DE3442395A1

DE3442395A1 - Ringfoermige dichtung mit v-foermigem einschnitt

Info

Publication number: DE3442395A1
Application number: DE19843442395
Authority: DE
Inventors: Daniel Leroy Red Bank N.J. Hertz jun.
Original assignee: Smith International Inc
Current assignee: Smith International Inc
Priority date: 1983-11-22
Filing date: 1984-11-20
Publication date: 1985-06-27
Also published as: GB8428913D0; NO161396C; GB2150235B; NL8403532A; NO161396B; NO844630L; FR2555279A1; FR2555279B1; JPS60132173A; GB2150235A; CA1242472A; US4524981A

Description

-X-

Ringförmige Dichtung mit V-förmigem Einschnitt

Die vorliegende Erfindung betrifft elastomere Fluiddichtungen und insbesondere elastomere Quetschdichtungen. Ganz besonders betrifft die vorliegende Erfindung elastische Dichtungen, die ringförmig ausgestaltet sind, um eine ringförmige Quetschdichtung zu bilden.

Ringförmig angeordnete, elastomere Dichtungen werden in einer Vielzahl von Anwendungsfällen eingesetzt, z.B.^ bei Ausrüstungsgegenständen zur Erdölerschließung, wie beispielsweise ümmantelungshänger, Rohrhänger und Bohrkopfventile. Typischerweise werden die ringförmigen Dichtungen einer axialen Druckbelastung ausgesetzt, um eine durch die Belastung bewirkte Fluiddichtung um eine innere Umfangsdichtflache oder eine äußere ümfangsdichtflache oder beide zu erhalten. Elastomere unterliegen jedoch gewissen Ermüdungserscheinungen, die über längere Zeit dazu führen, die Dichtfähigkeit einer elastomeren Quetschdichtung zu verringen.

Elastomerextrusion ist eine Ermüdungserscheinung, die
erscheinung, die als physikalische Reaktion des elastomeren Materials auf eine über längere Zeit andauernde Belastung eintritt. Bei der Elastomerextrusion verringern die viskosen Fließeigenschaften der elastomeren Materialien schrittweise die Anpreßkraft an den Dichtflächen, woraus sich eine verringerte Druckabdichtungsfähigkeit bezüglich der abgedichteten Fluide ergibt. Belastungsermüdung ist eine Ermüdungserscheinung, die durch das Nachlassen der Festigkeit aufgrund eines Aufbrechens primärer chemischer Bindungen innerhalb des elastomeren Materials über einen gewissen Zeitraum gekennzeichnet

ist. Belastungsbedingte Ermüdung wirkt unabhängig von Extrusion bzw. Herausdrücken dahingehend, die Dichtkraft an den inneren und äußeren Dichtflächen zu verringern .

Es herrscht allgemeine Übereinstimmung darüber, daß Ermüdungserscheinungen proportional zum Logarithmus der Zeit auftreten, wenn eine Elastomer-Dichtung innerhalb herkömmlicher Temperaturbereiche verwendet wird. Somit kann eine Elastomer-Quetschdichtung eine annehmbare Lebensdauer in einer einigermaßen normalen Umgebung^ aufweisen, speziell wenn die Dichtkraft in bestimmten Zeitabständen nachgestellt wird, um eine vernünftige, konstante Axialbelastung aufrecht zu erhalten. Die Umgebungsbedingung von Ölfeldausrüstungen können jedoch nie ganz gesteuert werden, und es hat sich herausgestellt, daß extreme Temperaturbedingungen den Ermüdungsprozess beschleunigen. Überhöhte Temperaturen beispielsweise können bewirken, daß der Ermüdungsprozess in einer linearen Abhängigkeit von der Zeit fortschreitet, im Gegensatz zur wesentlich langsameren logarithmischen Abhängigkeit von der Zeit bei einer gesteuerten Umgebung. Aus diesem Grund wäre es hilfreich, etwas zu erfinden, das die schädliche Wirkung der oben beschriebenen Ermüdungsprozesse verringert, wodurch die Dichtfähigkeit einer ringförmigen Elastomer-Dichtung verbessert wird.

