NO20111315A1 - Anordning og fremgangsmate for tetting av en ventilboring - Google Patents

Abstract

En sluseventil (40) har et legeme (42) hvor legeme (42) har et hulrom (45) og en strømningspassasje (44) som skjærer hulrommet. En setering (49) er montert til legeme (42) ved skjæringen mellom strømningspassasjen (44) og hulrommet (45), idet seteringen har en kontaktflate. En port (46) i hulrommet (46) har en kontaktflate (56) som er glidende i kontakt med flaten (55) på seteringen (49) mens den blir beveget mellom åpne og lukkede stillinger. Et setetetningselement (32) er plassert i et hulrom mellom seteringene (49) og en forsenkerboring (51) dannet i strømningspassasjen (44) og legeme (42) i ventilen (40). Tetningselementet (54) blokkerer strømning fra strømningsbanen (44) til det indre av ventilen (10). Tetningselementet (54) hindrer også avfall fra å komme inn i grenseflaten mellom forsenkerboringen og setet for å forbedre tetningens integritet. Tetningselementet (54) har en aksial fjæregenskap som forbedrer kontakten mellom sete (49) og porten (46) og som tar hensyn til termisk utvidelse av de indre deler i ventilen.

Description

Teknisk område

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt sluseventiler og spesielt en setepakning som hindrer inntrengning av sand og tilveiebringer tetning.

Teknisk bakgrunn

Sluseventiler blir vanligvis brukt i rettlinjede fluidstrømningsanvendelser med minimal strømningsbegrensning. Når ventilen er helt åpen, er ventillegemet trukket bort fra en ventil inn i den motsatte ende av ventilhuset. Ventillegemet har et legeme med en strømningspassasje som strekker seg gjennom legemet for å tillate strømning gjennom ventilen. Strømningspassasjen har typisk samme dimensjon som røret som ventilen er installert i.

En typisk sluseventil som brukes i forbindelse med olje- og gassproduksjon, har en strømningspassasje som skjærer et sentralt hulrom i ventilen. Seteringer er plassert i forsenkerboringer dannet i strømningspassasjen ved skjæringen mellom strømningspassasjen og hulrommet. En lukkeinnretning eller port blir beveget forbi setene mellom åpne og lukkede posisjoner for å forårsake tetning.

Setene har generelt pakninger som tetter setet mot forsenkerboringen i strømningspassasjen. Disse pakningene hindrer inntrengning av fluid fra det sentrale hulrommet eller kammeret i legemet mot den nedstrøms strømnings-passasjen. Når porten er åpnet, har pakningene ingen funksjon. For sluseventiler utformet med enveis tetning når porten er lukket, vil fluid strømme forbi det oppstrøms sete inn i kammeret eller hulrommet i legemet. Fluidtrykket i kammeret blir tettet ved hjelp av pakningen i setet nedstrøms som er dannet mellom porten og setet. I tillegg kan en sandsikt også være plassert i setene for å beskytte ventilen fra sandinntrengning.

Én ulempe med eksisterende tetningssystemer er at komponentene som omfatter midler for ventillukking ikke tar hensyn til virkninger av ekstreme temperaturforskjeller som kan resultere i fysisk fastklemming av porten med tilhørende økning i friksjon som under ekstreme forhold kan hindre ventilens primære oppgave. Tetning og hindring av sandinntrengning krever nå videre mange elementer, noe som reduserer påliteligheten og krever ytterligere maskinering av seter for å romme disse elementene. Montering og vedlikehold blir videre mer tidkrevende på grunn av de mange elementene. Fordi sandsikten noen

ganger er plassert radialt lenger fra strømningsbanen enn tetningselementet, kan i tillegg avfall trenge inn bak tetningselementet og ødelegge integriteten til sete/legeme-tetningen.

Det er følgelig behov for en teknikk som kan forbedre tetningsevnen og redusere antallet elementer for tetning og hindring av sandinntrengning på en kostnadseffektiv måte.

Oppsummering av oppfinnelsen

I én utførelsesform av oppfinnelsen har en sluseventil et legeme med et hulrom og en strømningspassasje som skjærer hulrommet. En setering er montert til legemet ved skjæringen mellom strømningspassasjen og hulrommet. Seteringen har en anleggsflate. En port i hulrommet har en anleggsflate som er i glidende kontakt med flaten til seteringen mens den beveges mellom åpne og lukkede stillingen. I denne utførelsesformen er en forsenkerboring dannet i ventillegemet og strømningspassasjen. Et setetetningselement er plassert i et hulrom mellom seteringene og en forsenkerboring dannet i strømningspassasjen og ventillegemet. Tetningselementet kan ha forskjellige former slik som et bølge-formet metallskall. Setetetningselementet blokkerer strømning fra strømnings-banen til det indre av ventilen. Tetningselementet tilveiebringer dermed fortrinnsvis tetning mellom ventillegemet og setet.

