CN1079924C

CN1079924C - 密封装置

Info

Publication number: CN1079924C
Application number: CN96198091A
Authority: CN
Inventors: 约斯廷·厄斯塔德
Original assignee: Framo Engineering AS
Current assignee: Framo Engineering AS
Priority date: 1995-11-01
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 2002-02-27
Anticipated expiration: 2016-10-31
Also published as: DK0854996T3; CN1201508A; MY113627A; AU697282B2; NO315480B1; BR9611219A; EP0854996B1; EP0854996A1; AU7321796A; CA2236304C; NO964614L; JP3877774B2; CA2236304A1; KR19990067274A; NO964614D0; US5788288A; WO1997016667A1; GB2306588B; GB2306588A; JP2000500843A

Abstract

一种用于运载高压流体的连接器如在油气工业中所用的动态密封装置，用于将生产流体从钻井装置转移到运输船中。该密封装置包括一个一次和一个二次U形液压操作的密封圈，该密封圈在流体泄漏路径的方向上具有背对该连接器接合处的开口侧。在一个高于生产流体压力的压力下将阻挡层流体供给到两个密封圈之间的室中，并独立地供给到二次密封机构的开口侧。因此该一次密封机构受到一个压力差并被起动。该二次密封机构受到一个压力差并仅在一次密封机构失效时才被起动。因此在连接器正常使用下该二次密封机构不磨损，而当一次密封机构损坏时该二次密封机构便自动地、有效而不延迟地进入工作。然后可以在下一个例行维护时完成一次密封机构的修理，同时避免必须立即关闭生产线，正如用已知密封装置的情况那样。达到了显著的节约成本。

Description

密封装置

发明领域

本发明涉及一种密封装置，特别涉及一种供在两个相对活动的构件之间输送流体的管道用的密封装置。

这样一种密封装置常常被称为动态密封机构。它在将油和气从海上钻井装置如从海上管线传送到运输船中时具有特别的用途。用于这种流体传送的连接器要求能作相对运动如旋转或转动，以便能用于在各种气象条件如强风以及波浪和水流对管线和对船的影响的情况。

发明背景

例如在一种支承海底油或气提升管的浮筒中或在一种运输船如油船的甲板上可能要求这种动态密封机构。

从丹麦norske stats oljeselskap a.s.等人提出的PCT专利申请PCT/NO94/00120中已知这样一种动态密封装置，该PCT申请介绍了一种可转动的旋转塔，用于以这样一种方式连接油气管线，在这种方式中各管线可以很容易断开和重新连接而不影响接合处密封的完整性。

该已知的密封装置采用一种动态密封机构，该动态密封机构包括一个U型横截面的密封圈，该密封圈安放在可相对转动的旋转件之一中的一个沟道内，并被一种阻挡层流体在一个高于需要密封的油或气压力的压力下加压。

然而，已知的各种动态密封机构的设计会受到严重的磨损和经常损坏。要求这些密封机构工作的设备是大规模的具有紧公差的重型工程，并且在各部件之间的稍微不一致会造成严重而突然的损坏密封材料并接着使密封失效。这种失效可能具有严重的影响，因为它会造成漏油和破坏环境，并且在任何情况下当进行修理时都要求关闭该设备，这是一种费钱而不方便的操作。

本发明旨在提供一种改进的密封装置，在该装置中基本上消除上述这些缺点。

本发明的公开内容

因此，本发明提供一种密封装置，供在两个相对活动的构件的接合处使用，这两个相对活动件限定用于穿过该接合处转移高压流体的流体连通管道，该密封装置包括：

一个一次液压密封机构；

一个二次液压密封机构，它在各相应活动件的面对的表面的平面中与一次密封机构间隔开；

用于在一个第一压力下将一种阻挡层流体供给一个室的装置，该室在一次密封的机构的一侧和二次密封机构的一侧之间形成，以及用于在一个第二压力下将一种阻挡层流体供给二次密封机构的另一侧的装置，各供给的阻挡层流体的压力近似相等，因此该二次密封机构在正常工作条件下不会受到一个起动的压力差，并且阻挡层流体的压力高于待密封的流体的压力。

