DE4436202A1 - Ball valve mounted within the drill string, can be turned under high pressure by hand - Google Patents

Ball valve mounted within the drill string, can be turned under high pressure by hand

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Abstract

The shut-off valve, is esp. suitable for building into drilling strings and the pipelines of drilling installations. The ball plug (13) is mounted and sealed in the casing (11), between floating seat rings. A pair of actuating stub shafts (15) are connected to the ball on opposite sides, and are mounted in, and supported by, the casing. The stubs are screwed or splined (31), locking them by form and friction to the ball plug. The stubs can be turned from either side, and rest in bearing forks (14).

Description

Die Erfindung betrifft einen Absperrhahn, insbesondere zum Einbau in Bohr- und Förderrohrgestänge für Bohran­ lagen, mit einem Gehäuse und einem in schwimmenden Sitzringen gegenüber dem Gehäuse abgedichteten Kugelkü­ ken.The invention relates to a shut-off valve, in particular for installation in drilling and production pipe rods for Bohran lay, with a housing and one in floating Seat rings sealed against the housing ken.

Derartige Absperr- oder Kellyhähne werden in Bohrge­ stängen eingesetzt, um diese erforderlichenfalls ab­ sperren zu können. In derartigen Bohrgestängen, insbe­ sondere Tiefbohrgestängen, können sehr hohe Drücke von bis zu 1.050 bar auftreten, die unter entsprechenden Fließgeschwindigkeiten abgesperrt und unter Gegendruck wieder freigeschaltet werden müssen. Bisher übliche Kellyhähne haben üblicherweise schwimmende Kugelküken, die schon bei geringen Differenzdrücken von ca. 60 bar von Hand nicht mehr schaltbar sind, da die Reibungs­ kräfte an den Sitzringen zu groß werden. Um derartige Kellyhähne schalten zu können werden deshalb aufwendige hydraulische Schaltvorrichtungen erforderlich, die Drehmomente bis über 1.000 Nm aufnehmen können. Die Baugröße derartiger Kellyhähne ist zudem durch genormte Gestängeabmessungen festgelegt, da sie in die jeweili­ gen Rohrkörper eingebaut werden müssen, und sie kann somit nicht beliebig erhöht werden.Such shut-off or Kelly cocks are in Bohrge rods used to this if necessary to be able to block. In such drill pipes, esp special deep drill pipe, can very high pressures of up to 1,050 bar occur under appropriate Flow speeds shut off and under back pressure must be activated again. So far common Kelly cocks usually have floating ball chicks, already at low differential pressures of approx. 60 bar are no longer switchable by hand because of the friction forces on the seat rings become too large. To such Being able to switch kelly cocks is therefore complex hydraulic switching devices required that Can absorb torques up to 1,000 Nm. The The size of such Kelly taps is also standardized Linkage dimensions determined, since they in the respective gen tubular body must be installed, and it can thus not be increased arbitrarily.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kelly­ hahn der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der auch bei hohen Drücken von Hand schaltbar ist. The object of the present invention is a Kelly to create the cock of the type described at the outset can be switched by hand even at high pressures.  

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß das Kugelküken mit zwei einander gegenüberliegenden Schaltzapfen dreh­ fest verbunden und mit diesen in dem Gehäuse gelagert und abgestützt ist. Durch diese Maßnahmen wird ein Kel­ lyhahn geschaffen, bei dem das Kugelküken von den Schaltzapfen abgestützt in dem Kellyhahngehäuse gehal­ ten wird. Dadurch unterliegt das Kugelküken keiner Axi­ albewegung, lediglich der jeweils druckseitige schwim­ mende Sitzring wird gegen die Kugeloberfläche gepreßt. Das Kugelküken ist damit in dem Gehäuse abgestützt und der gesamte Druck aus dem Bohrstrang wird im wesentli­ chen von den Schaltzapfen aufgefangen. An der Ku­ geloberfläche tritt dabei nur der Differenzdruck zu dem jeweiligen Sitzring auf.This problem is solved by the ball chick with two opposite trunnions firmly connected and stored with them in the housing and is supported. Through these measures, a Kel lyhahn created, in which the ball plug of the Switch pin supported in the Kelly tap housing will. As a result, the ball plug is not subject to any axis al movement, only the pressure side of the swim The seat ring is pressed against the surface of the ball. The ball plug is thus supported in the housing and the total pressure from the drill string is essentially chen caught by the switching pin. At the Ku only the differential pressure to the surface respective seat ring.