I tillegg til tetning ved ventillegeme/sete-grenseflaten har i dette eksempelet tetningselementet en aksialt fjærende egenskap optimalisert for å utøve en kraft mot legemet for å skape en barriere som fortrinnsvis bidrar til å hindre avfall og søppel fra å migrere bak setepakningen, noe som kan forringe tetningens integritet. Den kraften som utøves av tetningselementet forbedrer også kontakten mellom pakningsflaten og flaten til porten. Den fjærende egenskapen til tetningselementet rommer også nødvendige klaringer for å ta hensyn til termisk utvidelse av setet og porten i forhold til det innspente ventillegemet og reduserer derved muligheten for termisk fastspenning som ellers kan inntreffe ved ekstreme differensialer (f.eks. undersjøiske brønner med høy temperatur, arktiske forhold, osv.).

Kort beskrivelse av tegningene

Figur 1 er en skisse i vertikalt tverrsnitt gjennom en sluseventil ifølge kjent teknikk. Figur 2 er en tverrsnittsskisse av strømningsbanen gjennom den tidligere kjente ventilen som er vist på fig. 1. Figur 3 er en forstørret tverrsnittsskisse gjennom tetnings- og sandsikts-elementene i strømningsbanen som er vist på fig. 2. Figur 4 er en forstørret tverrsnittsskisse gjennom strømningsbanen og porten i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen. Figur 5 er en forstørret tverrsnittsskisse av tetningselementet på fig. 4 i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen. Figur 6 er en forstørret skisse i tverrsnitt gjennom en utførelsesform av et tetningselement i henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen. Figur 7 er en forstørret skisse i tverrsnitt gjennom en utførelsesform av et tetningselement i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen. Figur 8 er en forstørret skisse i tverrsnitt gjennom en utførelsesform av et tetningselement i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Det vises til fig. 1 og 3, som viser en sluseventil 10 som kjent på området. Sluseventilen 10 har et legeme 11 og en strømningspassasje 12 som strekker seg transversalt gjennom legemet 11. Ventilen 10 har en port 14 med en gjennomgående åpning 16. Porten 14 er vist i den åpne stillingen. Vist på fig. 1 er også ringformede ventilseter 20 som har en leppe 22 som tetter mot en forsenkerboring 24 dannet på legeme 11. Setene 20 har åpninger som er innrettet med strømningspassasjen 12 i ventilen, som skjærer et hulrom 18 dannet i ventillegeme 11.

Det vises til fig. 2-3 i forbindelse med den tidligere kjente sluseventilen 10, hvor porten 14 er beveget til den åpne stillingen ved hjelp av spindelen 17 som er forbundet med porten, hvor åpningen 16 i porten 14 er innrettet med strømnings-passasjen 12 gjennom ventilen 10 for derved å tillate strømning gjennom ventilen 10. Når porten 14 er lukket, er åpningen 16 ikke lenger på linje med strømnings-passasjen 12 og strømningen blir dermed stoppet. Porten 14 har en kontaktflate

26 på hver side som grenseflater mot en seteflate 28. Selv om porten 14 er åpen, strømmer fluid gjennom strømningsbanen 12. Ved den grenseflaten som dannes av et sete 20 og ventillegeme 11, er det plassert en sandsikt 30 for å hindre avfall fra å komme inn i grenseflaten. Et tetningselement 32 er også plassert ved den indre flaten for å blokkere strømmen av fluid gjennom grenseflaten og inn i hulrommet 18. Sikten 30 og tetningselementet 32 er plassert inne i fordypningen 34, 36 dannet på setene 20. Selv om sandsikten 30 og tetningselementet 32 kan tilveiebringe tetning og hindre avfall ved grenseflaten mellom sete 20 og legeme 11, kan fluid og dermed avfall likevel lekke mellom grenseflaten mellom portflaten 26 og seteflaten 28 inn i hulrommet 18 og inn i grenseflaten mellom sete 20 og ventillegeme 11, noe som forringer tetningsevnen til ventilen 10. På grunn av at

klaringer mellom legeme 11, setet 20 og porten 14 videre er minimalisert for å øke tetningsevnen, kan termisk fastspenning inntreffe når ventilens indre deler slik som porten 14 og setet 20 utvides på grunn av høy temperatur eller høyt trykk. Termisk fastspenning har en tendens til å være ødeleggende for driften av ventilen 10.

