(19)
(11)EP 3 017 140 B1

(12)EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT

(45)Hinweis auf die Patenterteilung:
30.03.2022  Patentblatt  2022/13

(21)Anmeldenummer: 14735469.0

(22)Anmeldetag:  26.06.2014
(51)Internationale Patentklassifikation (IPC): 
E21B 33/064(2006.01)
(52)Gemeinsame Patentklassifikation (CPC) :
E21B 33/064
(86)Internationale Anmeldenummer:
PCT/EP2014/001740
(87)Internationale Veröffentlichungsnummer:
WO 2015/000565 (08.01.2015 Gazette  2015/01)

(54)

VORRICHTUNG ZUM EINSTELLEN EINES MEDIENDRUCKES GEGENÜBER EINEM UMGEBUNGSDRUCK

DEVICE FOR ADJUSTING A MEDIA PRESSURE RELATIVE TO AN AMBIENT PRESSURE

DISPOSITIF DE RÉGLAGE DE LA PRESSION D'UN MILIEU PAR RAPPORT À UNE PRESSION AMBIANTE


(84)Benannte Vertragsstaaten:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

(30)Priorität: 03.07.2013 DE 102013011115

(43)Veröffentlichungstag der Anmeldung:
11.05.2016  Patentblatt  2016/19

(73)Patentinhaber: Hydac Technology GmbH
66280 Sulzbach (DE)

(72)Erfinder:
  • BAUER, Frank
    66646 Marpingen (DE)
  • GROBEN, Martin
    66280 Sulzbach (DE)
  • ALBERT, Alexander
    66798 Wallerfangen (DE)

(74)Vertreter: Bartels und Partner, Patentanwälte 
Lange Strasse 51
70174 Stuttgart
70174 Stuttgart (DE)


(56)Entgegenhaltungen: : 
WO-A1-2013/039719
GB-A- 1 305 990
GB-A- 2 328 492
US-A- 3 552 419
US-A1- 2011 203 379
CN-A- 102 678 680
GB-A- 1 305 990
US-A- 2 722 188
US-A1- 2005 155 658
US-A1- 2012 291 688
  
      
    Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen).


    Beschreibung


    [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen eines Mediendruckes gegenüber einem Umgebungsdruck mit den Merkmalen von Anspruch 1.

    [0002] Die zunehmende Verknappung der Ressourcen zwingt zu immer größeren Anstrengungen bei der Gewinnung von Rohstoffen und Energieträgern. Dies führt dazu, dass Bohrungen zur Förderung von Öl und Gas in immer größeren Meerestiefen durchgeführt werden müssen. Für den sicheren Betrieb derartiger Tiefwasserbohrungen, die von Bohrplattformen oder Bohrschiffen durchgeführt werden, sind am Meeresboden umfangreiche Sicherheitsanlagen vorgesehen, die dem Übergangsbereich zwischen Bohrloch und Bohrrohr oder Förderrohr funktional zugeordnet sind. Ein wichtiges, zum Sicherheitsstandard derartiger Tiefwasserbohrungen gehörendes Anlagenteil ist hierbei ein sogenannter Blowout Preventer (BOP). Diese Einrichtung bewirkt in einem Gefahrenfalle einen Schnellverschluss des Bohrlochausgangs, Bohrrohrs und/oder Förderrohrs.

    [0003] Um eine sichere Funktion eines Blowout Preventers zu gewährleisten, muss eine Druckflüssigkeit zur hydraulischen Betätigung mit einem entsprechend hohen Arbeitsdruck verfügbar sein. Da es außerordentliche Schwierigkeiten bereitet, eine Druckflüssigkeit mit einem ausreichend hohen Arbeitsdruck und in einer ausreichenden Menge von einer Bohrplattform oder einem Bohrschiff von der Wasseroberfläche aus zum entsprechend tiefgelegenen Meeresboden zu transportieren, ist es Stand der Technik, vgl. US 6 418 970 B1, bei diesen Vorrichtungen den zur Betätigung entsprechender Tiefseeanlagen erforderlichen hydraulischen Arbeitsdruck am Ort der Tiefseeanlage selbst zu nutzen. Es wird mithin mit Hilfe des umgebenden Druckes der Tiefsee, also mit dem hohen Druck des Tiefwassers, der benötigte hydraulische Arbeitsdruck erzeugt. Ein Kolben wird in einem Zylinder mit dem Umgebungsdruck der Tiefsee beaufschlagt und durch die dadurch bewirkte Kolbenbewegung wird der Druck auf die Druckflüssigkeit übertragen.

    [0004] Trotz der Vorteile, die durch die Erzeugung oder die Übertragung des Arbeitsdruckes am Einsatzort entstehen, sind die Betriebseigenschaften der bekannten Vorrichtungen nicht zufriedenstellend. Die Benutzung des Seewassers zum Betrieb der Zylinderanordnung ist in mehrerlei Hinsicht problematisch. Zum einen besteht die Gefahr der Verschmutzung durch Eintritt von Sedimentpartikeln und dergleichen oder durch Mikroorganismen, die zusammen mit dem Seewasser eingebracht werden. Zum anderen ergeben sich Beeinträchtigungen aufgrund des äußerst korrosiv wirkenden Seewassers. Um letzterem zu begegnen, ist es beim Stand der Technik erforderlich, die Zylinderanordnung mit geeigneten Auskleidungen zu versehen und/ oder aus entsprechend korrosionsfesten Materialien herzustellen, um die Korrosion und/oder den durch Anlagerungen erhöhten Reibungskoeffizienten bei Kolbenbewegungen zu verringern. Trotz dieser Maßnahmen ergeben sich Schwierigkeiten durch Salzwasserablagerungen, beispielsweise durch Kaliumstearat.

