NO20120678A1

NO20120678A1 - Sluseventilsete og setering

Info

Publication number: NO20120678A1
Application number: NO20120678A
Authority: NO
Inventors: Christopher E Wolfe; Dennis Gray; Leonardo Ajdelsztajn
Original assignee: Vetco Gray Inc
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2012-12-21
Also published as: GB2492217A; CA2779934A1; SG186568A1; GB201210692D0; MY168667A; CN102840348B; AU2012203448A1; CN102840348A; US8689886B2; BR102012015093A2; NO340867B1; AU2012203448B2; US20120318528A1

Abstract

En sluseventil (40) har et hus (42), huset (42) har et hulrom (45) og en strømningspassasje (44) som krysser hulrommet (45). Et sete (50) er montert til huset (42) ved krysningen av strømningspassasjen (44) og hulrommet (45). En sluse (46) er installert ved hulrommet (45) og har en koplingsflate (80) som glidende opptar setet (50) idet slusen flyttes mellom åpne og lukkede posisjoner. Endeflatene (58, 72) mellom en setelomme og setet er hard belagt (70, 74) og glattavsluttet for å tilveiebringe tetning ved sammenføring. Den hardbelagte lomme og setetetningsoverflater (58, 72) forlenger levetiden til ventilen (40) ved å eliminere behovet for en elastomertetning med begrenset levetid.

Description

Område for oppfinnelsen

Denne oppfinnelse angår generelt ventiler, og spesielt en seteventil i et ventilhus.

Bakgrunn for oppfinnelsen

[0001]Sluseventiler er typisk benyttet når en rettlinjestrømning av fluid og minimal strømningsbegrensning er påkrevet. De kan også benyttes i ventiltrær (juletrær) benyttet for olje og gassutvinning. Sluseventilene har typisk hus med et hulrom og en strømningspassasje som forløper gjennom huset og krysser hulrommet for å til-late strømning gjennom ventilen. Når ventilen er vid åpen, er slusen trukket inn i en ende av ventilhuset bort fra strømningspassasjen. Strømningspassasjen har typisk den samme størrelse som røret i hvilket ventilen er installert.

[0002]En typisk sluseventil benytter forbindelse med olje og gassproduksjon har en strømningspassasje som krysser et sentralt hulrom i ventilen. Seteringer er plassert i motboringer formet i strømningspassasjen ved krysningen av strøm-ningspassasjen med hulrommet. En obstruksjon eller sluse er flyttet forbi setene mellom åpne og lukkede posisjoner for å tette hulrommet fra passasjen.

[0003]Setene har generelt tetninger som tetter setet til motboringen av strøm-ningspassasjen. Disse tetninger er typisk elastomertetninger og når lokalisert på nedstrømssetet forhindres inngangen av fluid fra det sentrale hus eller kammer av huset til nedstrøms strømningspassasjen. Tetninger lokalisert på oppstrømssetet kan fungere som en tilbakeslagsventil for fluidstrømning. For sluseventiler konstruert med ensrettet tetning når slusen er lukket, vil fluid strømme forbi opp-strømssetet inn i kammeret eller hulrommet til huset. Fluidtrykket i kammeret er valgt ved tetningen av nedstrømssetet formet mellom slusen og setet. I tillegg kan et sandfilter også være posisjonert i setene for å beskytte ventilen fra sandinn-trengning. For sluseventiler konstruert med toveistetning når slusen er lukket, er fluid opprettholdt på en side av slusen og ikke tillatt å strømme inn i kammeret eller hulrommet til legemet.