Det vises til fig. 4 og 5 hvor en utførelsesform av oppfinnelsen som tar hensyn til resultatene som er beskrevet ovenfor, er vist. Som i den kjente teknikken har sluseventilen 10 i denne utførelsesformen et legeme 42 og en strømningspassasje 44 som strekker seg transversalt gjennom legeme 42 og som skjærer et hulrom 45. Ventilen 40 har en port 46 med en gjennomgående åpning 48. Porten 46 blir beveget mellom åpne og lukkede stillingen ved hjelp av en spindel 47 forbundet til denne. På figur 4 er porten 46 vist i den åpne stillingen og er konstruert som en toveis ventil som tillater fluid å strømme i en av retningene uten å forringe tetningsevnen. På figurene 4 og 5 er det også vist ringformede ventilseter 49 som har en åpning 50 som tetter mot en forsenkerboring 51 dannet på legeme 42. Åpningene 50 i setene 49 er innrettet med strømningspassasjen 44 i ventilen 40 og portåpningen 48.

I et utførelseseksempel er legeme 42 eller porten 46 i sluseventilen laget av korrosjonsbestandige stållegeringer slik som én av følgende: Inconel® (en nikkel-krom legering av stål); lav-legert stål av høy kvalitet; rustfritt stål; nikkel-kobolt legert stål; eller et annet egnet metallmateriale. Inconel 625 har typisk et Rockwell Hardhetstall (HRN) i C-skalaen mellom 28 og 33. Inconel 718 har typisk et Rockwell Hardhetstall (HRN) i C-skalaen mellom 35 og 40. Materialegenskapene kan også endres ved hjelp av varmebehandlingsprosessen. Seter 49 kan være laget av de samme materialtypene.

Det vises fremdeles til fig. 5 hvor en fordypning 52 er dannet i en flate 53 på sete 49 som vender mot forsenkerboringen 51. Et tetningselement 54 blir båret inne i fordypningen 52 og har en fjærenergi-egenskap som mekanisk energiserer tetningselementet 54 når de er installert. Tetningselementet 54 kan være et mekanisk skallelement med en fjæregenskap som kan romme de nødvendige klaringene for å ta hensyn til termiske effekter, slik som termisk fastspenning. I denne utførelsesformen er formen av tetningselementet et skall med en symme-trisk bølgelignende utforming hvor den ytre bølgeprofilen intermiterende kommer i kontakt med forsenkerboringen 51 langs et parti av dens radiale lengde. En kontaktflate 55 på seteringen 49 er i kontakt med en flate 56 på porten 46. Tetningselementet 54 kan være kommersielt tilgjengelig fra fabrikanter slik som Nicholsons og kan være laget av metall, slik som Inconel® 718 som kan være avstemt for å oppnå en utpekt aksial kraft. Den aksiale kraften som utøves utover av tetningselementet 54 på grunn av fjæregenskapen, kan resultere i et kontakt-trykk Pg ved port/sete-grenseflaten på fra 14 til 150 psi avhengig av anvendelsen. Kontakttrykket Pb som utøves av tetningselementet 54 direkte på forsenkerboringen 51, kan videre være flere størrelsesordener større enn Pg på grunn av det mindre kontaktarealet mellom tetningselementet 54 og forsenkerboringen 51. Avhengig av anvendelsen kan fordypningen 52 som bærer fjærelementet 54, variere i dybde og lengde for å romme den nødvendige størrelsen av fjærelementet 54.

I denne utførelsesformen, når sluseventilen 40 er åpen og fluid strømmer

gjennom strømningsbanen 54, etablerer kontakttrykket Pb mot forsenkerboringen 51 på grunn av det energiserte tetningselementet 54, en tetning ved den grenseflaten som dannes av forsenkerboringen 51 og det energiserte tetningselementet

54. Tetningen hindrer fluid i strømningsbanen 44 fra å komme inn i grenseflaten. Kontakttrykket Pb og den barrieren som skapes av tetningselementet 54 hindrer også avfall eller rester fra å migrere bak sete 49 hvor avfallet kunne forringe tetningsevnen. Kontakttrykket Pg på grunn av fjærelement 54 mellom flaten 55 på setet og kontaktflaten 56 på porten 46, forbedrer tetningen og hindrer også avfall fra å migrere. Tetningselementet 54 kan også hindre termisk fastspenning i forbindelse med utvidelse av ventilmaterialene slik som porten 46 og setet 49. Dette blir oppnådd ved å tillate fjærelementet 54 å spenne over klaringene og utvide seg og trekke seg sammen etter hvert som de indre delene også utvider seg eller trekker seg sammen. Klaringene kan så minskes slik at termisk fastspenning blir redusert eller forhindret.

