CN103032047B - 双向受压自紧轴向密封件及转环连接应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双向受压自紧轴向密封件及转环连接应用。一种管状连接具有第一和第二管状部件(11，17)，其具有带有公共轴线(21)的对准的孔(19)且分别具有第一和第二密封表面(29，33)。金属密封件(37)具有密封地接合第一密封表面(29)的第一端部(41)和密封地接合第二密封表面(33)的第二端部(45)。金属密封件(37)具有带有至少两个折叠(49，51)的侧壁(47)。其中一个折叠(49)限定了轴向内部间隙。另一个折叠(51)限定了轴向外部间隙。外部间隔部件(61)定位于外部间隙中，以限制外部间隙响应于密封件(37)内部比外部更大的压力的闭合。内部间隔部件(55)定位于内部间隙中，以限制内部间隙响应于密封件(37)外部比内部更大的压力的闭合。

Description

双向受压自紧轴向密封件及转环连接应用

相关申请的交叉引用

本申请要求2001年7月19日提交的临时专利申请61/509,408的优先权。

技术领域

本发明大体上涉及油气井设备，并且尤其涉及金属对金属密封件，其用于密封管状部件之间，且特别是转环(swivel)的可旋转部件之间。

背景技术

在油气设备中，一些可采用受压自紧(pressure energized)的密封件；即，密封件的一侧上的流体压力导致密封表面彼此更大的接触。例如，施加于环形杯状或唇形的密封件的凹入侧或凹侧的流体压力增加了密封力。唇形密封件不对抗施加于凸侧的流体压力密封，因此它是单向受压自紧密封件。

许多双向密封件不是受压自紧的。它们由于安装期间的初撑力(setting force)施加于密封表面上的变形而密封。它们独立于流体压力在两个方向上密封。例如，井口的套管挂密封件通常不是受压自紧的。它们常常由金属制成且永久变形。

受压自紧密封件的一个优点在于，它不需要在暴露于流体压力之前施加高初撑力。例如，海底转环连接器具有带有对准的孔的管状部件。每个管状部件具有外部凸缘，该外部凸缘带有用于螺栓连接至海底设备的零件的螺栓型式。为了安装，该转环连接器定位于海底设备之间且螺栓连接到一个零件。然后旋转未螺栓连接的凸缘，直到与另一零件对准，以允许其它零件被螺栓连接。一旦螺栓连接到该两个零件，便不需要进一步旋转移动。转环的两个部分之间的金属对金属密封将会防止零件旋转，如果它属于永久变形类型的话。然而，转环的两个部分之间的弹性体密封件，它们不具有金属对金属密封件的长寿。

转环的两个部分之间的单向受压自紧金属密封件也可采用，但是有缺点。在转环的两个部分均由海底设备的两个零件构成之后，转环中的内部流体压力加强密封将会发生。金属密封件的受压自紧变形通常将是有弹性的且低于唇形密封件的金属的屈服强度。当内部流体压力消除或降低时，密封表面之间的接触力便减低。接触力的减小可导致海水从外部泄漏到内部，这是有害的。对于双向受压自紧金属密封件，还有其它应用。

发明内容

一种连接具有第一和第二管状部件，其具有带有公共轴线的对准的孔且分别具有第一和第二密封表面。一种金属密封件具有密封地接合第一密封表面的第一端部和密封地接合第二密封表面的第二端部。该金属密封件具有在第一和第二端部之间延伸的侧壁，该侧壁具有内侧和外侧。侧壁在第一和第二端部之间具有至少一个折叠，从而限定了轴向间隔开的侧面及它们之间的轴向间隙。间隔部件定位于该间隙中，以限制侧面响应于内侧和外侧之间的压差而朝向彼此的移动。

间隔部件可为环。它具有当内侧和外侧之间没有压差时小于间隙的轴向尺寸。该间隔件部件具有当侧面朝向彼此移动时接触所述侧面的接触表面。主体部分从接触表面沿远离间隙的方向延伸。圆柱形裙筒可位于主体部的与接触表面相反的一端上。

第一密封表面可为垂直于轴线的表面，例如平坦的且垂直于轴线。第二密封表面也可为垂直于轴线的横向表面。作为备选，第二密封表面可为与轴线同心的圆柱形表面。导致侧面远离彼此移动的压差增加了第一端部和第一密封表面之间的接触压力。如果第二密封表面垂直于轴线，则接触压力在第二端部和第二密封表面之间也增加。