Die zwischen dem Kugelküken und dem jeweiligen Sitzring auftretenden Reibungskräfte sind begrenzt, und das Kü­ ken läßt sich auch bei sehr hohen Drücken noch von Hand schalten. Dazu ist es vorgesehen, daß die Sitzringe und/oder das Kugelküken mit einer reibungsmindernden Beschichtung versehen sind, wobei es bei einer vorteil­ haften Ausgestaltung vorgesehen ist, daß die Sitzringe und/oder das Kugelküken mit einer Kohlenstoff-Diamant- Beschichtung versehen sind.The one between the ball valve and the respective seat ring friction forces are limited, and the Kü ken can still be operated by hand even at very high pressures switch. For this purpose, it is provided that the seat rings and / or the ball plug with a friction-reducing Coating are provided, it being an advantage stick design is provided that the seat rings and / or the ball plug with a carbon diamond Coating are provided.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Un­ teransprüchen beschrieben. Die Erfindung ist anhand ei­ nes Ausführungsbeispieles in der beiliegenden Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben; es zeigt:Further advantageous measures are in the remaining Un Described claims. The invention is based on egg Nes embodiment in the accompanying drawings shown and will be described in more detail below; it shows:

Fig. 1 den Längsschnitt durch einen Kelly­ hahn zum Einbau in ein Bohrgestänge, mit in zwei in einander gegenüberlie­ genden Schaltzapfen gelagerten und ab­ gestützten Kugelküken und schwimmenden Sitzringen; Figure 1 shows the longitudinal section through a Kelly tap for installation in a drill pipe, with two in opposite switching lugs stored and from supported ball valve and floating seat rings.

Fig. 2 den Schnitt durch einen Kellyhahn entlang der Linie C-D in der Fig. 1; Figure 2 shows the section through a Kelly tap along the line CD in Fig. 1.

Fig. 3 die Draufsicht auf einen vierge­ teilten Schulterring zum Festlegen der Innenteile in dem rohrförmigen Gehäuse eines Kellyhahns. Fig. 3 is a top view of a Vierge divided shoulder ring for fixing the inner parts in the tubular housing of a Kelly tap.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Kellyhahn 10 besteht im wesentlichen aus einem rohrförmigen Gehäuse 11, dessen Durchflußöffnung 33 durch ein Kugelküken 13 absperrbar ist. Das Kugelküken 13 ist mit einem unteren Sitzring 12 und einem oberen Sitzring 12a gegenüber dem Gehäuse 11 abgedichtet. Die Sitzringe 12 und 12a sind schwimmend in dem Gehäuse 11 gehalten und liegen mit Dichtungen 34 an dem Kugelküken 13 an.The Kelly valve 10 shown in FIGS. 1 and 2 essentially consists of a tubular housing 11, the flow opening 33 can be shut off by a ball valve. 13 The ball plug 13 is sealed with a lower seat ring 12 and an upper seat ring 12 a with respect to the housing 11 . The seat rings 12 and 12 a are held floating in the housing 11 and lie with seals 34 on the ball valve 13 .

Das Kugelküken 13 ist von zwei einander gegenüberlie­ genden, radial verlaufenden Schaltzapfen 15 in dem Ge­ häuse 11 gehalten. Die Schaltzapfen 15 sind mit Zapfen­ gewinden 31 in das Kugelküken 13 eingeschraubt.The ball plug 13 is held by two opposing radially extending switching pin 15 in the housing 11 Ge. The switching pin 15 are screwed with pin thread 31 into the ball plug 13 .

Wie die Fig. 2 im Detail zeigt, sind die Schaltzapfen 15 mittels Buchsen 17 in dem Gehäuse 11 gelagert und können im Bedarfsfalle mit Schaltgabeln 14 um 90° ver­ dreht, d. h., geschaltet werden. Um ein Überdrehen der Schaltzapfen 15 um mehr als 90° zu vermeiden, sind end­ seitige Anschlagscheiben 16 vorgesehen, mit denen der Drehweg der Schaltzapfen 15 begrenzt ist. Radial außen werden die Schaltzapfen 15 durch Sicherungsringe 35 in ihrer Einbaulage gehalten. Die Schaltzapfen 15 sind je­ weils mit einem Innensechskant 36 versehen, in den zum Schalten nicht dargestellte Schaltschlüssel eingesteckt werden können.As shown in FIG. 2 in detail, the switching pins 15 are mounted in the housing 11 by means of bushings 17 and can, if necessary, rotate with switching forks 14 by 90 °, ie, be switched. In order to avoid overturning the switching pin 15 by more than 90 °, end-side stop disks 16 are provided with which the rotational path of the switching pin 15 is limited. Radially outside, the switching pins 15 are held in their installed position by retaining rings 35 . The switching pins 15 are each provided with a hexagon socket 36 , in which switching keys (not shown) can be inserted.

