CN103403410B - 密封件 - Google Patents

Abstract

一种弹性体或聚合体密封组件(10)，其包括环形弹性体或聚合体密封元件(60)，其内部圆周表面密封地接合着第一部件(12)，密封元件邻接于着第二部件(16)的径向环形面，并且密封元件的外部圆周表面密封地接合第二部件的内部圆周表面；出口(92)，设置在邻近于径向面的第二部件的内部圆周表面中，以排空介于密封元件的外部圆周表面和第二部件的内部圆周表面之间的空间；通到出口的入口，由第二部件的内部圆周表面的环形凹槽(88)所限定，环形螺旋缠绕元件(94)设置在环形凹槽内，以防止密封元件挤压到出口内，螺旋形缠绕元件由具有细长截面的材料条带所形成，材料的相邻圈彼此间隔开。

Description

密封件

技术领域

本发明涉及一种由弹性体或者聚合体材料制成的环形密封元件，以及包括这种密封元件的密封组件。

背景技术

利用这种密封元件，密封元件的内部圆周表面密封地接合着一个部件，而与此同时所述密封元件被轴向地受作用力而抵靠着第二部件的径向面，从而使得密封元件的外部圆周表面密封地接合着第二部件的圆周表面，以提供介于两个部件之间的密封。

利用这种类型的密封件，例如弹性体的O形环或者聚合唇密封件，在密封元件的外部圆周表面与第二部件之间所捕集的流体的压力将防止密封元件相对于第二部件的固有密封，尤其是在高压应用中，可产生迫使密封元件的内部圆周表面与第一部件结合的径向负载，这可导致过度磨损。

发明内容

根据本发明，介于密封元件的外部圆周表面与第二部件之间的空间已经被排空，从而使得作用在密封元件的外部圆周上的压力可被降低。

根据本发明的一个方面，弹性体或聚合体的密封件包括一种环形弹性体或聚合体密封元件，密封元件的内部圆周表面密封地接合着第一部件，密封元件邻接着第二部件的径向环形面，并且密封元件的外部圆周表面密封地接合着第二部件的内部圆周表面，一种出口被设置在第二部件的内部圆周表面中与径向面相邻，以排空介于密封元件的外部圆周表面与第二部件的内部圆周表面之间的空间，一种通往出口的入口是由第二部件的内部圆周表面中的环形凹槽来限制的，一种环形螺旋形缠绕元件被设置在环形凹槽中，以防止密封元件挤压进入到出口中，螺旋形缠绕元件由具有细长部分的材料带所形成，邻近着彼此间隔开的缠绕材料。

根据本发明的此方面，出口允许使得流体被捕集在密封元件与第二部件之间，以被排空掉，由此降低作用在密封元件的外部圆周上的流体的压力，以便允许使得密封元件与第二部件适当的密封，并且避免了在高压应用下密封元件在第一部件上的过载。环形螺旋形缠绕元件防止了密封元件挤压进入到出口中，而与此同时允许流体的通过。

根据本发明的另一方面，介于第一和第二相对地可旋转部件之间的密封组件，其中该第一部件与第二部件的孔同轴地延伸，第一部件的外部表面从孔的表面径向地间隔开，包括一种封隔器(excluder)密封件，其位于密封组件的高压力末端处，封隔器密封件作用以防止流体流动到介于第一部件的外部表面与孔的内部表面之间的空间内；以及多个弹性体或聚合体密封元件，其密封在第一部件的外部表面与孔的内部表面之间，所述弹性体或聚合体密封件从封隔器密封件并且彼此轴向地间隔开，以限定一系列其之间的腔室，入口设置到介于相邻弹性体或聚合体密封元件之间的腔室，由此在压力下的阻隔流体可被引入到腔室中。

