ШАРНИРНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПЕРЕКАЧКИ НЕФТИ Российский патент 2018 года по МПК F16L27/00 

Настоящее изобретение относится к шарнирному соединению. Более конкретно, изобретение относится к шарнирному соединению, которое включает как первое, так и второе основные уплотнения между охватываемой и охватывающей частями шарнирного соединения, чтобы увеличить полезный срок службы шарнирного соединения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Шарнирные соединения обычно используются в индустрии нефтяного промысла, чтобы создавать жесткие, но в то же время допускающие динамическую конфигурацию трубопроводы между разными узлами оборудования. Например, в операциях интенсификации перекачки нефти или операциях гидроразрыва, шарнирные соединения часто используются для соединения множества насосных блоков высокого давления с системой трубопроводов и для соединения системы трубопроводов с устьем нагнетательной скважины.

Эти типы шарнирных соединений обычно содержат трубчатый охватываемый элемент, который с возможностью вращения соединен с трубчатым охватывающим элементом. Охватываемый элемент содержит охватываемое кольцо, а охватывающий элемент содержит охватывающее кольцо, которое выполнено, чтобы принимать охватываемое кольцо. Когда охватываемое кольцо расположено в охватывающем кольце, каждая из множества наружных кольцевых канавок на охватываемом кольце выровнена с соответствующей внутренней кольцевой канавкой на охватывающем кольце, чтобы тем самым сформировать множество дорожек качения, внутри которых расположено множество шариков, чтобы тем самым соединить с возможностью вращения охватываемый элемент с охватывающим элементом.

Когда охватываемый и охватывающий элементы соединены друг с другом, кольцевой канал формируется между охватываемым и охватывающим кольцами, который находится в соединении для текучих сред с каналом потока, образованным в шарнирном соединении. Чтобы поддерживать текучую среду для гидроразрыва в канале потока, в то же время позволяя охватываемому и охватывающему элементам вращаться относительно друг друга, шарнирное соединение обычно включает динамическое основное уплотнение, которое расположено между носовой частью охватываемого кольца и внутренней концевой частью охватывающего кольца.