    [0005] Um diese Herausforderungen zu überwinden, wurde in der DE 10 2011 009 276 A1 eine Vorrichtung zum Übertragen eines hydraulischen Arbeitsdruckes in einer Druckflüssigkeit zur Druckbetätigung hydraulischer Einrichtungen von Tiefseeanlagen, insbesondere Tiefwasserbohrungen, vorgeschlagen. In einer Zylinderanordnung sind ein erster Druckraum für die Druckflüssigkeit, eine zur Veränderung des Volumens dieses Druckraumes bewegbare Kolbenanordnung und mindestens ein zweiter Druckraum vorhanden. Der zweite Druckraum ist für eine dem Arbeitsdruck im ersten Druckraum erzeugende Bewegung der Kolbenanordnung mit dem Umgebungsdruck der Tiefsee beaufschlagbar. Weiterhin ist ein der Zylinderanordnung zugeordneter Druckspeicher in Form eines Blasenspeichers vorgesehen, dessen bewegbares Trennelement einen mit dem Seewasser verbundenen Raum von einem Bewegungsraum trennt. Der Betätigungsraum enthält ein Betätigungsfluid und ist mit dem zweiten Druckraum in Verbindung, um diesen mittels des Betätigungsfluides mit dem Tiefseedruck zu beaufschlagen.

    [0006] Die GB 1 305 990 A beschreibt eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 1 zum Einstellen eines Mediendruckes gegenüber einem Umgebungsdruck, der bei einem Einsatz der Vorrichtung durch einen tiefenabhängigen Seewasserdruck vorgegeben ist, wobei der Seewasserdruck auf eine Kompensatoreinrichtung einwirkt, die eine umkehrbare Längen- oder Dehnungsänderung erlaubt, wobei in Richtung der Längen- oder Dehnungsänderung in Folge mindestens zwei Kompensatorelemente der Kompensatoreinrichtung vorhanden sind, wobei im Einsatzfall zumindest eine stirnseitige Abschlusswand einer Druckübersetzungseinrichtung einem Seewasserangriff ausgesetzt ist, wobei die Druckübersetzungseinrichtung eine Doppelkolbenanordnung aufweist, die mit ihrem einen Kolben an den Seewasserraum und mit ihrem anderen Kolben an den Medienraum angrenzt, wobei die Doppelkolbenanordnung axial in einem Aufnahmegehäuse bewegbar geführt ist, wobei eine Innenwand des Aufnahmegehäuses eine Lauffläche für die Kolben bildet, wobei die Vorrichtung ein Rohr umfasst, welches das Aufnahmegehäuse bildet, wobei die Kompensatoreinrichtung auf der Innenseite des Aufnahmegehäuses zwischen einem Kolben der Doppelkolbenanordnung und einer Eintrittsstelle des Rohrs vorgesehen ist, und wobei die stirnseitige Abschlusswand gegenüber der Eintrittsstelle für Seewasser in Richtung der Druckübersetzungseinrichtung zurückversetzt ist.

    [0007] Weitere Vorrichtungen zum Einstellen eines Mediendruckes gegenüber einem Umgebungsdruck gehen aus der GB 2 328 492 A, der US 2012/ 0291688 A1, der US 2011/0203379 A1, der US 3 552 419, der CN 102 678 680 A, der US 2 722 188 und der US 2005/0155658 A1 hervor. Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Einstellen eines Mediendruckes gegenüber einem Umgebungsdruck bereitzustellen, die sich insbesondere beim Einsatz unter Wasser als robust erweist und kostengünstig in der Herstellung ist sowie bei Bedarf einfach austauschbar ist.

    [0008] Eine Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 9 hervor.

    [0009] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kompensatoreinrichtung aus einem Faltenbalg gebildet ist; dass die Kompensatorelemente aus einzelnen in Hintereinanderabfolge angeordneten Balgfalten gebildet sind, die zumindest teilweise die Wand des Faltenbalges ausbilden; dass der Faltenbalg an seinem einen freien Ende mit dem Rohr im Bereich der Eintrittsstelle verschweißt ist; und dass der Faltenbalg am anderen Ende im Betrieb mit Vorspannung am äußeren Umfangsrand der angrenzenden Stirnseite des seewasserraumseitigen Kolbens lose anliegt.

    [0010] Es ist ferner vorgesehen, dass in Richtung der Längen- oder Dehnungsänderung in Folge mindestens zwei Kompensatorelemente der Kompensatoreinrichtung vorhanden sind.

    [0011] Durch die Kompensatoreinrichtung wird die Vorrichtung zumindest teilweise vor dem korrosiv wirkenden Seewasser geschützt. Überraschenderweise hat sich zudem gezeigt, dass der Einsatz einer derartigen Kompensatoreinrichtung kostengünstig ist, wenn dadurch teure Komponenten nicht in Kontakt mit dem Seewasser kommen und somit geschont werden. Ferner wird durch die in Reihenschaltung von zwei oder mehr Kompensatorelementen eine Redundanz bewirkt. Außerdem haben sich derartige Kompensatorelemente als robuster als der aus dem Stand der Technik bekannte Blasenspeicher erwiesen.

    [0012] Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann der Mediendruck derart eingestellt werden, dass eine Kompensation des Seewasserdruckes gegenüber einem hydraulischen Arbeitsdruck im fluidischen Kreis einer an die Vorrichtung angeschlossenen hydraulischen Arbeitsgerätschaft, insbesondere eines Blowout Preventers, erreichbar ist. Darüber hinaus kann die Einstellung des Mediendrucks genutzt werden, um mit dem Seewasserdruck den Betriebsdruck des fluidischen Arbeitskreises vorzuspannen, um im Bedarfsfall, beispielsweise in einer Notsituation, den vorgespannten und somit sehr hohen Arbeitsdruck, der im Wesentlichen dem Seewasserdruck entspricht, unmittelbar für die Betätigung der angeschlossenen Arbeitsgerätschaft zu verwenden.