在一个实施例中，密封件具有两个折叠，其限定了暴露于侧壁内侧的流体的面朝内的间隙和暴露于侧壁外侧的流体的面朝外的间隙。内间隔部件位于面朝内的间隙中，并且外间隔部件位于面朝外的间隙中。

附图说明

图1为示出了根据该公开且显示为安装在两个管状部件之间的密封件的剖视图。

图2为图1的密封件的第一备选实施例的四分之一剖视图。

图3为图1的密封件的第二备选实施例的剖视图。

图4为图1的密封件的第三实施例的剖视图。

图5为图1的密封件的第四实施例的剖视图。

图6为采用图1的密封件的转环的剖视图。

图7为图1的密封件的第五实施例的四分之一剖视图。

具体实施方式

参照图1，第一管状部件11具有与第二管状部件17的边沿15基本邻接的边沿13。在该实施例中，边沿13、15为平行的平坦表面，但它们可为其它形状。每个管状部件11、15具有孔19，并且孔19围绕轴线21是同轴的。在附图中，轴线21竖直地定向，但它可在其它定向上，例如水平。导向套筒23具有接合孔19中的扩大孔部25的相对端，以提供穿过孔19的均匀直径通道。导向套筒23可密封或不密封至扩大孔部25。导向套筒23是当操作需要均匀通道和/或辅助内部密封套筒时将使用的可选元件。

第一管状部件11具有从套筒23向外并围绕套筒23的环形凹部27。环形凹部27在第一管状部件11的孔19和边沿13的交叉处包括沉孔(counterbore)。环形凹部27限定了与轴线21同轴的面朝下的密封表面29。在该示例中，密封表面29为定位成垂直于轴线21的平坦表面；但它可为平坦表面之外的其它形状。甚至可使用径向或圆柱形密封。类似地，第二管状部件17具有环绕套筒23的环形凹部31。环形凹部31在第二管状部件17的孔19中包括沉孔。在该示例中，凹部31限定了密封表面33，其面朝密封表面29且也在垂直于轴线21的平面中。密封表面33可以密封表面29的相同方式变化。第二管状部件17还具有从其边沿15延伸的环形空腔35。空腔35为第二管状部件17的孔19和边沿15的连接处的沉孔，并且具有比凹部31更大的直径。

密封件37位于凹部27、31和空腔35内。密封件37具有接纳于第一部件凹部27内的第一端39。第一端39具有圆柱形外部，其紧密地接纳或配合在凹部27的圆柱形外壁内；然而，圆柱形外部并不密封至圆柱形壁。如果需要，环形凹部27可向密封件37的第一端39提供径向支撑。如果凹部27没有结构责任来支撑密封件27，则可以使用其它几何结构。轴向密封表面41位于第一端39并具有与密封表面29匹配的形状，其在该示例中是平坦的。密封表面41可为金属，以与密封表面29形成金属对金属密封。密封件37具有第二端43，其具有与该示例中的第一端39相同的形状，但是可以使用替代的几何结构。第二端43具有圆柱形外部，其紧密地接纳或配合在凹部31的圆柱形外壁内。与凹部27类似，环形凹部31可以起到支撑密封件37的作用，并且其几何结构也可与所呈现的几何结构不同。第二端43具有密封表面45，其背向密封表面41且可为金属，以与密封表面33形成金属对金属密封。由密封表面41、45形成的密封可为静态的；作为备选，在管状部件11和17可相对彼此旋转的情况下，一者或两者可为动态的。

密封件37具有将第一端39连结至第二端43的波纹管(bellow)47。波纹管47包括具有起伏或波纹的环形壁。更具体而言，在该实施例中，波纹管47具有外部折叠49，其从第一端39径向向外延伸至空腔35中。外部折叠49包括侧面49a，其从第一端39向外延伸，然后以U形90度转角弯曲而限定侧面49b。在该示例中，侧面49a和49b是基本上平坦的，彼此平行且在垂直于轴线21的平面中。侧面49a、49b之间的环形空间或通道暴露于密封件37内部的流体。为了方便起见，折叠49在此称为“外部”，因为折叠49的90度转角的外部在密封件37的外部上。外部折叠49具有在其转角测量的外径，其比第一端39和第二端43中的密封区域的外径更大。

