DE2504616C2 - Sicherheitsventil für fördernde Bohrlöcher - Google Patents

Description

einem Außenkörper, der mit je einer Dichtungsanordnung zu beiden Seiten einer das Oberteil des Außenkörpers durchquerenden Öffnung für die Einleitung eines hydraulischen Steuermediums versehen ist,

einem am Unterteil des Außenkörpers befestigten Klappenkäfig, der eine um eine Querachse schwenkbare Klappe, eine Rückholfeder und einen Klappensitz aufweist, und
einem Innenrohr, das in dem Außenkörper axial verschieblich ist und einen einen Kolben bildenden Au3enbund besitzt, der an einen Innenbund im Oberteil des Außenkorpers anlegbar ist und mit diesem eine Hydraulikkammer begrenzt, in deren oberen Teil die öffnung für den Eintritt des Steuermediums mündet,

wobei sowohl der Außenkörper als auch das Innenrohr mit bundartigen Anschlägen versehen sind, auf denen sich eine Feder zum Zurückführen des Innenrohrs in die die Ventilklappe offen haltende Position abstützt, welche in einem Ringraum zwischen dem Außenkörpe- · und dem Innenrohr angeordnet ist, der Teil eines abdichtbaren Strömungsweges ist für den Ausgleich der Drücke ober- und unterhalb des Ventils zwischen wenigstens einer abdichtbaren, von Verschließeinrichtungen gesteuerten Queröffnung im Unterteil des Außenkorpers und wenigstens einer Queröffnung im Innenrohr, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckausgleichsweg eine zweite Abdichtungsvorrichtung aufweist, die von zwei aneinander anlegbaren Kegelflächen (38, 39) gebildet ist, deren eine Bestandteil des Außenkorpers und deren andere Bestandteil des Innenrohres (8) sind.

2. Ventil nach Anspruch 1 ,dadurch gekennzeichnet, daßdiesteuerbaren Verschlußeinrichtungen aus einer durch eine Feder (28) auf einen Sitz (27) gedrückten Klappe (26) in der Queröffnung (23) im Unterteil (6c) des Außenkörpers gebildet sind, wobei jede Klappe (26) einen sie verlängernden, durch die Queröffnung hindurchreichenden Dorn(26')aufweist,unddieäußere Mantelfläche des Innenrohres (8) eine kegelige Einschnürung (40) besitzt, die auf dem ersten Teil des Verschiebungsweges des Innenrohres (8) von der Schließstellung in die Offenstellung die zunehmende FreigabederQueröffnung(23)steuert.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterende des Innenrohres (8) in der Offenstellung in den Klappenkäfig (7) bis zu einer Länge zwischen einem Viertel und der Hälfte der Länge des Käfigs hineinreicht und die Klappe (31) gegen den Käfig (7) gedrückt hält.

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitsventil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Sicherheitsventile sind bekannt und werden in Förderverrohrungen üblicher Innendurchmesser, d, h. bis zu 150 mm, angeordnet.

Das Verschließen einer Förderbohrung im Bedarfsfall entweder durch Schwenken einer Klappe oder durch Drehung eines sphärischen Ventilkörpers. Das Verschließen oder Absperren mittels einer Klappe kann durch einfachere mechanische Vorrichtungen erfolgen als das Verschließen durch eine sphärische« Ventilkörper. Außerdem ist das erstere Verfahren vorzuziehen, weil sich damit einige schwierige Probleme besser beherrschen lassen, die insbesondere bei Gasbohrungen durch die hohen Drucke, die erheblichen Durchflußmengen und die korrosiven, d. h. chemisch aggressiven Beimengungen entstehen.

Die verschiedenen bekannten Arten von hydraulisch gesteuerten Sicherheitsventilen besitzen lediglich eine einzige Abdichtungsvorrichtung im Druckausgleichsweg, die im allgemeinen aus einer kreisförmigen Auflagefläche besteht, deren Durchmesser etwa gleich demjenigen des Ventils ist. Es ist daher nicht möglich, das Bestehenb'eiben des Druckes über dem Ventil nach dessen Schließen in eindeutiger Weise als durch ein ungenügendes Schließen der Ventilklappe ausgelöst oder als auf ein Leck in der Ausgleichsvorrichtung zurückzuführen zu erkennen. In jedem Fall bildet jedoch ein mangelhaftes Arbeiten des Ventils ein Sicherheitsrisiko.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunden, ein Sicherheitsventil gemäß Gattungsbegriff des Patentan-Spruches 1 zu schaffen, dessen Druckausgleichseinrichtung mit größtmöglicher Sicherheit arbeitet, was von besondere Bedeutung für Ventile für Tiefsee-Gasfördermengen für sehr große Fördermengen ist, d. h. bei einem Durchmesser der Förderverrohrung von mehr als 150 mm.

Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.

Das Sicherheitsventil nach der Erfindung, bei dessen Druckausgleichsvorrichtung zwei verschiedene Abdichtungseinrichtungen im Ausgleichsweg hintereinander angeordnet sind, bietet den Vorteil eines erheblich verminderten Risikos ungenügender Dichtheit, gestattet aber auch im Fall einer etwaigen Leckage festzustellen, ob diese dem ersten Abdichtungsmittel zuzuschreiben ist oder ob die Hauptklappe undicht ist, so daß die Ursache eines abnormalen Druckanstieges über dem Ventil abgeschätzt werden kann. Der einfache mechanische Aufbau führt außerdem zu einer beachtlichen Verringerung der Länge und des Gewichtes des Ventils nach der Erfindung in bezug auf bekannte Ausführungen, was das Einsetzen verankerbarer Ventile mit Hilfe eines Stahlseils auf den Verrohrungen mit einem Durchmesser von mehr als 150 mm erlaubt.

In der Zeichnung ist das Sicherheitsventil nach der Erfindung anhand einer beispielsweise gewählten Ausführungsform schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch das gesamte Ventil,

Fig. 2 einen Schnitt durch das Ventiloberteil in vergrößerter Darstellung und

Fig.3 einen Schnitt durch das Ventilunterteil in vergrößerter Darstellung.

In den verschiedenen Figuren ist das Sicherheitsventil rechts von der Symmetrieachse in geschlossener Stellung und links von der Symmetrieachse in geöffneter Stellung gezeichnet.

Gemäß den Figuren bildet eine Rohrverbindung ein \ufnahmegehäuse 1 für das Sicherheitsventil und weist :inen Positionierungssitz 2 sowie eine Ankernut 3 auf, >o daß eine Ankervorrichtung 4, wie sie in der französi- :hen Patentanmeldung 74 02 707 beschrieben ist, posi- s tioniert und verankert werden kann, an welcher Ankervorrichtung das Sicherheitsventil mittels eines Rechtsschraubenganges 5 befestigt ist

Die Darstellung der Ankervorrichtung in der Figur ist lediglich ein Beispiel. Jedes andere Ankerwerk;>eug kann ebenfalls verwendet werden, unter der Bedingung, daß das Werkzeug mit Befestigungsmitteln versehen ist, die mit denjenigen des Sicherheitsventils zusammenwirken, und daß die das Ventilgehäuse bildende Rohrverbindung Positierungs- und Ankereinrichtungen aufweist, die mit denjenigen des Ankerwerkzeugs zusammenwirken.

Das in den F i g. 1,2 und 3 dargestellte Sicherheitsventil umfaßt einen Außenkörper, der aus drei Teilen, nämlich einem Oberteil 6a, einem Mittelteil 6b und einem Unterteil 6c zusammengesetzt ist. An dem Unterteil 6c ist ein Plattenkäfig 7 befestigt, in dessen innerem ein Innenrohr 8 gleitet. Weiterhin umfaßt das Ventil eine Rückführfeder 9 für das Innenrohr 8, die sich einerseits gegen einen Anschlagring 10 abstützt, der seinerseits auf einem Ringbund Sa des Innenrohres 8 aufliegt, während die Feder 9 sich mit ihrem anderen Ende gegen einen Sitz 1 labstützt, der an dem Außenkörper ausgebildet ist.

Der Außenkörper 6 kann auch in anderer Weise zusammengesetzt sein unter der Voraussetzung, daß er zerlegbar ist, die Wartung der verschiedenen mechanischen Teile des Ventils gestattet und bei alledem die besondere Ausbildung des Ausgleichsweges besitzt, die Gegenstand der Erfindung ist.

Gemäß Fig. 2 umfaßt das Oberteil 6a eine Dichtungsanordnung 12, die doppelwirkend ist und am Außenumfang dieses Oberteils unmittelbar oberhalb einer öffnung 13 für die Einleitung des hydraulischen Steuermediums für das Ventil angeordnet ist. Diese öffnung 13 steht außerhalb des Ventils mit einem Raum 14 in Verbindung, der sich zwischen dem Ventil und seinem Aufnahmegehäuse 1 befindet und über eine Hydraulikleitung 15, die an das Aufnahmegehäuse 1 angeschlossen ist und anschließend außerhalb dessen verläuft, mit einer hydraulischen Steuereinrichtung am Bohrlochmund der Förderbohrung in Verbindung. Die Öffnung 13 mündet im Inneren des Ventils in einem Raum 16, die sogenannte Hydraulikkammer, welche nach oben durch eine Verringerung des Innendurchmessers des Außenkörpers und nach unten durch eine Zunahme des Außendurchmessers des Innenrohres 8 begrenzt ist. welche Zunahme des Außendurchmessers des Innenrohres die wirksame Fläche 17 eines Kolbens 18 bildet.