    [0013] Die jeweiligen Kompensatorelemente sind vorteilhaft zumindest teilweise federelastisch oder sonst elastisch ausgebildet und erfahren ausgehend von einer Ausgangsstellung mittels des Seewasserdruckes in einer Richtung die Längen- oder Dehnungsänderung und sind bei Wegnahme des Seedruckes in umgekehrter Bewegung in Richtung dieser Ausgangsstellung rückbewegbar. Diese Ausführungsform erlaubt den Einsatz auch bei unterschiedlichen Seewasserdrücken. Mithin ist die Vorrichtung auch auf unterschiedlichen Tiefen einsetzbar. Weiterhin erlaubt die Elastizität der Kompensatorelemente den mehrfachen Einsatz der Vorrichtung.

    [0014] Die Kompensatoreinrichtung ist aus einem Faltenbalg gebildet und die Kompensatorelemente sind aus einzelnen in Hintereinanderabfolge angeordneten Balgfalten gebildet, die zumindest teilweise die Wand des Faltenbalges ausbilden. Ein solcher Faltenbalg hat sich für den Einsatz in der Tiefsee als besonders robust und langlebig erwiesen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Vorrichtung auch bei sehr hohem Druck des Seewassers einwandfrei funktioniert und dass hierbei keine Diffusion durch den Faltenbalg hindurch stattfinden kann.

    [0015] Im Einzelfall ist zumindest eine stirnseitige Abschlusswand des Faltenbalges und/oder eine Druckübersetzungseinrichtung einem Seewasserangriff ausgesetzt und diese Abschlusswand ist gegenüber einer Eintrittsstelle für das Seewasser in Richtung der Druckübersetzungseinrichtung zurückversetzt. Eine solche stirnseitige Abschlusswand ermöglicht eine Abschirmung der Druckübersetzungseinrichtung gegenüber dem Seewasser. Zudem sind zumindest Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber dem Seewasser geschützt.

    [0016] Besonders vorteilhaft stellt die Druckübersetzungseinrichtung zumindest einen mediendichten Abschluss zwischen dem Seewasserraum mit dem Seewasserdruck und dem Medienraum mit dem Mediendruck innerhalb des Aufnahmegehäuses her. Auf diese Weise ist der Medienraum sicher vom Seewasserraum getrennt. Es kann nicht zu einem Übertritt der jeweiligen Medien kommen. Mithin werden Beschädigungen von nachgeschalteten Einheiten, die nur mit dem Medium und nicht mit dem Seewasser in Kontakt kommen dürfen, verhindert.

    [0017] In einer Wirkkette und vorzugsweise in Längsrichtung des Aufnahmegehäuses gesehen können sich vorteilhaft an die Kompensatoreinrichtung die Druckübersetzungseinrichtung und dann der Medienraum anschließen. Dieser Aufbau ist besonders kompakt und zeichnet vorteilhaft sich dadurch aus, dass die Bewegungseinrichtung innerhalb der Vorrichtung einheitlich ist und nicht durch mechanische oder hydraulische Zwischenglieder umgelenkt werden muss. Derartige Kraftübertragungen mit Richtungsänderungen sind regelmäßig mit Energieverlusten verbunden, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermieden werden.

    [0018] Die Druckübersetzungseinrichtung weist einen Doppelkolben auf, der mit seinem einen Kolben an den Seewasserraum angrenzt und mit seinem anderen Kolben an den Medienraum. Ein solcher Doppelkolben hat den Vorteil, dass ein Zwischenraum zwischen den beiden Druckräumen gebildet wird, der zur zusätzlichen Abdichtung genutzt werden kann.

    [0019] Vorteilhaft ist zwischen den Kolben der Doppelkolbenanordnung mindestens ein weiterer zweiter Medienraum angeordnet, der ein Hochdruckmedium aufnimmt. Bei dem Hochdruckmedium kann es sich um ein Arbeitsgas, insbesondere Stickstoff (N2), handeln, das unter einem Druck von mindestens 1 bar, weiter bevorzugt mindestens 100 bar, weiter bevorzugt mindestens 200 bar, weiter bevorzugt mindestens 300 bar, weiter bevorzugt 400 bar, steht.

    [0020] Der zweite Medienraum mit dem Hochdruckmedium ist mit Vorteil an einen Druckvorratsraum permanent angeschlossen. Der Druckvorratsraum kann das Aufnahmegehäuse konzentrisch umfassen. Diese Anordnung ist hinsichtlich der effizienten Nutzung des Bauraums vorteilhaft, weil sie besonders kompakt ist. Durch den Anschluss eines erweiterten Druckvorratsraums kann zudem ein höherer Druck über einen längeren Hubweg bereitgestellt werden. Auf diese Weise wird das Medium im ersten Medienraum sowohl durch den Umgebungsdruck des Seewassers als auch durch den Druck des Hochdruckmediums beaufschlagt. Der zweite Medienraum und/oder der Druckvorratsraum können auch außerhalb der Vorrichtung durch ein an die Vorrichtung anschließbares Drittbauteil, beispielsweise in Form einer separaten Speicheranordnung, gebildet sein.

    [0021] Zwischen den Kolben der Doppelkolbenanordnung kann mindestens ein weiterer dritter Medienraum angeordnet sein, der ein Niederdruckmedium, insbesondere in Form eines Vakuums, aufnimmt. Der zweite und dritte Medienraum können von einer Kolbentrennwand begrenzt sein, in der eine Kolbenstange längsverfahrbar geführt ist, an deren jeweiligen Endbereich einer der Kolben der Kolbenanordnung befestigt ist. Durch das Niederdruckmedium, insbesondere ein Arbeitsgas, wie Stickstoff (N2), oder das Vakuum wird der Kolben, der mit dem Umgebungsdruck des Meerwassers beaufschlagt ist, auf der gegenüberliegenden Seite druckentlastet. Somit wird der Bewegung des Kolbens ein geringerer oder gar kein Widerstand entgegengesetzt, wenn das Medium aus dem ersten Medienraum abgerufen wird. Insbesondere steht das Niederdruckmedium im dritten Medienraum unter einem Druck, der niedriger als 1 bar, bevorzugt niedriger als 0,5 bar, ist.