Dementsprechend wird eine ringförmige Elastomer-Dichtung offenbart, die eine Einrichtung aufweist, um bei allmählichem Ausdrücken und bei Belastungsermüdung des elastomeren Materials, aus dem die Dichtung besteht, eine Quetschdichtung in eine Lippendichtung umzuwandeln. Die Dichtung weist in mindestens einer radialen

Fläche bzw. Umfangsflache einer ringförmigen Quetschdichtung ein Paar von Nuten auf, die im Querschnitt gesehen einen im wesentlichen V-förmigen Einschnitt bilden. Die Nuten weisen, verglichen mit ihrer Tiefe, eine kleine Breite auf und sind derart angewinkelt, daß sie von dsr Oberfläche der Dichtung weg auseinanderstreben.

Eine axiale Kraft auf die ringförmige Dichtung bewirkt eine radial gerichtete Spannung innerhalb der Dichtung, die die Nuten schließt und die Dichtlingsfläche radial^,.. ^,.^ nach außen gegen eine gegenüberliegende Fläche drückt. Wenn Extrusion und Belastungsermüdung auf das elastische Material einwirkt, um die Druckdichtkraft herabzusetzen, dringt das Fluid allmählich in die Nuten ein und bewirkt eine Lippendichtung gegen die anliegende Fläche. Somit wird die Quetschdichtung in eine Lippendichtung umgewandelt, wenn die Ermüdungserscheinungen auf das elastomere Material der Dichtung einwirken.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden an Hand der beigefügten Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: eine Querschnitts- und teilweise aufgebrochene Darstellung eines Bereichs eines Bohrkopfventils mit einer ringförmigen Dichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2: die Anordnung gemäß Fig. 1, wobei die Dichtung axial in dichtenden Eingriff entlang ihres inneren und äußeren Durchmessers zusammengedrückt wird; und

Fig. 3: den Einfluß von Elastomer-Ermüdungserscheinungen auf die in Fig. 2 dargestellte Dichtung.

Elastomer-Ausdrückung, und Belastungsermüdung sind unabhängige Ermüdungserscheinungen, durch die die Dichtfähig-

keit einer durch Druck aktivierten, ringförmigen ela-Elastomer-Dichtung allmählich verringert wird. Gemäß der Merkmale der vorliegenden Erfindung wird im folgenden eine ringförmige Dichtungsbauweise offenbart zum primären Abdichten mittels Anpreßdruck gegen innere und äußere Umfangsdichtflachen. Wenn Ermüdungserscheinungen den Anpreßdruck beträchtlich erniedrigen, baut sich jedoch die Quetschdichtung ab, um Lippendichtungen gegen die innere and äußere Umfangsdichtflache zu bilden.

Insbesondere wird in Fig. 1 ein Bereich eines Bohrkopf·³^ ventils 10 dargestellt, das einen Ventilschaft 12, einen Ventildeckel 14, einen oberen und einen unteren Dichtungsdruckring 16, 18 und eine ringförmige, Elastomer-Dichtung 20 aufweist. Ein Bereich des Ventilschafts 12 ist weggeschnitten dargestellt, um die innere Dichtfläche 22 der Dichtung 20 sichtbar zu machen. Die Dichtung 20 sperrt den axialen Fluidfluß zwischen dem Deckel 40 und dem Ventilschaft 12 ab, wenn sie durch Druckbeaufschlagung aktiviert wird.

Wie in Fig. 1 dargestellt, weist die ringförmige Dichtung 20 einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt auf und besitzt jeweils in ihren radial nach innen und nach außen weisenden Flächen 22, 24 V-förmige, umlaufende Einschnitte 30, 32. Die Einschnitte 30, 32 bestehen jeweils aus einem Paar von Nuten 34a, b, deren Breite, verglichen mit ihrer radialen Tiefe, klein ist. Wie aus der radialen Schnittdarstellung ersichtlich ist, sind die Nuten 34a, b zu beiden Seiten der radialen Mittellinie der Dichtung 20 voneinander beabstandet angeordnet und divergieren mit zunehmender Tiefe symetrisch bezüglich der radialen Mittellinie von dieser weg. Die Nuten 34a, b bestimmen sowohl auf der inneren

als auch auf der äußeren Dichtungsfläche 22, 24 zwischen sich umlaufende Druckdichtungslinien 38.

