CN105829780A - 衬垫 - Google Patents

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Abstract

一种能够密封多个密封表面(3，4，5，6)的衬垫，包括用于密封内密封表面(3，5)的内密封圈(18)、用于密封外密封表面(4，6)的外密封圈(19)、用于密封一个或多个中间密封表面的一个或多个中间密封圈，以及用于连接内密封圈(18)、一个或多个中间密封圈和外密封圈(19)的连接器部件(20)。在一些实施例中，衬垫(7)包括用于使衬垫固定就位的保持特征(13)和用于移除衬垫的移除特征(12)。在一些实施例中，衬垫(7)的多种构件(例如密封圈、连接器部件、保持特征等)由不同的材料(例如金属、金属合金、塑料、橡胶、陶瓷和/或玻璃)制成。

Description

衬垫
背景技术
这部分意在向读者介绍可能与本文描述的实施例的各方面相关的现有技术的各方面。相信该论述有助于向读者提供背景信息以帮助更好地理解本文实施例的各方面。因此，应理解，这些叙述将从这个角度解读，而不作为对现有技术的认可。
石油行业正向着较高压力系统发展，以更加快速地重新获得更多的油、在更深的水深处钻井、钻更深的井以及针对更安全的井操作增强关闭能力。高压系统(约15,000psi至约30,000psi及以上)具有的一个问题在于它们在衬垫上施加非常大的力。尤其是在使用18英寸或更大的衬垫的较大的孔系统的情况下，衬垫可能必须抑制超过1,000,000lbs的径向力。已有的衬垫没有被设计成应对大的径向力以及由这些高压力系统产生的合成应力。
强烈需要产生一种这样的衬垫，即，该衬垫能够承受力并减小在高压操作期间产生的内部应力，同时在多个循环和温度范围内自始至终保持高性能密封。
另外，尽管安全性是该行业的另一优先考虑的事项，但是现有的衬垫仅提供了单一密封屏障，该单一密封屏障在许多情形下会因来自操作的磨损、不期望的压力波动和/或其它无法预料的情形而被破坏。因此，明显还需要一种在苛刻的应用下提供卓越可靠性的多屏障密封。
发明内容
下面描述本文公开的一些实施例的某些方面。应当理解，这些方面仅用于向读者提供对本发明可能呈现的某些形式的简单概述，并且这些方面不意在限制本发明的范围。实际上，本发明可以包含可能未在下文中说明的多个方面。
公开了一种能够密封多个密封表面的衬垫。该衬垫包括用于密封至少两个密封表面的至少两个密封圈、和用于连接该至少两个密封圈的连接器部件。在一些实施例中，衬垫包括用于使衬垫固定就位的保持特征和用于移除衬垫的移除特征。在一些实施例中，衬垫的各构件(例如密封圈、连接器部件、保持特征等)由不同的材料(例如金属、金属合金、塑料、橡胶、陶瓷和/或玻璃)制成。
提供这个发明内容用于介绍将在下文的详细描述中进一步描述的构思选择。该发明内容不意在确定要求保护的主题的关键的或必要的特征，也不意在用作帮助限制要求保护的主题的范围。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的优选实施例，其中：
图1示出所公开的衬垫和相应密封表面在匹配之前的位置中的横截面视图；
图2示出所公开的衬垫的横截面图；
图3示出所公开的衬垫的横截面视图；
图4示出所公开的衬垫的横截面视图；
图5示出所公开的衬垫的横截面视图；
图6示出所公开的衬垫的横截面视图，其中示出未与构件对齐；
图7示出所公开的衬垫的横截面视图，其中示出衬垫的几何结构的一些厚度和高度；
图8示出所公开的衬垫密封表面与毂部密封表面的初始过盈的横截面；和
图9示出所公开的衬垫密封表面与毂部密封表面的初始过盈的另一横截面。
具体实施方式