[0004]Det er typisk en liten mengde av bevegelse mulig for setet, som resulterer i aksial bevegelse av tetningen etter som ventilen åpner og lukker. Den aksiale bevegelse resulterer i tetningsslitasje. Når sluseventiler er utsatt for høytrykks-miljøer, kan kryp og svikt resultere i elastomer tetningsslitasje. Dette resulterer i en livstids begrenset tetning. Elastomertetningen har også temperaturbegrensning som forhindrer bruk ved de høyeste temperaturer som erfares innen olje- og gassfelter. For å motvirke dette problem, har en Teflon-type elastomertetning blitt benyttet. Tetningen er trykkaktuert for å tette når den er i nedstrømstetningsposisjon-en og belastet fra retningen av ventilhulrommet, som vist i figur 1. Når den er i oppstrømsseteposisjonen, har trykkbelastningen fra rørretningen en tendens til å kollapse tetningen ved et relativt lavt trykk når tetningen er overvunnet. En T-formet innsats forhindrer denne kollaps fra å resultere i skade på fjæren. Denne konfi-gurasjon adresserer imidlertid ikke slitasjen forbundet med elastomertetninger.

[0005]Et behov eksisterer for en teknikk for å øke levetiden til tetninger i sluseventiler ved å redusere slitasje i setetetningen.

Sammenfatning av oppfinnelsen

[0006]Det primære formål for oppfinnelsen er å øke levetiden til en sluseventil ved å redusere slitasje på setetetningen. Dette foreslås å oppnås ved hardbelegging av setet og lommetetningsoverflatene. Hardbelegging kan bestå av en keramikk karbid med en metallmatriks (sement eller sementert karbid), slik som wolfram karbid med en kobolt krommatriks. Det hardbelagte setet og lommeoverflatene er glattavsluttet, med avslutningen som er sammenlignbar med de på sluse og sam-menpassende seteoverflater. Tetning er således tilveiebrakt med disse hardbelagte, glattavsluttede sete- og lommeoverflater når de tilpasses. Hardbeleggingen tilveiebringer fordelaktig øket stivhet og hardhet for sete- og lommeoverflatene, forhold til elastomertetningene benyttet i sluser og seter i den tidligere kjente teknikk. Den høye stivhet og hardhet av det hardbelagte materialet kan øke levetiden til ventilen ved å redusere slitasje ved setelommegrenseflaten.

[0007]I en første utførelse av oppfinnelsen har en sluseventil et hus med hulrom og en strømningspassasje som krysser hulrommet. Seter er montert i huset ved krysningen av strømningspassasjen og hulrommet. En sluse i hulrommet har en koblingsflate som glidende opptar flaten til hvert sete idet den beveges mellom åpne og lukkede posisjoner. Både setene og slusen kan være konstruert fra et metallmateriale. De tilgrensende overflater mellom setene og slusen kan være hardbelagt. De tilgrensende overflater mellom setet og lommen kan også være hardbelagt og glattavsluttet for å tilveiebringe en tetning med denne grenseflate.

[0008] Fjærelementer kan være lokalisert innen fordypninger formet på hvert sete mellom setet og lommen. Fjærelementene er benyttet for å lokalisere setene mot slusen fra hvilken som helst retning som slusen er belastet.

Kort beskrivelse av tegningene

Figur 1 er et vertikalt delvis snittriss av en sluseventil til en tidligere kjent teknikk.

Figur 2 er et snittriss av et parti av et ventilhus vist i figur 1.

Figur 3 er et forstørret snittriss av det belagte setet og lommeoverflatene, i henhold til en utførelse av oppfinnelsen. Figur 3A er et forstørret snittriss av en restbarriere mellom setet og lommeoverflater i figur 3. Figur 4 er et forstørret snittriss av det hardbelagte setet og lommeoverflatene vist i figur 3, i henhold til en utførelse av oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

[0009]Med referanse til figur 1 og 2, er en sluseventil 10, som kjent innen den tidligere teknikk, vist. Sluseventilen 10 håret hus 11 og en strømningspassasje 12 som strekker seg tversgående gjennom huset 11. Ventil 10 har en sluse 14 med en åpning 16 derigjennom. Sluse 14 er vist i den åpne posisjon. Slusen 14 beveger seg innen et hulrom 18 i slusen 11 som er tversgående til og krysset av passasjen 12. Også vist i figur 2 er ringformede ventilseter 20 som tetter mot motboringer 24 formet på huset 11. Setene 20 har åpninger som er innretning med strømningspassasjen 12 til ventilen, som krysser hulrommet 18 formet i ventilhuset 11.