待密封的流体可以是液体例如油或可以是气体。

最好这样安排阻挡层流体的供给，以便一次密封机构的失效产生一个压力差穿过二次密封机构，并因此起动该二次密封机构压住流过接合处的高压流体的泄漏。

在一个优选实施例中，在多个密封件中至少有一个包括一个具有U形横截面的密封件，该密封件安放在各活动件的面对的表面之一内的一个沟道中。

可以看出，本发明的独特设计为一种二次密封机构而提供，在正常条件下，该二次密封机构不会受到任何磨损，因为除了一次密封机构失效外它不主动地密封。当一次密封机构失效时，二次密封机构自动而同时地发生作用而不会出现接合的失效。因此可将一次密封机构的修复延期到预定的例行维修或天气条件允许的时候。若用以前的各种系统，则一个密封机构失效要求立即关闭该系统并立即替换，因而具有明显更高的维修成本。

在一个实际情况中，许多这样的动态密封机构正在一种旋转塔或其它的管道间的这种连接装置中使用：例如可以使用一叠具有多根管道的组件或区段，这些管道是运载油、气和冷却剂的。因此一个特别优选的实施例提供鉴别哪一个密封机构已失效的装置，以便能在下一次例行维护时能比较方便而便宜地替换已失效了的一次密封单元。在专利申请人的共同待批的并同时注册的英国专利申请号95 22 340.0名为“用于高压流体连接器的监测系统”中介绍了一种合适的监测系统。

本发明的密封装置可在如专利申请人共同待批的并同时注册的英国申请号95 22 325.1名为“流体流动连接器”和专利申请号95 22327.7名为“高压流体流动连接器”中所介绍的一种流体连接器中使用。

为了更好地理解本发明并显示如何可以实施本发明，现在将参照附图进行说明。

附图的简要说明

图1以横截面形式图示一种按照本发明的密封装置。

图2以分开的横断面视图和正视图形式图示一种包括按照本发明的密封装置的高压流体连接器。

附图的详细说明

图1图示一种各流体管道之间的接合。将这些管道如此连接，以便使各部件在接合处能作相对转动，并且为便于参考，将那些彼此相对运动的部件用方向相反的截面线表示。在图1所示的特定实施例中，一个芯旋转件1用从左到右上升的截面线表示，它是一个固定的凸状件，而连接件2用从左到右下降的截面线表示，它是一个可绕旋转件1转动的凹状件。在凸状件1内的各轴向孔(在图2中示出)通进一个径向通道(在图2中示出)连接到形成凸状件1和凹状件2接合处的环形沟槽3中。这些环形沟槽3与凹状件2中的通路连接，以便可以将流体如油或气例如从一个油管线的提升管传送到一条运输船如油船中。

在图1所示的实施例中，各个可彼此相对地活动的表面用方向相反的截面线接合处表示。因此凸状件1的表面4和6相对于凹状件2的相应表面5和7运动。为了便于构件1和2的相对转动，在这些相对活动的表面之间必须有一个小的间隙，而该间隙为从管道中尤其是从环形沟槽3中的生产流体提供一个潜在的流体泄漏路线。

因此，包括一种密封装置来密封这个小的间隙。尤其是在该环形沟槽3上面和下面的相应沟道10、11中设置了一对具有U形横截面的一次唇形密封机构8、9。这些一次密封机构被一种阻挡层流体加压，该阻挡层流体通过凹状件2中的一个供给沟道44供给。该供给沟道分岔以提供阻挡层流体进入每个沟槽10、11来使一次密封机构8、9加压。穿过沟道44的阻挡层流体以一个稍高于环形沟道3中生产流体压力的压力供给，因此每个U形密封圈8、9的臂被强压到相应的相对活动的表面上并使生产流体保持在沟槽3之内。

一般生产流体如气或油的压力可以约为500巴，而阻挡层流体最好是处于一个约520巴的压力下。这些值只是作为例子给出，并且决不打算限制可在本发明的密封装置中使用的压力，该压力由该技术的专业人员按照设备的特定情况和要求来选择。

为了改善密封效果，每个相邻的表面(4/5或6/7)中至少一个用一种硬质光滑的涂层如碳化钨涂覆。实际上更容易将这一涂层提供到一个基本上平的表面上，因此在所图示的实施例中这种涂层将在表面5和7上。密封圈8、9的材料最好是一种塑料，从而提供一种比较软的构件以密封紧压碳化钨的硬质光滑的表面来提供一种有效的密封。