Тем не менее, если происходит разрушение основного уплотнения, поток сжатой текучей среды для гидроразрыва через кольцевой канал может быстро разрушить охватываемую носовую часть и/или охватывающую внутреннюю концевую часть и тем самым вызвать разрушение шарнирного соединения. Также, сжатая текучая среда будет входить в кольцевой канал и генерировать гидростатические концевые нагрузки между охватываемым и охватывающим кольцами, что может вызвать разрушение дорожек качения.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению, эти и другие ограничения в предшествующем уровне техники решаются посредством обеспечения шарнирного соединения, которое включает трубчатый охватывающий элемент, который соединен с возможностью вращения с трубчатым охватываемым элементом. Охватывающий элемент включает охватывающую кольцевую часть, содержащую продолжающееся в осевом направлении внутреннее кольцевое углубление, охватывающую внутреннюю концевую часть, которая выполнена во внутреннем в осевом направлении конце углубления, и множество внутренних кольцевых канавок, которые выполнены в углублении соосно с ним. Трубчатый охватываемый элемент включает охватываемую кольцевую часть, содержащую кольцевую наружную поверхность, которая выполнена с возможностью размещения в углублении, охватываемую носовую часть, которая выполнена на конце охватываемой кольцевой части, и множество наружных кольцевых канавок, которые выполнены на наружной поверхности соосно с ней. Охватываемая кольцевая часть расположена в охватывающей кольцевой части так, что охватываемая носовая часть расположена смежно с охватывающей внутренней концевой частью и каждая наружная канавка выровнена с соответствующей внутренней канавкой, чтобы тем самым образовать множество кольцевых дорожек качения, внутри которых расположено множество шариков, чтобы тем самым соединить с возможностью вращения охватываемый элемент с охватывающим элементом. Шарнирное соединение дополнительно включает первое основное уплотнение, которое расположено между охватываемой носовой частью и охватывающей внутренней концевой частью, и второе основное уплотнение, которое расположено между охватываемой носовой частью и охватывающей внутренней концевой частью радиально снаружи от первого основного уплотнения. Таким образом, охватываемый и охватывающий элементы образуют канал потока через шарнирное соединение, который уплотнен первым основным уплотнением, а в случае разрушения первого основного уплотнения, – вторым основным уплотнением.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, второе основное уплотнение установлено в кольцевом гнезде под уплотнение, которое выполнено в охватывающей внутренней концевой части. Второе основное уплотнение может содержать, в поперечном сечении, в общем прямоугольную базовую часть, которая по меньшей мере частично расположена в гнезде под уплотнение, и кольцевую выступающую часть, которая продолжается радиально внутрь от базовой части и взаимодействует уплотняющим образом с охватываемой носовой частью. Кольцевая выступающая часть может содержать, в поперечном сечении, радиально внутреннюю вершину и скошенную часть, которая отклоняется радиально наружу от вершины в направлении к наружному в осевом направлении концу углубления. В данном варианте осуществления, скошенная часть взаимодействует уплотняющим образом с конической уплотнительной поверхностью, которая образована на охватываемой носовой части напротив гнезда под уплотнение, а вершина взаимодействует уплотняющим образом с цилиндрической уплотнительной поверхностью, которая образована на охватываемой носовой части внутри в осевом направлении от конической уплотнительной поверхности. Кроме того, второе основное уплотнение может содержать кольцевую антиэкструзионную пружину, которая расположена вблизи пересечения базовой части и скошенной части.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, охватываемая носовая часть содержит концевую стенку, которая продолжается радиально наружу от канала потока, и цилиндрическую боковую стенку, которая продолжается наружу в осевом направлении от концевой стенки, и первое основное уплотнение взаимодействует уплотняющим образом с концевой стенкой, а второе основное уплотнение взаимодействует уплотняющим образом с цилиндрической боковой стенкой. Охватываемая носовая часть также может содержать коническую боковую стенку, которая отклоняется радиально наружу от цилиндрической боковой стенки в направлении к наружному в осевом направлении концу углубления. В данном случае, второе основное уплотнение взаимодействует уплотняющим образом как с цилиндрической боковой стенкой, так и с конической боковой стенкой. В данном варианте осуществления, второе основное уплотнение может содержать, в поперечном сечении, радиально внутреннюю вершину и скошенную часть, которая отклонятся радиально наружу от вершины в направлении к наружному в осевом направлении концу углубления, в случае чего кольцевая вершина взаимодействует уплотняющим образом с цилиндрической боковой стенкой, а скошенная часть взаимодействует уплотняющим образом с конической боковой стенкой.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, второе основное уплотнение имеет в общем прямоугольное поперечное сечение с первой наружной в осевом направлении уплотнительной поверхностью, которая взаимодействует уплотняющим образом с продолжающейся радиально первой концевой стенкой на охватываемой носовой части. В данном варианте осуществления, первое основное уплотнение может быть установлено в кольцевое гнездо под уплотнение, которое выполнено в охватывающей внутренней концевой части, в случае чего первое основное уплотнение имеет в общем прямоугольное поперечное сечение со второй наружной в осевом направлении уплотнительной поверхностью, которая взаимодействует уплотняющим образом с продолжающейся радиально второй концевой стенкой, которая образована на охватываемой носовой части радиально и в осевом направлении внутри от первой концевой стенки. Более того, вторая концевая стенка может продолжаться радиально наружу от канала потока и может быть соединена с первой концевой стенкой продолжающейся в осевом направлении цилиндрической боковой стенкой.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, шарнирное соединение включает кольцевой канал, который образован между охватывающей внутренней концевой частью и охватываемой носовой частью и соединен с каналом потока. Кольцевой канал содержит часть, которая продолжается между вторым основным уплотнением и самой внутренней в осевом направлении дорожкой качения, а шарнирное соединение дополнительно включает отверстие для обнаружения утечки, которое продолжается через охватывающий элемент к части кольцевого канала. Таким образом, разрушение как первого, так и второго основных уплотнений может быть обнаружен посредством наблюдения того, выходит ли текучая среда из канала потока через отверстие для обнаружения утечки.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, шарнирное соединение включает отверстие для мониторинга, которое продолжается через охватывающий элемент к части кольцевого канала, которая продолжается между первым и вторым основными уплотнениями. Отверстие для мониторинга уплотнено посредством съемной заглушки, и разрушение первого основного уплотнения может быть обнаружено посредством извлечения заглушки и определения того, попала ли текучая среда из канала потока в отверстие для мониторинга.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, шарнирное соединение включает отверстие для мониторинга, которое продолжается через охватывающий элемент к части кольцевого канала, которая продолжается между первым и вторым основными уплотнениями, заглушку, которая расположена в отверстии для мониторинга, и держатель заглушки, который расположен в отверстии для мониторинга радиально снаружи от заглушки и содержит осевое сквозное отверстие. Заглушка выполнена так, что, в случае разрушения первого основного уплотнения, давление в части кольцевого канала подтолкнет по меньшей мере часть заглушки через осевое сквозное отверстие, чтобы тем самым обеспечить визуальное указание того, что произошло разрушение первого основного уплотнения. Шарнирное соединение может дополнительно содержать фиксатор, который закреплен в отверстии для мониторинга радиально снаружи от держателя заглушки, чтобы тем самым закрепить держатель заглушки в отверстии для мониторинга, и стопор, который расположен в отверстии для мониторинга между держателем заглушки и фиксатором. В данном варианте осуществления, стопор содержит полость на своем радиально внутреннем конце, которая выровнена со сквозным отверстием и в которую часть заглушки будет выталкиваться в случае разрушения первого основного уплотнения. Кроме того, кольцевая часть держателя заглушки, окружающая сквозное отверстие, может быть уплотнена на отверстии для мониторинга, а радиально внутренний конец стопора может быть уплотнен на радиально наружном конце держателя заглушки над сквозным отверстием, чтобы тем самым поддерживать давление в отверстии для мониторинга.

Таким образом, второе основное уплотнение обеспечивает эффективное средство для продления полезного срока службы шарнирного соединения. Если произойдет разрушение первого основного уплотнения, второе основное уплотнение предотвратит вытекание текучей среды для гидроразрыва под высоким давлением через кольцевой канал со скоростью, которая в противном случае вызвала бы размывание охватываемой носовой части и/или охватывающей внутренней концевой части. В результате, если произойдет разрушение первого основного уплотнения, полезный срок службы шарнирного соединения может быть продлен посредством простой замены первого основного уплотнения. Кроме того, при наличии второго основного уплотнения, разрушение первого основного уплотнения не приведет к полному разрыву уплотнения. Вместо этого, первое основное уплотнение будет функционировать в качестве лабиринтного уплотнения и ограничивать поток твердых материалов гидроразрыва во второе основное уплотнение. Следовательно, разрушение первого основного уплотнения не приведет к разрушению уплотнительных поверхностей.

Более того, так как цилиндрическая уплотнительная поверхность радиально близка к концевой стенке, с которой уплотняющим образом взаимодействует первое основное уплотнение, разрушение первого основного уплотнения приведет к управляемому увеличению в гидростатических концевых нагрузках на охватываемой и охватывающей кольцевых частях. Более того, так как коническая уплотнительная поверхность продолжается радиально наружу от цилиндрической уплотнительной поверхности, радиальное поперечное сечение охватываемой носовой части остается существенным, таким образом, формируя шарнирное соединение, пригодное для эрозионных применений. Дополнительно, так как кольцевая вершина второго основного уплотнения расположена радиально и в осевом направлении внутри относительно скошенной части уплотнения, давление в кольцевом канале будет прижимать кольцевую выступающую часть в более плотное уплотнение с конической уплотнительной поверхностью, схожим образом с побуждаемым давлением уплотнением. Таким образом, второе основное уплотнение будет обеспечивать эффективное уплотнение, которое позволит шарнирному соединению оставаться рабочим до замены первого основного уплотнения.