内部折叠51将外部折叠49连结至第二端43。内部折叠51具有连结第二端43并从该第二端43径向向内延伸的侧面51a。侧面51a弯曲90度转角并连结侧面51b，该侧面51b包括侧面49b的内部。侧面51a、51b图示为平坦的，彼此平行且垂直于轴线21。侧面51a、51b之间的环形空间或通道与密封件37外部的流体相连通。内部折叠51的转角的外部在密封件37的内侧。内部折叠51具有比第一端39和第二端43的密封区域的内径更小的内径。在该实施例中，从内部折叠51的内径到外部折叠49的外径的距离的一半约为第一端39和第二端43的内外径之间的中途。为了平衡密封表面29、33上的接触压力分布，环形凹部53可位于侧面49a起始的第一端39和侧面51a起始的第二端43的外部。

在该示例中，折叠49、51具有U形，且侧面49a、49b和51a、51b为平坦的平面侧。然而，可使用带有开口U形或V形的锥形侧面。甚至可采用带有相同原理的弯曲侧或侧面。

间隔件55位于相对侧面49a、49b之间并与其接触。间隔件55的一侧接触侧面49a，另一侧在侧面49b并入侧面51b中的点处接触侧面49b。为了其安装，间隔件57可为卡环或者在安装到折叠49中后可由附加环整合的碎块状裂开的环。间隔件55可具有其内径上的圆柱形裙筒(skirt)57或外部凸起，以限制折叠49的内表面或其它几何结构而确保间隔件的位置。间隔件55可具有位于接触侧面49a和49b的表面上的环形凹部59。其中一个环形凹部59位于间隔件55的环部与裙筒57的连接处。另一个凹部59在环部的相反侧。凹部55、57减小了接触侧面49a、49b的间隔件55的表面的径向宽度。间隔件55的接触表面的径向宽度比任一侧面49a、49b的径向尺寸更小。在该示例中，间隔件55与侧面49a、49b之间的接触表面位于内部折叠37与外部折叠49的外径之间的大约半途处；然而，选择该位置应考虑接触压力在密封表面29、33上的分布。间隔件55与密封件37内部的流体相连通并且不密封至侧面49a、49b。密封件37内侧的流体自由进入侧面49a、49b之间的环形空间。

类似地，间隔件61位于侧面51a、51b之间。间隔件61可为卡环或带有附加整合环的裂开环。间隔件61的一侧接触侧面51a，另一侧在侧面51b并入侧面49b中的点处接触侧面51b。间隔件61可具有其内径上的圆柱形裙筒63或内部凸起，以限制折叠51的外表面或其它几何结构而确保间隔件的位置。间隔件61具有内径，其位于第二端43的内外径之间的大约等距处；然而，选择位置应考虑接触压力在密封表面上的分布。间隔件61可具有与环形凹部59类似的环形凹部。间隔件61的接触侧面51a、51b的部分的径向宽度小于波纹管47从其内径到其外径的径向尺寸。间隔件61的接触部分基本上位于侧面51a、51b之间的空间的入口处。间隔件61与密封件37外部的流体相连通并且不密封至侧面51a、51b。

间隔件55、61具有轴向厚度，其限定成确保安装之后及内部或外部流体压力施加之前间隔件与折叠49、51的壁或侧面之间的精确间隙。轴向厚度可以通过指定在间隔件55、61的制造中将获得的精确尺寸来达到。作为备选，在安装期间但在内部或外部流体压力施加之前，间隔件55、61可由足够软的材料制成以在厚度上塑性变形。例如，间隔件55、61的材料可为具有比密封件37的硬度更小的硬度的金属。

