CN100564973C - 金属阀杆密封和密封系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属阀杆密封和密封系统，包括：阀体；金属阀杆，容纳于阀体内；阀帽部件，容纳于阀体内；U形金属杆衬垫，位于金属阀杆和阀帽部件之间，其中衬垫具有每个皆具有内表面和外表面的第一凸缘部件和第二凸缘部件；金属楔形圈，安装于第一和第二凸缘部件之间；以及至少一个金属驱动弹簧，邻近楔形圈，其中，金属驱动弹簧施加足够的力于楔形圈上以使楔形圈施加足够的接触压力到第一和第二凸缘部件来在衬垫和金属阀杆之间形成密封并在衬垫和阀帽部件之间形成密封。

Description

金属阀杆密封和密封系统
技术领域
本发明涉及新型的且非显而易见的金属阀杆密封和密封系统。特别地，本发明涉及改进的金属对金属的阀杆密封，该密封用于密封可动的阀杆和阀帽部件之间，且涉及包括金属对金属的阀杆密封的改进的密封系统。本发明的密封系统和金属阀杆密封特别应用于油气的深海钻取。然而，本发明还用作其它流体例如水以及液体和气体的碳氢化合物用的密封系统，且用作其它适当应用例如具有将水下海岸线连接到水上的油气钻探平台的结构的上升装置周的密封系统。
背景技术
深海油气储存的开采对与深海设备一同使用的可靠、耐用并提供气密密封以防止油气泄漏的密封系统的需求不断增加。密封系统必须能够在操作中承受所施加的连续载荷。由于用于深海装置的复杂的深海人造结构，所以深海设备中的密封系统的维护非常昂贵或甚至于不可能实施。为尽可能减小或消除需要维护和修理深海设备中的密封系统，密封系统的所有关键零件必须表现出持续的可靠性和耐用性以充分满足对环境零排放的严格要求。
用于油气钻取及相关应用的已知金属阀杆密封和密封系统在本发明之前就已经开发出来。然而，此类密封和密封系统具有的缺点为，例如在高压条件下不足且不充分的密封能力、过早的磨损所致的较差的耐用性和可靠性、较频繁的维护和修理、易损伤密封表面以及经常使用更昂贵的设备。此外，许多已知的阀杆密封和密封系统在密封构造中合并有塑料或弹性体材料。此类塑料或弹性体材料在用于深海油气钻探时逊色于金属，这是因为塑料或弹性体材料更易于磨损且/或在高压条件下爆裂的倾向。
因此，需要克服与已知阀杆密封和密封系统相关的问题的新的且改进的金属阀杆密封和密封系统。
发明内容
本发明满足此类需求并提供独特的、有优势的金属阀杆密封和密封系统。已知的金属阀杆密封或密封系统中没有一个具备本发明的全部的多个优点中。
在一个方面，本发明涉及金属阀杆密封系统，包括：阀体；金属阀杆，容纳于阀体内；阀帽部件，容纳于阀体内；U形金属杆衬垫，位于金属阀杆和阀帽部件之间，其中衬垫具有每个皆具有内表面和外表面的第一凸缘部件和第二凸缘部件；金属楔形圈，安装于第一凸缘部件的内表面和第二凸缘部件的内表面之间；以及至少一个金属驱动弹簧，邻近楔形圈，其中，金属驱动弹簧作用足够的力于楔形圈上以使楔形圈施加足够的接触压力到第一和第二凸缘部件来使第一和第二凸缘部件扩展从而在衬垫和金属阀杆之间形成密封并在衬垫和阀帽部件之间形成密封。特别地，第一凸缘部件由驱动弹簧驱动的楔形圈机械地施加作用力以在第一凸缘部件和金属阀杆的外表面之间形成第一气密密封接触区域，第二凸缘部件由驱动弹簧驱动的楔形圈机械地施加作用力以在第二凸缘部件和阀帽部件的外表面之间形成第二气密密封接触区域。
在另一方面，本发明涉及用于密封可动阀杆和阀帽部件之间的金属对金属的密封，其中金属密封包括：U形金属杆衬垫，位于金属阀杆的外表面和阀帽部件的外表面之间，其中衬垫具有第一挠性凸缘部件和第二挠性凸缘部件，第一和第二凸缘部件皆具有内表面、外表面、上部、下部，其中每个凸缘部件的下部皆具有外倾斜面；金属楔形圈，位于第一凸缘部件的内表面和第二凸缘部件的内表面之间以使凸缘部件扩展来在衬垫和阀杆与阀帽部件之间形成气密密封；以及至少一个金属驱动弹簧，部分地位于楔形圈中，其中，金属驱动弹簧作用足够的力于楔形圈上以使楔形圈施加足够的接触压力到第一和第二凸缘部件，该接触压力机械地迫使第一和第二凸缘部件的下部向外转动以在第一凸缘部件和金属阀杆的外表面之间以及第二凸缘部件和阀帽部件的外表面之间分别形成第一气密密封接触区域和第二气密密封接触区域。