Эти и другие цели и преимуществе настоящего изобретения будут описаны далее со ссылкой на прилагаемые чертежи. На чертежах, одинаковые номера ссылок могут быть использованы для указания схожих компонентов в разных вариантах осуществления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигура 1 представляет собой вид в поперечном сечении первого варианта осуществления шарнирного соединения согласно настоящему изобретению;

Фигура 2 представляет собой увеличенный вид в поперечном разрезе охватываемой и охватывающей кольцевых частей шарнирного соединения по фигуре 1;

Фигура 3 представляет собой частичный увеличенный вид в поперечном разрезе охватываемой и охватывающей кольцевых частей шарнирного соединения, показанных на фигуре 2;

Фигура 4 представляет собой увеличенный вид в поперечном разрезе основного уплотнения шарнирного соединения, показанного на фигуре 3;

Фигура 5 представляет собой увеличенный вид в поперечном разрезе охватываемой и охватывающей кольцевых частей по второму варианту осуществления шарнирного соединения согласно настоящему изобретению;

Фигура 6 представляет собой увеличенный вид в поперечном разрезе первого и второго основных уплотнений, используемых в шарнирном соединении по фигуре 5;

Фигура 7 представляет собой увеличенный вид в поперечном разрезе охватываемой и охватывающей кольцевых частей по третьему варианту осуществления шарнирного соединения согласно настоящему изобретению; и

Фигура 8 представляет собой увеличенный вид в поперечном разрезе охватываемой и охватывающей кольцевых частей по четвертому варианту осуществления шарнирного соединения согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Первый вариант осуществления шарнирного соединения по настоящему изобретению показан на фигуре 1. Шарнирное соединение по данному варианту осуществления, в общем указанное символом ссылки 10, включает трубчатый охватываемый элемент 12, который соединен с возможностью вращения с трубчатым охватывающим элементом 14, чтобы тем самым сформировать компонент трубы для текучих сред, который может быть соединен с другими компонентами труб (не показаны) известным образом, чтобы построить конфигурируемую линию потока, которая может быть использована для соединения, например, насосного блока с устьем нагнетательной скважины, для использования в операциях гидроразрыва скважины. Несмотря на то, что охватываемый и охватывающий элементы 12, 14 изображены, как L-образные, они могут иметь любую традиционную конфигурацию. Например, один или оба из охватываемого и охватывающего элементов 12, 14 могут являться прямыми.

Охватываемый элемент 12 включает первый конец 16, который может быть соединен с другим компонентом трубы, и второй конец, который выполнен в виде охватываемой кольцевой части 18. Подобным обрезом, охватывающий элемент 14 включает первый конец 20, который может быть соединен с другим компонентом трубы, и второй конец, который выполнен в виде охватывающей кольцевой части 22. Охватываемая и охватывающая кольцевые части 18, 22 содержат общую осевую центральную линию CL и соединены вместе (как будет описано ниже), с тем чтобы охватываемый и охватывающий элементы 12, 14 могли вращаться относительно друг друга вокруг центральной линии CL.

Также со ссылкой на фигуру 2, охватываемая кольцевая часть 18 содержит кольцевую наружную поверхность 24, множество (в данном случае, три) наружных кольцевых канавок 26, которые выполнены на наружной поверхности соосно с центральной линией CL, и охватываемую носовую часть 28, которая выполнена на конце охватываемого элемента 12. Охватывающая кольцевая часть 22 включает продолжающееся в осевом направлении внутреннее кольцевое углубление 30, которое выполнено, чтобы принимать наружную поверхность 24 охватываемой кольцевой части 18, множество (в данном случае, три) внутренних кольцевых канавок 32, которые выполнены в углублении соосно с центральной линией CL, и охватывающую внутреннюю концевую часть 34, которая выполнена во внутреннем в осевом направлении конце углубления. В качестве используемых в материалах настоящей заявки, термины «внутренний в осевом направлении» и «наружный в осевом направлении» относятся к углублению 30. Таким образом, термин «внутренний в осевом направлении» указывает ссылкой на самый внутренний конец углубления 30, который является левым концом углубления в виде на фигуре 2, а термин «наружный в осевом направлении» указывает ссылкой на конец углубления 30, который совпадает с концом охватывающего элемента 14.

Как показано на фигуре 2, когда охватываемая кольцевая часть 18 установлена в углубление 30, охватываемая носовая часть 28 расположена рядом с охватывающей внутренней концевой частью 34. В данном положении, каждая из наружных кольцевых канавок 26 выровнена с соответствующей внутренней кольцевой канавкой 32, чтобы тем самым сформировать одинаковое количество дорожек качения, внутри которых расположено множество шариков 36, чтобы тем самым соединить с возможностью вращения охватываемый элемент 12 с охватывающим элементом 14. Когда они соединены таким образом, охватываемый и охватывающий элементы 12, 14 образуют непрерывный канал 38 потока через шарнирное соединение 10.

Когда охватываемый и охватывающий элементы 12, 14 соединены, как только что описано, кольцевой канал 40 образован между охватываемой и охватывающей концевыми частями 18, 22. Чтобы поддерживать давление в канале 38 потока, в то же время позволяя охватываемому и охватывающему элементам 12, 14 вращаться относительно друг друга, шарнирное соединение 10 обеспечено первым динамическим основным уплотнением 42, которое расположено между охватываемой носовой частью 28 и охватывающей внутренней концевой частью 34. Также со ссылкой на фигуру 3, первое основное уплотнение 42 установлено в первое гнездо 44 под уплотнение, которое выполнено в охватывающей внутренней концевой части 34. Первое гнездо 44 под уплотнение может содержать, например, первую концевую стенку 46, которая продолжается радиально наружу от канала 38 потока, и первую цилиндрическую боковую стенку 48, которая продолжается наружу в осевом направлении от первой концевой стенки. В данном варианте осуществления, первое основное уплотнение 42 имеет в общем прямоугольное поперечное сечение с наружной в осевом направлении уплотнительной поверхностью 50, которая соединена с продолжающейся радиально второй концевой стенкой 52 на охватываемой носовой части 28. Первое основное уплотнение 42 также может включать антиэкструзионное кольцо 53, которое расположено рядом с кольцевым каналом 40.

