NO163250B - Ventil og spindeltetning for denne. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en ventil som angitt i ingressen til patentkrav 1.

Ventiler, såsom sluseventiler, som utsettes for ekstreme driftsforhold, såsom høye trykk (f.eks. 200 MPa), høy temperatur (f.eks. 150°C), sykliske variasjoner av trykket og temperaturen, nedbrytende fluider, og enten frem- og tilbake-bevegelse, dreiebevegelse eller begge deler av ventilspindelen, får ofte ødelagt spindeltetningen.

Et forsøk på å løse dette problem er vist i US patent nr.

4 262 690 som foreslår en tetningsenhet bestående av en stabel tetningsringer som er utformet av et materiale som f.eks. polytetrafluoretylen med støtteringer på hver side av hver tetingsring og avfasete metallringer på motsatte sider av enheten som ligger an mot spindelen og ventillokket for å hindre utpressing av tetningen langs spindelen og lokket.

Koniske ekspansjonsringer anvendes i US patent nr.

1 826 967 for å opprettholde ensartet tetningsbelastning under temperaturendringer. US patent nr. 4 288 082 anvender en konisk overflate til å skyve en metalltetningsring i tettende anlegg mot foringsrøret i et borehull. US patent nr. 4 185 840 viser en spindeltetning innbefattende en stabel vekselvis elastomeriske og stive, sammenføyde ringer, hvor elastomerringene er gradvis tynnere i retning bort fra tetningens høytrykksside for å gi en jevn fordeling av radielt tetningstrykk langs lengden av tetningsenheten.

US patent nr. 4 082 300 viser en tetningsenhet for et pumpestempel for bruk til pumping av korroderende væsker. Tetningsenheten omfatter mange metalltyper, hardt kull og bøyelige grafittringer.

WO 81/02454 viser et pakningsboks-system som innbefatter grafittringer av ulik densitet og med avskrådde endeflater. Ringene ligger an mot hverandre med linjekontakt ved sine avskrådde endeflater, og ved trykkpåvirkning presses endeflate-kanten på den mykeste grafittringen til tetningsanlegg mot en nærliggende flate.

Et formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en forbedret ventil som har en forlenget effektiv levetid når den utsettes for ekstreme trykk, temperaturer og korroderende forhold, og der ventilens spindeltetning som opprettholder sin effektive tetningsevne etter mange sykliske trykk- og tempera-turvariasjoner og -bevegelser av ventilspindelen.

Dette formål oppnås ved en ventil av den innledningsvis angitte art, med de nye og særegne trekk som er angitt i ingressen til krav 1. Fordelaktige utføringsformer av ventilen er angitt i de øvrige krav.

Tetningsenheten i ventilen ifølge oppfinnelsen er, i motsetning til den som er omtalt i sistnevnte WO-skrift, en selv-aktiviserende konstruksjon som ved kilevirkning av det ekstruderbare materiale danner en effektiv tetning mot ventilspindelen såvel som mot boringen i ventilhuset.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Figur 1 er et oppriss av den forbedrete ventil ifølge foreliggende oppfinnelse med deler fjernet for å vise ventilens bestanddeler. Figur 2 er et snitt gjennom én av de forbedrete spindeltetningsenheter. Figur 3 er et halvsnitt som viser detaljer ved den foretrukne spindeltetningsenhet i dens forspente, monterte stilling. Figur 4 er et tilsvarende halvsnitt av den andre side av den foretrukne spindeltetningsenhet, og viser den relative stilling av dens bestanddeler når den utsettes for trykk.

Ventilen 10 vist i figur 1 er en sluseventil egnet for bruk i olje- og gassbrønnledninger, i geotermiske brønnledninger, og ved andre korroderende, høytemperatur, høytrykks, spindel-bevegende og trykk- og temperatursykliske anvendelser.

Ventilen 10 omfatter et hus 12 med innløp 14, utløp 16, et ventilkammer 18 og et ventilsete 20. Et ventillokk 22 er festet til et hus 12 ved hjelp av pinneskruer 24 og muttere 2 6 som vist og dekker åpningen av ventilkammeret 18 på oversiden av huset 12. Ventillegemet 28 (som i figur 1 er en sluse) er plassert i ventilkammeret 18 og forskyves i samvirke mellom ventilsetet 2 0 og utløpsventilsetet (ikke vist) for styring av strømning gjennom ventilen 10. En ventilspindel 30 er innskrudd i øvre ende av ventillegemet 28 og strekker seg gjennom en boring 32 i ventillokket 22 og spindeltetningsenheter 34 er anordnet for tetning mellom den utvendige overflate og spindelen 30 og den innvendige overflate på boringen 32. En hylse 33 er plassert mellom tetningsenhetene 34 og en metallring 35 er plassert over den øvre tetningsenhet 34 for å sikre at tetningsenhetene 34 er beliggende ved deres ønskete stillinger langs spindelen 30.