在沟道44中和沟槽10、11中的阻挡层流体处于一个比需要密封的生产流体高的压力下，那样任何净流将是从阻挡层流体沟道进入生产流体管道。因此在实际上阻挡层流体有效地润滑密封圈8、9并便于各滑动表面之间的相对运动。阻挡层流体的极少量的净流体损耗将会遇到，但与许多百万加仑产品相比，这是不重要的，该产品通常将流经穿过接合处的管道，当然更可能在相反方向上泄漏，如果一次密封机构不是一种过压密封机构，就会发生这种情况。

一种用于接合的二次密封机构以二次密封圈12和13的形式设置，该二次密封圈12和13分别在表面4和6的沟道14和15中安放。

这些二次沟道14和15与一次沟道10和11彼此间隔开，并且也提供一种阻挡层流体，该阻挡层流体在压力下通过安放在凹状件2内的供给沟道16供给。用于二次密封机构12和13的阻挡层流体形成一部分分开的供给回路到用于一次密封机构8和9的流体，因此沟道16不与沟道44连接。然而用于二次密封圈12和13的阻挡层流体以与用于一次密封圈8和9的阻挡层流体相同时压力供给。因此将相同的阻挡层流体压力施加到每个二次密封圈12和13的两侧，于是在正常的使用条件下(亦即当一次密封圈完整无缺时)不起动。

在所示的实施例中，分别在可相对转动的表面6、7和4、5之间设置一个轴承。这个轴承可以是一个滑动轴承或滚针轴承，如图1中17处所示，或者可供选择地是一个滚柱轴承。

在图1的实施例中，也示出几个静密封。设置这些静密封以将各种部件或元件锁紧在一起，并可以包括U形横断面密封机构，如用18或带垫片20的O形圈密封机构19表示。

O形圈密封机构19中的垫片防止通过被密封的表面之间的间隙挤压密封机构，否则在高压下这种挤压情况容易发生。

在一个密封表面元件21内的沟槽中设置U形静密封机构18，以便将它固定到凹状件2的主体上。还安装了一些螺栓22以将这些元件固定在一起。各螺栓的头部处在一个连接件25内的凹槽24中，该连接件25用来将凹形件2的这个区段紧固到一个相邻的同样区段上。该连接件25通过各静密封机构进一步附接到该凹状件上，该静密封机构由O形圈19和垫片20形成。

一次和二次密封圈沟道在一个中间构件26中形成，该中间构件26用一个键27和静密封机构28固定到凸状件1上。

一个定距环围绕该凸状件1。在一种实际情况中，图1的装置将以一叠组件形式重复，该装置例如可以运载不同类型或不同压力的流体，或沿不同方向运载流体。该定距环29具有凸肩，这些凸肩邻接中间构件26的相邻的拐角，以获得将堆叠的区段或组件固定在一起的压缩力。

这样一叠组件在图2中示出。图2清楚地示出进/出口30及各部件如何通过凸状件1中的轴向孔31和通路32与凹状件2中的流体管道33连通。

在凹状件2和凸状件1之间的每个管道的接合处用两对密封圈密封，这两对密封圈在凸状件上沿圆周排列。如图1所示和参看图1更详细说明的，该对一次密封圈8和9被设置在每个流体管道的上面和下面，另一对二次密封圈也是这样。该对二次密封圈通过液压向外与一次密封圈间隔开，亦即与生产流体的流动路径进一步间隔开。在所示的实施例中，这是沿径向方向向外。

此外在图2所示的该叠组件的底部和顶部处有环境密封机构34和35。这些包括一对间隔开的U形密封圈，这对间隔开的U形密封圈分别在设备的顶部和底部从外部环境(一般处于大气压下)密封相对可转动的表面。

这些环境密封机构还包括一对唇形密封机构，这对唇形密封机构具有大体上是U形的横截面，并且它们位于相对可转动的表面之一内的间隔开的沟槽中。将一种阻挡层流体在压力下供给这些密封机构中每个的开口侧上，并且该阻挡层流体将以与用于一次和二次接合密封机构的阻挡层流体相同的压力供给。该环境密封机构以与动态密封机构相同的方式工作，但这时它们是对着大气压密封，因此在该图示的实施例中外部密封机构34是有效地操作的一次密封机构。这里阻挡层流体的压力将大体上高于环境压力(当这是大气压时)，并且这对于此种应用提供一种很有效的密封机构。尽管如此，一个二次密封机构35被提供大体上类似的设计，并且该二次阻挡层流体是在与一次阻挡层流体相同的压力下供给到这个二次密封机构的。由于将相同的压力供给到该二次环境密封机构35的两侧，因此这个二次密封机构在一次密封机构失效之前或者除非一次密封失效，将又一次不会操作。