Если происходит разрушение основного уплотнения 42, поток сжатой текучей среды для гидроразрыва через кольцевой канал 40 может быстро разрушить охватываемую носовую часть 28 и/или охватывающую внутреннюю концевую часть 34 и тем самым вызвать разрушение шарнирного соединения 10. Согласно настоящему изобретению, эта проблема может быть решена посредством обеспечения шарнирного соединения 10 с динамическим вторым основным уплотнением 54 между охватываемой носовой частью 28 и охватывающей внутренней концевой частью 34 радиально снаружи от первого основного уплотнения 42. В этом отношении, «основное уплотнение» - это уплотнение, выполненное с возможностью уплотнения против давления в трубопроводе, для которого предназначено шарнирное соединение. Например, если шарнирное соединение сконструировано, чтобы выдерживать давление 1,03*10⁸ Па, основное уплотнение должно быть выполнено с возможностью уплотнения против этого давления.

В случае разрушения основного уплотнения 42, сжатая текучая среда будет входить в кольцевой канал 40 и генерировать гидростатические концевые нагрузки между охватываемой носовой частью 28 и охватывающей внутренней концевой частью 34, что может вызвать разрушение охватываемой и/или охватывающей кольцевых частей 18, 22. Чтобы минимизировать эти гидростатические концевые нагрузки, второе основное уплотнение 54 должно располагаться настолько близко к каналу 38 потока, насколько возможно. Тем не менее, если второе основное уплотнение 54 расположено слишком близко к каналу потока, радиальное поперечное сечение охватываемой носовой части 28 может быть слишком тонким для в высокой степени эрозионных применений.

Согласно настоящему изобретению, таким образом, шарнирное соединение 10 выполнено так, что второе основное уплотнение 54 уплотнено против охватываемой носовой части 28 лишь немного радиально снаружи от концевой стенки 52, против которой уплотнено первое основное уплотнение 42. Вдобавок, второе основное уплотнение 54 установлено в гнездо под уплотнение, которое в идеале расположено в охватывающей внутренней концевой части 34, а не в охватываемой носовой части 28. Таким образом, если произойдет разрушение первого основного уплотнения 42, второе основное уплотнение 54 будет поддерживать давление сравнительно близко к каналу 38 потока, который будет, соответственно, минимизировать гидростатические концевые нагрузки между охватываемой носовой частью 28 и охватывающей внутренней концевой частью 34, которые в ином случае вызвали бы разрушение охватываемой и/или охватывающей кольцевых частей 18, 22. Кроме того, так как гнездо под уплотнение для второго основного уплотнения 54 расположено в охватывающей внутренней концевой части 34, гнездо под уплотнение не снижает радиальное поперечное сечение охватываемой носовой части 28, и, следовательно, шарнирное соединение 10 будет лучше выдерживать в высокой степени эрозионные текучие среды.

Как показано на фигуре 3, второе основное уплотнение 54 установлено во второе гнездо 56 под уплотнение, которое выполнено в охватывающей внутренней концевой части 34 радиально и в осевом направлении снаружи от первого основного уплотнения 42. Второе гнездо 56 под уплотнение имеет в общем прямоугольное поперечное сечение, которое включает продолжающееся в осевом направлении дно 58 и две продолжающиеся радиально внутреннюю и наружную в осевом направлении боковые стенки 60, 62.

Также со ссылкой на фигуру 4, второе основное уплотнение 54 может содержать, в поперечном сечении, в общем прямоугольную базовую часть 64, которая по меньшей мере частично расположена во втором гнезде 56 под уплотнение, и кольцевую выступающую часть 66, которая продолжается радиально внутрь от базовой части и взаимодействует уплотняющим образом с охватываемой носовой частью 28. В частности, кольцевая выступающая часть 66 может содержать, в поперечном сечении, радиально внутреннюю вершину 68 и скошенную часть 70, которая отклоняется радиально наружу от вершины. В данном варианте осуществления, скошенная часть 70 взаимодействует уплотняющим образом с конической боковой стенкой или уплотнительной поверхностью 72, которая образована на охватываемой носовой части 28 напротив второго гнезда 56 под уплотнение, а кольцевая вершина 68 взаимодействует уплотняющим образом с цилиндрической боковой стенкой или уплотнительной поверхностью 74, которая образована на охватываемой носовой части внутри в осевом направлении от конической уплотнительной поверхности. Преимущество установки второго основного уплотнения 54 и охватывающей внутренней концевой части 34 и размещения уплотнительных поверхностей 72, 74 на охватываемой носовой части 28 состоит в том, что эти уплотнительные поверхности являются легкодоступными перед сборкой шарнирного соединения 10 и, следовательно, их просто производить, полировать и проверять.

Таким образом, второе основное уплотнение 54 обеспечивает эффективное средство для продления полезного срока службы шарнирного соединения 10. Если произойдет разрушение первого основного уплотнения 42, второе основное уплотнение 54 предотвратит вытекание текучей среды для гидроразрыва под высоким давлением через кольцевой канал 40 со скоростью, которая в противном случае вызвала бы быстрое разрушение или «размывание» охватываемой носовой части 28 и/или охватывающей внутренней концевой части 34, и, в частности, второй концевой стенки 52, против которой обычно уплотнено первое основное уплотнение 42. В результате, если произойдет разрушение первого основного уплотнения 42, полезный срок службы шарнирного соединения 10 может быть продлен посредством простой замены первого основного уплотнения. Кроме того, авторы обнаружили, что, при наличии второго основного уплотнения 54, разрушение первого основного уплотнения 42 не приведет к полному разрыву уплотнения. Вместо этого, первое основное уплотнение 42 будет функционировать в качестве лабиринтного уплотнения, что будет ограничивать поток твердых материалов гидроразрыва во второе основное уплотнение 54. Следовательно, разрушение первого основного уплотнения 42 не приведет к разрушению уплотнительных поверхностей 72, 74.