封隔器密封件可以是一个或多个唇密封件，一个或多个弹簧激发的聚合体密封件或一种机械面密封件。

附图说明

本发明现在参照所附的附图仅示例性地进行描述，其中：

图1以剖面图示出了用于钻机冲管的密封组件。

图2图示了图1中所示的密封组件的部分放大。

图3图示了在图1中所示的密封组件中所使用的环形螺旋形缠绕元件；

图4是图示了在图1中所示的密封组件的变型的部分剖视立视图；

图5是图示了类似于图1中所图示的替换密封组件的部分剖视立视图；以及

图6是图示了类似于图1中所图示的另一替换密封组件的部分剖视立视图；

具体实施方式

图1图示了一种密封组件10，钻井架的钻机泥浆输送管道通过该密封组件而连接到井架的一种旋转驱动装置，由此高压下(例如500bar或者更高)的泥 浆可被供应给到钻管。

密封组件10包括固定的第一连接器12，其适于连接到钻井泥浆供给管道(未示出)。第一连接器12不可旋转地连接到密封壳体14。冲管16与密封壳体14同轴地固定，冲管16通过轴向地间隔开的滚珠轴承18而可旋转地安装到密封壳体14。冲管16的与第一连接器12远离的末端不可旋转地连接到第二连接器20。第二连接器20适于连接到钻管(未示出)，从而使得第二连接器20和冲管16当所述钻管由井架的旋转驱动装置所驱动的时候将随着钻管而旋转。

一对封隔器密封件22、24以轴向间隔开的关系在连接到第一连接器12的密封壳体的末端处被设置成邻近于密封壳体14的末端。封隔器密封件22、24具有唇密封件的形式，其具有间隔开的分支32、34，他们轴向地延伸、安装到环26中，这些环借助于位于密封壳体14中的凹槽28中的密封元件而密封到密封壳体的内部圆周表面。封隔器密封件22、24上的径向延伸突片30位于环26中相应的凹槽中，以防止封隔器密封件22、24的旋转。封隔器密封件22、24的分支32、34朝着第一连接器12延伸，从而使得供给到第一连接器的泥浆的压力将迫使封隔器密封件22、24的分支32、34分别与冲管16和环26相密封接合。此外，封隔器密封件22、24自由地在他们各自环26内沿轴向移动，以允许使得泥浆的压力平衡了在所述封隔器密封件22、24之后的阻隔流体的压力。这降低了跨越整个封隔器密封件22、24上的压差并且延长了其寿命。例如，如果泥浆压力比在每个封隔器密封件22、24之后的流体压力更高，则封隔器密封件22、24将会朝着低压区域(即向后)移动来平衡压力。然而，如果每个封隔器密封件22、24之后的流体压力大于泥浆压力，则流体将会泄漏穿过封隔器密封件22、24的分支32、34，并且进入到泥浆内，以平衡压力。

一系列轴向地间隔开的弹簧激发/供能的聚合体密封件36、38、40、42、44位于密封壳体14和冲管16之间，密封件36、38、40、42、44在内部封隔器密封件24和第二连接器20之间轴向地间隔开。聚合体密封件36、38、40、42和44位于环46中，这些环通过位于密封壳体14中的凹槽28中的密封元件而得以被密封到密封壳体的内部圆周表面。每对邻近的聚合体密封件36、38、40、42和44限定了其之间的密封腔室48、50、52、54，入口56设置到所密封的腔室48、50、52和54中的每一个。

聚合体密封件36、38、40、42和44，每个包括槽形/通道剖面聚合体环， 其具有底部部分60和内部和外部分支构造62、64。夹紧盘簧66位于分支构造62、64之间，并且可弹回地推迫所述分支构造62、64与冲管16的外部圆周表面以及相关联的环46的内部圆周表面成密封接合。聚合体密封件36、38、40、42和44的底部部分60上的构造(未示出)接合着环46上相应的构造，以防止其之间的相对旋转。

如图2中详细地图示，环46具有角度地间隔开的轴向延伸突片70，其接合着在邻近环46中的相应凹槽72，从而使得环46可相对于彼此非旋转地安装在密封壳体14中。突片70比凹槽72轴向延伸更大程度，从而当环46被组装时，环形槽74设置在相邻环46之间。类似的突片和凹槽(未示出)被设置在环26和环76中，这些环支撑着轴承18，从而使得环26和76可相对于环46而不可旋转地组装在密封壳体14中。销78接合在末端环26、46以及所述密封壳体14的邻近径向面中的相应轴向孔80中，从而防止环26、46、76相对于密封壳体14的旋转。