下面的论述涉及本发明的多个实施例。附图不一定按比例绘制。实施例的某些特征可以按比例夸张展示或以某种示意性的形式表示，且为了清楚简洁起见可能未示出常规构件的一些细节。尽管这些实施例中的一个或多个可以是优选的，但是所公开的实施例不应当被解释成或以其它方式用于限制本发明(包括权利要求书)的范围。应当充分意识到，下面论述的实施例的不同教导可以单独使用或以任何适当的组合使用以产生期望的结果。另外，所属领域的技术人员将理解，下面的描述具有广泛的适用性，并且对任何实施例的论述仅意味着是该实施例的示例，而不意在表明本发明(包括权利要求书)的范围局限于该实施例。
贯穿下面的说明书和权利要求书使用的某些术语表示具体的特征或构件。如所属领域的技术人员将意识到的，不同的人可能用不同的名称表示相同的特征或构件。本文不意在区分名称不同而非功能不同的构件或特征。在下面的论述和权利要求中，“包括”和“包含”以开放式的方式使用，并因此应当被解释成表示“包括但不限于……”。“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”和这些术语的变型的使用是为了方便起见，而不要求构件的任何特定取向。
所公开的衬垫可以在管道、毂部、采油树、集合管、流管、连接器、清管器、发送筒或者功能或形式类似的任何物体之间提供密封、例如金属与金属的密封。参考图1，示出衬垫7的一个实施例。衬垫在分别标记为9、11的构件(例如配合毂部)的两个表面之间形成密封。在所示实施例中，衬垫7能够阻止来自于密封孔的内部42和该密封孔的外部10的增压流体和/或气体。
衬垫7的材料可以是金属、金属合金、塑料、橡胶、陶瓷和玻璃中的一种或多种。该优选实施例特定地由一种或多种材料制成，该材料是奥氏体镍-铬超合金的专有分类。衬垫7材料可以由均质或非均质材料制成。衬垫7材料可具有空隙，该空隙可以在受压时作出反应。衬垫7材料可以是屈服极限高于80,000psi的高屈服金属合金，或屈服极限低于80,000psi的低屈服材料。衬垫7材料可以被制造成高度耐腐蚀，该腐蚀可能由富油和富气的流体导致。
参考图3和图4，示出衬垫7的附加实施例。衬垫7可以由通过连接器部件(例如密封腹板)20连结的两个或更多个密封圈18、19组成。内密封圈18的横截面示出两个密封臂22，这两个密封臂关于贯穿密封圈18的中心的线2(“衬垫水平轴线”)成镜像。外密封圈19的横截面示出关于线2成镜像的两个密封臂22A。在该实施例中，密封臂横截面可以环绕孔轴线1回转而形成密封圈。在其它实施例中，密封臂可以不是彼此的镜像，而是可以在线2上方和下方具有不同的构型。
密封圈18、19可以布置成使得内密封圈18被认为是更靠近孔轴线1的密封圈，且距离孔轴线1最远的密封圈19被认为是外密封圈。在其它实施例中，内密封圈18与外密封圈19之间可以具有若干附加密封圈。这些附加密封圈可以沿着轴线2布置，或可以设置在该轴线的上方或下方。
参考图2，密封臂22的横截面视图示出背向孔中心线的密封表面14和16，密封臂22A的横截面视图示出背向孔中心线的密封表面15和17。内密封圈18的内表面23面向孔中心线1，并且可以与该孔中心线平行。在其它实施例中，密封臂22的内表面23可以关于该孔中心线成角度或平行。密封臂的密封表面14至17可以是直的、成角度的、弯曲的或任何适当的形状。另外，密封臂22、22A中的每一个均可以具有一个或多个密封表面。
密封臂22可以起到悬臂梁的作用，其附着在刚性支承部上，其中，该刚性支承部可以与密封基部43类似。密封臂22在来自于孔42的压力下可以向外弯曲，从而使得密封臂22的顶部背离孔中心线1移动。移位量可以由孔压力的量和/或密封臂横截面轮廓的可变刚度来确定。密封臂22的密封表面14和16以及密封臂22A的密封表面15和17在来自于所述孔的压力下可以分别挤靠构件密封表面3和5以及4和6，这可以增加衬垫7在压力下密封的能力。密封臂22A在来自于外部压力10的压力下可以在该密封臂的末端处朝向孔中心线1移动一些位移量。