在将密封件37安装于管状部件11、17之间前，从密封表面41到密封表面45的距离将比构成时密封表面29、33之间的最终轴向距离更大。因此，当安装密封件37且管状部件11、17被固定在一起时，压缩负载将沿轴线21施加到密封件37。压缩负载比密封件37的屈服强度更小，因此一旦安装则密封件37的偏离是弹性的，不是永久的。该压缩负载的量应该足以在表面29、41之间和表面33、45之间形成最初的金属对金属接触压力。然而，压缩负载优选不是足够高的，以应对对抗预期最终压力的密封。根据本申请，密封件37随后可暴露至来自孔19中的流体的内部流体压力或管状部件11、17外部的外部流体压力。在一些申请中，例如对于海底设备，流体压力可在密封件37的内部和外部两者上。流体压力在内部可能更大或者它可能在外部更大。不管流体压力在外部还是内部，如果处于足够低的压力，则由密封件37的轴向偏离建立的接触支承负载应当防止泄漏。

密封件37通过暴露于比所提及低压更高的压力而变得受压自紧。更高压力增加了密封件37的密封能力。例如，当超过任意外部流体压力的足够的内部流体压力施加于密封件37的内表面时，外部折叠49将趋于变形，且侧面49a和49b移动而彼此分开，从而趋于增加密封件37的轴向长度。因为管状部件11、15并不移动而彼此分开，因而该效应将导致密封表面41、45的轴向负载的增加，从而增加了密封表面41、45处的接触压力。内部流体压力也作用于内部折叠51上，但是效果可能相反。内部流体压力趋于使侧面51a、51b更近，从而趋于减小密封件37的轴向长度并减小密封表面41、45处的接触压力。在没有间隔件55、61的情况下，内部流体压力的总的净效应将导致密封表面41、45处的接触压力的可忽略的增加或甚至减少。所以，在没有间隔件55、61的情况下，波纹管47将不会响应于内部或外部流体压力的增加而带来接触压力的满意增加。

然而，在包括间隔件55、61的情况下，内部压力对内部折叠51的负面效应被限制。一些变形量将由于导致侧面51a和51b向着彼此移动的内部压力而发生。然而，一旦间隔件61与侧面51a、51b之间的间隙闭合，则移动将停止。如上所述，由于内部压力，间隔件55并不阻止侧面49a、49b移动而彼此分开，从而增加间隔件55与侧面49a、49b之间的间隙。这种移动增加了密封表面41、45处的接触支承负载。这种归因于外部折叠49中增大的间隙的增强大于归因于间隔件61与侧面51a、51b之间的内部折叠51中闭合的间隙的轻微负面效应。内部压力的净效应因此将会增加密封表面41、45处的接触力。在波纹管47和间隔件55、61的几何结构的谨慎定义下，合理的积极效应可在接触支承负载上实现。无论孔19中的内部流是从第一管状部件11朝向第二管状部件17还是相反，受压自紧都会发生。因此，密封件37是双向的。

相同的解释完全适用于外部压力对密封件37的作用。外部压力将趋于有利地使侧面51a、51b移动而彼此分开。相同的外部压力将趋于使侧面49a、49b朝向彼此移动，但是一旦间隔件55接触侧面49a、49b，则这种移动便停止。因此，密封件37可在其密封表面41、45上具有由内部或外部压力的作用或由它们之间的所得压差增加的接触支承压力。

如上所述，密封表面29、41和33、45除了所示的平坦表面外还可在形状上变化。除了平坦，密封表面可具有如API BX型衬垫的梯形几何结构。密封表面可包括径向密封表面、与U形密封件相似的双径向密封表面、锥形密封表面、球形密封表面、环面密封表面或者其它形状。密封表面29、41不需要具有与密封表面33、45相同的形状。作为示例，密封表面29、41中的一个可为静态的而另一密封表面33、45是动态的；因为一个表面33、45可相对于另一表面33、45旋转。如果静态密封表面需要大于波纹管47所提供的固定负载，则可采用其它方法来单独增加用于静态密封的固定负载。一种解决方案将是将静态密封部分的端部39或43靠着其密封座件进行螺栓或螺纹连接。动态密封侧39或43可具有如所述的平坦密封表面或者更精细的几何结构。密封表面在一端或两端39或43还可使用弹性体或塑性体密封元件。

在图1中，密封件37具有两个折叠49、51，一个内部和一个外部。然而，该理念可适用于任何可能数量的折叠。间隔件甚至可用于一个折叠的密封件。例如，图2显示了具有类似于密封件37(图1)的构造的密封件67，除了螺纹管69仅具有单个折叠之外。在此情况下，单个折叠在外部，其转角的外部在密封件69的外侧。而且，波纹管69的外径大于密封件67的端部的外径。间隔件71位于波纹管69的侧面之间。间隔件71可在其内径上具有裙筒73，其延伸成与密封件67的两端的内径相接触。间隔件71的外径在密封件67的端部的内外径之间大致等距。如图1所示，间隔件71不密封至波纹管69，从而允许流体流入其侧面之间的波纹管69的内部。