Zu beiden Seiten der Hydraulikkammer 16 sind Doppeldichtungen 19 und 20 angeordnet. Die Dichtungen 19 liegen dabei in Nuten in der Innenwandung des Oberteils über der öffnung 13 und die Dichtungen 20 liegen in Nuten in der Außenwandung des Innenrohres im Bereich der als Kolben 18 bezeichneten, einen Außenbund bildenden Verdickung desselben unterhalb der Hydraulikkammer.

Das Mittelteil 6b des Außenkörpers besteht aus einer zylindrischen Muffe, die mit dem Oberteil und dem Unterteil durch Gewindeverbindungen verbunden ist, wobei am Auslauf jedes üowindes eine Dichtung 21a bzw. eine Dichtung 21 b vorgesehen sind.

Das Unterteil 6c umfaßt eine doppeltwirkende Dichtungsanordnung 22, die am Außenumfang des Unterteils unmittelbar über einer Anzahl von öffnungen 23 festgelegt ist, welche die Eingänge des Strömungsweges für den Ausgleich des Druckes oberhalb des Sicherheitsventiles in bezug auf den unterhalb desselben herrschenden Druck bilden. Jede Öffnung 23 mündet außerhalb des Ventils in einen Raum 24 zwischen dem Ventil und seinem Aufnahmegehäuse 1, der sich in direkter Verbindung mit der Förderbohrung unterhalb des Ventils befindet. Auf der anderen Seite mündet jede der Öffnungen 23 in einem Raum 25 zwischen der zylindrischen Innenmantelfläche des Unterteiles 6c und der Außenmantelfläche des Innenrohres 8. Jede Öffnung 23 ist mit einer Klappe 26 versehen, die gegen einen Sitz 27 durch das Ende einer Feder 28 gedrückt wird, deren anderes Ende auf einem Ring 29 aufliegt, der auf das Unterteil aufgeschoben ist. |ede Klappe 26 setzt sich in einem Zapfen 26' fort, der durch die Öffnung hindurchreicht und dessen Ende auf der Außenmantelfiäche des Innenrohres 8 aufsteht.

Das Unterteil 6c trägt aufgeschraubt mittels einer Muffe 30 an seinem Untcrcnde einen Kiappenkäfig 7, wobei die Muffe 30 außerdem den Ring 29 testlegt. An dem Käfig 7 sind eine um eine horizontale Achse 32 schwenkbare Klappe 31, die mit einer Feder 33 belasset ist und ein Klappensitz 34 angeordnet. Der Klappenkäfig 7 umfaßt eine untere axiale öffnung T mit einem Durchmesser, der kleiner als derjenige der Klappe ist und eine seitliche Öffnung 7", die den Durchtritt der Klappe gestattet.

Das im Inneren des Außenkörpers verschiebliche Innenrohr 8 ist in ersterem mittels zweier Dichtungen 19 abgedichtet geführt, die in Nuten in der Innenfläche des Oberteils oberhalb der öffnung 13 liegen, sowie durch zwei Dichtungen 20, die den Nuten in der Außenfläche im Bereich des als Kolben 18 bezeichneten Abschnittes des Innenrohres liegen, und schließlich durch eine Dichtung 35, die in einer Nut in der Außenfläche des Innenrohres liegt und im unteren Bereich des Unterteiles 6c unterhalb der Ausgleichsöffnungen 23 aufliegt. Der untere Teil 36 des Innenrohres 8 besitzt einen verminderten Aujendurchmesser, um eine Verschiebung des Innenrohres 8 durch den Klappensitz 34 hindurch zu ermöglichen.

Das Innenrohr besitzt zwischen dem Kolben <8 und dem Ringbund 8a eine Öffnung 37 für den Druckausgleich.

In Schließstellung des Ventils befindet sich eine kegelige Ringfläche 38 des Ringbundes 8a, gegen den sich der Anschlagring 10 abstützt, in Berührung mit einer kegeligen Ringfläche 39, die an dem Oberteil 6a ausgebildet ist. Die Berührung dieser kegeligen Ringflächen 38 und 39 bildet eine der Abdichteinrichtungen, die den Strömufjsweg für den Druckausgleich bei geschlossenem Ventil unterbrechen.