[0010]Med fortsatt referanse til figur 2 for denne tidligere kjente sluseventil 10, når sluse 14 er flyttet til den åpne posisjon ved spindelen 17 forbundet til denne, er åpningen 16 til slusen 14 i innretning med strømningspassasje 12 til ventilen 10, og derved tillater strømning gjennom ventilen 10. Når slusen 14 er lukket, er ikke åpningen 16 lenger i innretning med strømningspassasjen 12 og således er strøm-ning stoppet. Slusen 14 har en koplingsflate 26 på hver side som grenser mot en tetningsflate 28. Idet sluse 14 er åpen, strømmer fluid igjennom strømningsbanen 12. Ved grenseflaten dannet ved et sete 20 og huset 11, er motboringen eller sete-lommen 24 dannet. Et elastomertetningselement 32 er lokalisert ved grenseflaten for å tilveiebringe en tetning å således forhindre strømningen av fluid igjennom grenseflaten og inn i hulrommet 18. Dette er tilfellet når tetningselementet 32 er på nedstrømssiden av ventilen 10. Et fjærelement 30 er også lokalisert ved grenseflaten til tetningslommen 24 og setet 20. Fjærelementet 30 skyver setene 20 mot slusen 14 fra hvilken som helst side slusen 14 er belastet. Når slusen 14 er lukket, vil nedstrøms eller lavtrykkssidesetet 20 presses mot slusen 14 med fjærelementet 30 for å forhindre fluid fra hulrommet 18 fra å gå inn i strømningspassasjen 12 på nedstrømssiden. Tetningselementet 32 og fjærelementet 30 er lokalisert innen fordypninger 34, 36 formet på setene 20.1 tillegg kan et sandfilter (ikke vist) benyttes for å forhindre rester fra å gå inn mellom setet 20 og huset 11.

[0011]Selv om elastomertetningselementet 32 kan tilveiebringe tetning, resulterer den lille bevegelsesmengde som er mulig for setet i aksial bevegelse av tetningen etter som ventilen åpner og lukker. Denne aksiale bevegelse resulterer i tetningsslitasje. Når sluseventiler 10 er utsatt for høytrykksmiljøer, kan kryp og svikt resultere i elastomertetningsslitasjen. Dette resulterer i en tetning med begrenset levetid. Elastomertetningen 32 har også temperaturbegrensning som forhindrer bruk av de høyeste temperaturer som erfares innen olje- og gassfelter.

[0012]Med referanse til figur 3 er en utførelse av oppfinnelsen som adresserer problemene beskrevet ovenfor vist. Som i den tidligere kjente teknikk, har sluseventilen 40 i denne utførelse et hus 42 og en strømningspassasje 44 som strekker seg tversgående gjennom huset 42 og krysser et hulrom 45. Ventil 40 har en sluse 46 med en åpning 48 derigjennom. Slusen 46 er beveget mellom åpne og lukkede posisjoner ved en spindel 47 forbundet til denne. Slusen 46 er vist i den lukkede posisjon slik at slusen 46 er belastet fra en høytrykksside (Phøy) og således har en lavtrykksside (Plav) på nedstrømssiden av slusen 46. Denne sluseventil 40 er vist konstruert som en toveisventil som tillater fluid å strømme i begge retninger. Også vist er ringformede ventilseter 50 med en åpning 52 som tetter mot en motboring 54 formet på legemet 42. Åpningene 52 i setene 50 er innretning med strømningspassasjen 44 til ventilen 40 og sluseåpningen 48 når den er i den åpne posisjonen.

[0013]Med fortsatt referanse til figur 3, er en ringformet fordypning 56 formet i en ytre endeflate 58 til setet 50.1 dette eksempel er fordypning 56 ved en krysning av den ytre diameter og endeflaten 58 til setet 50. Endeflate 58 er perpendikulær til aksen til strømningspassasje 44. Et fjærelement 60 er omsluttet innen fordypningen 56 og har en fjærenergiegenskap som presser setet 50 mot slusen 46. Fordypningen 56 og fjærelementet 60 er lokalisert ved hvert sete 50 i denne toveisventilutformingen. Alternativt kan en fordypning og fjærelement kun være lokalisert på en nedstrømsside hvis en ventil er konstruert for enveisstrømning. Fjærelementet 60 kan være en metallfjær.