如果超过任何外部流体压力的内部流体压力施加于密封件67，流体压力将趋于使波纹管69的侧面移动而彼此分开。这种加长密封件67的趋势增加了密封件67的端部靠着密封表面的接触压力。如果施加的外部流体压力大于内部压力，效果将是使波纹管69的侧面朝向彼此移动，从而减小了接触支承应力。然而，间隔件71与波纹管69的侧面之间的间隙将会限制接触移动。在图2的实施例中，外部压力不会增强接触支承负载，但是也不会明显降低它。在图1中，因为具有两个波纹管折叠，外部压力和内部压力一样增强了接触支承负载。

折叠的数量和它们的几何形状可为可变的，并且它们的设计应当针对所需的密闭性且应当考虑规定的设计和运行条件(压力、温度、环境、所需位移等等)。图3示出了另一个实施例，其中密封件75具有两个外部折叠77、79和位于它们之间的一个内部折叠81。间隔件83定位在密封件75内侧的外部折叠77、79的侧面之间。间隔件83在构造上类似于图1的间隔件55，其横截面为L形。间隔件85位于内部折叠81的侧面之间的密封件75的外部。间隔件85具有类似于图2的间隔件73的构造的沿相反方向延伸的裙筒87，其横截面为T形。间隔件85在其内径和裙筒87之间具有较长的宽度，以便使其内径位于密封件75的端部的内外径之间的中途。

图4示出了具有两个外部折叠91、93和两个内部折叠95、97的密封件89。类似于图1中的L形间隔件55的间隔件92位于密封件89内侧的外部折叠91的侧面之间。T形间隔件94位于密封件89外部的内部折叠95的侧面之间。另一个T形间隔件96位于密封件89内部的外部折叠93的侧面之间。另一个L形间隔件98位于密封件89外部的内部折叠97的侧面之间。间隔件94、98的内径和间隔件92、96的外径位于密封件89的端部的内外径之间的中途。

图5示出了具有外部折叠101、103和内部折叠105、107的密封件99。在该实施例中，外部折叠101、103的外径与密封件99的端部的外径相同。类似地，内部折叠105、107的内径与密封件99的端部的内径相同。密封件99与图4的密封件89类似，除了图5中波纹管的径向宽度与端部的宽度相同以外。在图4中，波纹管的径向宽度大于端部的径向宽度。两个间隔件109位于密封件99的外部，并且两个间隔件111位于密封件99的内部。

图6示出了安装在转环连接113内的图1的密封件37的应用。转环113可具有多种用途，包括近海油气钻探和生产。例如，它可以在立管柱的顶侧用于钻泥转移。转环113可位于海底，以将流送管连接至位于海床上的海底设备。转环113的主要目的是当将流送管连接至另一件设备或早期生产系统时避免扭转。转环113具有第一管状部件115，其安装至第二管状部件117，使得旋转可发生在它们之间。旋转通常发生在安装期间，并且一旦安装，管状部件115和管状部件117之间的旋转就不发生。尽管第一管状部件115示出在第二管状部件117上方，但转环可沿各种方向定向，包括水平方向。

在该示例中，每个管状部件115、117在其端部具有凸缘118，其带有螺栓孔用以将转环113紧固在其中一件设备和流送管之间。然而，管状部件的连接可通过其它方式实现，如焊接或螺纹连接该连接。第一管状部件115具有接受器119，其可滑过第二管状部件117的一部分。在该实施例中，接受器119包括由螺纹123固定的内部支承套筒121。支承套筒121可相对于第二管状部件115旋转。止动环125，其可分段(如三件)，将支承套筒121固定至第二管状部件117。支承环127安装在第二管状部件117上的台肩131上。接受器119中的台肩129接合支承环127的相反侧。支承环127可具有与第二管状部件117的外径部分和接受器119的内径部分相接合的辅助密封件133。

