DE3515925A1

DE3515925A1 - Drosselventil fuer erdoel- und erdgas-foerderanlagen

Info

Publication number: DE3515925A1
Application number: DE19853515925
Authority: DE
Inventors: Stephan Dipl.-Ing. 3100 Celle Teepe
Original assignee: Moller falk Von dipl-Ing
Current assignee: Moller falk Von dipl-Ing
Priority date: 1985-05-03
Filing date: 1985-05-03
Publication date: 1986-11-06

Description

Drosselventil für Erdöl- und
Erdgas-Förderanlagen Die Erfindung betrifft ein Drosselventil für Erdöl- und Erdgas-Förderanlagen zur Regelung eines unter Druck austretenden Förderstroms, dessen Ventilgehäuse mit einem Einlaß für das Fördermedium, mit einem im Winkel, vorzugsweise senkrecht dazu angeordneten Auslaß für das Fördermedium, und mit einem durch eine Spindel in deren Achsrichtung verschiebbaren Ventilkörper versehen ist, durch dessen Verschiebebewegung der Auslaß kontinuierlich absperrbar ist.
Bei der Gewinnung von Erdöl oder Erdgas mittels Eruptiv-Förderung, also aus Lagerstätten, die unter so starkem Lagerstättendruck stehen, daß keine Pumpen eingesetzt zu werden brauchen, ist es nötig, Drosselventile einzusetzen, die eine Einstellung des Drucks bzw. der Menge des geförderten Mediums in Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten ermöglichen.
Diese Drosselventile sind ein Bestandteil des sogenannten Produktionskreuzes, welches auf dem Bohrlochkopf montiert ist und die Verbindung zu den Ölfeld-Leitungen herstellt Drosselventile sind normalerweise als Eckventile ausgebildet, d. h. Einlaß und Auslaß stehen im rechten Winkel zueinander, wobei der Ventilkörper als Nadel ausgebildet ist, die an ihrem Ende konisch verläuft und mittels einer Spindel gegen einen entsprechend konisch ausgebildeten Sitz im Auslaß bewegt werden kann. In der Schließstellung ist dabei der Durchfluß vollständig unterbrochen und kann durch Anheben der konisch ausgebildeten Nadel geöffnet und stufenlos reguliert werden.
Das durch den Einlaß eintretende Medium trifft dabei quer auf die Nadel und muß sich von dort seinen Weg um 900 zum Auslaß suchen.
Erdöl und Erdgas, das mit hohem Lagerstättendruck austritt, ist häufig mit sand- oder anderen partikelförmigen Beimengungen vermischt, so daß dort, wo das Fördermedium senkrecht auf die Ventilnadel oder anschließend auf den Ventilsitz auftrifft, ein hoher Verschleiß eintritt, durch den die Regelfunktion infolge von Materialabtrag verändert wird, so daß Reparaturarbeiten erforderlich werden.
Zur Verminderung dieses Verschleißes hat man immer hochwertigere und härtere Materialien eingesetzt. So wird in letzter Zeit die Nadel und der konische Sitz mit Wolfram-Karbid beschichtet, welches eine außerordentlich hohe Härte aufweist.
Es hat sich allerdings gezeigt, daß gegenüber abrasiven Medien auch dieses Material nicht widerstandsfähig genug ist und verhältnismäßig schnell verschleißt. Zur Reparatur ist dann jedesmal eine Unterbrechung der Förderung, ein Ausbau des Drosselventils, ein Einbau eines anderen Drosselventils oder ein Austausch'der Verschleißteile und deren Aufarbeitung erforderlich.
Dies bedingt einen sehr hohen Wartungsaufwand mit entsprechend hohen Kosten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Drosselventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das auch bei extrem abrasiven Fördermedien und hohen Förderdrücken eine wesentlich verlängerte Standzeit gewährleistet.
Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Ventilkörper im Ventilgehäuse so angeordnet ist, daß seine Stirnfläche dem durch den Einlaß eintretenden Förderstrom und sein Mantel dem Auslaß zugekehrt ist, wobei der Mantel in der Schließstellung des Ventilkörpers den Auslaß vollständig verschließt und beim Öffnen das Ende des Ventilkörpers den Auslaß mehr und mehr freigibt, und daß die Stirnfläche des Ventilkörpers die Umlenkung des auf sie auftreffenden Förderstroms in den Auslaß bewirkt und eine diesem Zweck entsprechende strömungsgünstige Form besitzt.
Durch die Erfindung wird zweierlei erreicht. Da der Ventilkörper den Auslaß ähnlich wie ein Schieber absperrt, entfällt ein Ventilsitz und damit die Gefahr, daß dort durch unkontrollierten Materialabtrag Beschädigungen eintreten, die die Ventilfunktion beeinträchtigen. Zum anderen erfolgt eine gezielte Umlenkung vom Einlaß in den Auslaß durch eine strömungsgünstig ausgebildete Stirnfläche des Ventilkörpers, so daß die in der Strömung enthaltenen Partikel nicht frontal auf Flächen oder Teile des Ventils aufprallen, wo sie eine zerstörende Wirkung entfalten können.
In Ausgestaltung der Erfindung ist der Ventilkörper in einer Hülse geführt, in deren Mantel eine oder mehrere, in den Auslaß mündende Öffnungen angebracht sind.
Vorzugsweise ist dabei die Hülse von einem mit dem Auslaß verbundenen Ringraum umgeben, und im Mantel der Hülse sind im Bereich des Ringraums zahlreiche Öffnungen auf einer wendelförmigen Linie angeordnet.
Hierdurch wird erreicht, daß bei der Verstellung der Spindel mehr oder weniger Öffnungen freigegeben oder gesperrt werden, wobei das Volumen im Ringraum dafür sorgt, daß das aus den Öffnungen austretende Medium nicht gezielt und permanent auf irgendwelche Flächen trifft und diese durch die abrasiven Bestandteile aushöhlt, sondern daß sich das durch die Öffnungen austretende Medium in dem Ringraum verwirbelt.
Die Öffnungen weisen dabei vorzugsweise einen gleichen Abstand voneinander auf, und sie besitzen vorzugsweise alle den gleichen Durchmesser. Natürlich können Abstand und Durchmesser auch unterschiedlich bemessen werden, je nachdem ob eine lineare oder progressive Regelung der Durchflußmenge in Abhängigkeit von der Stellung der Spindel erfolgen soll. Ferner wäre es auch möglich, die -Löcher auf einer oder mehreren Umfangslinien anzuordnen.
Eine besonders dauerhafte Anordnung ergibt sich, wenn man die Hülse 5 aus keramischem Material ausbildet, das zudem den Vorteil hat, daß es gegen aggressive chemische Bestandteile des Stromes weitgehend unempfindlich ist.
Es ist zweckmäßig, wenigstens die Stirnfläche des Ventilkörpers mit einer Beschichtung aus einem elastischen Bindemittel mit eingebetteten Partikeln aus Hartmaterial zu versehen. Dabei kann das elastische Bindemittel aus Epoxidharz und das Hartmaterial aus Korund-Partikeln bestehen.
Die Hartpartikel schützen dabei die Oberfläche vor starker Abrasion, während beim Angriff von größeren Teilchen mit hoher Auftreff-Geschwindigkeit die Schicht elastisch nachgibt und solche Teilchen von der harten Oberfläche abprallen, ohne Zerstörungen zu hinterlassen.
Vorzugsweise ist an der Ventilspindel ein Ansatz vorgesehen, der mit einem Markierungszylinder zusammenwirkt, der um seine Achse drehbar und durch eine Stellschraube in einer wählbaren Winkelposition festlegbar ist. Hierdurch kann eine unmittelbare Ablesung beispielsweise der Durchflußmenge erfolgen, wobei die Drehbarkeit des Markierungszylinders dazu dient, den Nullpunkt einzustellen, bei dem gerade noch kein Loch freigegeben wird.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels, das ein erfindungsgemäß ausgebildetes Drosselventil im Querschnitt zeigt, nachfolgend näher erläutert.