连接器部件20可以连结任意数量的密封圈。连接器部件20可以沿轴向连接密封圈，这在图中表示成沿着大致平行于水平轴线2的方向。连接器部件20可以与(多个)密封圈形成整体件，或者连接器部件可以被机加工、焊接或以其它方式刚性地附着至一个或多个密封圈。连接器部件20可以由与密封圈不同的材料制成，这使得能够定制将在密封圈之间发生的偏转的量。
在一些实施例中，连接器部件20可以经由强、弱或挠性连接来连结密封圈，该连接将力、力矩、应力、热量和偏转的量的全部或一些从一个密封圈传递到另一个密封圈。连接器部件20可以与平的盘状件类似，其实际上可以是连续的、有槽的或不连续的。连接器部件20还可以是其它适当形状的形式。对于具有多个密封圈的衬垫，多个连接器部件可以存在并以上述方式连结任意数量的密封圈。
参考图2，所提出的衬垫7的一个实施例可以包括移除特征12。这个移除特征12允许移除工具将衬垫从其在构件9和11中的入位、设置或取向中拆卸、移除和抽出。如图2所示，移除特征12可以定位在内密封圈18的内表面23上。移除特征12可以在中央或靠近内密封圈18的轴线2。移除特征还可以定位在外密封圈19上。移除特征还可以定位在衬垫7上的任何现有特征上，包括但不限于密封圈、密封臂或衬垫7的任何其它部位。移除特征12可以是任何形状的——包括圆形、方形、三角形或其它形状中的至少一种形状——切口或挤压特征。移除特征12可以具有施加于其上的表面纹理或表面涂层。移除特征12还可以是在密封基部43和/或连接器部件20中的任一者上的切口、孔洞或凹口的任意组合。
再参考图2，衬垫7可以包括保持特征13。保持特征13可以是外密封圈19上的一个特征，该特征保持衬垫7进入接纳器毂部或其它构件或附件部件中，即保持在密封位置。该保持特征可以是自外密封圈19延伸的环形件13。保持特征13可以是单个的、连续的、不连续的或一系列的(多个)槽、(多个)销、(多个)唇形部、(多个)缺口、(多个)倒圆、(多个)倒角、(多个)孔洞和/或一系列孔洞。保持特征13可以通过弹簧力、过盈配合、开槽配置、梯级配置(treadingarrangement)或一组弹簧加载式销、闩或其它装置来固定衬垫7。保持特征的一个示例是自外密封圈19的中央延伸的环形件，并且可以是方形的、倒圆的、倒角的或切口的。一个或多个保持销的组(未示出)可以使保持特征与配合毂部11接合。
衬垫密封表面与构件9和11的表面这样接合，即，产生超过衬垫7将要密封的流体压力的接触压力。在一个示例中，衬垫7的密封表面可以相对于孔轴线1具有一定角度，从而形成锥形表面。如果在横截面视图中观察，则该密封表面还可以是倒圆的并形成球形表面。内密封圈18的密封表面和外密封圈19的密封表面可以相对于轴线2位于不同的高度，并且可以具有不同的角度、横截面和形状。另外，内密封圈18与外密封圈19的刚度之比可以大于、小于或等于1。内密封圈18上与外密封圈19上的平均应力之比可以大于、小于或等于1。累积在内密封圈18上与外密封圈19上的应变量之比可以大于、小于或等于1。构件9和11的与衬垫7上的各密封圈配合的表面在几何结构上可以类似或彼此不同。
参考图5，示出另一实施例。在所提出的衬垫7的该实施例中，密封臂22和22A的顶部边缘(或唇形部)中的任一个或全部可以具有一个或多个倒角或弧形部26。
密封唇倒角26用于防止对衬垫密封表面14至17、构件3至6的表面或其它配合附件的刻划、磨损和/或损坏。密封唇倒角26用于在衬垫与构件的相应表面3至6匹配期间从衬垫密封表面14至17和/或构件表面上除去污垢、碎屑或其它污染物。密封唇倒角26可以被低摩擦涂层涂覆，该低摩擦涂层可以帮助匹配或放置衬垫7。