    [0022] Der Faltenbalg, die Kolben und die Kolbentrennwand können bevorzugt einen jeweils maximalen Außendurchmesser aufweisen, der gleich ist und einem gleichförmig verlaufenen Innenwanddurchmesser des Aufnahmegehäuses entspricht. Auf diese Weise kann das Aufnahmegehäuse rohrförmig ausgeführt sein. Das Aufnahmegehäuse ist somit besonders kostengünstig in der Herstellung und druckstabil gegenüber Umgebungsdruckeinflüssen.

    [0023] Zumindest der seewasserraumseitige Kolben der Doppelkolbenanordnung ist vorteilhaft gegenüber einer Innenwand des Aufnahmegehäuses mittels einer Dichteinrichtung abgedichtet. Auf diese Weise wird ein Eindringen des Seewassers in die Doppelkolbenanordnung vermieden. Weiterhin wird ein Austritt von Medium oder Arbeitsgas aus der Doppelkolbenanordnung in Richtung des Seewassers verhindert.

    [0024] Die Erfindung ist nachfolgend anhand von einem in einer Figur dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
    Fig. 1
    eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer perspektivischen Längsansicht, die teilweise geschnitten wiedergegeben ist; und
    Fig. 2
    ein Ausschnitt aus dem Faltenbalg der Fig. 1 im Längsschnitt.


    [0025] In der Figur ist die Vorrichtung 1 zum Einstellen eines Mediendruckes gegenüber einem Umgebungsdruck, der bei einem Einsatz der Vorrichtung 1 durch einen tiefenabhängigen Druck eines Seewassers vorgegeben ist, dargestellt. Die Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus zwei konzentrischen Rohren 3, 5, die endseitig durch Ringelemente 7, 9 auf Abstand gehalten werden. Im inneren Rohr 5, das ein Aufnahmegehäuse bildet, ist ein erster Medienraum vorgesehen, der durch eine endseitige Scheibe 13 abgeschlossen ist. In der Scheibe 13 ist eine axiale Bohrung 15 zur Überleitung von einem Medium aus dem ersten Medienraum 11 in einen nachgeschalteten, nicht näher dargestellten Hydraulikkreis mit angeschlossener Arbeitsgerätschaft, beispielsweise in Form eines Blowout Preventers, vorgesehen. Der Medienraum 11 ist durch eine Druckübersetzungseinrichtung 17 in Form einer Doppelkolbenanordnung 19 beaufschlagbar, deren in der Bildebene rechter Kolben 21 an den ersten Medienraum 11 angrenzt. Die Doppelkolbenanordnung 19 ist axial im Aufnahmegehäuse 5 bewegbar geführt, wobei eine Innenwand 23 des Aufnahmegehäuses 5 eine Lauffläche 25 für die Kolben 21, 27 bildet. Der in der Bildebene linke Kolben 27 der Doppelkolbenanordnung 19 ist als stirnseitige Abschlusswand 29 im Betrieb der Vorrichtung mit Seewasser beaufschlagbar. Diese Abschlusswand 29 ist gegenüber einer Eintrittsstelle 31 des Seewassers in Richtung der Druckübersetzungseinrichtung 17 zurückversetzt. Die Druckübersetzungseinrichtung 17 stellt somit einen mediendichten Abschluss zwischen einem Seewasserraum 33 mit dem Seewasserdruck und dem Medienraum 11 mit dem Mediendruck innerhalb des gemeinsamen Aufnahmegehäuses 5 her.

    [0026] Auf der Innenseite des Aufnahmegehäuses 5 ist zwischen dem linken Kolben 27 und der Eintrittsstelle 31 des inneren Rohrs 5 eine Kompensatoreinrichtung 35 vorgesehen. Der Seewasserdruck wirkt auf die Kompensatoreinrichtung 35 ein, die eine umkehrbare Längen- oder Dehnungsänderung erlaubt. Die Kompensatoreinrichtung 35 ist aus einem Faltenbalg 39 gebildet. Der Faltenbalg 39 besteht aus korrosionsbeständigen Edelstahlmaterialien. An seinem einen freien Ende ist der Faltenbalg 39 mit dem inneren Rohr 5 im Bereich der Eintrittsstelle 31 verschweißt. Am anderen Ende liegt der Faltenbalg 39 im Betrieb mit Vorspannung am äußeren Umfangsrand der angrenzenden Stirnseite des linken Kolbens 27 vorzugsweise lose an. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass zwischen Faltenbalg 39 und der insoweit zuordenbaren Innenwand 23 des Rohres 5 zusätzlich eine Stützflüssigkeit eingebracht ist, beispielsweise in Form einer Alkoholverbindung (Glykol), die die Abstände zwischen den Balgfalten aussteift und insoweit abstützt. Ein Teil der Stützflüssigkeit befindet sich auch als eine Art Nachführmenge zum Ausgleich von Volumenschwankungen beim Bewegen des Feder- oder Faltenbalges 39 zwischen dessen geschlossenem bodenseitigen Ende und der benachbarten Stirnwand 29 des in Blickrichtung auf die Fig. 1 gesehen äußerst linken Kolbens 27. Der Faltenbalg 39 ist koaxial zur Druckübersetzungseinrichtung 17 angeordnet.

