NO161396B - Ringformet kompresjonstetning. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører elastomerisk fluidumstetning og mer spesielt til elastomeriske tetninger av kompresjonstypen. Ennå mer spesielt vedrører foreliggende oppfinnelse elastomeriske tetninger beregnet på å ha en ringformet utforming for å danne en ringformet tetning av kompresjonstypen.

Elastomeriske tetninger med ringformet utforming har en

hel rekke bruksområder som f.eks. innen utstyr på oljefelt,

slik som foringshengere, rørhengere og brønnhodeventiler. Ringformede tetninger er typisk utsatt for aksialtrettede trykkbelastninger for å skape en trykkindusert fluidumstetning rundt den indre diameter på en tettende flate eller den ytre diameter på en slik tettende flate eller begge deler. Elastomermaterialet utsettes imidlertid for visse relaksjonsfenomen som tenderer tid på å redusere tetningskapasiteten på en elastomerisk tetning av kompresjonstypen.

Elastomerisk ekstrusjon er et relaksjonsfenomen som er et resultat fra fysisk reaksjon i elastomere over en tidsperiode forårsaket av belastninger. Ved elastomerisk ekstrusjon vil elastomerens viskøse strømnihgsegeneskaper gradvis redusere kontakttrykket ved de tettende flater, noe som resulterer i redusert trykktetningskapasitet med hensyn til de tettende fluider. Trykkrelaksjon er et relaksjonsfenomen som karakteri-seres ved avtagende trykk over en tidsperiode som et resultat av nedbrytning av de primære kjemiske bindinger inne i elastomeren. Trykkrelaksjon opptrer uavhengig av ekstruksjon for å redusere tetningstrykket ved de indre og ytre tetningsflater.

Det er generell enighet om at relaksjonsfenomenene opptrer

i grader proporsjonalt med logaritmisk tid når den elastomeriske tetning benyttes innen konservative temperaturgrenser. En elastomerisk tetning av kompresjonstypen vil følgelig ha en rimelig levetid under en relativt kontrollert omgivelse særlig når tetningskompresjonen justeres periodisk for å opprettholde e rimelig konstant aksial belastning. Omgivelsene for olje-feltutstyr kan imidlertid aldri fullstendig kontrolleres og rigorøse temperaturforhold har vist seg å aksellere relaksjons-prosessene. Forhøyede temperaturer kan f.eks. forårsake at

relaksjonsprosessen skjer i en grad som er proporsjonal med den lineære tid heller enn den mye saktere logaritmiske tid ved kontrollerte omgivelser.

Det er følgelig ønskelig å tilveiebringe en anordning for å redusere den uønskede effekt ved ovennevnte beskrevne relaksjonsprosess hvorved tetningskapasiteten for en ringformet elastomerisk tetning forbedres.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at et andre omkretsspor er anordnet i den indre tetningsflate slik at sett i tverrsnitt danner sporet en.spiss vinkel med tetningens aksiale endeflate på oppstrømssiden i.forhold til trykkvirkeretningen.

Aksialt rettede belastninger på den.ringformede tetning forårsaker radielt rettede trykk inn i tetningen, noe som lukker sporene og tvinger den tettende flate■radielt utover mot en motstående overflate. Etterhvert som ekstrusjon og belast-ningsrelaksjon opptrer i elastomeren for å redusere den kompresjonstettende kapasistet vil fluider under trykk gradvis sige inn i sporene og derved skape en leppetetning mot den motstående overflate.. Følgelig vil kompresjonstypetetningen omformes til en leppetypetetning etterhvert som relaksjonsfenomenet opptrer i tetningens elastomeriske materiale.

Disse og andre karakteristiske trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremtre mer åpenbart for en gjennomsnitts fagmann ved lesing av følgende detaljerte beskrivelse.

For en mer detaljert beskrivelse av en foretrukket u-t f ørelsesf orm av foreliggende oppfinnelse skal det henvises til de Vedlagte- tegninger hvor:

Figur 1 viser i tverrsnitt og delvis utkuttet format en

del av en brønnhodeventil som inkluderer en ringformet tetning laget i overensstemmelse med prinsippene ifølge foreliggende oppfinnelse;

Figur 2 viser anordningen vist på figur 1 hvor tetningen

er sammenpresset i aksial retning for å ligge i tettende anlegg rundt dens indre og ytre diametre; og

Figur 3 viser effekten av den elastomeriske relaksjonsprosess i tetningen vist på figur 2.