再参考图5，在密封臂与连接器部件20之间的相交处也可以存在一个或多个倒角或倒圆部28。基部倒角28可以减小衬垫7中的内部应力，减小衬垫7中的内部塑性变形，为密封圈或密封臂提供附加的抗弯刚度，以及增加或减少从一个密封圈到另一个密封圈的力、力矩、应力、热量和偏转的传递。
再参考图5，在密封圈与保持特征13之间的相交处也可以具有一个或多个保持倒角27。保持倒角27可以为与其接触的密封圈或密封臂提供附加的抗弯刚度，减小衬垫7中的内部应力，减小衬垫中的内部塑性变形，和/或提供平滑的过渡以避免保持特征13被捕获或牵绊在衬垫配合表面上。
再参考图5，衬垫7可以具有沿着轴线方向钻穿连接器部件20的一个或多个孔洞43A，如图5所示。该(多个)孔洞可以允许压力在衬垫7的部段之间在轴线2的每侧均衡。
参考图7，衬垫可以具有关于彼此在特定的或一般的比值范围中的特征。例如，内密封圈18的厚度轮廓36可以大于、等于或小于外密封圈19的厚度轮廓38。在其它实施例中，内密封圈高度45与外密封圈高度44的比可以大于、小于或等于1。密封臂高度37与连接器部件厚度40之比可以大于、小于或等于1。连接器部件长度41与内密封圈厚度36或外密封圈厚度38之比可以大于、小于或等于1。
在所公开的衬垫7的另一实施例中，密封表面14至17可以仅定位在密封臂22和22A的一部分上、或覆盖密封臂22和22A的全部区域。内密封圈18上的密封表面14和16可以具有与外密封圈19上的密封表面15和17相同或不同的尺寸。密封表面14至17可以是平的或不是平的。密封表面14至17可以是连续的或由于密封表面14至17可以被环绕轴线1回转的切口、内部肋状切口、缺口或其它特征打断而是不连续的，并且如果三维观察可以形成单个的或多个成角度的锥形密封表面。如果在横截面视图中观察，则密封表面14至17可以由弧形部构成——参见图6中标记的密封表面30，并且如果三维观察可以形成球形的密封表面。
衬垫密封表面14至17与构件9和11上的相应的密封表面配合。衬垫密封表面14至17与构件9和11的表面之间的过盈量可以根据所选择的密封表面轮廓而变化。在装配时当所提出的衬垫7的密封表面14至17与构件9和11接触时，它们产生密封接触压力。
衬垫7的密封表面14至17或整个外表面可以涂覆金属、陶瓷、塑料或其它涂层物质。密封表面14至17可以由——但不限于——金属或汞合金构成，该汞合金由银、金、铅或其它低屈服极限金属或金属化合物制成。密封表面14至17可以被完全地或部分地涂覆这些物质并可以具有任何厚度。可以出于在高接触压力下的润滑效果来选择密封表面14至17上的涂层。该涂层可以减小衬垫密封表面14至17与配合的密封表面之间的摩擦系数，增强衬垫7的抗腐蚀性，使接触压力在较大的区域上分布，增强密封表面14至17的抗刮擦性和抗磨损性，消去或以一些方式填充或中和裂缝、瑕疵、刮痕或切口以借此提高密封表面14至17的这些能力，即提供密封的能力、使密封表面14-17光滑的能力、抑制微生物生长的能力、改变导热性的能力或抑制由孔流体形成的水合物或其它化学物质积聚的能力。
参考图6，示出所公开的衬垫7的另一实施例。衬垫7可以被这样设计，即在构件9和11与密封表面14至17出现偏心或未对齐的情形中的操作模式下提供密封。衬垫7可以应对大的偏心量，同时仍提供足够的密封和接触压力。
在一些实施例中，衬垫7可以通过具有锥形或球形的密封表面来应对大的偏心。最大接触压力点可以在构件9和11的密封表面上向上或向下移动，或在衬垫7的密封表面上向上或向下移动，用以对偏心或未对齐进行弥补。衬垫7的连接器部件20可以提供对齐并帮助外密封圈19滚动至适当的角度从而提供最大密封压力。在偏心的情况下，衬垫7可以滚动或成角度。这样的示例可以在图6中看到，图6示出衬垫7的水平轴线46相对于孔中心线2成一角度。