    [0027] Erfindungsgemäß sind in Richtung der Längen- oder Dehnungsänderung in Folge mehrere Kompensatorelemente 41 der Kompensatoreinrichtung 35 vorgesehen. Die Kompensatorelemente 41 sind aus einzelnen in Hintereinanderabfolge angeordneten, im Längsschnitt trapezförmigen Balgfalten gebildet. Die Balgfalten 41 bilden eine Wand 43 des Faltenbalges 39 aus. Sie kontaktieren außenseitig die Innenwand 23 des Aufnahmegehäuses 5. Die jeweiligen Kompensatorelemente 41 sind federelastisch. Ausgehend von einer Ausgangsstellung erfahren die Kompensatorelemente 41 mittels des Seewasserdruckes in einer Richtung die Längen- oder Dehnungsänderung. Bei Wegnahme des Seewasserdruckes sind die Kompensatorelemente in umgekehrter Bewegung in Richtung der Ausgangsstellung rückbewegbar. Das Arbeitsvermögen der Vorrichtung und das Volumen des Seewasserraums sind somit durch die Anzahl und die Form der Balgfalten 41 zumindest teilweise vorgebbar. Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Balg 39 ist aus einem Elastomermaterial (Gummi) gebildet, das gegenüber dem korrosiv wirkenden Seewasser beschichtet sein kann. Anstelle des Elastomer-Balges kann auch ein solcher aus Stahlmaterialien, vorzugsweise in Form von Edelstahl, treten, der dann nicht rostet. Im dahingehenden Fall sind die Balgfalten aber dann nicht, wie gezeigt, trapezförmig ausgebildet, sondern mit entsprechenden gleichmäßigen Rundungen (nicht dargestellt) versehen.

    [0028] In einer Wirkkette und in Längsrichtung LR des Aufnahmegehäuses 5 gesehen schließen sich an die Kompensatoreinrichtung 35 die Druckübersetzungseinrichtung 17 und dann der Medienraum 11 an. Zwischen den Doppelkolben 21, 27 der Druckübersetzungseinrichtung 17 ist ein zweiter Medienraum 45 angeordnet, der ein Hochdruckmedium aufnimmt. Bei diesem Hochdruckmedium handelt es sich um ein Arbeitsgas, speziell um Stickstoff (N2). Der zweite Medienraum 45 mit dem Hochdruckmedium ist an einen Druckvorratsraum 47, der sich zwischen dem inneren Rohr 5 und dem äußeren Rohr 3 befindet, permanent über eine Bohrung 49 im inneren Rohr 5 angeschlossen. Der Druckvorratsraum 47 umfasst das Aufnahmegehäuse 5 konzentrisch. Zwischen den Doppelkolben 21, 27 ist ein weiterer dritter Medienraum 51 angeordnet, der ein Niederdruckmedium in Form eines Arbeitsgases, hier Stickstoff (N2), aufnimmt, vorzugsweise jedoch ein Vakuum aufnimmt. Der zweite und der dritte Medienraum 45, 51 sind von einer ortsfest im Aufnahmegehäuse 5 angeordneten Kolbentrennwand 53 begrenzt. In einer Bohrung 55 der Kolbentrennwand 53 ist eine Kolbenstange 57 längsverfahrbar geführt, an deren jeweiligen Endbereich ein Kolben 21, 27 der Doppelkolbenanordnung 19 befestigt ist. Die Kolben 21, 27 der Doppelkolbenanordnung 19 und die Kolbentrennwand 53 weisen jeweils zwei Umfangsnuten 59 auf, in denen ringförmige Dichtelemente 61 als Dichtanordnungen zur Abdichtung gegenüber der Innenwand 23 des Aufnahmegehäuses 5 angeordnet sind. Weiterhin sind in der Bohrung 55 in der Kolbentrennwand zwei Innenumfangsnuten 63 vorgesehen, in denen ebenfalls zwei Dichtelemente 65 angeordnet sind. Auf diese Weise sind die Medienräume 11, 45, 51 und der Seewasserraum 33 mediendicht voneinander separiert. Insbesondere ist durch die Dichtelemente 61 verhindert, dass die Stützflüssigkeit des Balges 39 auf die Medienraumseite 51 treten kann.

    [0029] Der Faltenbalg 39, die Kolben 21, 27 und die Kolbentrennwand 53 weisen jeweils einen maximalen Außendurchmesser A auf, der gleich ist und dem gleichförmig verlaufenden Innenwanddurchmesser I des Aufnahmegehäuses 5 entspricht.

    [0030] In der Fig. 2 ist der Faltenbalg 39 aus Elastomermaterial im eingebauten Zustand im Detail schematisch dargestellt. Jede Balgfalte 41 ist aus zwei im selben Winkel aufeinander zu geneigten Flanken 67, 69 gebildet, die in fiktiver Verlängerung einen spitzen Winkel α miteinander einschließen, der auf der Innenseite 71 des Faltenbalges 39 liegt. Nach einer vorgebbaren Flankenstrecke 73 gehen die jeweils benachbarten Flanken 67, 69 einer Balgfalte 41 in Richtung der Innenseite 71 in koaxial zur Längsachse LA des Faltenbalges 39 verlaufende Bindungsbrücken 75 über, welche die benachbarten Flanken 67, 69 aussteifen und die im Übrigen mit den angrenzenden Bindungsbrücken 75 einen fiktiven Innentubus 77 innerhalb des Faltenbalgs 39 bilden. An ihrem Fuß 79 geht jede Flanke 67, 69 mit einem vorgebbaren Biegeradius r in eine ebenfalls koaxial zur Längsachse LA des Faltenbalges 39 verlaufende Anlagebrücke 81 über, die in jeder Bewegungsstellung des Faltenbalges 39 in gleitender Anlage an der Innenwand 23 des inneren Rohres 5 verbleibt. Alle Anlagebrücken 81 bilden wiederum einen fiktiven Außentubus 83 des Faltenbalges 39, der zum Innentubus 77 konzentrisch ist. Die Bindungsbrücken 75 und die Anlagebrücken 81 steifen den Faltenbalg 39 als Ganzes aus und bewirken, dass die Balg-Verformungsarbeit größtenteils oder ausschließlich durch flügelschlagartige Bewegungen der Flanken 67, 69 in Richtung der Füße 79 erbracht wird. Die jeweils benachbarten Füße 79 einer Balgfalte 41 bewegen sich bei einer Verkleinerung oder Vergrößerung des von der Balgfalte 41 begrenzten Volumens auf der Höhe des Außentubus 83 aufeinander zu oder voneinander weg je nachdem, ob der Faltenbalg 39 im Betrieb gestaucht oder gedehnt wird. Die Verformungsarbeit des Faltenbalges 39 wird mithin nur durch die Bewegung der sich federnd zurückstellenden Flanken 67, 69 geleistet. Zu diesem Zweck sind die Flanken 67, 69 über Gelenkstellen 85 mit den benachbarten Bindungsbrücken 75 verbunden. Dadurch ist gewährleistet, dass die Bindungsbrücken 75 ihre konzentrische Ausrichtung zueinander im Betrieb stets beibehalten. Der Faltenbalg 39 kann auch bei sehr hohen Seewasser- bzw. Arbeitsdrücken nicht oder zumindest nur gering beulen, so dass die Anlagebrücken 81 in jeder möglichen Verfahrstellung des Faltenbalges 39 in gleitender Anlage an der Innenwand 23 des inneren Rohres 5 verbleiben, die eine Führung für den Balg 39 bildet. Der Faltenbalg 39 und seine Balgfalten 41 sind rotationssymmetrisch zur Längsachse LA der Vorrichtung 1 ausgerichtet. Um Spannungen in den Balgfalten 41 zu vermeiden, sind die Anlagebrücken 81 und die Bindungsbrücken 75 gleich breit ausgebildet und mit der genannten Stützflüssigkeit verfüllt.

