素子１７は半径方向に自 由に移動可能となっているので、上述のように、それ自体を雌部材２内の中心に 位置付ける。バリア液体（例えば、圧媒油または水）は加圧され、バリア液体の 圧力が、静的密封素子３５に、雌部材の密封表面に対して展伸させ、リング素子 または密封筐体をそれらの位置に固着させる。動的密封部に関しては、リング素 子１７とリング溝１６との密封表面間に狭いギャップがあるため、バリア液体は 密封素子３８に導かれる。バリア液体と プロセス流体との間の圧力差のために、密封素子がリング素子の密封表面と密着 する。 したがって、密封手段１８および１９を作動させると、静的密封素子３５はリ ング素子１７を摩擦によって雌部材２に固着し、これに対してリング素子１７お よびリング溝１６の隣接する側壁は、相互に移動可能な摺動面を形成し、これが 動的密封素子３８によって密封される。静的密封部の密封機能のために、密封素 子と雌部材の密封表面との間に、堅固で強力な摩擦締結を得ることが決定的に重 要である。密封素子と雌部材との移動は、密封部間の圧力差が大きいために、漏 れの原因となる。圧力および摩擦係数は決定的であり、密封材として、できるだ け大きな摩擦を与えるエラストマ材を選択することになる。一方、動的密封部に ついては、少ない摩擦で良好な密封を達成するために、摺動面間に少ない摩擦を 与えるエラストマ材を選択する。 雄部材と雌部材とを互いに切断すると、バリア液体の圧力が緩和されるので、 リング素子１７はもはやそれらの位置に固着されない。このとき、雄部材を雌部 材から引き抜くことができる。この動作の間密封素子が緩和されても、それらの 密封表面と接触したままとなっている。 リング素子および密封構造体の代替実施例を第４図に示す。この図では、個々 の素子間の隙間距離および遊隙は、明瞭にするために、かなり誇張して示されて いる。第３図に対応するように、雌部材４５の一部および雄部材４６の 掘り下げ部が示されており、回り継手装置の軸を通る長手方向断面図として、か かる部材が相互接続位置にある場合が示されている。本実施例では、半径方向に 移動可能なリング素子４７が、雄部材４６内の周辺リング溝４８内に配されてい る。リング素子には、雌部材４５の隣接する密封表面に向けられている縁を有す る、Ｕ字状縁密封素子４９の形状の静的密封手段が配されている。チャネル５０ を通じて、リング溝４８の底部にある緩衝体積にバリア液体が供給される。バリ ア液体を加圧すると、密封縁が外側に押圧され、雌部材の対向する密封表面と摩 擦により固着係合する。 ここでは、動的密封手段は１対の密封素子５１から成り、これらはリング素子 ４７の各側の各リング溝５２内に密封配置され、リング素子の隣接する密封表面 と密封係合する。図示のように、各リング溝５２はバリア液体用供給チャネル５ ０に接続されている。リング溝の底部では、バリア液体からの圧力に加えて密封 素子に作用する圧力ばね５３も配されている。更に、各密封部材５１は、リング 溝に配されているＯ−リング５４による作用を受け、これによって保持されてい る。 当業者は分かるであろうが、密封素子６１とリング素子５７の隣接する当接面 即ち座面との間の密封表面には、ばね６３からの力およびバリア液体圧力による 油圧力によって表わされる「閉成」力と、プロセス流体圧力およびバリ ア液体圧力による油圧力によって表わされる「開成」力との間に、力の均衡が成 立する。リング素子５７に対する密封素子の当接面の直径の選択に関して適切な 形状の密封素子６１を用いると共に、Ｏ−リングの直径およびばねの圧力を適切 に選択することにより、密封素子６１が当接面に対して押圧する不均衡力に影響 を及ぼし、これによって動的密封表面に所望の表面圧力を得ることができる。こ うして、最適な動的密封機能を達成することができる。 認められようが、第４図の実施例の動作態様および機能的特性は、その他の点 において、前述の実施例と本質的に同一であるので、これに関しては、先の説明 を参照されたい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ)，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｚ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＴ，ＬＵ， ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．