Die ringförmige Dichtung 2 0 wird in Fig. 1 in ihrer nicht zusammengedrückten Form dargestellt, d.h. ohne daß eine axiale Belastung auf sie ausgeübt wird. In Fig. 2 wird die ringförmige Dichtung 2 0 in vollständig zusammengedrücktem Zustand dargestellt. Die Überführung vom unbelasteten zum belasteten Zustand wird durch Zusammendrücken der ringförmigen Dichtung 2 0 zwischen dem oberen und dem unteren Druckring 16, 18 erreicht. Durch Ausüben eines Drehmoments auf ein nicht dargestelltes Gewindeelement kann beispielsweise der obere Druckring 16 zwangsweise nach unten bewegt werden, wobei er die ringförmige Dichtung 2 0 gegen den unteren Druckring 18 preßt, der gegen einen nicht dargestellten Ventilkörper gehalten seil kann.

Eine axial auf die ringförmige Dichtang 2 0 ausgeübte Druckkraft schließt allmählich die Naten 34a, b und zwingt die umlaufenden Dichtungslinien 38 und die Dichtflächen 22, 24 radial nach außen, in dichtenden Eingriff mit dem Ventilschaft 12 und dem Ventildeckel 14. In diesem Zustand bewirkt eine erhöhte Belastung eine verbesserte Dichtwirkung. Somit beeinträchtigt das Vorhandensein der V-förmigen Einschnitte 31, 32 nicht die Fähigkeit der ringförmigen Dichtung 20, als Quetschdichtung zu wirken. Die Einschnitte 30, 32 schaffen jedoch eine zusätzliche Dimension bezüglich der Dichtfähigkeit der Dichtung 20.

In Fig. 3 wird die ringförmige Dichtung 2 0 aus Fig. 2 in einem ermüdeten Zustand dargestellt, der durch die Wirkung verschiedener Ermüdungserscheinungen auf das

-χ-

Elastomer-Material der Dichtung bewirkt wurde. Die Wirkung einer solchen in Fig. 3 dargestellten Ermüdung ist übertrieben dargestellt, um die Wirkungsweise der Erfindung zu zeigen. Nachdem die Dichtung 20 anfangs in den in Fig. 2 dargestellten Zustand zusammengedrückt wurde, nimmt der Anpreßdruck der Dichtflächen 22, 24 aufgrund elastomerer Setzvorgänge und durch Belastungsermüdung über einen gewissen Zeitraum allmählich ab. Elastisches Setzen ist eine physikalische Erscheinung, die vom viskosen Fließen des belasteten elastomeren Materials, aus dem die Dichtung besteht, herrührt.^;"" Belastungsermüdung ist eine chemische Reaktion, die ein Aufbrechen chemischer Bindungen und, daraus folgend, ein Abnehmen der Festigkeit bewirkt.

Wie in Fig. 3 dargestellt, bewirken auf die Dichtung 20 wirkende Ermüdungserscheinungen eine Verringerung des Anpreßdruckes an den Dichtungsflächen 22, 24 und, als Folge dessen, einen allmählichen Verlust der Druckabdichtungsfähigkeit. Der Verlust der Druckabdichtungsfähigkeit jedoch wird durch das gleichzeitige Entstehen einer Lippendichtungsfähigkeit ausgeglichen. Die Belastungsabnahme öffnet einen Hohlraum 4 0 innerhalb der Nuten 34a, b und ermöglicht so den Eintritt eines unter Druck stehenden Fluids, das die Dichtung 2 0 zwangsweise gegen den Ventilschaft 12 und den Ventildeckel 14 drückt. Ein unter Druck stehendes Fluid innerhalb der ringförmigen Päume 4 0 wirkt auf die stromabwärts gerichteten Seitenwände 42 der Dichtung 20 ein und zwingt die Seitenwände 42 gegen die gegenüberliegenden Ventilflächen, wodurch die Lippendichtungen gebildet werden.

Es wird beispielsweise angenommen, daß unter Druck

stehendes Fluid dazu neigt, axial zu fließen, in Richtung des Pfeils 44. Ein Verlust oder eine Abnahme des Anpreßdrucks gegen die Dichtungsflächen 22, 24 ermöglicht ein Durchströmen von unter Druc-c stehendem Fluid um die stromaufwärts gelegenen Enden 4 6 der Dichtungsflächen 22, 24, um an den ringförmigen Hohlräumen anzugelangen. Wenn sich das Fluid dann in den ringförmigen Hohlräumen 40 befindet, wirkt es auf die Seitenwände 42 der Nuten 34a, um die Lippendichtungen zu schaffen, die ein Ausströmen des Fluids um die stromabwärtsgelegenen Enden 48 der Dichtungsflächen 22, 24 verhindert. Somit" wandelt die allmähliche Abnahme des Anpreßdrucks die ringförmige Dichtung 2 0 in eine Lippendichtung um, was die Lebensdauer der Dichtung beträchtlich verlängert.