Elastomerisk ekstrusjon og stressrelaksjon er uavhengig relaksjonsfenomen hvorved den tettende kapasitet i en kompri-sjonsaktivert, ringformet elasomerisk tetning gradvis reduseres. Ifølge prinsippene ved foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en ringformet tettende enhet beregnet for å virke som en primær kompresjonstypetetning med indre og ytre diameter beliggende tettende flater. Etter hvert som relaksjonsfenomenene effektivt reduserer trykkbelastningene vil imidlertid tetninger av kompresjonstypen gradvis tæres bort og omdannes til en leppetypetetning ved de indre og ytre diametertettende flater.

Figur 1 viser spesielt en del av en brønnhodeventil 10 som inkluderer en ventilstamme 12, et ventildeksel 14, øvre og nedre tettende kompresjonsringer 16, 18 og en ringformet, elastomerisk tetning 20. En del av ventilstammen 12 er fjernet for å avdekke en indre tettende flate 22 på tetningen 20. Når tetningen 20 utsettes for trykk vil tetningen 20 blokkere strømningsbanen for aksialstrømmende fluider som strømmer mellom dekslet 14 og ventilstammen 12.

Som vist på figur 1 har den ringformede tetning 20 generelt et radielt tverrsnitt som er firkantet og som inkluderer V-formede utkutninger 30, 32 som strekker seg langs omkretsen på de radielle tettende overflater 22, 24. Kutningene 30, 32 omfatter hver et par med spor 34a, b som har en bredde som er smal i forhold til sporenes radielle dybde. Som vist i radielt tverrsnitt er sporene 34a, b beliggende på hver side av tetningens 20 radielle senterlinje og divergerer med dybden i retning bort fra den radielle senterlinje. Sporene er beliggende symmetrisk med hensyn til nevnte senterlinje. Sporene 34a, b danner både den indre og ytre tettende flate 22, 24, omkretsbeliggende kompre-sjonstetningspunkter 38.

Den ringformede tetning 20 er vist på figur 1 i sin ikke-sammenpressede tilstand, d.v.s. uten å være påvirket av aksialt rettede sammentrykkbare belastninger. Figur 2 viser den ringformede tetning 20 i en fullstendig sammenpresset tilstand. Overgangen fra den ikke-belastede til den belastede tilstand oppstår ved sammenpressing av den ringformede tetting 20 mellom den øvre og nedre kompresjonsring 16, 18. Ved f.eks. påføring av torsjon på en gjenget anordning (ikke vist) så vil den øvre kompresjonsring 16 presses nedover hvorved den ringformede tetning 20 presses sammen mot den nedre kompresjonsring 18 idet nevnte nedre kompresjonsring holdes på plass mot et ventil-legeme (ikke vist).

Trykkbelastningen som påføres aksialt til den ringformede tetning 20 lukker gradvis sporene 34a, b, og presser de.omkretsbeliggende tetningspunkter 38 og de tettende flater 22, 24 radielt utover til tettende anlegg med ventilstammen 12 og ventildekslet 14. I denne tilstand vil økt belastning generere for bedre tetningskapasitet. Tilstedeværelsen av de V-formede utkutninger 30, 32 vil ikke hindre den ringformede tetnings 20 evne til å fungere som en kompresjonstypetetning. Utkutningene 30, 32 tilveiebringer imidlertid en tilleggsdimensjon til tetningens 20 tetningevne.

Figur 3 viser den ringformede tetning 20 vist på figur 2

i en relaksert tilstand på grunn av tilstedeværelsen av visse relaksjonsfenomen i elastomermaterialet i tetningen. Effekten av en slik relaksjon er som vist på figur 3 overdrevet for å demonstrere virkningen ifølge foreliggende oppfinnelse. Over en tidsperiode etter at tetningen 20 først er sammenpresset til den tilstand som er vist på figur 2, vil kontakttrykket ved de tettende flater 22, 24 gradvis avta p.g.a. elastomerekstrusjon og stressrelaksjon. Elastomerekstrusjon er et fysisk fenomen som forårsakes av viskøs strømning av det belastede elastomeriske materiale i tetningen. Stressrelaksjon er en kjemisk reaksjon forårsaket av en nedbrytning i de kjemiske bindinger og en på-følgende reduksjon i belastning.

Som vist på figur 3 forårsaker relaksjonsfenomenet som opptrer i tetningen 20 en reduksjon i kontakttrykk ved de tettende flater 22, 24 og følgelig et gradvis tap av trykktettende kapasitet. Tapet av trykktettende kapasitet utjevnes imidlertid av den samtidig dannelse av leppetetningskapasitet. Reduksjon i belastning åpner et rom 40 inne i sporene 34a, b,

og tillater fluider under trykk å strømme inn i nevnte rom, hvilket presser tetningen 20 mot ventilstammen 12 og ventildekslet 14. Fluider under trykk inne i de ringformede rom 40 virker på de utsatte nedstrøms sidevegger 42 i tetningen 20 og presser derved sideveggene 42 mot motstående ventiloverflater for derved å skape leppetetning.