Das Kugelküken 13 wird in Einbaulage oben von einem Führungsring 23 gehalten. Der Führungsring 23 ist in axialer Richtung durch einen unteren Schulterring 18 gehalten. Axial nach außen schließt sich an den Füh­ rungsring 23 ein Verriegelungsstück 20 und der obere Sitzring 12a an. Der obere Sitzring 12a und das Verrie­ gelungsstück 20 werden axial außen von einem Distanz­ ring 21 in Einbaulage gehalten. Der Distanzring 21 wie­ derum ist axial außen mit einem oberen Schulterring 19 gesichert.The ball plug 13 is held at the top by a guide ring 23 in the installed position. The guide ring 23 is held in the axial direction by a lower shoulder ring 18 . Axially outwards, a locking piece 20 and the upper seat ring 12 a join the guide ring 23 . The upper seat ring 12 a and the Verrie gelungsstück 20 are held axially outside by a spacer ring 21 in the installed position. The spacer ring 21 is secured axially on the outside with an upper shoulder ring 19 .

Der obere Schulterring 19, und mit diesem alle Innen­ teile des Kellyhahns 10, werden von einem Adapterring 22 in Einbaulage gehalten. Der Adapterring 22 ist mit Sicherungsschrauben 28 mit dem Distanzring 21 verbun­ den.The upper shoulder ring 19 , and with this all the inner parts of the Kelly tap 10 , are held by an adapter ring 22 in the installed position. The adapter ring 22 is connected with locking screws 28 to the spacer ring 21 .

Der obere Schulterring 19 erstreckt sich radial nach außen in eine entsprechende Ringnut 38 und hält damit den Adapterring 22 in Einbaulage. Die beiden Schulter­ ringe 18 und 19 sind, wie die Fig. 3 zeigt, vierge­ teilt, um sie nach radial außen in die Ringnuten 38 einbauen zu können.The upper shoulder ring 19 extends radially outward into a corresponding annular groove 38 and thus holds the adapter ring 22 in the installed position. The two shoulder rings 18 and 19 are, as shown in FIG. 3, divided four, in order to be able to install them radially outwards in the ring grooves 38 .

Der Kellyhahn 10 weist an seinem axial oberen Ende eine Gehäusemuffe 30 auf, die mit einem Muffengewinde 29 versehen ist. In diese Gehäusemuffe 30 kann der An­ schlußzapfen eines sich nach oben anschließenden - nicht dargestellten - Gestängerohres eingeschraubt wer­ den.The Kelly tap 10 has at its axially upper end a housing sleeve 30 which is provided with a sleeve thread 29 . In this housing sleeve 30 , the closing pin of an adjoining upward - not shown - drill pipe who is screwed.

Axial unten ist der Kellyhahn 10 mit einem Gehäuse­ zapfen 30a versehen, der ein Zapfengewinde 29a auf­ weist. Mit diesem Zapfengewinde 29a kann der Kellyhahn 10 in ein sich nach unten anschließendes - ebenfalls nicht dargestelltes - Gestängerohr eingeschraubt wer­ den.Axially below, the Kelly tap 10 is provided with a housing pin 30 a, which has a pin thread 29 a. With this pin thread 29 a, the Kelly tap 10 can be screwed into a connecting tube (also not shown) which adjoins downward.

Nach entsprechender Betriebsdauer müssen die Muffenge­ winde 29 nachgeschnitten werden, da sie durch entspre­ chenden Einsatz stark ausgeschlagen sind und nicht mehr dichtend mit einem - nicht dargestellten - Gestängezap­ fen verbunden werden können. Wird das Muffengewinde 29 nachgeschnitten, so endet es tiefer in dem Kellyhahn 10 und kann bis in den Bereich des Adapterringes 22 reichen. Dabei kann der Adapterring 22 axial über das Muffengewinde 29 hinaus ragen und es bildet sich in der Durchflußöffnung 33 ein rundumlaufender Absatz, der eine strömungshinderliche Hinterschneidung darstellt.After an appropriate period of operation, the sleeve thread 29 must be cut again, since they are severely knocked out by appropriate use and can no longer be sealingly connected to a (not shown) link pin. If the socket thread 29 is trimmed, it ends deeper in the Kelly valve 10 and can extend into the area of the adapter ring 22 . The adapter ring 22 can protrude axially beyond the socket thread 29 and a circumferential shoulder is formed in the flow opening 33 , which represents a flow-preventing undercut.