[0014]For å beskytte tetningsoverflaten mellom setet 50 og motboring 50 fra rester som går inn fra strømningspassasjen 44 og også fra slusehulrommet 45. En inntrengning fra seteledning vil plukkes opp av en silt (slam) barriere 57 og inntrengningen fra hulrommet 45 kan plukkes opp fra en slitasjebushing 55 med snever toleranse som vist i figur 3A. Slitasjebushingen 55, i denne utførelse, kan også fungere for å sentrere setet 50 under åpning og lukking som kan forhindre flate-til-flate tetningen for å eksponeres mot ikke-komprimerende spenninger og forhindre inntrengningen av rester inn i tetningsområdet. Bushingen 55 kan være fabrikkert fra PolyEtherEtherKetone (PEEK). Videre kan en sandavsperringsgitter 59 være lokalisert ved seteslusegrenseflaten innen en tilhørende fordypning formet ved denne grenseflate. Sandavsperringsgitteret 59 kan være en sigmatype fjær-tetning fabrikkert fra PEEK.

[0015]I denne utførelse har flaten 58 til setet 50 et hardbelegg 70 som passer

sammen med en endeflate 72 på motboringen 54 som også har et hardbelegg 74. Endeflate 72 er en ringformet flat overflate perpendikulær til aksen av strømnings-passasjen 44. Et forstørret snittriss av hardbeleggene 70, 74 er vist i figur 4. Hardbeleggene 70, 74 i denne utførelse er hardbelagt og glattavsluttet i likhet med en koblingsoverflate 80 på slusen 46 og en koblingsoverflate 82 på setet 50. Hardbeleggene 70, 74 kan bestå av et keramikk karbid med en metallmatriks (sement eller sementert karbid), slik som wolfram karbid med en kobolt krom matriks og kan påføres ved forskjellige midler, slik som ved binding, sveising, belegging, lodding eller liming til overflatene. De hardbelagte, glattavsluttede sete- og lomme-endeoverflater 58, 72 tilveiebringer således tetting når det tilpasses. Når slusen 46 er lukket, som vist, støter setet og lommeoverflatene 58, 72 tettende mot hverandre for å forhindre fluidstrømning fra hulrommet 45 fra å strømme inn i lavtrykks (Plav) siden til ventilen 40. Seteendeoverflate 90 til en oppstrømssetering 92 og lommeendeoverflate 94 på høytrykks (Phøy) siden av ventilen 40 kan også være

hardbelagt og glattavsluttet som overflatene 58, 72 på lavtrykkssiden av ventilen 40. Når slusen 46 er lukket, passer ikke setet og lommeoverflater 90, 94 på høy-trykkssiden sammen. En klaring mellom overflate 58, 72 tillater fluid å strømme inn i og trykksette hulrommet 45 via en lekkasjebane 96 mellom overflatene 90, 92. Overflater 90, 94 omfatter den ytre diameter av setet 50 og indre diameter av motboring 54. I denne utførelse har hardbelegget 70, 74 på hver av endeflatene 58, 72, 90, 94 tykkelse som varierer fra omkring 0,025 mm (0,001 tomme) tykkelse til omkring 12,7 mm (0,5 tomme) tykkelse. En ringformet klaring eksisterer mellom disse indre og ytre diameteroverflater. Hardbeleggene 70, 74 tilveiebringer fordelaktig økt stivhet og hardhet for setet og lommeendeoverflatene 58, 72 i forhold til elastomertetningene benyttet i sluser og seter i den tidligere kjente teknikk. Den høyere stivhet og hardhet av det hardbelagte materialet kan øke levetiden til ventilen 40 ved å redusere slitasje ved setelommegrenseflaten. Det er ikke noe behov for en elastomertetning slik som tetning 32 i figur 2.