Tetningselementet 54 og seteringen 49 kan være installert inne i ventilen 40 på forskjellige måter. Et verktøy kan brukes til å skyve seteringene 49 og tetningselementene på plass mot forsenkerboringene 51. Is eller en lignende materialblokk kan så midlertidig brukes til å holde seteringene 49 på plass forut for innsetting av porten 46. Når materialblokken blir forskjøvet inn i, for eksempel hulrommet 45, blir blokken oppløst eller smeltet ved hjelp av løsemiddel eller temperatur.

I en annen utførelsesform som er illustrert på fig. 6, blir det samme tetningselementet 54 som det som er vist på fig. 5, båret inne i en fordypning 62 dannet i en setering 60 som har en åpning 64 som er innrettet med strømningsbanen 44. Seteringen 60 i denne utførelsesformen har imidlertid også en leppe 66 dannet på en ytre overflate, som er i kontakt med legeme 42 til ventilen 40 (fig. 4). Leppen 66 heller radialt utover fra en bunn og definerer en lomme 68 mellom leppen 66 og ventillegeme 62. Leppen 66 og lommen 68 tilveiebringer et reservetetnings-arrangement for tetningselementet 54 hvis det er nødvendig. I tillegg kan en flek-sibel leppe 64 være dannet på seteringen 60 for ytterligere å romme termisk utvidelse og ytterligere forbedre en metall/metall-tetning mellom setet 60 og porten 46.

I en annen utførelsesform som er illustrert på fig .7, har en setering 70 en fordypning 72 dannet på den side av seteringen 70 som vender mot forsenkerboringen 51. Et tetningselement 74 båret inne i fordypningen 72 har et M-formet tverrsnitt med ben 76 som fjærer aksialt utover inn i kontakt med forsenkerboringen 51 og fordypningen 72. Bena 76 til tetningselementet 74 har en fjærende effekt i likhet med den på fig. 5, som genererer de aksiale kontaktkreftene Pb og Pg for å forbedre tetningsevnen, utelukke avfall og romme termisk ekspansjon.

I en annen utførelsesform som er illustrert på fig. 8, har en setering 80 en fordypning 84 dannet på siden mot forsenkerboringen 51 av tetningsringen 80. Tetningselementet 84 som bæres inne i fordypningen 82, har også en M-form med ben 86 som kommer i kontakt med forsenkerboringen 51 og fordypningen 82. Bena 86 på tetningselementet 84 har i likhet med de på fig. 7 også en fjærende effekt lik den på fig. 5 som genererer de aksiale kontaktkreftene Pb og Pg for å forbedre tetningsevnen, utelukke avfall og to opp termisk utvidelse. I denne utførelsesformen buler bena 86 utover ved sine frie ender.

Tetningselementene som er beskrevet ovenfor, kombinerer en fjæreffekt for å generere kontaktkrefter mot forsenkerboringen og port/sete-grenseflaten for derved å skape en barriere som avtetter strømning fra strømningsbanen i sluseventilen. Det samme tetningselementet hindrer videre effektivt inntrengning av avfall og tar opp ekspansjon av indre ventildeler på grunn av høye temperatur-ener trykkforhold. Tetningsevnen, utelukkelsen av avfall og hindring av termisk fastspenning blir dermed tilveiebrakt med et enkelt element i stedet for flere elementer med mindre ytelse. Oppfinnelsen resulterer dermed i en mer effektiv og pålitelig tetning.

Denne skriftlige beskrivelsen benytter eksempler for å beskrive oppfinnelsen, innbefattende den beste måten å gjennomføre oppfinnelsen på, og også for å gjøre det mulig for en fagkyndig på området å praktisere oppfinnelsen innbefattende fremstilling og bruk av anordninger eller systemer og gjennomføre alle inkorporerte fremgangsmåter. Disse utførelsesformene er ikke ment å begrense omfanget av oppfinnelsen. Det patenterbare omfanget av oppfinnelsen er definert i patentkravene og kan innbefatte andre eksempler som fagkyndige på området kan komme frem til. Slike andre eksempler er ment å være dekket innenfor rammen av patentkravene hvis de har strukturelle elementer som ikke skiller seg fra det bokstavelige språket i patentkravene, eller hvis de innbefatter ekvivalente strukturelle elementer med ubetydelige forskjeller fra de som fremgår av det bokstavelige språket i patentkravene.