Das Innenrohr 8 ist !'.nterhalb des Anschlagringes 10 zylindrisch und besitzt konstante Wandstärke bis knapp oberhalb der Dichtung 35. In diesem Bereich besitzt die Außenmantelfläche des Innenrohres eine kegelige Einschnürung 40 und setzt sich dann in einem zylindrischen Abschnitt 41 fort. Der Unterteil 6c besitzt oberhalb der Ausgleichsöffnung 23 einen Innendurchmesser, de^r um einige Millimeter größer als der Außendureh;nesser des Innenrohres ist, so daß der dadurch gebildete Spalt den Druckausgleichsweg fortsetzt.

Der den Raum untemalb deD Ventils mit demjenigen oberhalb des Ventils verbindende Druckausgleichsweg umfaßt die Ausgleichsöffnungen 23, die durch die Klap-

pe 26 geschlossen gehalten werden, wenn sich das Ventil in Schließstellung befindet, und deren Öffnung durch die Einwirkung der kegeligen Einschnürung 40 auf den Zapfen 26' herbeigeführt wird; weiterhin umfaßt der Ausgleichsweg den freien Raum zwischen der Außcnmantelfläche des Innenrohres 8 und der Innenmantelfläche des Außenkörpers, insbesondere den die Rückführfeder 9 aufnehmenden Teil dieses Raumes, anschließend den Durchgang zwischen den kegeligen Ringauflageflüchen 38,39 und schließlich die Öffnung 37.

Die Flächen der verschiedenen Gewinde, seien es diejenigen zur Verbindung von Oberteil, Mittelteil und Unterteil des Außenkörpers, seien es diejenigen zur Befestigung des Ventils an der Ankervorrichtung oder /ur Betätigung der Ankervorrichtung, haben nach beende- π ter Herstellung eine reibungsmindernde Oberflächenbehandlung erfahren.

Bei der vorstehend beschriebenen, in den Figuren dargestellten Ausführungsform sind von den Dichtungsanordnungen, mit denen der Außenkörper ausgestattet ist, die Dichtungsanordnung 12 auf dem Oberteil und die Dichtungsanordnung 22 auf dem Unterteil vorgesehen. Bei anderen Ausführungsformen ist es möglich, die Dichtungsanordnung 22 auf dem Mittelteil oder auf dem Oberteil unterhalb der Öffnung 13 anzuordnen. Die Außenmantelflächen des Außenkörpers kann im übrigen in jeder beliebigen Art und Weise ausgebildet sein, sofern sie nur die Verwendung des Ventils in einem Gehäuse einer bestimmten Ausführung ermöglicht.

Das Einsetzen des Ventils geschieht selbst bei erhebli- jo chen Tiefen, die für Tiefseebohrungen noch einige Meter unter dem Boden liegen, unter Verwendung der Ankervorrichtung, wie sie in der französischen Patentanmeldung 74 02 707 beschrieben ist, mittels Betätigungsbolzen, die von der Oberfläche aus gesteuert werden. Außerdem erlauben es die Abmessungen und das Gewicht des Ventils von etwa 62 kg, das Ventil in allen Tiefen mitteis Seil einzusetzen.

Sowohl die Einführung des Ventils in die Bohrung als auch seine Anbringung in seinem Gehäuse erfolgen unter Druck bei geschlossener Ventilklappe.

Das Unterdrucksetzen des Hydraulikkreises von der Oberfläche aus gestattet die Überprüfung der Dichtungsanordnungen 12 und 22 sowie der Dichtungen 19 und 20. Das Unterdrucksetzen des Hydraulikkreises von der Oberfläche aus ermöglicht zunächst die Durchführung einer Dichtheitsprüfung der Klappen 26, die den Eintritt für den Druckausgleichsweg steuern. Wenn eine der Klappen 26 nicht dicht ist, ist der zur Auslösung des Druckausgleiches notwendige Druck größer als normal, da der Druck der Bohrung sich bis in den die Rückführfeder aufnehmenden Raum fortsetzt.

Sobald der ausgeübte hydraulische Druck demjenigen entspricht, der zum Zurückschieben der Rückführfeder erforderlich ist, beginnt der Vorgang des Öffnens des Ventils. Die erste Bewegung des Innenrohres 8 bewirkt das Abheben der kegeligen Ringflächen 38 und 39 voneinander, wodurch eine Verbindung zwischen dem die Feder 9 aufnehmenden Raum und dem Raum oberhalb des Ventils hergestellt wird. Die Verschiebung des Innenrohrs 8 nach unten bringt den Zapfen 26' in Berührung mit der kegeligen Einschnürungsfläche 40, so daß der Zapfen 26' mehr und mehr zurückgeschoben wird und die Ausgleichsöffnungen 23 freigibt.