[0016]Hardheten av wolfram sementerte karbidbeleggene kan være omtrent Rockwell C 72-73. Setets 54 og slusens 46 materiale kan være laget av korro-sjonsmotstandsdyktig stållegering slik som en av følgende: Inconel (en nikkel/krom legering); høykvalitets lavlegeringsstål; rustfritt stål; kombinasjoner derav, eller annet passende metallmateriale. Inconel 718 har f.eks. typisk et Rockwell hardhet nummer (HRN) i C skalaen mellom 32 og 40. Materialegenskaper kan forandres ved varmebehandlingsprosesser. Således kan en eksempelutførelse av wolfram karbidbeleggene 70, 74 til tetningsoverflatene 58, 72 være omtrent to ganger så hard som Inconel 718 materiale. Selv om wolfram sementert karbid er omtalt som et hardbelegg, kan andre typer av sammensetninger benyttes.

[0017]Andre materialer kan også benyttes for hardbelegging. For eksempel kermeter eller sementerte karbider som har en høy volumfraksjon (> 40 volum-prosent) av keramikkpartikler, slik som kromkarbid (CrC) eller titankarbid (TiC) i en metallmatriks slik som den laget av koboltkrom (CoCr) nikkelkrom (Ni Cr) eller jernkrom (FeCr). I et eksempel er keramikkpartiklene mindre en 2 mikron i størrelse.

[0018]Under drift, når sluse 46 er åpen, er hverken oppstrømsendeflatene 90, 94 eller nedstrømsendeflatene 58, 72 tilstøtende hverandre. Fluid i passasje 44 kan strømme rundt sluser i hulrom 45 men hulrom er forseglet ved en spindeltetning. Når sluse 46 lukker, skyver høyt trykk fra oppstrømspassasje oppstrøms setering 92 mot sluse 46 og endeflaten 90 går til åpen posisjon i figur 3. Sluse 46 skyver nedstrøms setering 50 nøyaktig inntil dens endeflate 58 kontakter og tetter mot motboringsendeflate 72.

[0019]Denne skrevne beskrivelse benytter eksempler for å omtale oppfinnelsen, innbefattende den beste utførelsesform, og gjør det også mulig for enhver fag-mann på området å praktisere oppfinnelsen, innbefattende en fremstilling og anvendelse av enhver anordning eller systemer og utforme enhver innlemmet fremgangsmåte. Disse utførelser er ikke ment å begrense omfanget av oppfinnelsen. Det patenterbare omfang av oppfinnelsen er definert av kravene, og kan inn-befatte andre eksempler som fremstår for de som er faglært på området. Slike andre eksempler er ment å være innen omfanget av kravene hvis de har strukturelle elementer som ikke avviker fra det bokstavelige språket i kravene, eller hvis de innbefatter ekvivalente strukturelle elementer med uvesentlige forskjeller fra det bokstavelige språk i kravene.

Claims

1. Sluseventil (40),karakterisert ved: et hus (42) med et kammer (45); en strømningspassasje (44) med en akse som forløper gjennom og krysser kammer (45); en motboring (54) i strømningspassasjen (44) ved krysningen med kammeret (45) som danner en innovervendende endeflate (58); en ringformet setering (50) båret i motboringen (54), seteringen (50) har en utovervendende endeflate (72) og er vesentlig aksialt bevegbar i motboringen (54) mellom en åpen posisjon med endeflatene (58, 70) delvis adskilt og en lukket posisjon med endeflatene (58, 72) støtende mot hverandre, en sluse (46) i kammeret (45) og som har en koplingsflate (80) som glidende opptar en tetningsfalte (82) på setet (50) idet den beveges mellom åpne og lukkede posisjoner; og et hardbelegg (70, 74) på endeflatene (58, 72) for tetting mot hverandre idet tetningsringen (50) er i den lukkede posisjonen.

2. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat det videre omfatter et fjærelement (60) mellom seteringen (50) og endeflaten (58) til motboringen (54), fjærelementet (60) presser seteringen (50) mot den åpne posisjonen.

3. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat hardbelegget (70,74) er sementert karbid.

4. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat seteringen (50) beveger seg aksialt til den lukkede posisjon i samsvar med fluidtrykk på en høytrykksside av strømningspassasjen (44).

5. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat hardbelegget (70, 74) har hardhet større enn setet (50) og huset (42) til ventilen (40).

6. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat hardbelegget (70, 74) omfatter: et substrat av sementert karbid bundet til endeflatene (58, 72).

7. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat hardbelegget (70, 74) omfatter: et lag omfattende et sementert karbid hardbelegg (70, 74) sveiset, belagt, loddet eller limt på enden av endeflater (58, 72).

8. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat endeflatene (58, 72) er perpendikulære til aksen.

9. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat hardbelegget (70, 74) på hver av endeflatene har tykkelse som varierer fra 0,025 mm (0,001 tomme) tykkelse til omkring 12,7 mm (0,5 tomme) tykkelse.

10. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat det videre omfatter: en ringformet fordypning (56) ved en krysning av en ytre diameter til seteringen (50) og endeflaten (72) til seteringen (50); og en fjær (60) i fordypningen (56) og inngrep med endeflaten (58) til motboringen (54), fjæren (60) presser seteringen (50) mot den åpne posisjonen.

11. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat det videre omfatter en ringformet klaring mellom en ytre diameter av seteringen (50) og motboringen (54), klaringen kommuniserer fluid i kammeret (45) til endeflatene (58, 72).

12. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat seteringen (50 er fri fra ethvert elastomerisk tetningselement.

13. Fremgangsmåte for å styre en strømning av et brønnboringsfluid med en sluseventil (40)karakterisert ved: å tilveiebringe et hus (42) med et kammer (45), en strømningspassasje (44) med en akse og som forløper gjennom og krysser kammeret (45), en motboring (54) i strømningspassasjen (44) ved krysningen med kammeret (45) som danner en innovervendende endeflate (58), en ringformet nedstrøms setering (50) båret i motboringen (54), seteringen (50) har en utovervendende endeflate (72) og er aksialt bevegbar i motboringen (54) mellom en åpen posisjon med endeflatene (58, 72) aksialt adskilt og en lukket posisjon med endeflatene (58, 72) støtende mot hverandre, en sluse (46) i kammeret (46) og med en inngrepsflate (80) som glidende opptar en tetningsflate (82) på setet (50) idet den beveges mellom åpne og lukkede posisjoner, og et hardbelegg (70, 74) på endeflatene (58, 72) for tetting mot hverandre idet seteringen (50) er i den lukkede posisjon; å strømme brønnboringsfluid gjennom strømningspassasjen (44) ved å posisjonere slusen (46) i en åpen posisjon; å blokkere strømning gjennom strømningspassasjen (44) ved å posisjonere slusen i en lukket posisjon som tillater fluid å lekke inn i kammeret (46) fra en høytrykks-side av ventilen (40) og derved trykksette kammeret (46), hvori nedstrømsseteringen (50) beveger seg aksialt i motboringen (54) fra en åpen posisjon til en lukket posisjon i samsvar med fluidtrykk på oppstrømsside av strøm-ningspassasjen (44); og tetting av en lavtrykksside til ventilen (40) for å forhindre fluidstrømning fra kammeret (46) inn i strømningspassasjen (44) på lavtrykkssiden via tetningsinngrep av de hardbelagte endeflater (58, 72) på motboringen (54) og nedstrømssetering (50) til ventilen (40) når slusen er lukket, hvori de hardbelagte endeflatene (58, 72) støter aksialt mot hverandre.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13,karakterisert vedat idet sluseventilen (40) er i åpen posisjon, presser en fjær (60) endeflater (58, 72) fra hverandre.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 13,karakterisert vedat en opp-strømssetering (92) er i en åpen posisjon idet slusen (46) er lukket og ned-strømsseteringen (50) er i lukket posisjon.