Claims (13)

1. Sluseventil (40), karakterisert ved: et legeme (42) som har et kammer (45); en strømningspassasje (44) som har en akse og som strekker seg transversalt gjennom og som skjærer kammeret (45); en forsenkerboring (51) dannet i strømningspassasjen (44) ved hver skjæring med kammeret (45); seteringer (49) i hver forsenkerboring (51); en port (46) som blir aktivert mellom åpne og lukkede stillinger gjennom kammeret (45) for å tillate styring av strømningen av fluid gjennom strømnings-passasjen (44); og et ringformet tetningselement (32) plassert mellom hver forsenkerboring (51) og hver setering (49) for tetning mellom en grenseflate mellom forsenkerboringen (51) og seteringen (49), som hindrer fluid og avfall fra å strømme forbi tetningselementet (32) bak grenseflaten.

2. Anordning ifølge krav 1, hvor tetningselementet (32) utøver en fordelt kraft gjennom seteringen (49) mot porten (46) for å skape en tetning mellom en grenseflate mellom porten (46) og seteringen (49), som hindrer fluid og avfall fra å strømme inn i grenseflaten.

3. Anordning ifølge krav 1, hvor hver at seteringene (49) har en ringformet fordypning (34, 36) for å motta tetningselementet (32).

4. Anordning ifølge krav 1, hvor den fordelte kraften som utøves av tetningselementet (32) gjennom seteringen (49) mot porten (46) ligger i området fra 14 til 150 psi.

5. Anordning ifølge krav 1, hvor det ringformede tetningselementet (32) utvider seg som respons på ekspansjon av porten (46) eller seteringen (49) når de utsettes for høy temperatur eller høyt trykk.

6. Anordning ifølge krav 1, videre omfattende en leppe (66) dannet på seteringen (49), som er i kontakt med legeme 42, hvor leppen (66) rager aksialt utover fra en bunn og definerer en lomme (68) dannet mellom leppen (66) og legeme 42.

7. Anordning ifølge krav 1, hvor det ringformede tetningselementet (54) er et metallskall som har en tverrsnitt med en bølgeform.

8. Anordning ifølge krav 1, hvor det ringformede tetningselementet (54) er et metallskall som har en M-form med et par ben (76) hvorav ett er i kontakt med forsenkerboringen (51) og det andre med seteringen (49).

9. Fremgangsmåte for tetning, karakterisert ved: å tilveiebringe et legeme (42) som har et kammer (45); å danne en strømningspassasje (44) som har en akse og som strekker seg transversalt gjennom og skjærer kammeret (45); å danne en forsenkerboring (51) i strømningspassasjen (44) ved hver skjæring med kammeret (45); å plassere seteringer (49) i hver forsenkerboring (51); å aktivere en port (46) mellom åpne og lukkede stillinger gjennom kammeret (45) for å tillate styring av strømningen av fluid gjennom strømnings-passasjen (44); å anordne et ringformet tetningselement (32) mellom hver forsenkerboring (51) og hver setering (49) for å tette mellom en grenseflate mellom forsenkerboringen (51) og seteringen (49), som hindrer fluid og avfall fra å strømme forbi tetningselementet (32) bak grenseflaten.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, videre karakterisert vedfølgende trinn: å velge tetningselementet (32) som utøver en ønsket fordelt kraft mot forsenkerboringen (51) for å skape en tetning mellom en grenseflate mellom forsenkerboringen (51) og seteringen (49), som hindrer fluid og avfall fra å strømme forbi tetningselementet (32) bak grenseflaten.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 9, videre karakterisert vedfølgende trinn: å velge tetningselementet (32) som utøver en ønsket fordelt kraft gjennom seteringen (49) mot porten for å skape en tetning mellom en grenseflate mellom en port (46) i ventilen (40) og seteringen (49), som hindrer fluid og avfall fra å strømme inn i grenseflaten.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 9, videre karakterisert veddet trinn å velge tetningselementet (32) som spenner over en klaring mellom forsenkerboringen (51) og trekker seg sammen for å ta hensyn til termisk utvidelse av porten (46) og setene (49) i ventilen (40) eller seteringen (49) for derved å unngå muligheten for termisk fastspenning.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 9, videre karakterisert veddet trinn å danne en ringformet fordypning (34, 36) på den flate av tetningsringen (49) som vender mot forsenkerboringen.