金属阀杆密封和密封系统还可包括连接到金属杆衬垫上的防转销。金属阀杆密封和密封系统的第一和第二凸缘部件还可包括上部和下部，其中下部是挠性的且具有外倾斜面，用于确保当施加由楔形圈作用在凸缘部件上的接触压力时第一和第二凸缘部件的下部向外转动以增加密封接触面积。
本发明的一个目的是提供一种改进的金属阀杆密封和密封系统，其可承受大多数恶劣的深海操作条件，且可靠、耐用、耐磨，并提供气密密封以防止油气或其它流体泄漏，并且充分满足对环境零排放的严格要求。
本发明的其它目的是提供一种改进的金属阀杆密封和密封系统，其尽可能减少或消除维护和修理密封系统的需求并实现更持久的功能。
本发明的其它目的是提供一种改进的金属阀杆密封和密封系统，其不需要塑料或弹性体材料作为密封或密封系统的零件，这是因为塑料或弹性体材料更易于磨损且可在高压条件下爆裂。
本发明的其它目的是提供一种改进的金属阀杆密封和密封系统，其可承受高达20000psi的操作压力。
本发明的其它目的是提供一种改进的金属阀杆密封和密封系统，其通过位于邻近楔形圈之处的至少一个驱动弹簧来机械地驱动，从而在密封区域上提供所需的接触压力以确保在低操作压力下的气密密封，这使得金属阀杆密封和密封系统使用寿命较长。
本发明的其它目的是提供一种改进的金属阀杆密封和密封系统，其能够调节零部件在杆冲程和阀操作过程中引起的任何偏移而不会变形。
本发明的这些和其它特征、方面及优点将通过以下描述和所附权利要求书而变得更易于理解。
附图说明
图1是本发明的金属阀杆密封和密封系统的剖视图。
图2是图1所示的金属阀杆密封的扩大剖视图。
图3是本发明的U形金属杆衬垫、楔形圈和驱动弹簧的扩大剖视图。
图4是本发明的U形金属杆衬垫底扩大剖视图。
具体实施方式
本发明涉及新型的且非显而易见的金属阀杆和密封系统。特别地，本发明涉及改进的金属对金属的阀杆密封，该密封用于密封可动的阀杆和阀帽部件之间，且涉及包括金属对金属的阀杆密封的改进的密封系统。本发明的密封系统和金属阀杆密封优选应用于与油气的钻取和深海流水线以及管线一同使用的深海设备中。本发明还用作其它流体例如水以及液体和气体碳氢化合物用的密封系统，且用作其它适当应用例如具有将水下海岸线连接到水上的油气钻探平台的结构的上升装置用的密封系统。
在本发明的一个方面中，提供了金属阀杆和密封系统10，如图1中在其机械环境内的剖视图所示，以及如图2中的扩大剖视图所示。金属阀杆和密封系统10优选由高强度耐蚀合金例如双相SS(不锈钢)和超级双相SS(不锈钢)制造，这两种钢可从瑞典的Sanvik AB得到，且在标准UNS(统一编号系统)下也称作UNS N07718的Inconel718(镍基合金)可从印第安纳州的Haynes of Kokomo得到。然而，也可使用其它合适的耐蚀合金。本发明的金属阀杆和密封系统优选不具有塑料或弹性体材料构成的零件，这是因为金属更耐用、更持久且不会在高压下爆裂。
如图1所示，密封系统10包括穿过杆口14而在阀体16内延伸的可动金属阀杆12。阀杆12具有内表面18和外表面20。阀杆12由金属构成。阀杆优选涂有从包括碳化钨和碳化铬的合金组中选取的合金。然而，也可使用其它合适的合金。阀杆12可以是转动杆、上升杆或其它合适的可动杆。阀杆的直径优选在尺寸上为从约一英寸到约十英寸。
密封系统10还可包括容纳于阀体16内的阀帽部件22。阀帽部件22具有内表面24和外表面26。密封系统10还可包括标准件例如柱螺母和螺栓32、阀帽衬垫34、座环36、止推轴承38以及其它合适的标准件。