Более того, так как цилиндрическая уплотнительная поверхность 74 радиально близка к концевой стенке 52, с которой соединено первое основное уплотнение 42, разрушение первого основного уплотнения приведет к управляемому увеличению в гидростатических концевых нагрузках на охватываемой и охватывающей кольцевых частях 18, 22. Более того, так как коническая уплотнительная поверхность 72 продолжается радиально наружу от цилиндрической уплотнительной поверхности 74, радиальное поперечное сечение охватываемой носовой части 28 остается существенным, таким образом, формируя шарнирное соединение 10, пригодное для эрозионных применений. Дополнительно, так как кольцевая вершина 68 второго основного уплотнения 54 расположена радиально и в осевом направлении внутри относительно скошенной части 70 уплотнения, давление в кольцевом канале 40 будет прижимать кольцевую выступающую часть 66 в более плотное уплотнение с конической уплотнительной поверхностью 72, схожим образом с побуждаемым давлением уплотнением. Таким образом, второе основное уплотнение 54 будет обеспечивать эффективное уплотнение, которое позволит шарнирному соединению 10 оставаться рабочим до замены первого основного уплотнения 42.

Хотя это и не требуется, второе основное уплотнение 54 также может содержать кольцевую антиэкструзионную пружину 76, которая сформована внутри уплотнения вблизи пересечения базовой части 64 и скошенной части 70, которая, как показано на фигуре 3, находится рядом с кольцевым каналом 40 между охватываемой носовой частью 28 и охватывающей внутренней концевой частью 34. Соответственно, антиэкструзионная пружина 76 будет минимизировать вероятность того, что второе основное уплотнение 54 будет вытянуто в кольцевой канал 40 в случае разрушения первого основного уплотнения 42.

Вновь со ссылкой на фигуру 3, шарнирное соединение может содержать опциональное отверстие 78 для обнаружения утечки, которое продолжается через охватывающую кольцевую часть 22 к части кольцевого канала 40, расположенной между вторым основным уплотнением 54 и самой внутренней в осевом направлении дорожкой качения, образованной посредством внутренних и наружных кольцевых канавок 26, 32. Эта часть кольцевого канала 40 предпочтительно изолирована от самой внутренней в осевом направлении дорожки качения посредством уплотнения 80 для обнаружения утечки, такой как уплотнительное кольцо, которое расположено в кольцевой канавке 82 уплотнения в охватывающей внутренней концевой части 34. Как показано на фигуре 3, канавка 82 уплотнения может иметь круглое поперечное сечение, которое соответствует поперечному сечению уплотнения 80, чтобы надежно поддерживать уплотнение на месте против давления в кольцевом канале 40 в случае разрушения как первого, так и второго основных уплотнений 42, 54. В случае разрушения обоих этих уплотнений, текучая среда для гидроразрыва в канале 38 потока не будет протекать через кольцевой канал 40 и отверстие 78 для обнаружения утечки наружу в окружающую среду. Следовательно, давление не будет накапливаться в кольцевом канале 40, и уплотнение 80 предотвратит попадание песка и текучей среды для гидроразрыва в дорожки качения.

Другой вариант осуществления шарнирного соединения по настоящему изобретению показан на фигуре 5. Шарнирное соединение по данному варианту осуществления, в общем указанное символом ссылки 100, во многих отношениях схоже с шарнирным соединением 10, описанным выше. Следовательно, только охватываемая и охватывающая кольцевые части 18, 22 изображены на фигуре 5, и только эти части шарнирного соединения 100, которые отличаются от шарнирного соединения 10, будут описаны. Как и шарнирное соединение 10, шарнирное соединение 100 включает первое динамическое основное уплотнение 102, которое расположено между охватываемой носовой частью 28 и охватывающей внутренней концевой частью 34, и второе динамическое основное уплотнение 104, которое установлено между охватываемой носовой частью и охватывающей внутренней концевой частью радиально снаружи от первого основного уплотнения.

Также со ссылкой на фигуру 6, первое основное уплотнение 102 схоже с первым основным уплотнением 42, описанным выше. Соответственно, первое основное уплотнение 102 установлено в первое гнездо 44 под уплотнение, которое выполнено в охватывающей внутренней концевой части 34. Первое гнездо 44 под уплотнение включает первую концевую стенку 46, которая продолжается радиально наружу от канала 38 потока, и первую цилиндрическую боковую стенку 48, которая продолжается наружу в осевом направлении от первой концевой стенки. Как и с первым основным уплотнением 42, первое основное уплотнение 102 имеет в общем прямоугольное поперечное сечение с наружной в осевом направлении уплотнительной поверхностью 50, которая взаимодействует уплотняющим образом с продолжающейся радиально второй концевой стенкой 52 на охватываемой носовой части 28, чтобы тем самым уплотнить кольцевой канал 40 от канала 38 потока. Первое основное уплотнение 102 также может включать антиэкструзионное кольцо 54, которое расположено рядом с кольцевым каналом 40.