Selv om spindelen 30 er vist som en ventilspindel av dreietypen med passende avflatninger 37 på dens parti som strekker seg utenfor lokket 22, er de forbedrete tetningsenheter ifølge foreliggende oppfinnelse også egnet for tetning rundt en frem- og tilbake-bevegelig ventilspindel. Avflatingene 37 danner aktuatormidler for omdreining av spindelen 30 for å bevege ventillegemet 28 mellom åpne og lukkete stillinger. Hvilken som helst passende aktuator kan benyttes for denne bevegelse.

Tetningsenheten 34 er vist i detalj i figur 2, 3 og 4.

Den omfatter en bunnring 36 med oppadstående krans 38 som strekker seg aksielt ut fra bunnringen omtrent midtveis mellom bunnringens 3 6 indre og ytre omkrets for å danne innvendig ansats 40 og utvendig ansats 42. Kransen 38 er fortrinnsvis slik plassert at ansatsenes 40 og 42 arealer er stort sett like store. En innvendig stabel 44 av ringer er montert på ansatsen 40 og en ytre stabel 46 av ringer er montert på ansatsen 42

idet den tilsvarende ring i hver stabel er stort sett den samme bortsett fra som nedenfor angitt og bortsett fra deres ovennevnte forskjeller i radielle dimensjoner. For å forenkle beskrivelsen av tetningsenheten 34 er de tilsvarende ringer gitt de samme henvisningstall med suffiks "m" for å angi en inner- eller mellomring og suffiks "d" for å angi en ytter- eller distalring. Hver stabel 44 og 46 omfatter en støttering 48, en formring 50, en tetningsring 52, en støttering 54, en kilering 56, en konisk tetningsring 58 og støtteringer 60, 62, 64, 66 og 68 som har gradvis økende elastisitetsmodul i retning bort fra bunnringen 36. Ringen 50 som har en indre konisk åpning vendt mot tetningsringen 52m og ringen 50d har en ytre konisk åpning vendt mot tetningsringen 52d. Åpningene som dannes av ringene 50 kan være konisk avsmalnende som vist eller parallelle med

aksen til spindelen 30. Ringen 58m og 58d danner inngrep med ringene 56m og 56d langs deres koniske overflater som danner en vinkel med deres akser på stort sett mindre enn 45' slik at når de er aksielt belastet blir de radielt fastkilt i tetningsinn-grep. En dekselring 70 omfatter en ringformet utsparing 72 for å oppta den øvre ende av kransen 38 og er festet til kransen 38 ved hjelp av dekselskruer 74 hvis hoder er beliggende i utsparinger 76 i den øvre overflate av dekselringen 70 som vist. Dekselringen 70 hviler således mot en indre belastningsring 78 som ligger an mot stabelen 44 og en ytre belastningsring 80 som ligger an mot stabelen 46, slik at dekselskruene 74 kan anvendes for forspenning av tetningsenheten 34. Forspenning av tetningsenhetene 34 kan være ønskelig og en svak presspasning for en støttering kan anvendes for å hindre nedadbevegelse av enheten 34. Videre kan en svak presspasning ved en plastinnsats mellom kransen 38 og utsparingen 72 anvendes for å fastholde dekselet 70 i ønsket stilling i forhold til kransen 38. Tetningsenhetene 34 støttes i ringrommet mellom spindelen 30 og boringen 32 i lokket 22 p.g.a. stablenes 44 og 46 friksjon mot disse og ved hjelp av hylsen 33 og ringen 35, og når de utsettes for trykk øker de radielle tetningskrefter.

De foretrukne materialer for tetningsenheten 34 er som følger: bunnringen 36, dekselringen 70, formringene 50 og støtteringene 68 er en stål- eller en nikkellegering med høy fasthet og modul, (f.eks. 4130, 410, X750 eller A286); støtte-ringene 43, 54 og 66 er en beryllium-kobberlegering (C17200) eller titan, 6 % aluminium. 4 % vanadium-legering for å gi et slite- og rivefast materiale med høy fasthet og middels modul, tetningsringene 52, kileringene 56 og den koniske tetningsring 58d er en ufylt polytetrafluoretylen; den konsike tetningsring 58m er en karbonfylt polytetrafluoretylen; støtteringene 60 er en perfluoralkoksy-tetrafluoretylen med en 5 % polytetrafluoretylen; støtteringen 62m er en orientert polytetrafluoretylen med en 20 % poly-p-oksybenzoyl-aromat-polyester (såsom det materiale som lages av Kennecott Corp. og selges under vare-merket Ekonol); støtteringen 62d er en polyfenelen-sulfid fylt med karbonfibre (såsom det materiale som selges av International Polymer Corp. under varmerket IPC 1836) ; og støtteringene 64 er en metallegering med lav fasthet og lav modul som kobber, aluminium-nikkel-legering (selges av Ampco Metal Company under varmemerket Ampcoloy 570).