径向向内指向的凸缘构造82被设置为邻近于每个环46的第一末端84，聚合体密封件36、38、40、42、44的底部部分60邻接抵靠着这些环，聚合体密封件36、38、40、42、44的外部分支64朝着第二末端90而接合着环46的孔86。一种环形凹槽88设置在孔86中邻近于凸缘构造82，在凸缘构造82的一侧上向第二末端90开口。一个或多个通道92从环形凹槽88而轴向地延伸到环46的第一末端84，从而使得当环46被组装在密封壳体14中的时候，通道92将向介于环46之间的环形槽74开口。

一种环形螺旋缠绕元件位于每个环形凹槽88中。螺旋缠绕元件94由具有细长横截面的可弹回带材料所形成。螺旋缠绕元件的外部圆周的直径稍微大于环形凹槽88的底部的直径，并且螺旋缠绕元件94的邻近缠绕是相互间隔开的，从而当螺旋缠绕元件94部分地通过螺旋缠绕元件94的外部直径与环形凹槽88的底部的接合而部分地被压缩，螺旋缠绕元件94的缠绕将保持彼此间隔开。螺旋缠绕元件94也可从环形槽88而径向地延伸到环46的孔中，从而使得其接合着聚合体密封件36、38、40、42、44的底部部分。螺旋缠绕元件94将由此可弹回地使得聚合体密封件36、38、40、42、44定心/居于中心，并且将进一步使得聚合体密封件36、38、40、42、44相对于环46反向旋转。

槽型/通道剖面聚合体密封件36和38向腔室48开口，而聚合体密封件40、 42、和46分别向腔室50、52和54开口。

一种阻隔流体在压力下经由相关联的入口56而被引入到腔室48、50、52和54。腔室48中的阻隔流体的压力稍微超过由泥浆输送管道传送到第一连接器12的钻井泥浆的压力。腔室50、52和54中的阻隔流体的压力逐渐降低，从而使得横跨每个聚合体密封件38、40、42和44上的压降基本上相等。在这种方式下，压差被分阶段地从钻井泥浆压力降低到大气压力，从而使得没有单个聚合体密封件36、38、40、42、44承受压差，这将会导致过度磨损。

压力传感装置(未示出)可被设置为用以监测钻井泥浆压力方面的变化，并且控制传送到每个腔室48、50、52和54的阻隔流体的压力。

阻隔流体通过从腔室48泄漏穿过聚合体密封件36而被引入到介于封隔器密封件24与聚合体密封件36之间的腔室58中。

一旦聚合体密封件36、38、40、42、44中的一个失效/损坏，则阻隔流体供给到密封件36、38、40、42、44下游的腔室48、50、52、54的供给被中断，并且供给到另一腔室48、50、52、54的阻隔流体压力因此被调整，从而使得横跨其他聚合体密封件36、38、40、42、44的压差得到均衡。

当腔室48、50、52、54被加压的时候，腔室48、50、52、54中的流体的压力迫使聚合体密封件36、38、40、42、44的分支62、64分别与冲管16和环46的孔86相密封接合。在分支64与环46的孔86之间所困住/捕集的任何流体将通过环形凹槽88和通道92而被挤出到聚合体密封件38、40、42、44的低压侧上的腔室50、52或54中，或者在聚合体密封件36的情况下挤出到介于聚合体密封件36与封隔器密封件24之间的腔室58，其同样处于比腔室48更低的压力下。所困住/捕集的流体的移除允许使得聚合体密封件36、38、40、42、44的外部唇64适当地抵靠环46的孔86而密封，并且避免了可导致过度磨损的聚合体密封件36、38、40、42、44的外部圆周上积聚压力。螺旋形缠绕元件94防止了聚合体密封件36、38、40、42、44在允许流体通过的同时被挤压到环形凹槽88中。