孔135延伸穿过第一和第二管状部件115、117。套筒137将第一管状部件115中的孔135与第二管状部件117中的孔135连结，提供了穿过孔135的均匀通道。套筒137可在其外径与第一和第二管状部件115、117的内径部分之间具有辅助密封件139。

图1的金属对金属密封件37安装在接受器119与第二管状部件117之间。第一端密封表面41与接受器119密封接合。第二端密封表面45与第二管状部件117密封接合。当管状部件115、117中的一个相对于另一个旋转时，密封接合中的一者或两者变为动态。可考虑端口143进入第一管状部件115和密封件37外侧之间的腔室。可考虑另一端口141允许进入第一管状部件115、密封件37的内侧和套筒137的外侧之间的腔室。测试压力可引入到端口141、143中，以测试在转环113安装之前密封件37的密封接合。

优选地，当转环113经受导致一个管状体115、117相对于另一个旋转的扭矩时，密封件37应当不受压自紧。为了便于旋转，当转环113连接到设备时(当它遇到扭矩时这是正常的)，操作者将避免密封件37的内外侧之间的压差。海底设备的安装操作可能需要内孔135满(孔开向外部环境压力)或空(空气处于大气压而未开向外部环境)。为了确保密封件37在设备安装期间将是压力平衡的，无论孔是空或满，密封件可以被密封件37内侧的辅助密封件139和密封件37外侧的辅助密封件133隔离。

根据内部辅助密封件139材料对操作孔环境条件的抗性，在操作期间的某些时候，这些密封件139可允许泄漏，并且孔135中施加的高压流体可能传过辅助密封件139并与密封件37的内侧接触。这种高压通常大于密封件37外部的任何压力并导致密封件37在密封表面41、45处利用较大的支承接触力来加强。孔135中比转环113外部的压力更高的压力施加了拉力，该拉力趋于推动管状部件115、117彼此离开。止动环125因此受到拉力。

根据密封件133材料对外部环境条件的抗性，这些密封件133可能泄漏。如果孔135中的压力降低到远低于海水作用于辅助密封件133的静水压力的水平，则该外部压力可传过密封件133并作用于密封件37的外侧。该压差导致密封件37在密封表面41和45处利用较大的轴向力来加强。

参照图7，显示了转环145的一部分。转环145具有第一或上部部件147，其包括配合在第二或下部部件149的一部分上方的接受器。如在其它实施例中，术语“上部”和“下部”纯粹是任意的。实际上，转环145可为与所示位置反向或水平安装。套筒151由螺纹153固定至接受器部分的内径。下部部件149外侧的环形凹部155减小了套筒151和下部部件149之间的旋转摩擦。支承件157位于上部部件147的面朝下的台肩158和下部部件149的面朝上的台肩160之间。支承件157具有内径弹性体密封件161，其靠着下部部件149的圆柱形部分进行密封。支承件157具有外径弹性体密封件159，其靠着上部部件147的接受器部分的内径进行密封。

金属密封件163具有静态地接合上部部件147中的平坦停止表面167的上端部165。金属密封件163具有径向密封表面169，其向外偏置成与上部部件147中的圆柱形表面171密封接合。上端部165的上侧中的环形凹部173限定出径向密封表面169的腿部，从而使弹性变形成为可能，使得径向密封表面169靠着圆柱形表面171被偏置。

金属密封件163在其下表面上具有带有轴向密封表面177的下端部175。轴向密封表面177与下部部件149的上表面179密封接合，并且能够在安装期间下部部件149相对于上部部件147旋转时维持接触。在该示例中上表面179是平坦的。

密封件163在其端部165和175之间的侧壁中具有上部折叠181。在该示例中，上部折叠181向内突出，限定了通向密封件163外部的外部间隙183。下部折叠185向外突出，限定了通向密封件163内部的内部间隙187。

外间隔件189位于上部折叠181的侧面之间的外部间隙183中。外间隔件189可在其外缘上具有圆柱形裙筒191。裙筒191向上延伸而与上端部165的圆柱形外部相接合。内间隔件193位于下部折叠185的侧面之间的内部间隙187中。内间隔件189可在其内缘上具有圆柱形裙筒195。裙筒195向下延伸而与下端部175的圆柱形内部相接合。内间隔件189可在其外缘上具有凹部197。