如图2所示，密封系统10包括U形金属阀杆40。图3和图4表示U形金属杆衬垫40的扩大剖面视图。金属杆衬垫40具有顶部42、底部44、外部46和内部48。金属杆衬垫40位于阀杆12的外表面20和阀帽部件22的外表面26之间。金属杆衬垫40具有第一凸缘部件50和第二凸缘部件52，两者皆从杆衬垫主体54向下延伸。第一凸缘部件50具有内表面56、外表面58、上部60和下部62。第一凸缘部件50的下部62具有外倾斜面64。第二凸缘部件52具有内表面66、外表面68、上部70和下部72。第二凸缘部件52的下部72具有外倾斜面74。下部62、72的外倾斜面64、74是挠性的且适于确保当接触压力施加在第一和第二凸缘部件50、52上时，第一和第二凸缘部件50、52的下部62、72向外转动以产生气密密封并增加密封接触的面积。为在最佳范围内保持接触压力，下部62、72为独特形状以确保当内压增加时下部62、72转动以扩展接触的表面积。该独特设计允许所产生的接触压力受到限制并保证密封系统的性能在其使用寿命内一直保持。第一和第二凸缘部件50、52的下部62、72的直径优选在尺寸上为从约一英寸到约十英寸的范围。
第一凸缘部件50优选在第一凸缘部件的外表面涂有从优选包括碳化钨和碳化铬的合金组中选取的合金涂层100(如图4所示)。然而，也可使用其它合适的合金。此类合金涂层是有益的，这是因为其极耐磨损及擦伤。为在金属密封的寿命内实现气密，第一凸缘部件50和阀杆12的外表面优选涂有适当的合金，该合金必须能承受化学侵蚀和严重磨损，且可确保消除气密密封接触区域或两个配合表面之间的任何可能的磨损或者侵蚀。第一和第二凸缘部件50、52适合为挠性的以提供所需的性能。凸缘部件50、52皆通过紧贴阀杆12和阀帽部件22的各表面安装的界面而机械地受迫以形成气密密封。气密密封用本发明来实现且该密封不会影响阀杆12的移动。凸缘部件50、阀杆12和阀帽部件22的密封表面在长度和时间上优选为耐磨、耐蚀且耐用约二十年或约五十年。此外，金属密封和密封系统10设计成调整在阀杆冲程和阀操作过程中可能发生的任何偏移而不会弯曲。
如图2所示，金属密封和密封系统10还包括独特设计的楔形圈76。图3表示本发明的楔形圈76的扩大剖视图。楔形圈独特地设计成对凸缘部件50、52提供扩展力或驱动力且避免自锁。楔形圈76具有顶部78、底部80、第一侧部82和第二侧部84。楔形圈76由金属构成，优选从由高强度耐蚀合金例如双相SS(不锈钢)和超级双相SS(不锈钢)构成的组中选取，这两种钢可从瑞典的Sanvik AB得到，且在标准UNS(统一编号系统)下也称作UNSN07718的Inconel718(镍基合金)可从印第安纳州的Haynes of Kokomo得到。然而，也可使用其它合适的耐蚀合金。楔形圈76的直径优选在尺寸上为从约一英寸到约十英寸。
楔形圈76安装于杆衬垫40中的位置处。特别地，楔形圈76的第一侧部82与第一凸缘部件50的内表面接触，并且楔形圈76的第二侧部84与第二凸缘部件52的内表面66接触。楔形圈76与杆衬垫40形成气密密封。第一气密密封接触区域88形成于第一凸缘部件50和阀杆12之间。第二气密密封接触区域90形成于第二凸缘部件52和阀帽部件22之间。
本发明的金属密封和密封系统10基于楔形圈76的刚性和凸缘部件50、52的挠性之间的优良折衷，楔形圈76机械地迫使杆衬垫40跟随阀杆12的运动，凸缘部件50、52可调整阀杆12的微小径向位移。其结果，杆衬垫40吸收阀杆12的位移而不产生凸缘部件50、52的永久变形。
金属密封和密封系统10还包括至少一个金属驱动弹簧92，其位于楔形圈76的底部80附近。弹簧92不在楔形圈76内。图3表示本发明的驱动弹簧92的扩大剖视图。驱动弹簧92包括上端94和下端96。驱动弹簧92由金属构成，优选从由耐蚀合金例如在标准UNS(统一编号系统)下也称为UNS N07750的Inconel X750和在标准UNS(统一编号系统)下也称为UNS N07718的Inconel718以及在标准UNS(统一编号系统)下也称为UNS R30003的埃尔吉洛伊非磁性合金所构成的组中选取，前两者可从印第安纳州的Haynes ofKokomo得到，后者可从Elgiloy Specialty Metals of Elgin，Illinois得到。然而，也可使用其它合适的耐蚀合金。金属密封和密封系统10具有至少一个驱动弹簧92且优选具有约4个到约20个驱动弹簧。驱动弹簧的直径优选在尺寸上为约四分之一(1/4)英寸到约一(1)英寸。