如图1中所图示的，第一连接器12可被连接到密封壳体14，和/或第二连接器20可连接到冲管16，以便允许其相对于在密封壳体14和冲管16的轴线的横向上的平面的相对运动，以便分别调适相对于密封壳体14或冲管16的第一或第二连接器12、20的轴向和角度偏差。

如所图示的，借助于一系列角度间隔开的螺钉100，第一连接器12牢固固定到密封壳体14，而且第二连接器20连接到冲管16，这些螺钉接合着连接器12、20中的径向螺纹孔、并且径向延伸到冲管16、密封壳体14中的环形槽102。这些螺钉100没有达到凹槽102的底部就终止了。

弹簧激发的聚合体密封件104被设置在第一连接器12的圆周表面与密封壳体14之间，以及在第二连接器20与冲管16之间。静态弹簧激发的聚合体密封件104，作用在相对地不可旋转的第一连接器12与密封壳体14之间，以及作用在第二连接器20与冲管16之间，朝着连接器12和20而开口，以防止泥浆从冲管16泄漏到大气。一种外部环106牢固固定到第一连接器12和第二连接器20，以保持住所述聚合体密封件104。

设置了装置(未示出)以防止第一连接器12相对于密封壳体14旋转，并且防止第二连接器20相对于冲管16旋转。

介于螺钉100与凹槽102底部之间的间隙允许第一连接器12相对于密封壳体14在横向平面中倾斜，以及第二连接器20相对于冲管16在横向平面中倾斜，这些连接器绕着聚合体密封件104而倾斜。

在图4中所图示的变型中，入口68被设置到介于封隔器密封件24与聚合体密封件36之间的腔室58，通过该聚合体密封件，阻隔流体可被引入到腔室58内。腔室58中阻隔流体的压力可通过连续地或者间隔地作为一定体积剂量而注射的从外部源供给经加压的阻隔流体而维持处于泥浆压力和在腔室48中的压力的中间压力。

在图5中所图示的可替换实施方式中，封隔器密封件22、24由一种机械面密封件110所替代。机械面密封件110包括第一密封面环112，其被装配到密封壳体14的台阶孔114内。第一密封环112邻接着所述台阶孔114的肩部部分116，并且相对于其借助于位于轴向延伸环形槽118中的弹性体密封环而被密封。一个或多个销(未示出)接合在密封面环112和肩部部分116中的轴向延伸孔中，以防止密封面环112相对于密封壳体14的旋转。

卡圈120借助于多个角度间隔开的调节螺钉122而卡紧在冲管16的外部表面上。卡圈120从第一密封面环112轴向间隔开。第二密封面环124安装在可滑动地安装于所述冲管16的外表面上的卡圈(retainer)126中。在卡圈126中的凹槽128中，卡圈126借助于介于卡圈126与第二密封面环124的背面之间 的弹性体环而密封到冲管16。设置了装置，该装置例如一种在卡圈126或第二密封面构件124的内部圆周表面中的轴向延伸凹槽，以及冲管16的外部表面上凸起(未示出)，用于防止第二密封面构件124相对于冲管16的旋转，而同时允许相对轴向运动。一系列角度间隔开的螺旋压簧130位于卡圈120中轴向延伸的封闭孔中，并且作用抵靠于卡圈126上，以迫使第二密封面环124的密封面132与第一密封面环112上的相应密封面134成密封接合。

形成在密封面环112和124外面的腔室136在泥浆压力与介于聚合体密封件36和38之间的腔室48中阻隔流体的压力的中间压力下，借助于入口138而连接到阻隔流体的外部源。正如利用先前的实施方式，腔室136中的过度压力将防止磨料泥浆从密封面132、134之间泄漏，以及防止阻隔流体从腔室136朝着泥浆而泄漏，以润滑所述密封面132、134。