管199在上部和下部部件147、149的孔200之间延伸。管199可选地可在配合在下部部件149内的一部分上具有圆柱形凹部201，以减小旋转摩擦。管199具有密封件103，其带有与下部部件149上的面朝上的表面密封接合的面朝下的表面。密封件205密封上部部件147的孔200和管199的外部圆柱形部分之间。

在安装期间，当部件147、149相对于彼此旋转时，径向密封件169优选地保持与圆柱形表面171静态接合。由于在轴向密封件177与密封表面179之间存在着比在径向密封件169与圆柱形表面171之间更小的最初接触力，因而轴向密封件177在平坦密封表面179上滑动。当转环145的连接完成时，内部流体压力可施加于孔200到比转环145在海底时的静水流体压力更大的水平。如果最终任一管密封件203、205开始泄漏，则孔200中的流体压力高于静水海水压力的差将会导致内部间隙187轴向地增加且外部间隙183减小。外间隔件189将会停止外部间隙183的减小，从而导致轴向密封件177与轴向密封表面179之间的接触力的净增加。上端部165和停止表面167之间的接触力也增加，但是该界面并不预期密封。孔200中的流体压力经过管密封件203、205的任何泄漏将会进一步加强径向密封件169，从而增加其靠着圆柱形表面171的接触力。

在任一支承密封件159、161泄漏的情况下，并且如果静水流体压力大于孔200中的流体压力，则压差将会增大外部间隙183。该压力也会减小内部间隙187，然而，减小的量受到内部间隔部件193的限制。外部泄漏的净效应将是增加轴向密封部件177的接触力。在大于孔200中的流体压力的压力水平下的外部泄漏不会增加径向密封表面169的接触力。然而，径向密封表面169的向外偏置力足以承受来自外部的泄漏。

无论何时需要双向受压自紧密封件，所提出的理念都可以使用。此外，它特别可用于动态或部分动态应用中的包括金属对金属密封的应用。除了转环连接之外，阀门是其它可能的应用。在闸阀或球阀中，阀座可使用该理念的密封件。阀座将是一个部件，阀体是另一个，并且双向金属密封件位于它们之间。这将导致阀座到闸门(或球体)和阀座到阀体接合中的完全的金属对金属密封。同时，还将允许获得双重密封效果。阀座将从两侧密封闸门(或球体)，因此，闸门(或球体)上的两个阀座的密封均可以看作有效屏障。

Claims (13)

1.一种用于密封第一部件(11)和第二部件(17)之间的双向受压自紧密封件，包括：

金属密封件(37)，其具有轴线(21)、用于密封地接合第一部件密封表面(29)的第一端部(39)以及用于密封地接合第二部件密封表面(33)的第二端部(43)；

所述金属密封件具有在所述第一端部(39)和第二端部(43)之间延伸的侧壁(47)，所述侧壁(47)具有内侧和外侧，所述侧壁(47)在所述第一端部(39)和第二端部(43)之间具有至少一个内部折叠和至少一个外部折叠(49)，其中所述内部折叠和所述外部折叠均具有轴向间隔开的侧面和所述侧面之间的轴向的间隙；其中所述内部折叠和所述外部折叠中每一个的所述侧面彼此平行且当所述金属密封件的所述内侧和所述外侧没有压差时所述侧面垂直于所述轴线，所述内部折叠的所述间隙在所述金属密封件的外侧具有开口的外部端，所述外部折叠的所述间隙在所述金属密封件的内侧具有开口的内部端；所述内部折叠比所述外部折叠更靠近所述轴线；

外部间隔件，其定位在所述内部折叠的所述间隙中与所述内部折叠的两个侧面接触，以限制所述内部折叠的所述侧面响应于所述内侧和外侧之间的压差而朝向彼此的移动；以及

内部间隔件，其定位在所述外部折叠的所述间隙中并与所述外部折叠的所述侧面接触，以当外侧流体压力大于作用于所述金属密封件的内侧流体压力时限制所述外部折叠的所述侧面朝向彼此移动；其中，

当内侧流体压力大于作用于所述金属密封件的外侧流体压力时，促使所述外部折叠的所述侧面远离彼此移动以增强对至少一个所述端部的密封，并且促使所述内部折叠的所述侧面朝向彼此移动；

