DE3320515C1

DE3320515C1 - Hochdruckdichtung fuer laengsverschieblich gegeneinander bewegbare Teile von Tiefbohrwerkzeugen

Info

Publication number: DE3320515C1
Application number: DE3320515A
Authority: DE
Inventors: Gerhard 3100 Celle Heidemann
Original assignee: Christensen Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 1983-06-07
Filing date: 1983-06-07
Publication date: 1988-12-01
Also published as: US4523765A; FR2547387B1; FR2547387A1; GB2141189A; JPS59226764A; GB2141189B; BE899014A; GB8405229D0; CA1253533A

Description

Tiefbohrwerkzeuge mit gegeneinander längsverschieblich bewegbaren Teilen erfordern eine bewegte Berührungsdichtung zwischen den Teilen, die z. B. ein Eindringen von Spülungsflüssigkeit in einen mit Öl gefüllten Innenringraum des Werkzeugs verhindert. Der an solchen Dichtungen anstehende Differenzdruck ist nicht nur von dem Druckabfall der Spülungsflüssigkeit auf deren Weg von dem inneren Spülungsraum des Bohrstranges durch die unter den längsverschieblichen Werkzeugteilen angeordneten weiteren Werkzeuge hindurch bis hin in den Bohrlochringraum abhängig,

ίο sondern auch von dem dynamischen Druck des Öls im Innenringraum, der sich aus dem verzögerten Ausgleich des Ölvolumens über enge Ausgleichskanäle hindurch bei Längsverschiebung der Teile mit einer bestimmten Verschiebungsgeschwindigkeit aufbaut. Der Differenzdruck kann zusätzlich abgängig sein von der Werkzeuggröße, der Viskosität des Öls, sowie der Temperatur und dabei Werte bis zu 1000 bar erreichen.

Ergebnisse aus dem Feldeinsatz von Tiefbohrwerkzeugen zeigen, daß auftretende Mängel an den Hochdruckdichtungen zwischen den längsverschieblich bewegbaren Teilen als Hauptursache für den vorzeitigen Ausfall dieser Werkzeuge anzusehen sind. Es sind deshalb zahlreiche Versuche unternommen worden, bewegte Berührungsdichtungen verschiedenster Konfiguration und Materialbeschaffenheit, die sich auf anderen Anwendungsgebieten bewährt haben, auch in der Tiefbohrtechnik einzusetzen. Feldversuche unter Einsatz solcher Dichtungen führten jedoch nicht zu einer Erhöhung der Standzeit.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Hochdruckdichtung für verschieblich gegeneinander bewegbare Teile in Tiefbohrwerkzeugen unter besonderer Berücksichtigung der hier auftretenden Randbedingungen zu schaffen, die unter Feldbedingungen eine der Lebensdauer üblicher Bohrwerkzeuge entsprechende Standzeit erreicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Hochdruckdichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die große axiale Länge der abdichtenden Mantelfläche des Verschleißdichtrings entsteht ein langer Dichtungsweg und damit eine hohe Sicherheit gegen partielle Leckagestellen, wie sie duch Oberflächenrauhigkeit des abzudichtenden längsbeweglichen Teils sowie Riefen innerhalb des Verschleißdichtrings hervorgerufen werden. Darüber hinaus wird der Druckabfall von dem Bereich des hohen Druckes zu dem Bereich des niedrigen Druckes bezogen auf ein axiales Längendifferential verhältnismäßig gering gehalten. Die erforderliche Flächenpressung läßt sich daher gegenüber derjenigen konventioneller Dichtungen verringern, so daß die durch Gleitbewegungen verursachte Erwärmung innerhalb des Dichtungsmaterials verringert ist. Aufgrund der geringen Eigenerwärmung ist daher auch ein Einsatz in extremen Bohrtiefen mit Temperaturen von bis zu 240⁰C möglich. Durch das axiale Untermaß des Verschleißdichtringes kann sich dieser innerhalb der Ringnut bewegen und gegen die dem Hochdruckbereich jeweils abgewandte Flanke anlegen. Auf diese Weise kann der hohe Druck auch in die Ringnut selbst eintreten und an der der dichtenden Mantelfläche gegenüberliegenden Mantelfläche des Verschleißdichtringes wirksam werden. Während der Partialdruck an der dichtenden Mantelfläche axial kontinuierlich abfällt, bleibt er auf der gegenüberliegenden, freiliegenden Mantelfläche konstant und erzeugt durch die vom Rand axial zunehmende Druckdifferenz einen den Anpreßdruck der dichtenden Mantelfläche

verstärkenden Radialdruck. Gleichzeitig wird auch eine axiale Druckbeaufschlagung des Spann- und Dichtringes gegenüber der Nutwand hervorgerufen, was durch die entstehenden Reaktionskräfte ebenfalls zu einer Erhöhung des radialen Anpreßdrucks führt. Die Anordnung zeigt daher einen in Abhängigkeit des anstehenden Differenzdrucks gesteuerten Anpreßdruck des Verschleißdichtrings gegenüber der Dichtfläche des zweiten Teils. ^;