Das im Querschnitt dargestellte Drosselventil ist ein sog. Eckventil, das ein Ventilgehäuse 1 mit einem Einlaß 2 und einem im rechten Winkel dazu angeordneten Auslaß 3 enthält. In Richtung der Achse des Einlasses 2 ist ein Ventilkörper 4 verschiebbar in einer vorzugsweise aus keramischem Material bestehende Hülse 5 gelagert, die ortsfest im Ventilgehäuse 1 angebracht ist. In der Wand sind wendelförmig zahlreiche kleine Öffnungen 6 angebracht, die alle den gleichen Durchmesser besitzen und einen gleichen Abstand voneinander aufweisen. Die Öffnungen 6 münden in einen Ringraum 7, der die Hülse 5 umgibt und seinerseits in den Auslaß 3 mündet.
Die Verstellung des Ventilkörpers 4 erfolgt mittels einer Spindel 9, die durch ein Handrad 10 betätigbar ist, wobei eine Feststellschraube 11 dazu dient, die Spindel in ihrer eingestellten Lage festzulegen. Der Stellweg für den Ventilkörper 4 ist so bemessen, daß sein Mantel aus einer Stellung, in der er alle Öffnungen 6 absperrt, in eine Stellung bewegt werden kann, in der das Ende des Ventilkörpers so weit aufwärtsbewegt worden ist, daß alle Öffnungen 6 freigegeben werden.
Der Förderstrom trifft im Einlaß 2 auf das Ende 8 des Ventilkörpers 5, das so ausgebildet ist, daß es den Förderstrom in den Auslaß 3 hinein umlenkt. Zu diesem Zweck ist das Ende 8 als Kegel mit einwärts gewölbter Kegelfläche ausgebildet, so daß der Förderstrom strömungsgünstig in den Auslaß 3 umgelenkt wird.
Die öffnungen 6 sind dabei so angeordnet, daß sie eine Fortsetzung der Kegelfläche bilden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen sie unter einem Winkel von 75° zur Achse des Ventilkörpers 4. Nach Verlassen der Öffnungen 6 gelangt das Medium in den Ringraum 7, bevor es in den im Durchmesser dünneren Auslaß 3 gelangt. Hierdurch wird verhindert, daß die Strahlen unmittelbar auf gegenüberliegende Materialflächen treffen, wo die abrasiven Partikel einen starken örtlichen Verschleiß verursachen würden.
Am oberen Ende der Spindel 9 befindet sich ein Ansatz 12, der in einen am Ventilgehäuse 1 angebrachten Markierungszylinder 13 eintaucht. Durch eine Skala am Ansatz 12 kann dann z.
B. unmittelbar die Durchlaßmenge in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des Ventilkörpers 4 abgelesen werden. Bei der wendelförmigen Anordnung der Öffnungen 6 ist es dabei zweckmäßig, den Markierungszylinder 13 drehbar auszubilden, damit der Nullpunkt eingestellt werden kann, d. h. der Punkt, bei dem gerade alle Öffnungen 6 durch den Mantel des Ventilkörpers 4 abgesperrt sind. Durch eine Feststellschraube 14 kann der Markierungszylinder in jeder eingestellten Winkellage festgelegt werden.
Bei den bekannten Drosselventilen, die bei unter hohem Förderdruck stehenden Medien eingesetzt werden, wird der Ventilkörper auf seiner Rückseite angeströmt, so daß die Kräfte an der Spindel zum vollständigen Schließen nicht gegen die Strömung aufgebracht werden müssen. Bei Anströmung der Vorderseite wären die vom Förderstrom gegen den Ventilkörper wirkenden Kräfte zu gering, um das Ventil schließen zu können.