Dabei ist festzuhalten, daß der Durchfluß an Medium durch die Ausgieichsöffnungen 23, von denen im Ausführungsbeispiel vier vorgesehen sind, geringer ist als der Durchfluß, der sich bei einer Öffnung in Form eines Ringspaltes, in den die vier Öffnungen 23 einbeschrieben werden könnten, ergeben würde. Diese Herabsetzung der Geschwindigkeit des Druckausgleichs hat für das Arbeiten des Ventils Vorteile.

Das Unterendc des Innenrohres 8 kommt dann in Berührung mit der Klappe 31, sobald der Druckausgleich erfolgt ist und das Innenrohr 8 kann somit unter Fortsetzung seiner Verschiebungsbewegung die Klappe 31 wegdrücken bis in eine Vertikalstellurig der letzteren. Nach Erreichen dieser Stellung überdeckt das Innenrohr die Klappe nur teilweise. Diese Besonderheit erlaubte eine Verminderung der Verschiebung des Innenrohres, wodurch die Länge des Oberteil:» 6a vermindert werden konnte, so daß sich eine Gewichtseinsparung und ein verminderter Platzbedarf ergab. Das Gewicht des Ventils mit Ankervorrichtung liegt bei etwa 75 kg. die Gesamtlänge beträgt 1,17 m.

Um das Sicherheitsventil offen zu halten, muß die durch den im Hydraulikkreis 14 und folglich in der Hydraulikkammer 16 herrschenden Druck auf die Nutzfläche 17 des Kolbens 18 ausgeübte Kraft größer als eine Gegenkraft sein, die gleich der Summe aus zwei Kräften ist, deren eine die Kraft der Rückführfeder 9 und deren andere das Produkt aus dem Druck der Bohrung und der Größe der Ringfläche 18a, auf die dieser Bohrungsdruck wirkt, ist. In der in den Figuren dargestellten Ausführungsform besitzt die Ringfläche 18a diesselbe Größe wie die Nutzfläche 17 des Kolbens 18.

Der Druck in dem Hydraulikkreis ist gewöhnlich durch eine Steuerung mittels einer Kontrolleinrichtung für die Betriebsgrößen der Bohrung, insbesondere den Druck am Bohrlochkopf, verbunden. Ein Abfall des Druckes am Kopf der Bohrung unter einen festgelegten Wert, den Alarmwert, kann auf diese Weise die Verbindung des Hydraulikkreises mit der Atmosphäre herstellen, also einen Abfall des Hydraulikdruckes und die Bewegung des Innenrohres nach oben unter dem Einfluß der Rückführfeder. Sofort schwenkt die durch die Feder 33 belastete Klappe 31 und kommt auf ihren Sitz 34 zu liegen. Das Innenrohr 8 setzt seine Verschiebung nach oben fort, bewirkt dabei das Schließen der Ausgleichsöffnungen 23, unterbricht den Druckausgleichsweg und läßt schließlich die beiden kegeligen Ringflächen 38 und 39 aufeinander zur Auflage kommen, wodurch die zweite Abdichtung des Ausgleichsweges hergestellt wird. Die doppelte Abdichtung nach der Erfindung, ermöglicht es, in jedem Augenblick zu überprüfen, ob die Eintrittsöffnungen des Druckausgleichsweges dicht sind. Umgekehrt weiß man in jedem Augenblick, ob ein über dem geschlossenen Ventil beobachteter Druckanstieg auf ein Leck an der Klappe oder ein Leck an de^r Eintrittsöffnungen für den Druckausgleichsweg zurückzuführen ist, was die Wahl der sichersten Maßnahme zur Wiederherstellung eines· ordnungsgemäßen Zustandes des Ventils erlaubt.

Ventile, die mit einer doppelten Abdichtungsvorrichtung im Druckausgleichsweg in solcher Weise ausgestattet sind daß ein Leck am Eingang des Druckausgleiches bei Betätigung der hydraulischen Steuerung unterscheidbar von einem Leck an der Hauptklappe wird, bieten eine höchstmögliche Sicherheit, wie sie für unterseeische Bohrungen besonders notwendig ist, bei denen die Förderverrohrung einen besonders großen Durchmesser, insbesondere einen Durchmesser von mehr als 150 mm hat.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Sicherheitsventil für unter hohem Druck stehende, flüssige oder gasförmige Medien fördernde Bohrlöcher, das mittels einer Vorrichtung im Inneren einer Rohrverbindung verriegelbar ist, bestehend aus