Es ist zu bemerken, daß der in Fig. 1 dargestellte, im wesentlichen quadratische Querschnitt der ringförmigen Dichtung 20 für die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich ist. Eine Vielzahl anderer Querschnittsformen kann zusammen mit den vorgenannten V-förmigen Einschnitten im wesentlichen in gleicher Weise wirken.

Ebenso kann es in gewissen Anwendungsfällen wünschenswert sein, die V-förmigen Einschnitte nur in der inneren oder in der äußeren Dichtfläche allein vorzusehen. Schließlich könnten die Merkmale der vorliegenden Erfindung auch erreicht werden, indem man eine einzelne des vorangehend beschriebenen Paares von Nuten in einer Dichtfläche benutzt. Jedoch muß die Einzelnut, wenn man den radialen Querschnitt betrachtet, bezüglich dem stromabwärts vom Anfangspunkt der Nut in der Dichtfläche gelegenen Dichtflächenbereich einen spitzen Winkel bilden.

Somit schafft d: e ringförmige Dichtung 20 eine brauchbare Gegenmaßnahme gegen die Ermüdungserscheinungen, die mit elastiE.chen Materialien verbunden sind. Wenn der AnpreßdrucK aufgrund der Ermüdungserscheinungen langsam abnimmt, wird die Quetschdichtung der ringförmigen Dichtung 2 0 in eine Lippendichtung umgewandelt.

Claims

KUiNKERSCHMiTy-Miic^amk^^Y^A ? τ q ς βοέντάνψαεγε EUROPEAN K 22137 S/8ma 20. Nov. 1984 Smith International, Inc. P.O.Box 1860 Newport Beach, California 92660 U.S.A. . Priorität: 22. November 1983 - V.St.A. - No. 554,188 Ringförmige Dichtung mit V-förmigem Einschnitt

1. Ringförmige Dichtung aus elastischem Material, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Umwandeln einer Quetschdichtung in eine Lippendichtung beim Nachlassen der Belastung der Dichtung.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung mindestens eine umlaufende Nut (34a) in einer Dichtfläche (22) der Dichtung (20) aufweist, wobei, die Nut (34a), in radialem Querschnitt betrachtet, bezüglich eines Bereichs der Dichtfläche (20), der axial gesehen stromabwärts von der Schnittstelle der Nut (34a,b) mit der Dichtfläche (22) gelegen ist, einen spitzen Winkel bildet.

3. Ringförmige Dichtung mit einer ersten radialen Dichtfläche, gekennzeichnet durch ein erstes Paar von umlaufenden Nuten (34a,b) in der ersten Dichtfläche (22), wobei das erste Paar von Nuten (34a,b) zwischen sich eine umlaufende Dichtlinie (38) festlegt.

4. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung aus Elastomer-Material besteht.

5. Dichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Nut des ersten Paares von Nuten (34a, b) eine Breite aufweist, die, verglichen mit ihrer Tiefe, klein ist.

6. Dichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Paar von Nuten (34a,b) mit zunehmendem Abstand von der Dichtfläche (22) derart divergiert, daß es einen V-förmigen Querschnitt bildet.

7. Dichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch ein zweites Paar umlaufender Nuten in einer zweiten radialen Dichtfläche (24).

8. Ringförmige Dichtung, gekennzeichnet durch

eine Quetschdichtung aus elastamerena Material mit einer ersten radialen Dichtfläche (22); und

ein erstes Paar umlaufender Nuten (34a,b) in der ersten Dichtfläche (22), wobei die ersten Nuten mit zunehmendem Abstand von der ersten Dichtfläche (22) divergieren, wodurch die Dichtung eine Lippendichtung an der ersten Dichtfläche bildet, wenn die Druckdichtfähigkeit allmählich verloren geht.

9. Ringförmige Dichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Nut des ersten Paars von Nuten (34a,b) eine Breite aufweist, die, verglichen mit ihrer Tiefe, klein ist.

10. Ringförmige Dichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Quetschdichtung eine zweite radiale Dichtfläche (24) aufweist und die ringförmige Dichtung (20) desweiteren ein zweites Paar umlaufender Nuten in der zweiten Dichtfläche (24) aufweist, wobei die zweiten Nuten mit zunehmendem Abstand von der zweiten Dichtfläche (24) divergieren.