在图6中所图示的实施方式中，机械面密封件110替代了图1中所图示的实施方式的封隔器密封件22、24以及聚合体密封件36。在此实施方式中，最大阻隔流体压力被施加到形成在密封面环112和124外部的腔室136。阻隔流体的压力然后在腔室50、52和54中被分阶段降低。

在没有脱离本发明的情况下，可以进行各种变型。例如，当在上述实施方式中，本发明已经参照弹簧激发的聚合体密封件进行了描述，本发明同样适合于任何环形弹性体或聚合体密封元件。

此外，尽管本发明已经参照包括多个密封元件的泥浆密封件进行描述，这仅仅是一个实例，并且本发明可用于单个或多个密封元件。

尽管本发明已经参照用于在钻井操作中密封泥浆的一种密封组件，类似的组件可用于其它分阶段降压是有益的高压密封应用中。一个或多个唇密封件22、24可用作这些组件中的封隔器密封件。这些唇密封件可替代地被弹簧激发/供能。用在密封组件的分阶段减压的阶段中的聚合体密封件可采用任何适当的弹性体或聚合体密封元件而被替代。

当在图1中所图示的实施方式中，连接器12、20二者都连接到密封组件10，以便允许相对于横向面倾斜，连接器12、20中的仅仅一个可采用如此连接。

Claims (19)

1.一种聚合体密封组件，其包括：环形的聚合体密封元件，密封元件的内部圆周表面密封地接合着第一部件，该密封元件邻接着第二部件的径向环形面，并且密封元件的外部圆周表面密封地接合着第二部件的内部圆周表面；出口，其设置在第二部件的内部圆周表面中并邻近于径向面，以排出介于密封元件的外部圆周表面与第二部件的内部圆周表面之间的空间；通到出口的入口，所述入口由第二部件的内部圆周表面中的环形凹槽所限定；环形螺旋形缠绕元件，设置在环形凹槽中，以防止密封元件挤压到出口中，该螺旋形缠绕元件由具有细长截面的材料条带形成，该螺旋形缠绕元件的邻近缠绕是相互间隔开的。

2. 如权利要求1所述的聚合体密封组件，其中，密封元件是弹簧激发的聚合体密封件。

3. 如权利要求1或2所述的聚合体密封组件，其中，第二部件是密封壳体环，其具有内部圆周表面，和从内部圆周表面向内延伸的径向表面，聚合体密封元件将邻接抵靠着该径向表面，以轴向地定位聚合体密封元件，通到出口的入口设置为邻近于径向表面与内部圆周表面的接合部。

4. 如权利要求3所述的聚合体密封组件，其中，通过一个或多个轴向延伸的通道而设置出口，该通道在壳体环的壁中延伸，通道向环形凹槽开口、以及向环形凹槽的径向表面的相反侧上的壳体环的末端开口。

5. 一种密封组件，其包括多个如权利要求1-4任一项中所述的聚合体密封组件。

6. 如权利要求5所述的密封组件，其中，聚合体密封组件限定了多个阻隔腔室，压力下的阻隔流体可引入到阻隔腔室中；每个腔室中阻隔流体的压力从密封组件的高压侧降低到低压侧，来自每个聚合体密封组件的出口具有向聚合体密封组件的低压侧上的腔室而开口的出口。

7. 一种密封组件，其包括多个如权利要求4中所述的聚合体密封组件，

其中，聚合体密封组件限定了多个阻隔腔室，压力下的阻隔流体可引入到阻隔腔室中；每个腔室中阻隔流体的压力从密封组件的高压侧降低到低压侧，来自每个聚合体密封组件的出口具有向聚合体密封组件的低压侧上的腔室而开口的出口，

其中，适于连接到静态流体供给线路的第一连接器不可旋转地连接到一种密封壳体，一种管状构件可旋转地同轴地安装在密封壳体内，多个聚合体密封组件位于密封壳体与管状构件之间，管状构件相对于密封壳体成固定旋转关系，环形缺口设置在两相邻壳体环之间以允许使得来自出口的排出口向聚合体密封元件的低压侧上的腔室内开口。