驱动弹簧92向楔形圈76施加足够的力以使楔形圈76向第一和第二凸缘部件50、52施加足够的接触压力。楔形圈76安装于第一凸缘部件50的内表面和第二凸缘部件52的内表面之间从而楔形圈76使凸缘部件50、52扩展或将其驱动以在衬垫40和阀杆12及阀帽部件22之间形成密封。楔形圈76提供楔形效果，楔形效果使凸缘部件50、52扩展并在第一凸缘部件50和阀杆12之间以及第二凸缘部件52和阀帽部件22之间产生所需的接触压力。当向楔形圈76施加足够的力时，楔形圈76机械地向第一凸缘部件50施力以在第一凸缘部件50和阀杆12的外表面20之间形成第一气密密封接触区域88。此外，当向楔形圈76施加足够的力时，楔形圈76机械地向第二凸缘部件52施力以在第二凸缘部件52和阀帽部件22的外表面26之间形成第二气密密封接触区域90。本发明的楔形圈76对杆衬垫40提供驱动并也将杆衬垫40保持在正确位置处。楔形圈76向凸缘部件50、52提供驱动或扩展，凸缘部件50、52机械地向凸缘部件50、52的外倾斜面64、74施力以基本上直地接触阀杆12和阀帽22的密封表面。
施加到接触区域88、90上的接触压力与施加到杆衬垫40内部的操作压力成比例。因此，接触压力至少保持为等于阀操作压力以实现气密密封但不超过碳化物涂层的结构强度，该结构强度约为36000psi(每平方英寸磅)。这使得本发明的金属密封和密封系统的使用寿命增加从而超过已知的密封系统。由驱动弹簧92施加到楔形圈76上的力优选在约10磅(lbs)到约2000磅(lbs)的范围内。衬垫40和楔形圈76优选可承受高达20000psi(每平方英寸磅)的操作压力。
如图3所示，本发明的金属阀杆密封和密封系统10还可包括连接到杆衬垫40上的防转销98。防转销98将杆衬垫40支撑并保持于正确位置处并防止杆衬垫40的转动。销的形状优选为圆柱形，且优选的是，销98的一半位于阀帽部件22中且销98的另一半位于杆衬垫40中。
如图2所示，本发明的金属密封和密封系统10还可包括帽螺钉102、止推轴承104、杆轴承106和可选择的其它弹簧、垫块、封闭体、盖或其它标准件(未图示)。
本发明的另一方面提供可动阀杆12和阀帽部件22之间密封用的金属对金属的密封10。金属密封10包括位于阀杆12的外表面20和阀帽部件22的外表面26之间的U形金属杆衬垫40。杆衬垫40具有挠性的第一和第二凸缘部件50、52。第一和第二凸缘部件50、52分别具有内表面56、66、外表面58、68、上部60、70及下部62、72。下部62、72皆具有外倾斜面64、74。金属密封10还包括位于第一凸缘部件50的内表面56和第二凸缘部件52的内表面66之间的金属楔形圈76以驱动或扩展凸缘部件来在衬垫40和阀杆12及阀帽部件22之间形成气密密封。金属密封10还包括位于楔形圈76底部附近的至少一个金属驱动弹簧92。驱动弹簧92向楔形圈76施加足够的力以使楔形圈76向第一和第二凸缘部件50、52施加足够的接触压力来机械地向凸缘部件50、52的下部62、72施力以向外转动从而分别在第一凸缘部件50和阀杆12的外表面20之间以及第二凸缘部件52和阀帽部件22的外表面26之间形成第一气密密封接触区域88和第二气密密封接触区域90。
虽然本发明根据其某些优选方面进行了相当大的详细描述，但本发明的其它方面也是可能的。因此，所附权利要求的范围不应限于此处包括的优选方面的描述。

Claims (19)

1.一种金属阀杆密封系统，包括：
阀体；
金属阀杆，容纳于阀体内；
阀帽部件，容纳于阀体内；
U形金属杆衬垫，位于金属阀杆和阀帽部件之间，其中衬垫具有每个皆具有内表面和外表面的第一凸缘部件和第二凸缘部件，其中，所述第一凸缘部件和第二凸缘部件具有上部和下部，并且每个凸缘部件的下部具有外倾斜面；
金属楔形圈，安装于第一凸缘部件的内表面和第二凸缘部件的内表面之间；以及