Im Gegensatz dazu erfolgt die Anströmung bei dem erfindungsgemäßen Drosselventil in umgekehrter Richtung gegen den Ventilkörper. Dies ist wegen der geringeren Belastung aufgrund der Umlenkung an der Spitze 8 des Ventilkörpers möglich. Es entfällt dadurch ferner ein Ventilsitz und damit eine besonders empfindlich auf Verschleiß reagierende Anordnung.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben alle Öffnungen 6 den gleichen Durchmesser. Damit läßt sich linear mit der Stellung der Spindel und damit der Anzahl der freigegebenen Öffnungen die Durchflußmenge regeln. Es könnten aber ebenso gut die oberen Öffnungen einen anderen Durchmesser aufweisen als die unteren oder umgekehrt, so daß dann eine progressive oder degressive Regelung der Fördermenge in Abhängigkeit von der Stellung des Ventilkörpers erfolgen kann. Die Öffnungen könnten aber auch jeweils in mehreren Querschnittsebenen übereinander angeordnet werden. Die wendelförmige Anordnung bietet jedoch eine feinere Einstellmöglichkeit als in Ebenen übereinanderliegende Reihen von öffnungen, wo bei jedem Heben oder Senken des Ventilkörpers gleich mehrere Öffnungen gleichzeitig freigegeben oder geschlossen werden.
Die Hülse 5 mit den Öffnungen 6 kann ebenso wie der Ringraum 7 entfallen. In diesem Fall würde der Ventilkörper 4 unmittelbar den Zugang zum Auslaß 3 regeln, wobei natürlich die Form des Endes 8 des Ventilkörpers 4 entsprechend ausgebildet werden müßte.
In der Zeichnung nicht erkennbar ist die Beschichtung der Spitze 8 des Ventilkörpers mit einem elastischen Bindemittel, z. B. Epoxidharz und darin eingebetteten Hartmaterial-Partikeln, z. B. Korund-Körnern, durch die zusätzlich die Standzeit gegenüber herkömmlichen Drosselventilen erhöht werden kann.
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Claims

patentansprtlche 1. Drosselventil für Erdöl- und Erdgas-Förderanlagen zur Regelung eines unter Druck austretenden Förderstroms, dessen Ventilgehäuse mit einem Einlaß für das Fördermedium, mit einem im Winkel, vorzugsweise senkrecht dazu angeordneten Auslaß für das Fördermedium, und mit einem durch eine Spindel in deren Achsrichtung verschiebbaren Ventilkörper versehen ist, durch dessen Verschiebebewegung der Auslaß kontinuierlich absperrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (4) im Ventilgehäuse (1) so angeordnet ist, daß seine Stirnfläche (8) dem durch den Einlaß (2) eintretenden Förderstrom und sein Mantel dem Auslaß (3) zugekehrt ist, wobei der Mantel in der Schließstellung des Ventilkörpers (4) den Auslaß (3) vollständig verschließt und beim Offnen das Ende des Ventilkörpers (4) den Auslaß (3) mehr und mehr freigibt, und daß die Stirnfläche (8) des Ventilkörpers (4) die Umlenkung des auf sie auftreffenden Förderstroms in den Auslaß (3) bewirkt und eine diesem Zweck entsprechende strömungsgünstige Form besitzt.
2. Drosselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (4) in einer Hülse (5) geführt ist, in deren Mantel eine oder mehrere, in den Auslaß mündende öffnungen (6) angebracht sind.
3. Drosselventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (5) von einem mit dem Auslaß (3) verbundenen Ringraum (7) umgeben ist, und im Mantel der Hülse (5) im Bereich des Ringraums (7) zahlreiche Öffnungen (6) auf einer wendelförmigen Linie angeordnet sind.
4. Drosselventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (6) einen gleichen Abstand voneinander aufweisen.
5. Drosselventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (6) alle den gleichen Durchmesser besitzen.
6. Drosselventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (5) aus keramischem Material besteht.
7. Drosselventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung als Eckventil die Stirnfläche (8) des Ventilkörpers (4) als Kegel mit einwärts gewölbter Kegelfläche ausgebildet ist.
8. Drosselventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Stirnfläche (8) des Ventilkörpers (4) eine Beschichtung aus einem elastischen Bindemittel mit eingebetteten Partikeln aus Hartmaterial aufweist.
9. Drosselventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Bindemittel Epoxidharz ist.
10. Drosselventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel Korund-Partikel sind.
11. Drosselventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ansatz (12) an der Ventilspindel (9) mit einem Markierungszylinder (13) zusammenwirkt, der um seine Achse drehbar und durch eine Stellschraube in einer wählbaren Winkelposition festlegbar ist.