    [0031] Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist dazu vorgesehen, als Teil eines Blowout Preventers auf den Meeresgrund herabgelassen zu werden. Der hohe Umgebungsdruck des Seewassers in z.B. 3600 m Tiefe in Höhe von 360 bar wirkt auf die Vorrichtung 1 ein. Das Seewasser beaufschlagt die Kompensatoreinrichtung 35 und den linken Kolben 27 der Druckübersetzungseinrichtung 17 und erzeugt im Medium im ersten Medienraum 11 einen korrespondierenden Druck. Zusätzlich ist das Medium im ersten Medienraum 11 vom Hochdruckmedium im zweiten Medienraum 45 beaufschlagt. Wird nun in einem Notfall das Medium aus dem ersten Medienraum 11 abgerufen, bewegt sich die Doppelkolbenanordnung 17 in der Bildebene nach rechts. Auf diese Weise erfährt die Kompensatoreinrichtung 35 eine Längenänderung, da sie endseitig an die Doppelkolbenanordnung 17 und an das Aufnahmegehäuse 5 gekoppelt ist. Durch die Kompensatoreinrichtung 35 wird die Innenwand des Aufnahmegehäuses 5 vorteilhaft unabhängig von der Position der Doppelkolbenanordnung 19 vor dem Kontakt mit dem korrosiv wirkenden Seewasser geschützt.

    [0032] Durch die Erfindung wird somit eine besonders vorteilhafte Vorrichtung 1 zum Einstellen eines Mediendruckes gegenüber einem Umgebungsdruck aufgezeigt. Durch die Kompensatoreinrichtung 35 wird die Vorrichtung 1 zumindest teilweise vor dem korrosiv wirkenden Seewasser geschützt. Überraschenderweise hat sich zudem gezeigt, dass der Einsatz einer derartigen Kompensatoreinrichtung 35 kostengünstig ist, wenn dadurch teure Komponenten, wie die Innenwand 23 des Aufnahmegehäuses 5, nicht in Kontakt mit dem Seewasser kommen und somit geschont werden. Ferner wird durch die in Reihenschaltung von zwei oder mehr Kompensatorelementen 41 eine Redundanz bewirkt. Außerdem hat sich ein Faltenbalg 39 mit derartigen Kompensatorelementen 41 als robuster als ein aus dem Stand der Technik bekannter Blasenspeicher erwiesen. Vorzugsweise, was jedoch nicht dargestellt ist, kann ferner vorgesehen sein, dass die Gesamtvorrichtung gestuft ausgebildet ist, insbesondere dass der Seewasser-Druckübersetzungsteil mit Balg im Durchmesser kleiner ist als die Doppelkolbenanordnung.


    Ansprüche

    1. Vorrichtung zum Einstellen eines Mediendruckes gegenüber einem Umgebungsdruck, der bei einem Einsatz der Vorrichtung durch einen tiefenabhängigen Seewasserdruck vorgegeben ist, wobei der Seewasserdruck auf eine Kompensatoreinrichtung (35) einwirkt, die eine umkehrbare Längen- oder Dehnungsänderung erlaubt, wobei in Richtung der Längen- oder Dehnungsänderung in Folge mindestens zwei Kompensatorelemente (41) der Kompensatoreinrichtung (35) vorhanden sind,

    wobei im Einsatzfall zumindest eine stirnseitige Abschlusswand (29) einer Druckübersetzungseinrichtung (17) einem Seewasserangriff ausgesetzt ist, wobei die Druckübersetzungseinrichtung (17) eine Doppelkolbenanordnung (19) aufweist, die mit ihrem einen die stirnseitige Abschlusswand (29) bildenden Kolben (27) an einen Seewasserraum (33) und mit ihrem anderen Kolben (21) an einen Medienraum (11) angrenzt,

    wobei die Doppelkolbenanordnung (19) axial in einem Aufnahmegehäuse (5) bewegbar geführt ist,

    wobei eine Innenwand (23) des Aufnahmegehäuses (5) eine Lauffläche (25) für die Kolben (21, 27) bildet,

    wobei die Vorrichtung ein Rohr (5) umfasst, welches das Aufnahmegehäuse bildet,

    wobei die Kompensatoreinrichtung (35) auf der Innenseite des Aufnahmegehäuses (5) zwischen dem seewasserraumseitigen Kolben (27) und einer Eintrittsstelle (31) des Rohrs (5) vorgesehen ist, und

    wobei die stirnseitige Abschlusswand (29) gegenüber der Eintrittsstelle (31) für Seewasser in Richtung der Druckübersetzungseinrichtung (17) zurückversetzt ist,

    wobei die Kompensatoreinrichtung (35) aus einem Faltenbalg (39) gebildet ist;

    wobei die Kompensatorelemente (41) aus einzelnen in Hintereinanderabfolge angeordneten Balgfalten gebildet sind, die zumindest teilweise die Wand (43) des Faltenbalges (39) ausbilden;

    wobei der Faltenbalg (39) an seinem einen freien Ende mit dem Rohr (5) im Bereich der Eintrittsstelle (31) verschweißt ist; und

    wobei der Faltenbalg (39) am anderen Ende im Betrieb mit Vorspannung am äußeren Umfangsrand der angrenzenden Stirnseite des seewasserraumseitigen Kolbens (27) lose anliegt.