至少一个金属驱动弹簧，邻近楔形圈，其中，金属驱动弹簧施加足够的力于楔形圈上以使楔形圈施加足够的接触压力到第一和第二凸缘部件上，从而使所述第一凸缘部件和第二凸缘部件的所述外倾斜面向外转动，以分别在所述第一凸缘部件和所述金属阀杆之间形成第一气密密封接触区域以及在所述第二凸缘和所述阀帽部件之间形成第二气密密封接触区域。
2.根据权利要求1所述的金属阀杆密封系统，还包括连接到金属杆衬垫上的防转销。
3.根据权利要求1所述的密封系统，其中第一凸缘部件在外表面涂有从包括碳化钨和碳化铬的合金组中选取的合金。
4.根据权利要求1所述的密封系统，其中阀杆在外表面涂有从包括碳化钨和碳化铬的合金组中选取的合金。
5.根据权利要求1所述的密封系统，其中接触压力与施加到衬垫内的操作压力成比例。
6.根据权利要求1所述的密封系统，其中楔形圈由从高镍合金、双相不锈钢、超级双相不锈钢和Inconel 718中选取的金属构成。
7.根据权利要求1所述的密封系统，其中驱动弹簧的金属由从InconelX750、Inconel 718和埃尔吉洛伊非磁性合金中选取的金属构成。
8.根据权利要求1所述的密封系统，具有多个驱动弹簧。
9.根据权利要求1所述的密封系统，其中密封系统用于深海气和油的钻探、海下流水线和管线。
10.根据权利要求1所述的密封系统，其中由驱动弹簧施加到楔形圈上的力在从100磅到2000磅的范围内。
11.根据权利要求1所述的密封系统，其中衬垫和凸缘部件可承受高达20000psi(每平方英寸磅)的操作压力。
12.根据权利要求1所述的密封系统，其中阀杆是转动杆。
13.根据权利要求1所述的密封系统，其中阀杆是上升杆。
14.根据权利要求1所述的密封系统，还包括：杆轴承，邻近衬垫的第一顶部；驱动弹簧和弹簧支撑体，皆邻近衬垫的第二顶部；以及止推轴承，邻近驱动弹簧的下端。
15.一种金属阀杆密封系统，包括：
阀体；
可动金属阀杆，穿过杆口在阀体内延伸；
阀帽部件，容纳于阀体内；
U形金属杆衬垫，位于金属阀杆的外表面和阀帽部件的外表面之间，其中衬垫具有皆从衬垫主体向下延伸的第一凸缘部件和第二凸缘部件，第一和第二凸缘部件皆具有内表面和外表面，其中所述第一凸缘部件和所述第二凸缘部件具有上部和下部，并且每个凸缘部件的所述下部具有外倾斜面；
金属楔形圈，安装到第一凸缘部件的内表面和第二凸缘部件的内表面之间的位置；以及
至少一个金属驱动弹簧，位于邻近楔形圈的底部之处，其中，金属驱动弹簧施加足够的力于楔形圈上以使楔形圈施加足够的接触压力到第一凸缘部件和第二凸缘部件，从而所述第一凸缘部件和第二凸缘部件的所述外倾斜面向外转动，以分别在第一凸缘部件和金属阀杆之间形成第一气密密封接触区域以及在所述第二凸缘部件和阀帽部件之间形成第二气密密封接触区域。
16.根据权利要求15所述的密封系统，还包括连接到金属杆衬垫上的防转销。
17.一种用于密封可动金属阀杆和阀帽部件之间的金属对金属的密封，其中金属密封包括：
U形金属杆衬垫，位于金属阀杆的外表面和阀帽部件的外表面之间，其中衬垫具有第一挠性凸缘部件和第二挠性凸缘部件，第一和第二凸缘部件皆具有内表面、外表面、上部和下部，而且其中每个凸缘部件的下部皆具有外倾斜面；
金属楔形圈，位于第一凸缘部件的内表面和第二凸缘部件的内表面之间；以及
至少一个金属驱动弹簧，位于楔形圈附近，其中，金属驱动弹簧施加足够的力于楔形圈上以使楔形圈施加足够的接触压力到第一和第二凸缘部件，以使第一和第二凸缘部件的外倾斜面向外转动，以分别在第一凸缘部件和金属阀杆的外表面之间形成第一气密密封接触区域，以及在第二凸缘部件和阀帽部件的外表面之间形成第二气密密封接触区域。
18.根据权利要求17所述的金属对金属的密封，其中衬垫和凸缘部件可承受高达20000psi(每平方英寸磅)的操作压力。
19.根据权利要求17所述的金属对金属的密封，还包括连接到金属杆上的防转销。
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