Um derartige Absätze zu vermeiden, muß der obere freie Rand 37 des Adapterringes 22 mit einem ausreichend großen Abstand 32 gegenüber dem Muffengewinde 29 über­ stehen. Der Adapterring 22 besteht dazu aus einem Mate­ rial, das es erlaubt, ihn an seinem, dem oberen Schul­ terring 19 zugewandten freien Rand 37 leicht zu verkür­ zen. Dadurch kann auch der Adapterring 22 nachgeschnit­ ten werden, und es ist stets ein ausreichend großer Ab­ stand 32 zu dem Muffengewinde 29 gewährleistet.In order to avoid such paragraphs, the upper free edge 37 of the adapter ring 22 must be at a sufficiently large distance 32 with respect to the socket thread 29 . The adapter ring 22 consists of a mate rial, which allows him to shorten it on its, the upper school terring 19 facing free edge 37 slightly. As a result, the adapter ring 22 can be nachgeschnit th, and there is always a sufficiently large from 32 to the socket thread 29 guaranteed.

Wie die Fig. 1 weiter zeigt, ist der untere Sitzring 12 mit einem Runddichtring 24 gegenüber dem Gehäuse 11 abgedichtet. Radial innen ist das Verriegelungsstück 20 mit einem ebensolchen Runddichtring 24 und radial außen mit einem weiteren Runddichtring 25 gegenüber dem Ge­ häuse 11 abgedichtet. Auch die Schaltzapfen 15 sind ra­ dial außen mit Runddichtringen 26 gegenüber dem Gehäuse 11 abgedichtet.As further shown in FIG. 1, the lower seat ring 12 is sealed off from the housing 11 by an O-ring 24 . Radially on the inside, the locking piece 20 is sealed with the same round sealing ring 24 and radially on the outside with a further round sealing ring 25 with respect to the housing 11 . The switching pin 15 are sealed ra dial outside with O-rings 26 against the housing 11 .

Bei Druckbeaufschlagung aus der Durchflußöffnung 33 wird der untere Sitzring 12 unter Bildung eines Dichtspaltes 27 aus dem Gehäuse 11 angehoben und gegen das Kugelküken 13 gepreßt. Das Kugelküken 13 wird dabei von den Schaltzapfen 15 in seiner Lage gehalten und nicht axial verschoben. Die dabei auftretende Reibflä­ che bleibt auf die Dichtfläche zwischen dem jeweils an­ gepreßten Sitzring 12 bzw. 12a beschränkt und die auf­ zubringenden Schaltkräfte bleiben gering. When pressurized from the flow opening 33 , the lower seat ring 12 is raised from the housing 11 to form a sealing gap 27 and pressed against the ball plug 13 . The ball plug 13 is held in position by the switching pin 15 and not axially displaced. The resulting Reibflä surface remains limited to the sealing surface between the respectively pressed seat ring 12 and 12 a and the switching forces to be applied remain low.

Um die Reibung zwischen Kugelküken 13 und Sitzring 12 noch weiter zu verringern und so gering wie möglich zu halten, sind deren Oberflächen mit einer reibungsmin­ dernden Beschichtung, vorzugsweise einer Kohlenstoff- Diamant-Beschichtung versehen.In order to reduce the friction between ball valve 13 and seat ring 12 even further and to keep them as low as possible, their surfaces are provided with a friction-reducing coating, preferably a carbon-diamond coating.

BezugszeichenlisteReference list

10 Kellyhahn
11 Gehäuse
12, 12a Sitzring
13 Kugelküken
14 Schaltgabel
15 Schaltzapfen
16 Anschlagscheibe
17 Buchse
18, 19 Schulterring
20 Verriegelungsstück
21 Distanzring
22 Adapterring
23 Führungsring
24, 25, 26 Dichtring
27 Dichtspalt
28 Sicherungsschraube
29 Muffengewinde
29a Zapfengewinde
30 Gehäusemuffe
30a Gehäusezapfen
31 Zapfengewinde
32 Abstand
33 Durchflußöffnung
34 Dichtung
35 Sicherungsring
36 Innensechskant
37 freier Rand
38 Ringnut 10 Kelly cock
11 housing
12 , 12 a seat ring
13 ball chicks
14 shift fork
15 switching pins
16 stop disc
17 socket
18 , 19 shoulder ring
20 locking piece
21 spacer ring
22 adapter ring
23 guide ring
24 , 25 , 26 sealing ring
27 sealing gap
28 locking screw
29 socket threads
29 a stud thread
30 housing sleeve
30 a housing pin
31 pin thread
32 distance
33 flow opening
34 seal
35 circlip
36 hexagon socket
37 free margin
38 ring groove