8. 如权利要求7所述的密封组件，其中，第一连接器通过螺钉径向延伸到密封壳体中的凹槽中而连接到密封壳体，和/或第二连接器通过螺钉径向延伸到管状构件中的凹槽中而连接到管状构件，其中所述螺钉和所述凹槽底部之间的间隙允许第一/第二连接器相对于密封壳体/管状构件相对于横向面而倾斜。

9. 如权利要求7或8所述的密封组件，其中，一种静态密封件设置在第一壳体连接到密封壳体和/或第二连接器连接到管状构件之间。

10. 一种密封组件，其处于第一和第二相对地可旋转部件之间，第一部件同轴于第二部件的孔而延伸出，第一部件的外部表面径向间隔开孔的表面，所述密封组件包括封隔器密封件，该封隔器密封件处于密封组件的高压末端处，封隔器密封件作用以防止流体流动到介于第一部件的外部表面与孔的内部表面之间的空间中，以及多个如权利要求1至4中任一项所述的聚合体密封组件，其作用在第一部件的外部表面与孔的内表面之间，所述多个聚合体密封元件与封隔器密封件间隔开以及彼此而轴向地间隔开，来限定其之间的一系列腔室，入口设置到介于相邻聚合体密封元件之间的腔室，由此在压力下的阻隔流体可引入到腔室中。

11. 如权利要求10所述的密封组件，其中，封隔器密封件包括唇密封件，该唇密封件具有底部构造，底部构造具有一对分支，该对分支朝着密封组件的高压侧延伸，这些分支限定了唇构造，分支由密封流体的压力而推迫分开，从而使得一个唇与第一部件形成了密封，且另一个唇与第二部件形成了密封。

12. 如权利要求11所述的密封组件，其中，唇密封件可在第一和第二部件之间轴向滑动，从而使得当封隔器密封件与直接地邻近于封隔器密封件的第一聚合体密封元件之间的腔室中的流体压力低于密封组件的高压侧上的压力时，封隔器密封件将会朝着所述第一聚合体密封元件滑动，以压缩其之间的腔室内的流体并且均衡该压力。

13. 如权利要求10-12中任一所述的密封组件，其中入口设置到限定在封隔器密封件与直接地邻近于封隔器密封件的第一聚合体密封元件之间，由此在超过密封组件的高压侧上的压力的一种压力下的阻隔流体可引入到该腔室内。

14. 如权利要求13所述的密封组件，其中，作为每隔一段时间间隔的体积剂量，阻隔流体引入到介于封隔器密封件与第一聚合体密封元件之间的腔室内，以便维持所述腔室内的压力超过密封组件的高压侧上的压力。

15. 如权利要求10-12中任一所述的密封组件，其中，封隔器密封件包括两个或更多轴向地彼此间隔开的唇密封件。

16. 如权利要求10所述的密封组件，其中，封隔器密封件包括一个或多个弹簧激发的聚合体密封件。

17. 如权利要求10所述的密封组件，其中，封隔器密封件是机械面密封组件，机械密封面组件限定了介于机械面密封组件与直接地邻近于所述封隔器密封件的第一环状密封元件之间的腔室，所述腔室具有入口，在超过密封组件高压侧上压力的一种压力下的阻隔流体通过该入口引入到腔室内。

18. 如权利要求17所述的密封组件，其中，聚合体密封组件各自具有一对分支，一个分支提供了与一个部件的密封，而且另一个分支提供了与其他部件的密封，直接地邻近于封隔器密封件的第一聚合体密封组件安装有远离所述密封组件的封隔器密封件末端而指向的其分支，随后的聚合体密封组件安装有朝着密封组件的封隔器密封件末端而指向的它们的分支，限定于第一聚合体密封组件与下个聚合体密封组件之间的腔室连接到超过密封组件的高压侧压力的一种压力下的阻隔流体的源，限定在相邻聚合体密封组件之间的随后腔室中的阻隔流体的压力分阶段降低。

19. 如权利要求10-12中任一所述的密封组件，其中，第一部件包括冲管，并且第二部件包括密封壳体。