相互に回転可能な内側および外側回り継手部材（２，３；４５，４６）から 成り、前記回り継手部材は当該回り継手部材間の界面にある１つ以上の対応する 環状空間（７−９）を通じて互いに連通するそれぞれの内部流体路（それぞれ１ ２，１３，−１５）を有し、更に、前記環状空間または空間群（７−９）の各々 の各側において、前記回り継手部材の一方（３；４６）には、密封手段（１８， １９；４９，５１）が設けられた半径方向に移動可能なリング素子（１７；４７ ）を受容する周辺リング溝（１６；４８）が設けられている回り継手用密封構成 であって、前記密封手段は、他方の回り継手部材（２；４５）に対する静的密封 、および前記リング素子（１７；４７）と前記周辺リング溝（１６；４８）の側 壁との間の動的密封を得るように構成されることにより、前記第１回り継手部材 （３；４６）は、前記リング素子（１７；４７）を除いて、前記他方の回り継手 部材（２；４５）に対して回転可能であり、前記密封手段（１８，１９；４９， ５１）は、それが密封すべき流体よりも高い圧力を有するバリア液体によって油 圧で作動するように構成され、前記第１回り継手部材（３；４６）には、前記バ リア液体用供給チャネル（２０；５０）が設けられていることを特徴とする密封 構成。 ２．請求項１記載の構成において、前記供給チャネル（２０；５０）は、前記第 １回り継手部材（３；４６）内の 各周辺溝（１６；４８）に接続し、前記周辺溝（１６；４８）の底面積および対 象となるリング素子（１７；４７）によって範囲を決められ、かつ前記リング素 子の密封手段（１８，１９；４９，５１）と連通する緩衝体積に流入することを 特徴とする構成。 ３．請求項１または２記載の構成において、前記第１回り継手部材（３；４６） は内側回り継手部材であり、前記リング素子（１７；４７）は前記第１回り継手 部材（３；４６）の残りの部分よりも大きな外径を有し、前記リング素子の外径 は前記外側回り継手部材（２；４５）の内径に本質的に対応することを特徴とす る構成。 ４．請求項１ないし３のいずれか１項記載の構成において、前記静的密封手段（ １８）は、前記回り継手（１）に沿って軸方向に向けられた脚部（３７）を有す るＵ字状縁密封部（３５）から成り、外側の脚部は、前記バリア液体の影響の下 で押圧され、前記外側回り継手部材（２）と摩擦により固定係合されることを特 徴とする構成。 ５．請求項１ないし３のいずれか１項記載の構成において、前記動的密封手段（ １９）は、前記リング素子（１７）の各側の前記第１回り継手部材（３）内の各 リング溝（３９）に配され、かつ半径方向に向けられた脚部（４０）を有する、 １対のエラストマ製Ｕ字型縁密封部（３８）から成り、該脚部は、前記バリア液 体の影響の下で押圧され、前記リング素子（１７）および前記リング溝（３９） のそれぞれ に対して動的に密封することを特徴とする構成。 ６．請求項１ないし４のいずれか１項記載の構成において、前記動的密封手段は 、前記リング素子（４７）の各側の前記第１回り継手部材（４６）内にあるリン グ溝（５２）内に密封状に配された１対の密封素子（５１）から成り、前記リン グ溝（５２）の底部は前記バリア液体用供給チャネル（５０）に接続され、更に 、前記リング溝の底部には機械的ばね（５３）も配され、該ばねは、前記バリア 液体からの圧力に加えて、前記密封素子（５１）に作用することを特徴とする構 成。 ７．請求項６記載の構成において、前記密封素子（５１）は、前記リング溝（６ ２）に配されたＯ−リング（６４）による作用を受けかつこれに保持され、前記 ばね（５３）からの力、前記Ｏ−リング（５４）の直径および前記リング素子（ ４７）に対する前記密封素子（５１）の当接面の直径を相互に適合させることに より、前記密封素子（５１）が前記当接面に対Ｌて押圧する所望の大きさの不均 衡力が得られることを特徴とする構成。 ８．前出の請求項のいずれか１項記載の構成において、前記環状空間または各環 状空間（１６）は、前記他方の回り継手部材（２）内のリングチャネル（それぞ れ７，それぞれ８，９）、前記第１回り継手部材（３）内おいて横方向に位置す るリング素子（１７）、および前記リング素子（１７）間の前記第１回り継手部 材（３）の表面部分によ って規定されることを特徴とする構成。