当外侧流体压力大于作用于所述金属密封件的内侧流体压力时，促使所述内部折叠的所述侧面远离彼此移动以增强对至少一个所述端部的密封，并且促使所外部折叠的所述侧面朝向彼此移动。

2.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于：

所述外部间隔件包括环。

3.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于：

所述外部间隔件具有当所述内侧和外侧之间没有压差时小于所述间隙的轴向尺寸。

4.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于，所述外部间隔件包括：

接触表面，其在所述内部折叠的所述侧面朝向彼此移动时接触所述内部折叠的所述侧面；

本体部，其从所述接触表面沿着远离所述内部折叠的所述间隙的方向延伸；以及

圆柱形裙筒，其在所述本体部的与所述接触表面相反的一端上。

5.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于：

所述第一端部(39)具有垂直于所述轴线(21)的密封表面(41)，且所述第二端部(43)具有垂直于所述轴线(21)的密封表面(45)。

6.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于：

所述内部间隔件与所述内部流体连通且不密封至所述外部折叠的所述侧面。

7.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于：

导致了所述内部折叠的所述侧面远离彼此的移动的压差适于增加所述第一端部(39)和所述第一部件密封表面(29)之间的接触压力。

8.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于，所述内部间隔件包括：

本体，其具有当所述侧面朝向彼此移动时接触所述侧面的接触表面，所述接触表面位于所述本体的外缘上；以及

圆柱形裙筒(57)，其在所述本体的内缘上并与所述侧壁的内侧相接合。

9.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于：

所述第一端部(39)具有垂直于所述轴线(21)的平坦密封表面(41)。

10.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于：

所述第二端部(43)具有垂直于所述轴线(21)的平坦密封表面(45)。

11.根据权利要求9所述的密封件，其特征在于：

所述第二端部具有与所述轴线同心的圆柱形密封表面(169)。

12.一种用于密封两个部件(11，17)之间的方法，包括：

(a)提供金属密封件(37)，其具有轴线，所述金属密封件(37)带有第一端部(39)和第二端部(43)、在所述第一端部(39)和第二端部(43)之间延伸的侧壁(47)，所述侧壁(47)具有内侧和外侧，所述侧壁(47)在所述第一端部(39)和第二端部(43)之间具有至少一个内部折叠和至少一个外部折叠(49)，其中所述内部折叠和所述外部折叠均具有轴向间隔开的侧面和所述侧面之间的轴向的间隙；其中所述内部折叠和所述外部折叠中每一个的所述侧面彼此平行且当所述金属密封件的所述内侧和所述外侧没有压差时所述侧面垂直于所述轴线，所述内部折叠的所述间隙在所述金属密封件的外侧具有开口的外部端，所述外部折叠的所述间隙在所述金属密封件的内侧具有开口的内部端；所述内部折叠比所述外部折叠更靠近所述轴线；

(b)提供至少一个外部间隔件并将所述外部间隔件放置于所述内部折叠的所述间隙中，使其与所述内部折叠的两个侧面接触；并且

提供至少一个内部间隔件并将所述内部间隔件放置于所述外部折叠的所述间隙中，使其与所述外部折叠的两个侧面接触；

(c)将所述密封件(37)和所述外部间隔件、内部间隔件放置于所述部件(11，17)之间，所述端部中的一个与所述部件中的一个相接触，而所述端部中的另一个与所述部件中的另一个相接触；以及

(d)跨过所述侧壁(47)施加有差别的流体压力，以导致所述内部折叠的所述侧面朝向彼此移动，直到进一步被所述外部间隔件阻止，或者导致所述外部折叠的所述侧面朝向彼此移动，直到进一步被所述内部间隔件阻止；

其中，当内侧流体压力大于作用于所述金属密封件的外侧流体压力时，促使所述外部折叠的所述侧面远离彼此移动以增强对至少一个所述端部的密封，并且促使所述内部折叠的所述侧面朝向彼此移动；

当外侧流体压力大于作用于所述金属密封件的内侧流体压力时，促使所述内部折叠的所述侧面远离彼此移动以增强对至少一个所述端部的密封，并且促使所外部折叠的所述侧面朝向彼此移动。

13.根据权利要求12的方法，其特征在于，步骤(d)包括在所述外侧上施加比所述内侧更大的压力。