■ Durch den parallelen Verlauf beider Ringnutflanken gegenüber den Flanken des Verschleißdichtringes ergibt sich eine Dichtwirkung in beiden Axialrichtungen. Die gemäß einer weiteren Ausführungsform zum Nutgrund hin geneigten Flanken unterstützen bei axialer Druckbeaufschlagung durch Komponentenzerlegung zusätzlich den Radialandruck der Dichtfläche des Verschleißdichtringes an die Fläche des zweiten Teils. Darüber hinaus wird durch diese Nutgestaltung auch eine irrtümliche Verwechselung der Teile bei der Montage oder Wartung vermieden. Die in die abdichtende Mantelfläche des Verschleißdichtringes eingelassenen Ringnuten von vorzugsweise V-förmigem Querschnitt dienen zur Aufnahme von Schmutzpartikeln, die in der abrasiven Spülung enthalten sind und während sie zeitweise durch unvermeidbare Oberflächenrauhigkeit des anderen Teils an demselben haften, von der Dichtungsmantelfläche teilweise überwandert werden können. Die Kombination dieser Ringnuten in Verbindung mit der langen Dichtungsmantelfläche ermöglicht zudem auf einer relativ kleinen axialen Strecke eine Dichtwirkung, wie sie mit konventionellen Dichtungen nur durch kaskadierte, mehrfache Anordnung derselben erreicht zu werden suchte. Dadurch ergibt sich eine wesentlich kostengünstigere Fertigung und Wartung bzw. bei gleichem Aufwand eine wesentlich höhere Zuverlässigkeit und Standzeit.

Die gemäß einer -vorteilhaften Ausführungsform vorgenommene Abrundung des Flankenüberganges zum Nutgrund ermöglicht dem Spann- und Dichtring ein besseres Anlegen und eine bessere Abstützung gegen die axiale Druckbeaufschlagung, so daß die Vorspannung und die zusätzliche Druckbeaufschlagung gezielter in eine radiale Andruckkraft auf den Verschleißdichtring umgesetzt werden kann. Der Spann- und Dichtring ist vorzugsweise ein Elastomer-O-Ring, der um bis zu 40% seiner radialen Dicke zusammengepreßt wird. Dieser Wert entspricht einer mehr als der doppelten in der Dichtungstechnik üblichen Verformung und bewirkt eine etwa fünffach höhere Vorspannkraft, die aus der etwa quadratischen Abhängigkeit zwischen elastischer Verformung und Vorspannkraft resultiert. Seine Querschnittsfläche hat etwa dieselbe Größenordnung wie der Verschleißdichtring.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung schafft ein hohes zulässiges Verschleiß- und Verformungsvolumen des Verschleiß- und Dichtringes, ermöglicht bei radialem Versatz der längsverschieblich gelagerten Teile, wie er als Folge starker Biege- und Biegewechselbelastungen des Gestänges im Bohrbetrieb häufig auftritt, eine sich diesem Versatz räumliche Anpassung der Dichtfläche und erzielt hierbei eine sehr kurze Einstellzeit. Dadurch bleibt die Dichtwirkung auch bei sprungartigen Radialverlagerungen erhalten.

Der bewußt in das Wirkungsprinzip der Dichtung einbezogene Verschleiß an der bewegten Mantelfläche soll z. B. Riefen, die durch Rauhigkeiten der Oberfläche des anderen Teils, sowie beim Durchwandern von abrasiven Partikeln entstehen, durch Abarbeiten des restlichen Materials beseitigen. Die Vorspannkraft in Verbindung mit der Größe der Mantelfläche und der Verschleißfestigkeit des Materials, aus dem der Verschleißdichtring besteht, ermöglichen die Erzielung einer Lebensdauer, wie sie derzeit bei allen verschleißanfälligen Bohrwerkzeugen angestrebt wird. Dieser Wert liegt bei den heutigen Werkstoffen bei etwa 200 bis 500 Stunden. Als Material für den Verschleißdichtring ■ ti hat sich PTFE (Polytetrafluorethylen) als geeignet erwiesen.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung erläutert. Die Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine den Druckverlauf über dem Geschwindigkeitsverlauf zweier längsverschieblich bewegbarer Teile eines Bohrwerkzeugs zeigende Diagrammdarstellung, Fig.2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung als teilweisen Längsschnitt eines Bohrwerkzeugs und

F i g. 3 eine Prinzipskizze ähnlich F i g. 2 mit Darstellung des Druckpotentials und der durch Druckbeaufschlagung angreifenden Kräfte.