Ved belasting er det ønskelig å ha et trykkpådrag mellom stablene 44 og 46. Dette pådrag tilveiebringes av plugger av ufylt polytetrafluoretylen plassert i åpninger 84 som strekker seg gjennom kransen 38 nær tetningsringene 52.

Virkemåten til tetningsenheten 34 fremgår best ved å sammenlikne figur 3 og 4. Fig. 3 viser den forspente, monterte tilstand av tetningsenheten 34 og figur 4 viser den trykkbelas-tete tilstand av tetningsenheten 34. Den opprinnelige belastning som tilveiebringes av dekselskruene 74 bringer ringene i hver stabel i fast anlegg ved deres indre og ytre overflater mot de tilstøtende overflater på lokkboringen 32, spindelen 30 og de indre og ytre overflater av kransen 38.

Når trykk påføres virker det på undersiden av bunnringen

36. Da der ikke er noen motstand mot oppadbevegelse av bunnringen 36 i området over kransen 38, vil denne trykkforskjell føre til at stablene 44 og 46 ligger an med større radialtrykk mot de overflater de tetter mot. Trykkbelastningen vil således øke tetningskreftene på stablene og deler av tetningsringene 52m og 52d ekstruderes inn i de koniske åpninger som dannes av formringene 50m og 50d slik at der dannes ekstruderte lepper 86m og 86d som strekker seg i retning mot trykket. Også kileringene 56 og de koniske tetningsringer 58 tvinges aksielt mot hverandre, og på grunn av at vinkelen på deres koniske anleggsflater er liten vil disses kilevirkning i radialretningen gi en øket radiell tetningskraft. Støtteringene 60 til 68 har økende elastisitetsmodul i retning bort fra trykket, og dette gir avtagende radielt tetningstrykk i retning bort fra trykkbelastningen.

Claims (6)

1. Ventil (10) omfattende et hus (12) med et innløp (14), et utløp (16) , et ventilkammer (18) og et ventilsete (20) som omgir kommunikasjon mellom innløpet og utløpet, et ventillegeme (28) som er plassert i ventilkammeret, en ventilspindel (30) som strekker seg gjennom et lokk (22) og er forbundet med ventillegemet, en aktuator (37) for å bevege ventilspindelen for bevegelse av ventillegemet inn mot og bort fra ventilsetet for regulering av gjennomstrømning, og en tetningsenhet (34) omfattende en tetningsring (52m) av ekstruderbart materiale plassert mellom spindelen og huset, ringer (48m og 54m til 68m) plassert på motsatte sider av tetningsringen, samt en nær tetningsringen anordnet formring (50m) som danner en utsparing med åpning mot tetningsringens trykkside, karakterisert ved at tetningsenheten (34) videre omfatter dels en bunnring med en ringformet oppadstående krans (38) og indre og ytre ansatser (40, 42) ved bunnen av kransen, idet tetningsringen og de andre ringer danner en første stabel (44) plassert på innsiden av kransen på den indre ansats (40) , en annen stabel (46) av en tetningsring og ringer lik ringene på den indre ansats plassert på utsiden av kransen på den ytre ansats (42) , idet en formring (50d) nær tetningsringen i den andre stabel danner en utsparing med åpning mot tetningsringens trykkside, samt en dekselring (70) i anlegg mot kransen og stablene for å forspenne ringstablene ved montering for å oppnå en innledende avtetning av trykket mellom spindelen og lokket og idet tetningsringene (52) ved ekstrudering trenger inn i sine respektive hulrom for å danne tetningslepper (86) i disse hulrom ved innvendig trykk i ventillokket for å danne en mer effektiv tetningsforbindelse mellom spindelen og lokket når stablene reagerer på det innvendige trykk i lokket.

2. Ventil ifølge krav 1, karakterisert ved at dekselringen (70) som ligger an mot kransen og stablene er uavhengige av ventilhuset og spindelen.

3. Ventil ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at dekselringen (70) har en sentral, ringformet utsparing (72), og er plassert på ringstablene med kransen i utsparingen, og at skruer (74) er anordnet for å stramme dekslet til bunnringen (36) for å belaste ringstablene.

4. Ventil ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at dekselringen (70) ligger an mot den side av en av nevnte ringer som ikke utsettes for trykk, og at skruene (74) er innrettet til å bevege belastnings-ringen i en retning som belaster ringene.

5. Ventil ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at formringen (50m) omfatter en konisk overflate på en av ringene.

6. Ventil ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at tetningsenheten (34) omfatter et par koniske kileringer (56, 58) som ligger an mot hverandre langs sine koniske overflater, idet kileringenes konusvinkel i forhold til deres akser er stort sett mindre enn 45" .