Согласно настоящему варианту осуществления, второе основное уплотнение 104 схоже по конфигурации с первым основным уплотнением 102 и установлено во второе гнездо 106 под уплотнение, которое выполнено в охватывающей внутренней концевой части 34. Второе гнездо 106 под уплотнение включает третью концевую стенку 108, которая, после опциональной ступени 110 для размещения охватываемой носовой части 28, продолжается радиально наружу от первой цилиндрической боковой стенки 48, и вторую цилиндрическую боковую стенку 112, которая продолжается наружу в осевом направлении от третьей концевой стенки. Как и с первым основным уплотнением 102, второе основное уплотнение 104 имеет в общем прямоугольное поперечное сечение с наружной в осевом направлении уплотнительной поверхности 114, которая взаимодействует уплотняющим образом с продолжающейся радиально четвертой концевой стенкой 116. Четвертая концевая стенка 116 образована на охватываемой носовой части 28 радиально и в осевом направлении снаружи от второй концевой стенки 52, и в данном случае четвертая концевая стенка соединена со второй концевой стенкой посредством третьей цилиндрической боковой стенки 118. Первое основное уплотнение 102 также может включать антиэкструзионное кольцо 120, которое расположено рядом с кольцевым каналом 40.

В сравнении со вторым основным уплотнением 54 шарнирного соединения 10, второе основное уплотнение 104 уплотнено против охватываемой носовой части 28 на немного большем радиусе. Таким образом, в случае разрушения первого основного уплотнения 102, гидростатические концевые нагрузки, генерируемые между охватываемой и охватывающей кольцевыми частями 18, 22, будут немного выше, чем испытываемые в шарнирном соединении 10. Тем не менее, второе основное уплотнение 104 будет предотвращать вымывание охватываемой носовой части 28 и/или охватывающей внутренней концевой части 34 и существенно увеличивать полезный срок службы шарнирного соединения 100. Кроме того, так как второе гнездо 106 под уплотнение выполнено в охватывающей внутренней концевой части 34, радиальное поперечное сечение охватываемой носовой части 28 может быть спроектировано достаточно большим, чтобы сделать шарнирное соединение 100 пригодным для эрозионных применений.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, шарнирное соединение может включать средство для мониторинга состояния первого основного уплотнения. Некоторые примеры такого средства для мониторинга будут описаны далее в контексте шарнирного соединения 100, описанного выше, при этом понятно, что средства для мониторинга могут быть встроены в шарнирное соединение 10 схожим образом.

Один из примеров средства для мониторинга для первого основного уплотнения 102 показан на фигуре 7. В данном варианте осуществления, средство для мониторинга включает отверстие 122 для мониторинга, которое продолжается через охватывающую кольцевую часть 22 к части кольцевого канала 40, расположенной между первым и вторым основными уплотнениями 102, 104. Во время нормальной работы шарнирного соединения 100, отверстие 120 для мониторинга уплотнено посредством съемной заглушки 124. Во время проверки давления первого основного уплотнения 102, заглушка 124 извлекается и канал 38 потока накачивается вплоть до предопределенного давления. Если первое основное уплотнение 102 не может выдержать это давление, что является указанием на то, что произошло разрушение первого основного уплотнения, шарнирное соединение 100 может быть изъято из работы, и первое основное уплотнение может быть заменено. Таким образом, шарнирное соединение 100 можно починить перед разрушением второго основного уплотнения, что, как описано выше, могло бы вызвать необратимое повреждение охватываемой носовой части 28 и/или охватывающей внутренней концевой части 34, чтобы в результате дало бы шарнирное соединение, непригодное для дальнейшей работы. Когда шарнирное соединение 100 работает нормально, заглушка 124 может быть извлечена во время периодических проверок, чтобы определить, имела ли место утечка текучей среды для гидроразрыва через первое основное уплотнение и в отверстие 122 для мониторинга. Если это так, шарнирное соединение 100 может быть использовано в течение предопределенного срока службы второго основного уплотнения 104, или шарнирное соединение может быть изъято из работы, и первое основное уплотнение 102 может быть заменено перед разрушение второго основного уплотнения.

Другой вариант осуществления средства для мониторинга для первого основного уплотнения 102 показан на фигуре 8. Схожим образом с только что описанным вариантом осуществления, средство для мониторинга по настоящему варианту осуществления включает отверстие 122 для мониторинга, которое продолжается через охватывающую кольцевую часть 22 к части кольцевого канала 40, расположенной между первым и вторым основными уплотнениями 102, 104. Заглушка 126 расположена в отверстии 122 для мониторинга в соединении с кольцевым каналом 40. Заглушка 126 включает часть 128 стержня, которая расположена в осевом углублении 130 в радиально внутреннем конце держателя 132 заглушки. Держатель 132 заглушки включает осевое сквозное отверстие 134, которое соединено с углублением 130, и кольцевой заплечик 136 на своем радиально внутреннем конце, который формирует идеальное уплотнение металла с металлом с соответствующим кольцевым гнездом в отверстии 122 для мониторинга. Стопор 138 расположен в отверстии 122 для мониторинга радиально снаружи от держателя 132 заглушки. Стопор 138 содержит полость 140 в своем радиально внутреннем конце, которая выровнена со сквозным отверстием 134 в держателе 132 заглушки. Радиально внутренний конец стопора 138 предпочтительно формирует уплотнение металла с металлом с радиально наружным концом держателя 132 заглушки, которое, вместе с уплотнением металла к металлу между отверстием 122 для мониторинга и кольцевым заплечиком 136 на держателе заглушки, является достаточным для поддержания любого давления, которое должно протекать через первое основное уплотнение 102. Фиксатор 142 закреплен в отверстии 122 для мониторинга радиально снаружи от стопора 138, чтобы тем самым поддерживать заглушку 126, держатель 132 заглушки и стопор на месте в отверстии для мониторинга. Фиксатор 142 может быть закреплен в отверстии 122 для мониторинга, например, с помощью щелевой резьбы, чтобы предотвратить захват давления между фиксатором и стопором 138.

В данном варианте осуществления средства для мониторинга, заглушка 126 выполнена из сравнительно мягкого, но, предпочтительно, упругого материала, такого как резина. Следовательно, в случае разрушения первого основного уплотнения 102, давление в кольцевом канале 40 будет входить в отверстие 122 для мониторинга и выталкивать заглушку 126 через сквозное отверстие 134 в держателе 132 заглушки и в полость 140 стопора 138. Таким образом, можно определить, сформировалась ли утечка в первом основном уплотнении 102, посредством извлечения фиксатора 142 и стопора 138 и наблюдения, была ли часть заглушки 128 вытолкнута через держатель 132 заглушки. Если это так, шарнирное соединение 100 можно изъять из работы, и первое основное уплотнение 102 можно извлечь и заменить перед появлением утечки во втором основном соединении 104.

В комбинации со вторым основным уплотнением 104, таким образом, средство для мониторинга может быть использовано, чтобы продлить полезный срок службы шарнирного соединения 100. Посредством использования средства для мониторинга для проверки уплотнительной целостности первого основного уплотнения 102 на регулярной основе, разрушение первого основного уплотнения может быть обнаружено перед разрушением второго основного уплотнения 104. Как и в случае с шарнирным соединением по предшествующему уровню техники с одним основным уплотнением, разрушение как первого, так и второго основных уплотнений 102, 104 может привести к разрушению охватываемой носовой части 28 и охватывающей внутренней концевой части 34, и/или к разрушению охватываемой и охватывающей кольцевых частей 18, 22, в случае чего потребовалась бы замена шарнирного соединения. Таким образом, полезный срок службы шарнирного соединения может быть продлен посредством простой замены первого основного уплотнения 102 при обнаружении его разрушения перед разрушением второго основного уплотнения 104.

Следует отметить, что, несмотря на то, что настоящее изобретение было описано в связи с предпочтительными вариантами его осуществления, специалисты в данной области техники могут разработать существенное изменение конструктивных и операционных деталей без отклонения от принципов изобретения. Например, разные элементы, показанные в разных вариантах осуществления, могут быть объединены образом, не проиллюстрированным выше. Следовательно, прилагаемая формула изобретения должна рассматриваться, как охватывающая все эквиваленты, попадающие в рамки объема и сущности изобретения.

Изобретение относится к шарнирному соединению, которое содержит трубчатый охватывающий элемент, который соединен с возможностью вращения с трубчатым охватываемым элементом. Охватывающий элемент включает охватывающую кольцевую часть, содержащую продолжающееся в осевом направлении внутреннее кольцевое углубление, охватывающую внутреннюю концевую часть, которая выполнена во внутреннем в осевом направлении конце углубления, и множество внутренних кольцевых канавок, которые выполнены в углублении соосно с ним. Трубчатый охватываемый элемент включает охватываемую кольцевую часть, содержащую кольцевую наружную поверхность, которая выполнена с возможностью размещения в углублении, охватываемую носовую часть, которая образована на конце охватываемой кольцевой части, и множество наружных кольцевых канавок, которые выполнены на наружной поверхности соосно с ней. Охватываемая кольцевая часть расположена в охватывающей кольцевой части так, что охватываемая носовая часть расположена смежно с охватывающей внутренней концевой частью и каждая наружная канавка выровнена с соответствующей внутренней канавкой, чтобы тем самым образовывать множество кольцевых дорожек качения, внутри которых расположено множество шариков, чтобы тем самым соединить с возможностью вращения охватываемый элемент с охватывающим элементом. Шарнирное соединение включает первое основное уплотнение, которое расположено между охватываемой носовой частью и охватывающей внутренней концевой частью, и второе основное уплотнение, которое расположено между охватываемой носовой частью и охватывающей внутренней концевой частью радиально снаружи от первого основного уплотнения. Охватываемый и охватывающий элементы образуют канал потока через шарнирное соединение, который уплотнен первым основным уплотнением, а в случае разрушения первого основного уплотнения – вторым основным уплотнением. 19 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Шарнирное соединение, содержащее:

трубчатый охватывающий элемент, который включает охватывающую кольцевую часть, содержащую продолжающееся в осевом направлении внутреннее кольцевое углубление, охватывающую внутреннюю концевую часть, которая выполнена во внутреннем в осевом направлении конце углубления, и множество внутренних кольцевых канавок, которые выполнены в углублении соосно с ним;

трубчатый охватываемый элемент, который включает охватываемую кольцевую часть, содержащую кольцевую наружную поверхность, которая выполнена с возможностью размещения в углублении, охватываемую носовую часть, которая выполнена на конце охватываемой кольцевой части, и множество наружных кольцевых канавок, которые выполнены на наружной поверхности соосно с ней;

при этом охватываемая кольцевая часть расположена в охватывающей кольцевой части так, что охватываемая носовая часть расположена смежно охватывающей внутренней концевой части и каждая наружная канавка выровнена с соответствующей внутренней канавкой, чтобы тем самым образовать множество кольцевых дорожек качения, внутри которых расположено множество шариков, чтобы тем самым соединить с возможностью вращения охватываемый элемент с охватывающим элементом;

первое основное уплотнение, которое расположено между охватываемой носовой частью и охватывающей внутренней концевой частью; и

второе основное уплотнение, которое расположено между охватываемой носовой частью и охватывающей внутренней концевой частью радиально снаружи от первого основного уплотнения;

при этом охватываемый и охватывающий элементы образуют канал потока через шарнирное соединение, который уплотнен первым основным уплотнением, а в случае разрушения первого основного уплотнения, – вторым основным уплотнением.

2. Шарнирное соединение по п. 1, в котором второе основное уплотнение установлено в кольцевом гнезде под уплотнение, которое выполнено в охватывающей внутренней концевой части.

3. Шарнирное соединение по п. 2, в котором второе основное уплотнение содержит, в поперечном сечении, в общем прямоугольную базовую часть, которая по меньшей мере частично расположена в гнезде под уплотнение, и кольцевую выступающую часть, которая продолжается радиально внутрь от базовой части и взаимодействует уплотняющим образом с охватываемой носовой частью.

4. Шарнирное соединение по п. 3, в котором кольцевая выступающая часть содержит, в поперечном сечении, радиально внутреннюю вершину и скошенную часть, которая отклоняется радиально наружу от вершины в направлении к наружному в осевом направлении концу углубления.