Das in F i g. 1 dargestellte Diagramm zeigt den Druckverlauf, wie er bei Längsverschiebung von Innen- und Außenteil eines Stoßdämpfers der Größe 11,25" an der Hochdruckdichtung wirksam wird. Dieser Druck entsteht durch das Bestreben der Ölfüllung, durch enge Ausgleichskanäle, insbesondere innerhalb des zur Drehmomentübertragung erforderlichen Keil-Nut-Bereichs und der Stabilisatorbereiche des Bohrwerkzeugs einen Volumenausgleich herbeizuführen. Das schraffiert eingezeichnete Toleranzfeld ergibt sich durch den Einfluß von Viskosität und Temperatur der Ölfüllung, teilweise auch durch Fertigungstoleranzen und Verschleiß innerhalb des Bohrwerkzeugs.

F i g. 2 zeigt als Teillängsschnitt ein Außenteil 1 und eine dazu längsbewegliches Innenteil 2. In das Außenteil 1 ist eine umlaufende Ringnut 3 eingelassen, deren Flanken 4, 5 unter einem Winkel von ca. 80° zur Längsachse zum Nutgrund 6 hin zusammenlaufen. Der Nutgrund 6 selbst besitzt eine zylindrische Fläche und geht abgerundet in die Flanken 4, 5 über. Der zum Innenteil 2 weisende Bereich der Ringnut 3 ist von einem, bezogen auf die axiale Entfernung der Nutflanken 4, 5 mit Untermaß versehenen, aus PTFE hergestellten Verschleißdichtring 7 ausgefüllt. Dieser Verschleißdichtring 7 besitzt zu den Flanken 4, 5 der Ringnut 3 parallel verlaufende Seitenflanken 8, 9, eine zylindrische Außenmantelfläche 10 sowie eine zylindrisehe, von zwei im Querschnitt V-förmigen Ringnuten 11, 12 unterbrochene, als Dichtfläche dienende Innenmantelfläche 13. Die Innenmaritelfläche 13 liegt an dem Innenteil 2 an. Zwischen dem Nutgrund 6 und der Außenmantelfläche 10 des Verschleißdichtringes 7 befindet sich ein als Elastomer-O-Ring ausgebildeter Spann- und Dichtring 14. Dieser ist im Neuzutand der Dichtung um etwa 40% seiner ursprünglichen radialen Dicke zusammengepreßt, so daß sich eine im Querschnitt ovale Form ergibt.

bo F i g. 3 veranschaulicht die Druck- und Andruckkraftverhältnisse einer Hochdruckdichtung gemäß F i g. 2. Es wird davon ausgegangen, daß das Druckniveau PX rechts in der Zeichnung wesentlich höher ist als das Druckniveau P 2 links in der Zeichnung. Dadurch ergibt sich zunächst, daß der Verschleißdichtring 7 und der Spann- und Dichtring 14 an der linken Flanke 4 der Ringnut 3 anliegen und eine ruhende Dichtung bilden. Den besonders kritischen Bereich bildet die bewegte

Dichtung zwischen der Mantelfläche 13 des Verschleißdichtringes 7 und dem Innenteil 2. Es wird einmal angenommen, daß der längs dieser Dichtfläche auftretende Druckabfall etwa linear längs der Werkzeugachse verläuft, wie die , Darstellung 15 unterhalb der Innenmantelfläche 13 veranschaulicht. Durch das Untermaß des Verschleißdichtringes 7 kann der höhere Druck P1 auch in der Ringnut 3 wirksam werden und eine Kraft auf die Außenmantelfläche 10 des Verschleißdichtringes 7 gemäß Darstellung 16 ausüben. Da dieser Druck bis zu der Berührungsfläche des Spann- und Dichtringes 14 mit der Außenmantelfläche 10 des Verschleißdichtringes 7 konstant ist, entsteht hier bereits ein in Richtung nach links zunehmender Andruck des Verschleißdichtringes 7 an das Innenteil 2, der sich aus der Differenz der durch die Pfeile dargestellten Partialdrücke gemäß 15 und 16 ergibt. Gleichzeitig steht der Druck Pi auch auf der rechten freiligenden Fläche 17 des Spann- und Dichtringes 14 an, wie die Teildarstellung 18 zeigt, und drückt diesen gegen die linke Flanke 4 der Ringnut 3.