     
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die jeweiligen Kompensatorelemente (41) zumindest teilweise federelastisch oder sonst elastisch ausgebildet sind und wobei die Kompensatorelemente ausgehend von einer Ausgangsstellung mittels des Seewasserdruckes in einer Richtung die Längen- oder Dehnungsänderung erfahren und bei Wegnahme des Seewasserdruckes in umgekehrter Bewegung in Richtung dieser Ausgangsstellung rückbewegbar sind.
     
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Druckübersetzungseinrichtung (17) zumindest einen mediendichten Abschluss zwischen dem Seewasserraum (33) mit dem Seewasserdruck und dem Medienraum (11) mit dem Mediendruck innerhalb des Aufnahmegehäuses (5) herstellt.
     
    4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich in einer Wirkkette und vorzugsweise in Längsrichtung (LR) des Aufnahmegehäuses (5) gesehen an die Kompensatoreinrichtung (35) die Druckübersetzungseinrichtung (17) und dann der Medienraum (11) anschließen.
     
    5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den Doppelkolben (21, 27) mindestens ein weiterer zweiter Medienraum (45) angeordnet ist, der ein Hochdruckmedium aufnimmt.
     
    6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der zweite Medienraum (45) mit dem Hochdruckmedium an einen Druckvorratsraum (47) permanent angeschlossen ist und wobei der Druckvorratsraum (47) bevorzugt das Aufnahmegehäuse (5) konzentrisch umfasst.
     
    7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei zwischen den Doppelkolben (21, 27) mindestens ein weiterer dritter Medienraum (51) angeordnet ist, der ein Niederdruckmedium, vorzugsweise ein Vakuum, aufnimmt, und wobei der zweite Medienraum (45) und der dritte Medienraum (51) von einer Kolbentrennwand (53) begrenzt sind, in der eine Kolbenstange (57) längsverfahrbar geführt ist, an deren jeweiligem Endbereich einer der Kolben (21, 27) der Doppelkolbenanordnung (19) befestigt ist.
     
    8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Faltenbalg (39), die Kolben (21, 27) und die Kolbentrennwand (53) einen jeweils maximalen Außendurchmesser (A) aufweisen, der gleich ist und einem gleichförmig verlaufenden Innenwanddurchmesser (I) des Aufnahmegehäuses (5) entspricht.
     
    9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest der seewasserraumseitige Kolben (27) der Doppelkolbenanordnung (19) gegenüber der Innenwand (23) des Aufnahmegehäuses (5) mittels einer Dichteinrichtung (61) abgedichtet ist.
     


    Claims

    1. Apparatus for adjusting a media pressure with respect to an ambient pressure which is defined, when using the apparatus, by a depth-dependent seawater pressure, wherein the seawater pressure acts on a compensator device (35), which allows a reversible change in length or elongation, wherein at least two compensator elements (41) of the compensator device (35) are provided in sequence in the direction of the change in length or elongation,

    wherein, in the application, at least one end wall (29) on the end face of a pressure intensifying device (17) is exposed to the effect of seawater, wherein the pressure intensifying device (17) comprises a double piston arrangement (19), which, with its one piston (27) forming the end wall (29) on the end face, is adjacent to a seawater chamber (33) and, with its other piston (21), is adjacent to a media chamber (11),

    wherein the double piston arrangement (19) is guided such that it can move axially in a receiving housing (5),

    wherein an inner wall (23) of the receiving housing (5) forms a running surface (25) for the pistons (21, 27),

    wherein the appliance comprises a cylinder (5), which forms the receiving housing,

    wherein the compensator device (35) is provided on the inside of the receiving housing (5) between the piston (27) on the seawater chamber side and an entrance point (31) to the cylinder (5), and

    wherein the end wall (29) on the end face is set back with respect to the entrance point (31) for seawater in the direction of the pressure intensifying device (17),

    wherein the compensator device (35) is formed by a bellows (39);

    wherein the compensator elements (41) formed by individual bellows pleats arranged in succession, which at least partially form the wall (43) of the bellows (39);

    wherein the bellows (39) is welded at its free end to the cylinder (5) in the region of the entrance point (31); and

    wherein, during operation with preloading, the other end of the bellows (39) is loosely in contact with the outer circumferential edge of the adjacent end face of the piston (27) on the seawater chamber side.


     
    2. Apparatus according to claim 1, wherein the respective compensator elements (41) are designed to be at least partially resiliently sprung or otherwise have a resilient construction and wherein, starting from an initial position, the compensator elements experience the change in length or elongation in one direction by means of seawater pressure and in the reverse movement when the seawater pressure is removed can be moved back in the direction of this initial position.
     
    3. Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the pressure intensifying device (17) produces at least one media-tight seal between the seawater chamber (33) with the seawater pressure and the media chamber (11) with the media pressure inside the receiving housing (5).
     
    4. Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein, in a process chain, and preferably viewed in the longitudinal direction (LR) of the receiving housing (5), the pressure intensifying device (17) and then the media chamber (11) are connected to the compensator device (35).
     
    5. Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein at least one further second media chamber (45) is arranged between the double pistons (21, 27), said second media chamber receiving a high-pressure medium.
     
    6. Apparatus according to claim 5, wherein the second media chamber (45) with the high-pressure medium is permanently connected to a pressure supply chamber (47) and wherein the pressure supply chamber (47) preferably surrounds the receiving housing (5) in a concentric manner.
     