5. Шарнирное соединение по п. 4, в котором скошенная часть взаимодействует уплотняющим образом с конической уплотнительной поверхностью, которая образована на охватываемой носовой части напротив гнезда под уплотнение.

6. Шарнирное соединение по п. 5, в котором скошенная часть взаимодействует уплотняющим образом с цилиндрической уплотнительной поверхностью, которая образована на охватываемой носовой части внутри в осевом направлении от конической уплотнительной поверхности.

7. Шарнирное соединение по п. 4, в котором второе основное уплотнение содержит кольцевую антиэкструзионную пружину, которая расположена вблизи пересечения базовой части и скошенной части.

8. Шарнирное соединение по п. 2, в котором охватываемая носовая часть содержит концевую стенку, которая продолжается радиально наружу от канала потока, и цилиндрическую боковую стенку, которая продолжается наружу в осевом направлении от концевой стенки, при этом первое основное уплотнение взаимодействует уплотняющим образом с концевой стенкой, а второе основное уплотнение взаимодействует уплотняющим образом с цилиндрической боковой стенкой.

9. Шарнирное соединение по п. 8, в котором охватываемая носовая часть дополнительно содержит коническую боковую стенку, которая отклоняется радиально наружу от цилиндрической боковой стенки в направлении к наружному в осевом направлении концу углубления, при этом второе основное уплотнение взаимодействует уплотняющим образом как с цилиндрической боковой стенкой, так и с конической боковой стенкой.

10. Шарнирное соединение по п. 9, в котором второе основное уплотнение содержит, в поперечном сечении, радиально внутреннюю вершину и скошенную часть, которая отклонятся радиально наружу от вершины в направлении к наружному в осевом направлении концу углубления, при этом кольцевая вершина взаимодействует уплотняющим образом с цилиндрической боковой стенкой, а скошенная часть взаимодействует уплотняющим образом с конической боковой стенкой.

11. Шарнирное соединение по п. 2, в котором второе основное уплотнение имеет в общем прямоугольное поперечное сечение с первой наружной в осевом направлении уплотнительной поверхностью, которая взаимодействует уплотняющим образом с продолжающейся радиально первой концевой стенкой на охватываемой носовой части.

12. Шарнирное соединение по п. 11, в котором первое основное уплотнение установлено в кольцевое гнездо под уплотнение, которое выполнено в охватывающей внутренней концевой части, при этом первое основное уплотнение имеет в общем прямоугольное поперечное сечение со второй наружной в осевом направлении уплотнительной поверхностью, которая взаимодействует уплотняющим образом с продолжающейся радиально второй концевой стенкой, которая образована на охватываемой носовой части радиально и в осевом направлении внутри от первой концевой стенки.

13. Шарнирное соединение по п. 12, в котором вторая концевая стенка продолжается радиально наружу от канала потока.

14. Шарнирное соединение по п. 13, в котором вторая концевая стенка соединена с первой концевой стенкой продолжающейся в осевом направлении цилиндрической боковой стенкой.

15. Шарнирное соединение по п. 1, дополнительно содержащее:

кольцевой канал, который образован между охватывающей внутренней концевой частью и охватываемой носовой частью и соединен с каналом потока, причем кольцевой канал содержит часть, которая продолжается между вторым основным уплотнением и самой внутренней в осевом направлении дорожкой качения; и

отверстие для обнаружения утечки, которое продолжается через охватывающий элемент к части кольцевого канала;

при этом разрушение как первого, так и второго основных уплотнений может быть обнаружено посредством наблюдения того, выходит ли текучая среда из канала потока через отверстие для обнаружения утечки.

16. Шарнирное соединение по п. 1, дополнительно содержащее:

кольцевой канал, который образован между охватывающей внутренней концевой частью и охватываемой носовой частью и соединен с каналом потока, причем упомянутый кольцевой канал содержит часть, которая продолжается между первым и вторым основными уплотнениями; и

отверстие для мониторинга, которое продолжается через охватывающий элемент к части кольцевого канала и уплотнено съемной заглушкой;

при этом разрушение первого основного уплотнения может быть обнаружено посредством извлечения заглушки и определения того, попала ли текучая среда из канала потока в отверстие для мониторинга.

17. Шарнирное соединение по п. 1, дополнительно содержащее:

кольцевой канал, который образован между охватывающей внутренней концевой частью и охватываемой носовой частью и соединен с каналом потока, причем упомянутый кольцевой канал содержит часть, которая продолжается между первым и вторым основными уплотнениями; и

отверстие для мониторинга, которое продолжается через охватывающий элемент к части кольцевого канала;

заглушку, которая расположена в отверстии для мониторинга; и

держатель заглушки, который расположен в отверстии для мониторинга радиально снаружи от заглушки, при этом держатель заглушки содержит осевое сквозное отверстие;

при этом заглушка выполнена так, что, в случае разрушения первого основного уплотнения, давление в части кольцевого канала подтолкнет по меньшей мере часть заглушки через осевое сквозное отверстие, чтобы тем самым обеспечить визуальное указание того, что произошло разрушение первого основного уплотнения.

18. Шарнирное соединение по п. 17, дополнительно содержащее фиксатор, который закреплен в отверстии для мониторинга радиально снаружи от держателя заглушки, чтобы тем самым закрепить держатель заглушки в отверстии для мониторинга.

19. Шарнирное соединение по п. 18, дополнительно содержащее стопор, который расположен в отверстии для мониторинга между держателем заглушки и фиксатором, при этом стопор содержит полость на своем радиально внутреннем конце, которая выровнена со сквозным отверстием и в которую часть заглушки будет выталкиваться в случае разрушения первого основного уплотнения.

20. Шарнирное соединение по п. 19, в котором кольцевая часть держателя заглушки, окружающая сквозное отверстие, уплотнена на отверстии для мониторинга, а радиально внутренний конец стопора уплотнен на радиально наружном конце держателя заглушки над сквозным отверстием, чтобы тем самым поддерживать давление в отверстии для мониторинга.