现在参考图9，示出所公开的衬垫7的另一实施例。衬垫7可以在空气或任意深度的海底环境中在构件密封表面3至6之间放置或完全闭合，由此产生压力密封能力。放置衬垫的发生可能伴随着沿孔轴线1、衬垫水平轴线2或任意其它组合施加在连接毂部上的大的力。这些大的力可能导致衬垫7在闭合期间过度滚动，如图6所示。可以在任意数量的内密封臂22、外密封臂22A或连接器部件20上放置滚动限制器环形件。图9所示的外滚动限制器环形件51和内滚动限制器环形件52可以是密封表面14至17之外的挤压部。滚动限制器环形件51和52可以通过接触毂部的水平表面53和54来限制衬垫7的滚动。
现在参考图8，示出所公开的衬垫的另一实施例。在密封表面处产生的接触压力的量可以取决于衬垫密封表面14至17与构件密封表面3至6的初始过盈和所施加的压力负载。在图8中的横截面中，衬垫密封表面14至17与构件密封表面3至6的初始过盈可被看成是衬垫7在处于完全闭合位置的毂部上的未变形叠覆。图8示出锥形衬垫密封表面和锥形毂部密封表面的过盈区47的示例，以及外球形衬垫密封表面与锥形毂部密封表面的过盈区48的示例。内密封圈18和外密封圈19的过盈区可以不同或相同。在内密封圈49的整个过盈区上水平测量的过盈区的厚度可以大于、等于或小于外密封圈50。
在一些应用中，密封臂22可以经受显著的压缩环向应力。密封圈18和19可以表现出更多朝向密封圈18的内表面23的显著的径向压缩应力，以及在面向外部的一侧14上表现出张应力。连接器部件20可以经受显著的环向应力。
在向密封圈18的内表面23施加孔压力的情形中的一种操作模式期间，衬垫7可以经受显著的径向力。这些径向力可以沿着内密封圈密封表面14、16分布，因此增加了密封接触压力。所述径向力还可以经由连接器部件20分布至外密封圈19上的密封表面15、17。通过将孔压力负载分布到多个密封表面上，能够实现减小内密封圈18中的应力、减小外密封圈19中的应力、降低内密封圈18中的接触压力、降低外密封圈19中的接触压力、降低内密封圈18上的塑性变形量以及降低外密封圈19上的塑性变形量。
通过连接器部件20的厚度、通过改变任何所提到的比值、通过改变如在连接器部件20部分中提到的连结方式、通过改变内密封圈18和外密封圈19上的过盈量、和/或通过改变衬垫的任何提到的特征或功能，可以控制衬垫7内的负载分布。
在其它操作模式中，压力可以因海水或其它流体的液体静压力产生，并且可以作用在内密封圈18或外密封圈19的表面上。这可以产生向内朝向孔的中心线1压缩衬垫7的径向力。连接器部件20可以分配这种负载的任何部分，从而使其分布在内密封表面和外密封表面上。这可以用于减少由于外部压力而出现的力和偏转，并且可以增强衬垫7关于抵抗外部压力的性能。
尽管通过上述实施例描述了本发明，但是所属领域的普通技术人员应当理解，在不背离本文所公开的创新构思的情况下，可以对图解实施例进行修改和变型。另外，尽管结合多种图解结构描述了优选实施例，但是所属领域的技术人员将意识到可以使用各种特定结构具体实施该系统。

Claims (29)

1.一种用于密封第一密封表面和第二密封表面的衬垫，包括：
面向外以密封所述第一密封表面的内密封圈；
面向外以密封所述第二密封表面的外密封圈；和
用于连接所述内密封圈和所述外密封圈的连接器部件，该连接器部件能够使力从所述内密封圈传递到所述外密封圈。
2.根据权利要求1所述的衬垫，其中，所述连接器部件包括腹板，该腹板由与所述内密封圈或所述外密封圈不同的材料制成。
3.根据权利要求1所述的衬垫，其中，所述连接器部件、内密封圈和外密封圈是由相同材料形成的一个整体件。
4.根据权利要求1所述的衬垫，其中，所述连接器部件包括平的盘状件。