Aufgrund dieser Reaktionskraft wird einerseits eine Kraft 22 hervorgerufen, die die ovale Querschnittsform des Spann- und Dichtungsringes 14 wieder in eine Runde überführen möchte, andererseits entsteht durch die Anschrägung der Flanke 4 noch eine zusätzliche Radialkomponente gemäß Darstellung 19. Im Ergebnis üben beide Kräfte einen neben der Eigenelastizität des Spann- und Dichtrings 14 zusätzliche Radialkraft auf den Verschleißdichtring 7 aus, der besonders dessen Andruck an das Innenteil 2 in dem weiter links in der Zeichnung liegenden Bereich verstärkt. Schließlich trägt auch noch die auf die rechte Flanke 9 des Verschleißdichtringes 7 ausgeübte Druckkraft gemäß Darstellung 20, die ebenfalls durch Abstützung des Verschleißdichtringes 7 an der linken Flanke 4 der Ringnut 3 in eine Radialkraft gemäß Darstellung 21 umgesetzt wird, zu einer weiteren druckabhängigen Erhöhung der Anis druckkraft bei.

Der auftretende Verschleiß des Verschleißdichtringes 7 stellt somit eine Funktion des auf ihn wirkenden Differenzdrucks dar, wodurch eine optimale Anpassung an die Betriebsbedingungen erreicht wird. Die Erfindung kann daher im Hinblick auf eine besonders große Lebensdauer auch vorteilhaft dort eingesetzt werden, wo die Druckunterschiede nicht das Maß erreichen, wie es eingangs aufgeführt ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hochdruckdichtung für zwei längsverschieblich gegeneinander bewegbare Teile von Tiefbohrwerkzeugen, bestehend aus einem in einer Ringnut eines ersten Teils angeordneten, an dem zweiten Teil anliegenden Verschleißdichtring und einem diesen radial vorspannenden Spannring, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschleißdichtring (7) mit einer sich im wesentlichen über seine axiale Länge erstreckenden Mantelfläche (13) dichtend am zweiten Teil (2) anliegt, daß der Verschleißdichtring (7) ferner ein axiales Untermaß bezogen auf die Breite der ihn aufnehmenden Ringnut (3) des ersten Teils (1) besitzt und zwischen den beiden Ringnutflanken (4,5) zur wahlweisen Bildung einer ruhenden Dichtfläche an einer der Ringnutflanken (4, 5) verschiebbar ist, und daß der Spannring von einem großvolumigen, radial stauchbaren Spann- und Dichtring (14) aus elastomerem Material gebildet und zwischen der der dichtenden Mantelfläche (13) gegenüberliegenden Mantelfläche (10) des Verschleißdichtrings (7) und dem Ringnutgrund (6) eingespannt ist.

2. Hochdruckdichtung nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß der Verschleißdichtring (7) mit Ringnuten (11, 12) in seiner am zweiten Teil (2) anliegenden Mantelfläche (13) versehen ist.

3. Hochdruckdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnuten (11, 12) des Verschleißdichtringes (7) einen V-förmigen Querschnitt aufweisen.

4. Hochdruckdichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Verschleißdichtring (7) aufnehmende Ringnut (3) einen etwa trapezförmigen Querschnitt aufweist, wobei die Flanken (4,5) zum Ringnutgrund (6) hin aufeinanderzulaufen, und daß der Verschleißdichtring (7) zu den benachbarten Flanken (4,5) der Ringnut (3) parallel verlaufende Flanken (8,9) hat.

5. Hochdruckdichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang der Ringnutflanken (4, 5) zum Ringnutgrund (6) abgerundet verläuft.

6. Hochdruckdichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Verschleißdichtring (7) aufnehmende Ringnut (3) in einem den zweiten Teil (2) umgebenden ersten Teil (1) eingelassen ist.

7. Hochdruckdichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spann- und Dichtring (14) als O-Ring ausgebildet ist, eine Querschnittsfläche der gleichen Größenordnung wie der unverschlissene Verschleißdichtring (7), vorzugsweise zwischen 5O°/o und 100% der Querschnittsfläche des letzteren, aufweist und im Einbauzustand um etwa 40% seiner ursprünglichen Dicke radial gestaucht ist.

8. Hochdruckdichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschleißdichtring (7) aus Polytetrafluorethylen (PTFE) besteht.