Claims (8)

1. Absperrhahn, insbesondere zum Einbau in Bohr- und Förderrohrgestänge für Bohranlagen, mit einem Ge­ häuse und einem in schwimmenden Sitzringen gegen­ über dem Gehäuse abgedichteten Kugelküken, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelküken (13) mit zwei einander gegenüberliegenden Schaltzapfen (15) dreh­ fest verbunden und mit diesen in dem Gehäuse (11) gelagert und abgestützt ist.1. Shut-off valve, in particular for installation in drilling and production pipe rods for drilling rigs, with a housing and a in floating seat rings against ball plug sealed over the housing, characterized in that the ball plug ( 13 ) with two opposite switching pins ( 15 ) rotatably fixed connected and supported and supported in the housing ( 11 ). 2. Absperrhahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schaltzapfen (15) über Zapfengewinde oder eine Vielkeilverzahnung (31) form- und kraft­ schlüssig mit dem Kugelküken (13) verbunden sind und das Kugelküken (13) mit Schaltmitteln (14) über die Schaltzapfen (15) beidseitig schaltbar ist.2. Shut-off valve according to claim 1, characterized in that the switching pin ( 15 ) via pin thread or a spline ( 31 ) are positively and non-positively connected to the ball plug ( 13 ) and the ball plug ( 13 ) with switching means ( 14 ) the switching pin ( 15 ) can be switched on both sides. 3. Absperrhahn nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelküken (13) von den Schaltzapfen (15) gegenüber dem Gehäuse (11) axial­ kraftfrei in schwimmenden Sitzringen (12, 12a) ge­ halten ist. 3. Shut-off valve according to claims 1 and 2, characterized in that the ball plug ( 13 ) of the switching pin ( 15 ) relative to the housing ( 11 ) is axially free of force in floating seat rings ( 12 , 12 a) GE. 4. Absperrhahn nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtflächenverhältnis zwi­ schen den Sitzringen (12, 12a) und dem Gehäuse (11) zu dem Kugelküken (13) und wie 1,5 zu 1 und größer ist.4. Shut-off valve according to claims 1 to 3, characterized in that the sealing surface ratio between the seat rings ( 12 , 12 a) and the housing ( 11 ) to the ball valve ( 13 ) and as 1.5 to 1 and larger. 5. Absperrhahn nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzringe (12, 12a) und/oder das Kugelküken (13) mit einer reibungsmin­ dernden Beschichtung versehen sind.5. Shut-off valve according to claims 1 to 4, characterized in that the seat rings ( 12 , 12 a) and / or the ball plug ( 13 ) are provided with a friction-reducing coating. 6. Absperrhahn nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzringe (12, 12a) und/oder das Kugelküken (13) mit einer Kohlenstoff- Diamant-Beschichtung versehen sind.6. Shut-off valve according to claims 1 and 5, characterized in that the seat rings ( 12 , 12 a) and / or the ball plug ( 13 ) are provided with a carbon-diamond coating. 7. Absperrhahn nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelküken (13) von einem Führungsring (23) und einem oberen Sitzring (12a) und diese von einem Distanzring (21) axial gehalten sind und der Führungsring (23) und der Distanzring (21) von viergeteilten Schulterringen (18, 19) in Einbaulage gehalten sind.7. Shut-off valve according to claims 1 to 6, characterized in that the ball plug ( 13 ) of a guide ring ( 23 ) and an upper seat ring ( 12 a) and these are held axially by a spacer ring ( 21 ) and the guide ring ( 23 ) and the spacer ring ( 21 ) is held in the installed position by four-part shoulder rings ( 18 , 19 ). 8. Absperrhahn nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schulterringe (18, 19) von einem Adapterring (22) in Einbaulage gehalten sind, dessen axial äußerer freier Rand (37) einen kon­ stanten axialen Abstand (32) zu dem Muffengewinde (29) aufweist.8. Shut-off valve according to claims 1 to 7, characterized in that the shoulder rings ( 18 , 19 ) are held in the installed position by an adapter ring ( 22 ), the axially outer free edge ( 37 ) of which a constant axial distance ( 32 ) to the Has socket thread ( 29 ).
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