Anta f.eks. at fluidet under trykk tenderer til å strømme aksielt som vist med pilen 44, så vil taå eller reduksjon av kontakttrykk ved de tettende flater 22, 24 tillate innsig av fluidium under trykk langs oppstrømsendene 46 på de tettende flater 22, 24 for deretter å nå frem til de ringformede rom 40. I det øyeblikk fluid har kommet inn i de ringformede rom 40, vil fluidet virke på sideveggene 42 i sporene 34a og derved danne leppeteningene, hvilket forhindrer væskeinnsig langs de nedstrøms ender 48 på de tettende flater 22, 24. Den grad-vise reduksjon av trykkbelastninger omformer følgelig den ringformede tetning 20 til en leppetetning, noe som vesentlig forlenger tetningens effektive.liv.

Det skal anføres at den generelle firkantede tverrsnitts-konfigurasjon på den ringformede tetning 20, vist på figur 1, ikke er essensiell for å oppnå de tilsiktede virkninger ifølge foreliggende oppfinnelse. Et flertall tverrsnitts utforminger vil funksjonere i alt vesentlig på samme måte så lenge tetnings-anordningen er utstyrt med den ovenfor beskrevne V-formede ut-kutning.

Tilsvarende vil det i forbindelse med visse anvendelses-områder være ønskelig å inkludere V-formede utkutninger kun langs den indre tettende flate eller kun langs den ytre tettende flate. I ingen av disse varianter vil imidlertid prinsippet ifølge foreliggende oppfinnelse være avveket.

Til slutt skal det anføres at prinsippene ifølge foreliggende oppfinnelse kan oppnås ved å bruke et enkelt spor av ovenfor beskrevne par med spor i en tettende flate. Det enkle spor må imidlertid, når man ser i radielt tverrsnitt, danne en spiss vinkel med hensyn til den del av tetnirigsflaten som er nedstrøms for det punkt hvor sporet krysser den tettende flate.

Den ringformede tetning 20 tilveiebringer følgelig en egnet løsning for å ivareta relaksjonsfenomenet forbundet med elastomeriske materialer. Etter hvert som trykkbelastningene sakte reduseres p.g.a. effekten fra relaksjonsfenomenet, vil en tetning av kompresjonstypen, tilveiebragt av den ringformede tetning 20, transformeres til en tetning av leppetypen. Mens en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er vist og beskrevet, så skal det anføres at en rekke modifika-sjoner er mulig og åpenbare for en gjennomsnitts fagmann uten derved å fravike fra oppfinnelsestanken.

Claims (5)

1. Ringformet, kompresjonstetning av elastomert materiale for tetning mellom to innenfor hverandre anordnede, sylindriske flater (30, 32) mot et i aksialretningen (44) virkende fluid-trykk, omfattende en første, indre, i det vesentlige sylindrisk tetningsflate (22) og en andre, ytre, i det vesentlige sylindrisk tetningsflate (24), hvor tetningseffekten oppnås ved aksial sammenpressing av tetningen, hvor i det minste én av tetninggens tetningsflater (22, 24) er utformet med et skrått omkretsspor (34a) som sett i radialsnitt gjennom tetningens akse danner en spiss vinkel med tetningsringens aksiale endeflate på tetningens nedstrømsside i forhold til fluidtrykkretningen (44) og beliggende i avstand fra nevnte endeflate, og hvor omkretssporet (34a) i avlastet tilstand har en i det vesentlige konstant bredde som er liten i forhold til sporets dybde,karakterisert vedat et andre omkretsspor (34b) er anordnet i den indre tetningsflate (22) slik at sett i tverrsnitt danner sporet en spiss vinkel med tetningens aksiale endeflate på oppstrømssiden i forhold til trykkvirkeretningen (44).

2. Kompresjonstetning ifølge krav 1,karakterisert vedat det mellom sporene (34a, 34b) forløper et smalt omkretsparti (38) som danner en tetnings-ribbe og sett i aksialsnitt har en spiss (38) som vender mot den tilstøtende tetningsflate og tetter mot denne når tetnings-ringen er utsatt for aksial sammenpressing.

3..Kompresjonstetning ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat omkretssporene (34a, 34b) i samme tetningsflate er anordnet så nær hverandre at sett i snitt danner sporene en "V"-form.

4. Kompresjonstetning ifølge ett eller flere av de foregående krav,karakterisert vedat et V-formet spor (34a, 34b) er anordnet i den indre og i den andre tetningsflate.

5. Kompresjonstetning ifølge ett eller flere av de foregående krav,karakterisert vedat tetningen er innrettet til å anbringes mellom to kompresjonsringer (16, 18) i en pakningsboks (10).