5.根据权利要求1所述的衬垫，所述内密封圈还包括上密封臂和下密封臂，所述第二密封圈还包括上密封臂和下密封臂。
6.根据权利要求5所述的衬垫，其中，内圈上密封臂和内圈下密封臂及外圈上密封臂和外圈下密封臂具有相同的尺寸。
7.根据权利要求5所述的衬垫，其中，内圈上密封臂和内圈下密封臂及外圈上密封臂和外圈下密封臂中的至少一者具有不同的尺寸。
8.根据权利要求5所述的衬垫，其中，内圈上密封臂和内圈下密封臂及外圈上密封臂和外圈下密封臂中的每一个均包括至少一个倒角边缘。
9.根据权利要求5所述的衬垫，其中，内圈上密封臂和内圈下密封臂及外圈上密封臂和外圈下密封臂中的每一个均包括一个或多个密封表面。
10.根据权利要求1所述的衬垫，其中，该衬垫包括从由金属、金属合金、塑料、橡胶、陶瓷和玻璃组成的组中选择的一种或多种材料。
11.根据权利要求1所述的衬垫，其中，该衬垫包括一种或多种奥氏体镍-铬超合金。
12.根据权利要求1所述的衬垫，还包括适于使所述衬垫保持在密封位置的保持特征，其中，该保持特征自所述外密封圈延伸。
13.根据权利要求12所述的衬垫，其中，所述保持特征能从包括环形件、槽、销、唇形部、缺口、倒圆、倒角、孔洞、弹簧、闩或其任意组合的组中选择。
14.根据权利要求1所述的衬垫，其中，所述内密封圈与所述外密封圈的刚度之比能够大于、小于或等于1。
15.根据权利要求1所述的衬垫，其中，所述内密封圈与所述外密封圈的厚度之比能够大于、小于或等于1。
16.根据权利要求1所述的衬垫，其中，所述密封表面被涂覆。
17.根据权利要求1所述的衬垫，其中，内密封圈表面和外密封圈表面是球形的。
18.根据权利要求1所述的衬垫，还包括适于允许所述衬垫脱离与所述密封表面接触的移除特征，其中：
所述移除特征自所述衬垫延伸或延伸进该衬垫中；以及
所述移除特征适于帮助所述衬垫从密封位置移除。
19.一种用于密封密封表面的衬垫，包括：
面向外以密封内密封表面的内密封圈；
面向外以密封外密封表面的外密封圈；
用于密封一个或多个中间密封表面的一个或多个中间密封圈；和
用于连接所述内密封圈、一个或多个中间密封圈和所述外密封圈的连接器部件，该连接器部件能够使力从所述内密封圈传递到所述外密封圈。
20.根据权利要求19所述的衬垫，其中，所述连接器部件包括腹板，该腹板由与所述内密封圈或外密封圈不同的材料制成。
21.根据权利要求19所述的衬垫，其中，所述连接器部件、内密封圈和外密封圈是一个整体件并由相同的材料制成。
22.根据权利要求19所述的衬垫，其中，所述连接器部件包括平的盘状件。
23.根据权利要求19所述的衬垫，所述内密封圈还包括上密封臂和下密封臂，所述第二密封圈还包括上密封臂和下密封臂。
24.根据权利要求23所述的衬垫，其中，内圈上密封臂和内圈下密封臂及外圈上密封臂和外圈下密封臂中的至少一者具有相同的尺寸。
25.根据权利要求23所述的衬垫，其中，内圈上密封臂和内圈下密封臂及外圈上密封臂和外圈下密封臂具有不同的尺寸。
26.根据权利要求23所述的衬垫，其中，内圈上密封臂和内圈下密封臂及外圈上密封臂和外圈下密封臂中的每一个均包括至少一个倒角边缘。
27.根据权利要求23所述的衬垫，其中，内圈上密封臂和内圈下密封臂及外圈上密封臂和外圈下密封臂中的每一个均包括一个或多个密封表面。
28.根据权利要求19所述的衬垫，还包括适于使所述衬垫保持在密封位置的保持特征，其中，该保持特征自所述外密封圈延伸。
29.根据权利要求19所述的衬垫，还包括适于允许该衬垫脱离与所述密封表面接触的移除特征，其中：
所述移除特征自所述衬垫延伸或延伸进该衬垫中；以及
所述移除特征适于帮助所述衬垫从密封位置移除。
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