当一次密封机构失效时，将有一个泄漏路径用于阻挡层流体从一次密封机构到排放于大气中，但穿过该一次密封机构的压降产生一个压差穿过二次密封机构，并起动该二次密封机构。

这种环境密封机构提供一种防止产品从生产流体管道中泄漏的最高水平。在需要环境密封之前，在该叠组件的顶部或底部处的区段或组件中一次和二次密封机构二者都必须失效。尽管如此，当然非常重要的是生产流体如石油不会泄漏到环境中。

Claims

1.一种密封装置，它供在两个可相对活动的构件的接合处使用，这两个可相对活动的构件限定了用于将高压流体穿过接合处传送的流体连通管道，该密封装置包括：

一个一次液压密封机构；

一个二次液压密封机构，它在各相应活动件的面对的表面的平面中与一次密封机构间隔开；其特征在于：

用于在一个第一压力下将一种阻挡层流体供给一个室的装置，该室在一次密封机构的一侧和二次密封机构的一侧之间形成，以及用于在一个第二压力下将一种阻挡层流体供给该二次密封机构的另一侧的装置，所供给的阻挡层流体的压力近似相等，因此该二次密封机构在正常工作条件下不会受到一个起动的压力差，并且阻挡层流体的压力高于待密封的流体的压力。

2.按照权利要求1所述的一种密封装置，其中阻挡层流体的供给被这样安排，以便一次密封机构的失效产生一个压力差，该压力差穿过二次密封机构抵抗流过接合处的高压流体的泄漏。

3.按照权利要求1所述的一种密封装置，其中至少一个液压密封机构包括一个具有U形横截面的密封件，该密封件安放在活动件的面对的表面之一内的沟道中。

4.按照权利要求3所述的一种密封装置，其中该密封件或每个密封件的U形横截面被安排成其开口侧背对待密封的接合处。

5.按照前述任一项权利要求所述的一种密封装置，其中一次和二次密封机构都具有U形横截面，并且每个密封机构的开口侧都背对待密封的流体流动接合处。

6.按照权利要求1至4中任一项权利要求所述的一种密封装置，其中两个构件之间的接合处包括一个环形沟道，并且该一次密封机构包括一对圈元件，在环形沟道的每一侧上沿轴向安置一个。

7.按照权利要求6所述的一种密封装置，其中该对圈元件具有近似相同的直径。

8.按照权利要求3、4和7中任一项所述的一种密封装置，其中该密封元件或每个密封元件的沟道在活动件中形成。

9.按照权利要求3、4和7中任一项所述的一种密封装置，其中该密封元件或每个密封元件的沟道在固定的元件中形成。

10.按照权利要求1、2、3、4和7中任一项权利要求所述的一种密封装置，还包括一个轴承，该轴承安排在可相对活动的表面之间。

11.按照权利要求10所述的一种密封装置，其中该轴承是一种滑动摩擦轴承。

12.按照权利要求10所述的一种密封装置，其中该轴承是一种滚柱轴承。

13.按照权利要求1、2、3、4、7、11和12中任一项所述的一种密封装置，它在表面之一上包括一种碳化钨涂层。

14.按照权利要求1、2、3、4、7、11和12中任一项所述的一种密封装置，它包括用于监测一次和二次密封机构之间的室中压力的装置和用于当这个压力下降时提供指示的装置。

15.按照权利要求1、2、3、4、7、11和12中任一项所述的一种密封装置，它包括附加的环境密封机构，该环境密封机构具有在主要密封机构和外部环境之间进行密封的一次和二次液压密封机构。

16.按照权利要求1、2、3、4、7、11和12中任一项所述的一种密封装置，其中各阻挡层流体通过止回阀供给。

17.按照权利要求1、2、3、4、7、11和12中任一项所述的一种密封装置，其中该两个构件适合于可以相互转动的。