    7. Apparatus according to claim 5 or 6, wherein at least one further third media chamber (51) is arranged between the double pistons (21, 27), said third media chamber receiving a low-pressure medium, preferably a vacuum, and wherein the second media chamber (45) and the third media chamber (51) are delimited by a piston partition wall (53), in which a piston rod (57) is guided such that it can be displaced longitudinally, one of the pistons (21, 27) in the double piston arrangement (19) being attached to the respective end region thereof.
     
    8. Apparatus according to claim 7, wherein the bellows (39), the pistons (21, 27) and the piston partition wall (53) have a respective maximum outer diameter (A) which is identical and corresponds to an inner wall diameter (I) of the receiving housing (5) with the same shape.
     
    9. Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein at least the piston (27) on the seawater chamber side of the double piston arrangement (19) is sealed with respect to the inner wall (23) of the receiving housing (5) by means of a sealing device (61).
     


    Revendications

    1. Système de réglage de la pression d'un fluide par rapport à une pression ambiante, qui est donnée à l'avance à l'utilisation du système par une pression de l'eau de mer, qui dépend de la profondeur, dans lequel la pression de l'eau de mer agit sur un dispositif (35) compensateur, qui autorise une variation réversible de longueur ou d'extension, dans lequel il y a, dans la direction de la variation de longueur et d'extension, successivement au moins deux éléments (41) compensateurs du dispositif (35) compensateur,

    dans lequel, en utilisation, au moins une paroi (29) de fermeture du côté frontal d'un dispositif (17) de multiplication de la pression est soumis à une attaque de l'eau de mer, dans lequel le dispositif (17) de multiplication de la pression a un agencement (19) à double piston, qui est voisin, par son piston (27) formant la paroi (29) de fermeture du côté frontal, d'un espace (33) d'eau de mer et, par son autre piston (21), d'un espace (11) pour des fluides,

    dans lequel l'agencement (19) à double piston est guidé avec possibilité de se déplacer axialement dans un boîtier (5) de réception,

    dans lequel une paroi (23) intérieure du boîtier (5) de réception forme une surface (25) de glissement des pistons (21, 27),

    dans lequel le système comprend un tube (5), qui forme le boîtier de réception,

    dans lequel le dispositif (35) compensateur est prévu sur la face intérieure du boîtier (5) de réception entre le piston (27) du côté de l'espace pour l'eau de mer et un point (31) d'entrée du tube (5), et

    dans lequel la paroi (29) de fermeture du côté frontal est, par rapport au point (31) d'entrée de l'eau de mer, en retrait en direction du dispositif (17) de multiplication de la pression,

    dans lequel le dispositif (35) compensateur est formé d'un soufflet (39) à plis ;

    dans lequel les éléments (41) compensateurs sont formés de divers plis de soufflet disposés en succession les uns derrière les autres, qui constituent au moins en partie la paroi (43) du soufflet (39) à plis ;

    dans lequel le soufflet (39) à plis est soudé à sa une extrémité libre au tube (5) dans la partie du point (31) d'entrée ; et

    dans lequel le soufflet (39) à plis s'applique de manière lâche à l'autre extrémité en fonctionnement avec précontrainte au bord de pourtour extérieur du côté frontal voisin du piston (27) du côté de l'espace pour l'eau de mer.


     
    2. Système suivant la revendication 1, dans lequel
    les éléments (41) respectifs de compensateur sont constitués en ayant au moins en partie une élasticité de ressort ou sont sinon élastiques et dans lequel les éléments compensateurs subissent, à partir d'une position initiale au moyen de la pression de l'eau de mer, dans une direction, la variation de longueur ou d'extension et, lorsque la pression de l'eau de mer ne s'applique plus, reviennent en un déplacement inverse en direction de cette position initiale.
     
    3. Système suivant la revendication 1 ou 2, dans lequel
    le dispositif (17) de multiplication de la pression produit, à l'intérieur du boîtier (5) de réception, au moins une fermeture étanche au fluide entre l'espace (33) pour l'eau de mer ayant la pression de l'eau de mer et l'espace (11) pour des fluides ayant la pression des fluides.
     
    4. Système suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel
    le dispositif (17) de multiplication de la pression et ensuite l'espace (11) pour des fluides se raccordent au dispositif (35) compensateur en une chaîne d'action et de préférence considéré dans la direction (LR) longitudinale du boîtier (5) de réception.
     
    5. Système suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel
    au moins un autre espace (45) pour des fluides, qui reçoit un fluide sous haute pression, est disposé entre les pistons (21, 27) doubles.
     
    6. Système suivant la revendication 5, dans lequel
    le deuxième espace (45) pour des fluides ayant le fluide sous haute pression est raccordé en permanence à un espace (47) formant réservoir de pression et dans lequel l'espace (47) formant réservoir de pression entoure, de préférence concentriquement, le boîtier (5) de réception.
     
    7. Système suivant la revendication 5 ou 6, dans lequel
    entre les deux pistons (21, 27) est disposé au moins un autre troisième espace (51) pour des fluides, qui reçoit un fluide sous basse pression, en étant de préférence sous vide, et dans lequel le deuxième espace (45) pour des fluides et le troisième espace (51) pour des fluides sont délimités par une cloison (53) de piston, dans laquelle une tige (57) de piston est guidée avec possibilité de se déplacer longitudinalement, tige à la partie d'extrémité respective de laquelle l'un des pistons (21, 27) de l'agencement (19) à double piston est fixé.
     
    8. Système suivant la revendication 7, dans lequel
    le soufflet (39) à plis, les pistons (21, 27) et la cloison (53) de piston ont un diamètre (A) extérieur maximum respectif, qui est le même et qui correspond à un diamètre (I) de paroi intérieure s'étendant uniformément du boîtier (5) de réception.
     
    9. Système suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel
    au moins le piston (27) du côté de l'espace pour l'eau de mer de l'agencement (19) à double piston est rendu étanche par rapport à la paroi (23) intérieure du boîtier (5) de réception au moyen d'un dispositif (61) d'étanchéité.
     




    Zeichnung











    Angeführte Verweise

    IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE



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    In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente