NO310578B1

NO310578B1 - Ball valve assembly

Info

Publication number: NO310578B1
Application number: NO19996062A
Authority: NO
Inventors: Finn Roeed
Original assignee: Ring O Valve Norge As
Priority date: 1999-12-08
Filing date: 1999-12-08
Publication date: 2001-07-23
Also published as: WO2001042695A1; AU1743601A; NO996062L; NO996062D0

Description

Oppfinnelsens område Field of the invention

Denne oppfinnelse angår en kraftoverførende ring eller plate This invention relates to a power transmitting ring or plate

i forbindelse med en aksling til en ventilkule i en høy-trykksventil til anvendelse fortrinnsvis i en høytrykks rør-forbindelse mellom en flytende rigg og en undervannsbrønn. in connection with a shaft to a valve ball in a high-pressure valve for use preferably in a high-pressure pipe connection between a floating rig and an underwater well.

Oppfinnelsens bakgrunn The background of the invention

Ovennevnte høytrykks rørforbindelse, i fagspråket ofte kalt The above-mentioned high-pressure pipe connection, in the technical language often called

en landingsstreng, er nødvendig for å kunne utføre nedihulls brønnarbeid når en brønn står under trykk, eksempelvis for å kunne utføre tester eller kompletteringer i brønnen. Landingsstrengen er vanligvis forsynt med varierende typer av hydraulisk aktiverte ventiler. I tillegg trenger ofte brønn-hodeutstyr som er anbrakt i bunnen av landingsstrengen, til-førsel av hydraulisk væske, elektrisitet og/eller styresigna-ler. Dette oppnås ved at tilførselsrør, kabler og lignende fortrinnsvis legges på utsiden av landingsstrengen. a landing string, is necessary to be able to carry out downhole well work when a well is under pressure, for example to be able to carry out tests or completions in the well. The landing gear is usually fitted with varying types of hydraulically actuated valves. In addition, wellhead equipment that is placed at the bottom of the landing string often needs a supply of hydraulic fluid, electricity and/or control signals. This is achieved by preferably laying supply pipes, cables and the like on the outside of the landing string.

Vanligvis er både landingsstreng, tilførselsrør, kabler og lignende omgitt av et såkalt stigerør som også er en rørfor-bindelse mellom en flytende rigg og en undervannsbrønn. Under normale omstendigheter er ringrommet mellom stigerøret og landingsstrengen fylt med vann som utøver et hydrostatisk trykk i ringrommet. Usually both the landing string, supply pipes, cables and the like are surrounded by a so-called riser pipe which is also a pipe connection between a floating rig and an underwater well. Under normal circumstances, the annulus between the riser and the landing string is filled with water which exerts a hydrostatic pressure in the annulus.

Produksjonsrør og tilhørende utstyr som anvendes til å henge av dette i undervannsbrønnens brønnhode, festes ved installa-sjon under landingsstrengen og føres gjennom stigerøret og henges eksempelvis av i brønnhodet på havbunnen. Denne opera-sjonen betinger bl.a. at landingsstrengen med sine utvendige tilførselsrør, kabler og lignende, må kunne passere fritt gjennom stigerøret. I tillegg må landingsstrengen og tilhø-rende ventiler ha en tilstrekkelig stor innvendig hulldiame-ter som muliggjør gjennomføring av nedihulls verktøy og utstyr til bruk ved bl.a. testing og komplettering av under-vannsbrønnen. Dette begrenser tilgjengelig plass i stigerøret for innbygging av eventuelle høytrykksventiler og tilhørende aktuatorer. Production pipe and associated equipment used to suspend it in the subsea well's wellhead are attached during installation under the landing string and are led through the riser and suspended, for example, in the wellhead on the seabed. This operation requires, among other things, that the landing string with its external supply pipes, cables and the like must be able to pass freely through the riser. In addition, the landing string and associated valves must have a sufficiently large internal hole diameter that enables the passage of downhole tools and equipment for use in e.g. testing and completion of the underwater well. This limits the space available in the riser for the installation of any high-pressure valves and associated actuators.

Kjent teknikk Known technique

Begrenset tilgjengelig plass i stigerøret for innbygging av høytrykksventiler og tilhørende aktuatorer, betinger i praksis at man anvender kuleventiler til slike formål. Ifølge Limited available space in the riser for the installation of high-pressure valves and associated actuators means in practice that ball valves are used for such purposes. according to

kjent teknikk, består en slik høytrykksventil innvendig av et rørløp og en ventilkule, begge med en gjennomgående, rørfor-met og langsgående boring av tilstrekkelig diameter for gjen-nomføring av nedihulls verktøy og utstyr. Kuleboringens ytre omkretskant utgjør samtidig en skjærkant som i et nødstilfel-le, når kulen dreies, skal kunne kutte en vaier, et kveilrør eller lignende utstyr som måtte befinne seg i kuleboringen. known technique, such a high-pressure valve internally consists of a pipe barrel and a valve ball, both with a continuous, tubular and longitudinal bore of sufficient diameter for the passage of downhole tools and equipment. The outer circumferential edge of the ball bore also forms a cutting edge which, in an emergency, when the ball is rotated, should be able to cut a wire, a coiled pipe or similar equipment that may be in the ball bore.

Dette forutsetter at kulen tilføres et tilstrekkelig stort dreiemoment. This assumes that the ball is supplied with a sufficiently large torque.

I det påfølgende beskrives én kjent teknisk løsning som anvendes for å åpne og stenge en høytrykks kuleventil i en landingsstreng. Ifølge denne løsning er ventilkulen forsynt med to separate og konsentriske akslinger, én på hver side av kulen, og hvor hver aksling forløper radialt ut fra kulens sentrale boring og rager utenfor kulen. Akslingene er dreibart opplagret i en ringformet del av et for kulen omgivende, rørformet og trykkbærende ventilhus. Enden av hver aksling er utformet med et diametrisk plassert spor, og hvor akselinge-nes spor er ens utformet, dimensjonert og posisjonert i forhold til hverandre. I tillegg er ventilen forsynt med ett eller flere ringformede hydraulisk aktiverte aktuatorstempel som kan bevege seg i en tilhørende og ringformet aktuatorsy-linder. Stempel,og sylinder er tildannet utenfor akslingene, men på innsiden av ventilhuset, og hvor stempel og sylinder er konsentrisk innebygd om ventilens lengdeakse og overfører en hydraulisk kraft i ventilens lengdeakseretning. Aktuatorstemplet er på hver side forsynt med en momentoverføringstapp og en tilhørende sko som er tilordnet hver aksling, slik at skoen kan gli i ovennevnte diametriske spor når aktuatorstemplet beveges i ventilens lengdeakseretning. Momentoverfø-ringstappen og tilhørende sko er eksentrisk plassert i forhold til akslingens lengdeakse, slik at en kort momentarm fremstår mellom nevnte tapp/sko og nevnte lengdeakse. Ved hjelp av ovennevnte sammenstilling, når aktuatorstemplet beveges i ventilens lengdeakseretning, overføres derved et dreiemoment til kulens akslinger og dreier disse, idet nevnte sko glir i sporet i enden av hver aksling. In what follows, one known technical solution is described which is used to open and close a high-pressure ball valve in a landing string. According to this solution, the valve ball is provided with two separate and concentric shafts, one on each side of the ball, and where each shaft extends radially from the central bore of the ball and projects outside the ball. The shafts are rotatably supported in an annular part of a tubular and pressure-bearing valve housing surrounding the ball. The end of each axle is designed with a diametrically positioned groove, and where the axle's grooves are similarly designed, dimensioned and positioned in relation to each other. In addition, the valve is provided with one or more annular hydraulically activated actuator pistons which can move in an associated annular actuator cylinder. The piston and cylinder are formed outside the shafts, but on the inside of the valve housing, and where the piston and cylinder are embedded concentrically about the valve's longitudinal axis and transmit a hydraulic force in the direction of the valve's longitudinal axis. The actuator piston is provided on each side with a torque transmission pin and a corresponding shoe which is assigned to each shaft, so that the shoe can slide in the above-mentioned diametrical groove when the actuator piston is moved in the direction of the longitudinal axis of the valve. The torque transfer pin and associated shoe are placed eccentrically in relation to the shaft's longitudinal axis, so that a short torque arm appears between said pin/shoe and said longitudinal axis. By means of the above-mentioned assembly, when the actuator piston is moved in the direction of the valve's longitudinal axis, a torque is thereby transferred to the shafts of the ball and turns them, said shoes sliding in the groove at the end of each shaft.

For øvrig beskriver beskriver GB A 2,056,565 og US 5,085,401 forskjellige aktuatoranordninger for ventiler, deriblant kuleventiler, men hvor ingen av disse oppfinnelser adresserer det samme problem, og benytter den samme løsning, som den foreliggende oppfinnelse. Incidentally, GB A 2,056,565 and US 5,085,401 describe various actuator devices for valves, including ball valves, but neither of these inventions addresses the same problem, and uses the same solution, as the present invention.

Av nevnte patentskrifter, omhandler GB A 2,056,565 en fluid-drevet ventilaktuator som anvender en stempel- og sylinder-enhet med opplagringsinnretning og rotasjonsdrivaksling, og hvor ventilaktuatoren kan koples til ulike ventiltyper. Denne Scotch-Yoke-type omformingsmekanisme kan også tilpasses ulike ventilstørrelser. Of the aforementioned patents, GB A 2,056,565 deals with a fluid-driven valve actuator that uses a piston and cylinder unit with storage device and rotary drive shaft, and where the valve actuator can be connected to different valve types. This Scotch-Yoke type conversion mechanism can also be adapted to different valve sizes.

US 5,085,401 omhandler en lavstøms ventilaktuator som omfatter en liten elektrisk motor, og hvor motoren dreier en driv-skrue. Dreiebevegelsen til drivskruen omsettes via et mekanisk arrangement som bl.a. omfatter en Scotch Yoke løfte-stang, til et dreiemoment som kan dreie en ventilkule. En slik lavstøms ventilaktuator er godt egnet til fjernstyrt aktivering av eksempelvis en ventil på en rørledning, hvor rør-ledning og ventiler eksempelvis føres gjennom fjerntliggende områder, og hvor den eneste tilgjengelige strømkilde for nevnte ventilaktuator eksempelvis er et 12 volt likestrøms-batteri. US 5,085,401 relates to a low-current valve actuator comprising a small electric motor, and where the motor turns a drive screw. The turning movement of the drive screw is translated via a mechanical arrangement which, among other things, includes a Scotch Yoke lifting rod, to a torque that can turn a valve ball. Such a low-current valve actuator is well suited for remotely controlled activation of, for example, a valve on a pipeline, where the pipeline and valves are, for example, led through remote areas, and where the only available power source for said valve actuator is, for example, a 12 volt DC battery.

US 5,167,283 og US 5,890,541 beskriver dessuten forskjellige anvendelser av høytrykks kuleventiler, men hvor heller ingen av disse oppfinnelser adresserer det samme problem, og benytter den samme løsning, som den foreliggende oppfinnelse. US 5,167,283 and US 5,890,541 also describe different applications of high-pressure ball valves, but neither of these inventions addresses the same problem, and uses the same solution, as the present invention.

I denne forbindelse, omhandler US 5,167,283 en høytrykks kuleventil med en tilhørende ventilkule som i sin innvendige boring, er forsynt med et ringformet og elastisk rørtetnings-element. Ved hjelp av tilført hydraulisk væsketrykk som ut-øver radiale og innoverrettede trykkrefter på rørtetnings-elementets ytre omkretsflate, kan dette element bringes til å omslutte, og derved tette omkring, et rør anbrakt innenfor det ringformede element. Denne kuleventil anvendes i en avleder ("diverter") tilkoplet en stigerørsstreng mellom en undervannsbrønn og en offshore borerigg, og hvor ventilkulen kan dreies av en aktuatoranordning ("drive motor") beliggende fritt utenfor ventilens ventilhus. I motsetning til en høy-trykks kuleventil i en landingsstreng, hvor kuleventilens aktuatoranordning er innebygd i ventilhuset pga. begrenset tilgjengelig plass i det omgivende stigerør, er man i US 5,167,283 ikke belemret med slike plassbegrensninger, idet en slik avleder vanligvis er anbrakt i fri luft på en borerigg. I forbindelse med nevnte avleders kuleventil, har man følgelig større frihet til å velge hvilken type aktuatoranordning som skal dreie ventilkulen, enn ved en innebygd aktuatoranordning. Eksempelvis kan ventilkulens akslinger fø-res inn i de tilhørende akselboringer utenfra, hvilket er forskjellig fra kuleventilen ifølge den foreliggende oppfinnelse, idet nevnte akslinger her føres inn i kulens akselboringer via kulens innvendige boring. US 5,167,283 omhandler således ikke høytrykks kuleventiler anbrakt i en landingsstreng. In this connection, US 5,167,283 deals with a high-pressure ball valve with an associated valve ball which, in its internal bore, is provided with an annular and elastic pipe sealing element. By means of supplied hydraulic fluid pressure which exerts radial and inward pressure forces on the pipe sealing element's outer circumferential surface, this element can be brought to enclose, and thereby seal, a pipe placed within the annular element. This ball valve is used in a diverter connected to a riser string between an underwater well and an offshore drilling rig, and where the valve ball can be turned by an actuator device ("drive motor") located freely outside the valve housing. In contrast to a high-pressure ball valve in a landing string, where the ball valve's actuator device is built into the valve body due to limited available space in the surrounding riser, in US 5,167,283 one is not burdened with such space limitations, since such a diverter is usually placed in the open air on a drilling rig. In connection with the aforementioned diverter ball valve, one consequently has greater freedom to choose which type of actuator device will turn the valve ball, than with a built-in actuator device. For example, the shafts of the ball valve can be fed into the associated shaft bores from the outside, which is different from the ball valve according to the present invention, as said shafts are here fed into the shaft bores of the ball via the internal bore of the ball. US 5,167,283 thus does not deal with high-pressure ball valves placed in a landing string.

Sistnevnte patentskrift, US 5,890,541, omhandler en høytrykks kuleventil anbrakt i et testeverktøy, og hvor testeverktøyet anvendes til å isolere og teste funksjonen av en brønns sikkerhetsventil mot utblåsing (BOP). Ved testing av nevnte BOP, senkes testeverktøyet på borerør ned gjennom et stigerør og fastgjøres i brønnens brønnhode som er anbrakt i en under-liggende posisjon i forhold til nevnte BOP. Testeverktøyet utgjøres av en nedre rørdel eller kropp som er fastgjort i nevnte brønnhode, en øvre rørdel eller spindel som er koplet til nevnte borerør, og en ventilkule med gjennomgående boring samt en mekanisk aktatoranordning, idet aktatoranordningen bl.a. omfatter en vippearm som er eksentrisk tilkoplet én av ventilkulens akslinger. Testeverktøyets spindel er dreibar om verktøyets lengdeakse og i forhold til verktøyets kropp. Dreining av spindelen via nevnte borerør overfører mekanisk kraft til nevnte en vippearm, slik at ventilkulen kan dreies til åpen eller lukket stilling, alt etter behov i forbindelse med trykktesting av nevnte BOP. US 5,890,541 omhandler således et verktøy for trykktesting av en BOP, og hvor åpning eller stenging av verktøyets høytrykks kuleventil forutsetter dreining av borerør tilkoplet verktøyets øvre rørdel, hvilket er forskjellig fra den angjeldende oppfinnelse. The latter patent document, US 5,890,541, deals with a high-pressure ball valve placed in a test tool, and where the test tool is used to isolate and test the function of a well's blowout safety valve (BOP). When testing said BOP, the test tool on drill pipe is lowered through a riser and fixed in the well's wellhead, which is placed in an underlying position in relation to said BOP. The test tool consists of a lower pipe part or body which is fixed in said wellhead, an upper pipe part or spindle which is connected to said drill pipe, and a valve ball with through bore as well as a mechanical actuator device, the actuator device i.a. comprises a rocker arm which is eccentrically connected to one of the valve ball's shafts. The test tool's spindle is rotatable about the tool's longitudinal axis and in relation to the tool's body. Turning the spindle via said drill pipe transfers mechanical power to said rocker arm, so that the valve ball can be turned to an open or closed position, depending on the need in connection with pressure testing of said BOP. US 5,890,541 thus deals with a tool for pressure testing a BOP, and where opening or closing the tool's high-pressure ball valve requires rotation of drill pipe connected to the tool's upper pipe part, which is different from the invention in question.

Ulemper med kjent teknikk Disadvantages of prior art

Begrenset plass i landingsstrengen fører bl.a. til at det er lite hensiktsmessig å sveise på, eller på annen måte, fast tilordne akslinger på utsiden av ventilkulen før denne monte-res i det tilhørende ventilhus. Ventilkulen er dreibart opplagret i ventilhuset ved hjelp av to separate akslinger som føres gjennom akselboringer i kuleveggen og inn i ventilhuset etter at ventilkulen er anbrakt i høytrykksventilen. Brønn-trykk i landingsstrengen og i kuleboringen tilfører hver aksling en radial, utoverrettet og stempellignende trykkraft som Limited space in the landing strip leads, among other things, to to the fact that it is not appropriate to weld on, or in some other way, permanently assign shafts to the outside of the valve ball before it is mounted in the associated valve housing. The valve ball is rotatably stored in the valve housing by means of two separate shafts which are guided through shaft bores in the ball wall and into the valve housing after the valve ball has been placed in the high-pressure valve. Well pressure in the landing string and in the ball bore provides each shaft with a radial, outwardly directed and piston-like pressure force which

overføres til ventilhuset. Ved dreining av ventilkulen, fører i trykkraften til stor friksjon og slitasje i ventilhusets opplagringsanordninger og pakninger. Dreiemomentet for dreining av ventilkulen skal bl.a. overvinne opplagringsfriksjon både i akslingenes aksielle og radielle retning, samt friksjon is transferred to the valve body. When turning the valve ball, the pressure force leads to great friction and wear in the valve body's storage devices and gaskets. The torque for turning the valve ball must, among other things, overcome bearing friction both in the axial and radial direction of the shafts, as well as friction

mellom ventilens kule og seteringer. I et nødstilfelle skal between the ball of the valve and seat rings. In an emergency shall

) ventilens aktuatoranordning også kunne tilføre kulen et tilstrekkelig dreiemoment for kutting av en vaier, et kveilrør ) the valve's actuator device could also supply the ball with a sufficient torque for cutting a wire, a coiled tube

eller lignende utstyr som måtte befinne seg i kuleboringen. or similar equipment that may be in the ball bore.

I tillegg er det ofte ønskelig, eller nødvendig, å tillegge kuleventilen en sikkerhetsfaktor i form av ekstra dreie-momentkapasitet. In addition, it is often desirable, or necessary, to add a safety factor to the ball valve in the form of extra torque capacity.

For å tilfredsstille de krav som stilles til kuleventilen, må man ofte ha et svært høyt dreiemoment tilgjengelig. I kjent teknikk, og ved anvendelse av ovennevnte korte momentarm, fø-rer dette til at man anvender hydrauliske aktuatortrykk opp mot 700 bar. Dette belaster i stor grad rør, rørforbindelser, andre ventiler, pakninger, stempel og eventuelle andre deler i det hydrauliske system. Nødvendigheten av et høyt dreiemoment medfører også store belastninger og sterk slitasje i, eventuelt deformasjoner av, alle forbindelser og deler som er med i overføringen av dreiemomentet. Eksempelvis vil sterk slitasje i, og deformasjoner av, høyt belastede sko og spor i enden av akslingene, kunne føre til utilstrekkelig åpning eller lukking av kuleventilen, eventuelt til at en vaier eller et kveilrør i en nødsituasjon ikke kuttes helt av, eller til at nedihulls verktøy og utstyr henger seg fast eller forhindres i å passere kuleventilen. In order to satisfy the demands placed on the ball valve, you often have to have a very high torque available. In known technology, and when using the short torque arm mentioned above, this leads to the use of hydraulic actuator pressures of up to 700 bar. This greatly strains pipes, pipe connections, other valves, gaskets, pistons and any other parts in the hydraulic system. The necessity of a high torque also entails heavy loads and severe wear and tear in, possibly deformations of, all connections and parts involved in the transmission of the torque. For example, severe wear in, and deformations of, highly loaded shoes and grooves at the end of the shafts, could lead to insufficient opening or closing of the ball valve, possibly to a cable or a coiled pipe not being cut off completely in an emergency situation, or to downholes tools and equipment get stuck or are prevented from passing the ball valve.

Et aktuatorstempel blir gjerne utsatt for høyt hydraulikk-trykk på den ene side, og fullt brønntrykk på den andre side. I tillegg vil temperaturforskjeller og/eller trykkforhold i brønnen, kunne føre til ulik utviding eller sammentrekning av bl.a. stempel og sylindervegger, noe som fører til at en spalteåpning mellom disse vil variere i størrelse. Slike forhold setter store krav til bl.a. stempelpakningers fysiske utforming, størrelse, antall og tetningsegenskaper. I praksis An actuator piston is often exposed to high hydraulic pressure on one side, and full well pressure on the other side. In addition, temperature differences and/or pressure conditions in the well could lead to different expansion or contraction of e.g. piston and cylinder walls, which means that a gap opening between these will vary in size. Such conditions place great demands on, among other things, piston seals' physical design, size, number and sealing properties. In practice

er det ofte vanskelig å oppfylle disse kravene, og man opp- it is often difficult to meet these requirements, and one

i lever derfor ofte lekkasjer, noe som bl.a. fører til at ventilens hydraulikkvæske forurenses. I en kuleventil av an- therefore there are often leaks in the liver, which i.a. causes the valve's hydraulic fluid to be contaminated. In a ball valve of an-

gjeldende art, blir kulens åpningsgrad vanligvis bestemt ved å måle mengde hydraulikkvæske anvendt til dreining av kulen. Hydrauliske lekkasjer vil derfor føre til at målingene gir en uriktig angivelse av kulens åpningsgrad. applicable species, the degree of opening of the ball is usually determined by measuring the amount of hydraulic fluid used to turn the ball. Hydraulic leaks will therefore cause the measurements to give an incorrect indication of the degree of opening of the ball.

Overføring av brønntrykk til ventilhuset og tilhørende aktuatoranordning, kan også føre til såkalt reversert brønn-trykk på aktuatoranordningens hydrauliske stempel(er). Trykk-variasjoner eller trykkpulser i brønnen vil derved kunne overføres til aktuatoranordnings hydrauliske stempel(er), forflytte dette/disse og derved påvirke ventilkulens åpningsgrad. Dette gjelder spesielt når det/de hydrauliske stempel kun er utsatt for hydrostatisk trykk fra aktuatoranordningens hydraulikkvæske. Transfer of well pressure to the valve housing and associated actuator device can also lead to so-called reversed well pressure on the hydraulic piston(s) of the actuator device. Pressure variations or pressure pulses in the well will thereby be able to be transferred to the actuator device's hydraulic piston(s), move this/these and thereby affect the degree of opening of the valve ball. This applies in particular when the hydraulic piston(s) is only exposed to hydrostatic pressure from the actuator device's hydraulic fluid.

Ovennevnte ulemper kan forårsake at kritiske situasjoner oppstår, og de resulterer ofte i et omfattende og kostbart ved-likeholdsarbeid . The above-mentioned disadvantages can cause critical situations to arise, and they often result in extensive and expensive maintenance work.

Formål med oppfinnelsen Purpose of the invention

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en anordning som, i forhold til kjent teknikk og ved et gitt brønntrykk, anvender et sterkt redusert dreiemoment for å oppnå tilfreds-stillende funksjon i en kuleventil. Derved reduseres, eventuelt elimineres, mange av ovennevnte ulemper ved kjent teknikk. The purpose of the invention is to provide a device which, in relation to known technology and at a given well pressure, uses a greatly reduced torque to achieve satisfactory function in a ball valve. Thereby, many of the above-mentioned disadvantages of known techniques are reduced or eliminated.

Hvordan formålet/ formålene oppnås How the purpose(s) are achieved

Formålet oppnås ved de trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og etterfølgende patentkrav. The purpose is achieved by the features indicated in the description below and subsequent patent claims.

Hovedproblemet ved kjente kuleventiler er, som nevnt, at høyt trykk fra brønnen overføres via ventilkulens akslinger i form av radiale, utoverrettede og stempelvirkende trykkrefter til respektive opplagringsanordninger i ventilhuset. I denne forbindelse anvendes derfor en stor del av aktuatoranordningens dreiemomentet til å overvinne friksjon i opplagrings-anordningene. The main problem with known ball valves is, as mentioned, that high pressure from the well is transmitted via the valve ball's shafts in the form of radial, outwardly directed and piston-acting pressure forces to respective storage devices in the valve housing. In this connection, a large part of the actuator device's torque is therefore used to overcome friction in the storage devices.

I følge oppfinnelsen søker man å unngå, eventuelt å sterkt redusere, nevnte trykkrefter ved at disse hovedsakelig over-føres til, og tas opp i, ventilkulen, idet dette er det sær-egne ved denne oppfinnelse. Dette oppnås ved at hver aksling, fortrinnsvis i den ende som er nærmest ventilens senterlinje, er forsynt med en fast tilordnet flens, ring eller plate som According to the invention, one seeks to avoid, or possibly to greatly reduce, said pressure forces by having these mainly transferred to, and taken up in, the valve ball, as this is the peculiarity of this invention. This is achieved by each shaft, preferably at the end closest to the valve's centreline, being provided with a permanently assigned flange, ring or plate which

rager tilstrekkelig utenfor akslingens omkrets, og som har en anleggsflate som ligger kraftoverførende an mot en komplementær anleggsflate eller sete utformet i kulens akselboring. I forhold til akslingens lengdeakse, er flensen, ringen eller platen vinkelrett og konsentrisk tilordnet denne. Trykkkref-tene påvirker hver aksling i like stor grad, men i innbyrdes protrudes sufficiently outside the circumference of the shaft, and which has a bearing surface which transmits power against a complementary bearing surface or seat designed in the ball's shaft bore. In relation to the shaft's longitudinal axis, the flange, ring or plate is perpendicular and concentrically assigned to it. The pressure forces affect each axle equally, but mutually

i motsatt retning, da hver aksling og tilhørende flens, ring eller plate er av ens utforming og dimensjon i forhold til den andre aksling, og hvor akslingene er konsentriske med hverandre. Derved blir trykkraften på den ene aksling ut-balansert med en tilsvarende, men motsatt rettet, trykkraft 5 på den andre aksling. Det forutsettes at ventilkulen utformes og dimensjoneres for å kunne ta opp disse kreftene. in the opposite direction, as each shaft and associated flange, ring or plate are of the same design and dimension in relation to the other shaft, and where the shafts are concentric with each other. Thereby, the pressure force on one axle is balanced by a corresponding, but oppositely directed, pressure force 5 on the other axle. It is assumed that the valve ball is designed and dimensioned to absorb these forces.

Ovennevnte arrangement forutsetter også separate og løse akslinger, og at disse føres inn i akselboringene etter at kulen The above arrangement also requires separate and loose axles, and that these are fed into the axle bores after the ball

er på plass i ventilen. For øvrig forutsetter oppfinnelsen is in place in the valve. Furthermore, the invention assumes

o anvendelse av akselopplagringer, høytrykkstetninger og en aktuatoranordning for å tilføre kulen og dens akslinger et o use of shaft bearings, high pressure seals and an actuator device to apply the ball and its shafts a

dreiemoment. Dette er nærmere beskrevet i nedenstående eksem-pel av én utførelsesform av oppfinnelsen. torque. This is described in more detail in the example below of one embodiment of the invention.

Ingen av de ovennevnte patentskrifter, det vil si GB A 2,056,565; US 5,085,401; US 5,167,283 og US 5,890,541, omhandler en ventilkuleaksling forsynt med en slik fast tilordnet flens, ring eller plate, og hvor flensen, ringen eller platen har en anleggsflate som ligger kraftoverførende an mot en komplementær anleggsflate eller sete utformet i ventilkulens akselboring. None of the above-mentioned patents, ie GB A 2,056,565; US 5,085,401; US 5,167,283 and US 5,890,541 deal with a valve ball shaft provided with such a fixedly assigned flange, ring or plate, and where the flange, ring or plate has a bearing surface which lies force-transmittingly against a complementary bearing surface or seat formed in the shaft bore of the valve ball.

Fordeler med oppfinnelsen Advantages of the invention

De fleste fordeler med oppfinnelsen fremgår av ovenstående tekst. I forhold til kjent teknikk, samt ved et gitt brønn-trykk, fører oppfinnelsen til at man kan anvende et sterkt redusert dreiemoment for å oppnå tilstrekkelig dreining av en ventilkule i en ventil som ovenfor beskrevet, idet utoverrettede og stempellignende trykkrefter som virker på kulens akslinger, ikke overføres til ventilhuset, men tas opp i ventilkulen. Det reduserte dreiemoment anvendes bl.a. til å overvinne friksjonskrefter som oppstår i akselopplagringene som følge av trykkdifferanser over kuleventilen, og hvor nevnte friksjonskrefter virker i ventilens og landings-strengens lengderetning. Dreiemomentet skal også overvinne friksjon mellom ventilens kule og seteringer. Most of the advantages of the invention appear from the above text. In relation to known technology, as well as at a given well pressure, the invention means that a greatly reduced torque can be used to achieve sufficient turning of a valve ball in a valve as described above, with outwardly directed and piston-like pressure forces acting on the ball's shafts , is not transferred to the valve housing, but taken up in the valve ball. The reduced torque is used i.a. to overcome frictional forces that arise in the axle bearings as a result of pressure differences across the ball valve, and where said frictional forces act in the longitudinal direction of the valve and the landing string. The torque must also overcome friction between the valve's ball and seat rings.

Oppfinnelsen fører også til at brønntrykk ikke overføres til ventilens aktuatoranordning, noe som forhindrer problemer med reversert brønntrykk, idet hydrostatisk trykk fra aktuatoranordningens hydraulikkvæske under normale omstendigheter er høyere enn det hydrostatisk trykk på motsatt side av aktuatoranordningens stempel. The invention also means that well pressure is not transferred to the valve's actuator device, which prevents problems with reversed well pressure, since the hydrostatic pressure from the actuator device's hydraulic fluid is under normal circumstances higher than the hydrostatic pressure on the opposite side of the actuator device's piston.

I et ventilhus forsynt med såkalte Scotch Yoke aktuatorer, jfr. påfølgende utførelseseksempel, og hvor man anvender ovennevnte kraftoverførende flens, ring eller plate, kan man eksempelvis redusere nødvendig hydraulisk aktuatortrykk ned mot 200 bar. I kjente kuleventiler må man, under de samme brønntrykksforhold, ofte anvende aktuatortrykk opp mot 700 bar. Redusert hydraulisk aktuatortrykk fører til færre og mindre lekkasjer i ventilens hydraulikksystem. På grunnlag av dette vil man i kuleventiler hvor kulens åpningsgrad bestem-mes ved måling av anvendt hydraulikkvæskemengde, oppnå en mer nøyaktig angivelse av kulens åpningsgrad enn ved anvendelse av høyere aktuatortrykk. In a valve housing fitted with so-called Scotch Yoke actuators, cf. following design example, and where the above-mentioned power-transmitting flange, ring or plate is used, the required hydraulic actuator pressure can for example be reduced to 200 bar. In known ball valves, under the same well pressure conditions, actuator pressures of up to 700 bar must often be used. Reduced hydraulic actuator pressure leads to fewer and smaller leaks in the valve's hydraulic system. On this basis, in ball valves where the degree of opening of the ball is determined by measuring the quantity of hydraulic fluid used, a more accurate indication of the degree of opening of the ball will be achieved than when using a higher actuator pressure.

Anvendelse av et sterkt redusert dreiemoment medfører bl.a. at ventilens hydraulikksystem og anordninger som kan relate-res til overføring av dreiemoment, kan dimensjoneres for be-tydelig mindre belastninger, og at slikt utstyr derved krever mindre plass, mindre vedlikehold og at det koster mindre. Det er også åpenbart at slikt utstyr kan tillegges ekstra moment-eller hydraulisk trykkapasitet uten å overskride fysiske utstyr sdimens joner anvendt i tilsvarende kjent utstyr. Application of a greatly reduced torque causes, among other things, that the valve's hydraulic system and devices that can be related to the transmission of torque can be dimensioned for considerably smaller loads, and that such equipment thereby requires less space, less maintenance and that it costs less. It is also obvious that such equipment can be added with extra torque or hydraulic pressure capacity without exceeding the physical equipment dimensions used in similar known equipment.

Et redusert dreiemoment vil også være en fordel i kuleventiler hvor det eventuelt ikke anvendes hydrauliske aktuatoranordninger. A reduced torque will also be an advantage in ball valves where hydraulic actuator devices are not used.

Anvendelse av oppfinnelsen kan således gjøre det mulig å be-nytte kjent teknikk i sammenhenger hvor det hittil ikke har vært mulig, eller hvor det har vært lite hensiktsmessig, å anvende slik teknikk, idet det kan tenkes at redusert dreiemoment er en forutsetning for å kunne anvende eksempelvis elektrisk drevne aktuatoranordninger eller andre typer momentoverføringsanordninger som hittil har vært uegnede el- Application of the invention can thus make it possible to use known technology in contexts where it has not been possible until now, or where it has not been appropriate, to use such technology, since it is conceivable that reduced torque is a prerequisite for being able to use, for example, electrically powered actuator devices or other types of torque transmission devices that have so far been unsuitable for electric

ler utilstrekkelige under ovennevnte forhold. are inadequate under the above conditions.

Kort omtale av tegningsfigurene Brief description of the drawing figures

Det vil i den etterfølgende del av beskrivelsen, og med hen-visning til figursettet, bli vist et utførelseseksempel av oppfinnelsen. Ett bestemt henvisningstall refererer seg til samme detalj i alle tegninger hvor denne detalj er angitt, og hvor: Fig. 1 viser et vertikalsnitt gjennom en åpen kuleventil hvor kuleventilens aktuatorer, pga. snittets beliggenhet, er skjult i ventilhuset bak akselboringen; Fig. 2 viser et omkretstverrsnitt av kuleventilen i åpen posisjon, og gjennom ventilkulens akselboringer, hvor venstre snitthalvdel viser en aksling og en aktuator anbragt i ventilen, og hvor høyre snitthalvdel viser boringer og utsparinger i ventilkulen og ventilhuset; Fig. 3 viser et delutsnitt av samme omkretstverrsnitt som vist i fig. 2, og hvor sammenstilling av akslingen med tilhø-rende kraftoverførende ring i ventilkulens akselboring er vist; og Fig. 4 viser et vertikalsnitt, sett fra ventilens side, gjennom en Scotch Yoke type aktuator i ventilhuset. In the subsequent part of the description, and with reference to the set of figures, an embodiment of the invention will be shown. A specific reference number refers to the same detail in all drawings where this detail is indicated, and where: Fig. 1 shows a vertical section through an open ball valve where the ball valve's actuators, due to the location of the cut is hidden in the valve housing behind the shaft bore; Fig. 2 shows a circumferential cross-section of the ball valve in the open position, and through the valve ball's shaft bores, where the left half of the section shows a shaft and an actuator placed in the valve, and where the right half of the section shows bores and recesses in the valve ball and the valve housing; Fig. 3 shows a partial section of the same circumferential cross-section as shown in fig. 2, and where assembly of the shaft with associated power transmitting ring in the valve ball's shaft bore is shown; and Fig. 4 shows a vertical section, seen from the valve side, through a Scotch Yoke type actuator in the valve housing.

Beskrivelse av et utførelseseksempel Description of an embodiment example

Figur 1 viser en kjent oppbygging av en kuleventil 8. Ventilen 8 består av et ytre, rørformet ventilhus 10 som, i hver ende, er forsynt med en holder 12 for en ventilsetering 14. Videre er hver holder 12 i ventilens ende, forsynt med et gjenget parti 16 for sammenkobling med koaksiale rør. Holderen 12 består utvendig av et omkretsgjenget parti 18 som skrus inn i et korresponderende innvendig gjenget parti 20 i ventilhuset 10. Innvendig i ventilen 8 ligger hver holder 12 fjærende an mot, og holder på plass, en ventilsetering 14. Kuleventilen 8 er forsynt med to motsatt rettede ventil-seteringer 14 som, hver for seg, ligger an mot yttersiden av en sentralt anbragt ventilkule 22. Ventilkulen 22 har et gjennomgående løp 24 for gjennomføring av brønnutstyr til bruk ved eksempelvis testing og komplettering av en brønn. For å kunne åpne eller stenge ventilen 8, har hver side av kulen 22 og ventilhuset 10 en gjennomgående akselboring 26. De motstående akselboringer 26 er konsentrisk og diametrisk plassert i forhold til hverandre. Hver ventilsetering 14 er i anleggsflaten mot holderen 12, forsynt med en serie av forspenningsfjærer 28 som sikrer kontakt og tetning mellom kulen 22 og ventilseteringene 14. I lukket og i oppstrøms trykksatt tilstand, kan ventilen 8 bli utsatt for relative lengdeaksielle bevegelser mellom kulen 22 og ventilseteringene 14 og dertil tilhørende lekkasjer, noe som blir kom-pensert for ved hjelp av nevnte arrangement med forspenningsfjærer 28. For øvrig er holderen 12 forsynt med flere trykk-tettende pakninger 30. Figure 1 shows a known structure of a ball valve 8. The valve 8 consists of an outer, tubular valve housing 10 which, at each end, is provided with a holder 12 for a valve seat 14. Furthermore, each holder 12 at the end of the valve is provided with a threaded part 16 for connection with coaxial pipes. The holder 12 consists externally of a circumferentially threaded part 18 which is screwed into a corresponding internally threaded part 20 in the valve housing 10. Inside the valve 8, each holder 12 rests resiliently against, and holds in place, a valve seat 14. The ball valve 8 is provided with two oppositely directed valve seat rings 14 which, individually, abut against the outside of a centrally placed valve ball 22. The valve ball 22 has a continuous run 24 for the passage of well equipment for use when, for example, testing and completing a well. In order to be able to open or close the valve 8, each side of the ball 22 and the valve housing 10 has a continuous shaft bore 26. The opposite shaft bores 26 are concentrically and diametrically placed in relation to each other. Each valve seat ring 14 is, in the contact surface against the holder 12, provided with a series of bias springs 28 which ensure contact and sealing between the ball 22 and the valve seat rings 14. In the closed and upstream pressurized state, the valve 8 can be subjected to relative longitudinal axial movements between the ball 22 and the valve seat rings 14 and associated leaks, which is compensated for by means of the aforementioned arrangement with bias springs 28. Furthermore, the holder 12 is provided with several pressure-sealing gaskets 30.

Figur 2 viser akslingene 32 forsynt med aksielle glidelister 34 og glidespor 36 (splines) som griper inn i korresponderende glidespor 38 og glidelister 40 i både ventilkulens akselboring 26 og i aktuatoren 41 i ventilhuset 10. Akselboringen 26 er, i endepartiet nærmest kulen 22 sin senterlinje, utvidet slik at det fremstår en anleggsflate 42 like foran glidesporene 38 og glidelistene 40. Hver aksling 32 er i dette akselboringsområde påfestet, eksempelvis ved maski-nering eller påsveising, en flenslignende ring 44 som rager utenfor diameteren av akslingen 32 sine glidelister 34 og glidespor 36. Derved fremskaffes en anleggsflate 46 som etter sammenstilling, ligger an mot anleggsflaten 42. Ved brønn-trykk blir akslingene (32) påført utoverrettede og stempellignende trykkrefter som via ringen (44), tas opp i ventilkulen (22), og som således ikke overføres til ventilhuset 10 sine opplagringsanordninger og forårsaker stor friksjon og slitasje i disse. Ringen 44 kan eksempelvis laser- eller elektronsveises på akslingen 32 etter at denne er tilvirket med glidelistene 34 og glidesporene 36. Figure 2 shows the shafts 32 provided with axial sliding strips 34 and sliding grooves 36 (splines) which engage in corresponding sliding grooves 38 and sliding strips 40 in both the valve ball's shaft bore 26 and in the actuator 41 in the valve housing 10. The shaft bore 26 is, in the end part closest to the ball 22's center line , expanded so that a contact surface 42 appears just in front of the sliding grooves 38 and the sliding strips 40. Each shaft 32 is attached in this shaft bore area, for example by machining or welding, a flange-like ring 44 which projects outside the diameter of the sliding strips 34 and sliding strips of the shaft 32 36. Thereby, a contact surface 46 is provided which, after assembly, rests against the contact surface 42. In case of well pressure, the shafts (32) are subjected to outwardly directed and piston-like pressure forces which, via the ring (44), are taken up in the valve ball (22), and which thus do not is transferred to the valve housing 10's storage devices and causes great friction and wear in these. The ring 44 can, for example, be laser or electron welded to the shaft 32 after it has been manufactured with the sliding strips 34 and the sliding grooves 36.

Figur 2 og 4 viser Scotch Yoke aktuatorer 41 innebygd i ventilhuset 10. For hver aksling 32 er ventilhuset 10 forsynt med to aksielle aktuatorboringer 4 8 som forløper parallelt med ventilhuset 10 sin lengdeakse. Hver aktuatorboring 4 8 er forsynt med to hydrauliske sylindre 50, én i hver ende av bo-ringen 48, og hvor sylindrene 50 er forbundet ved hjelp av en i tverrsnitt rektangulær stempelstang 52 forsynt med et hydraulisk stempel 54 i hver ende. Hver ende er i tillegg forsynt med et endestykke 56 med en gjenget åpning 58 for til-førsel/uttak av hydraulisk væske. Akslingen 32 er plassert sentralt mellom, og vinkelrett på, to samvirkende stempel-stenger 52. Videre er hver aksling 32, ved hjelp av nevnte glidelister 34 og 38 og glidespor 36 og 40, festet til en hylse 60 som er forsynt med to parallelle og flenslignende aktuatorskiver 62 og 62' av ens diameter som rager radialt ut fra nevnte hylse 60. I forhold til akslingen 32 sin lengdeakse, festes den i tverrsnitt rektangulære stempelstang 52 eksentrisk mellom aktuatorskivene 62 og 62', hvorved aktuatoren 41 tildeles en momentarm å overføre de hydrauliske kreftene på. Stempelstangen 52 festes mellom aktuatorskivene 62 og 62' ved hjelp av en gjennomgående momentoverføringstapp 64 som ved aktivering av aktuatorene 41, kan forflytte seg i en radial glidesko 66 i hver av skivene 62 og 62'. Hver momentoverføringstapp 64 er i glideskoen 66 forsynt med en omgivende bøssing 68 eller lignende. Aktuatoren 41 er for øv-rig forsynt med en utvendig dekkplate 70 med tilhørende aksiallager 72. Akslingene 32 er i ventilhuset 10 forsynt med hovedlager 74 og tilhørende høytrykkspakning(er) 76. Figures 2 and 4 show Scotch Yoke actuators 41 built into the valve housing 10. For each shaft 32, the valve housing 10 is provided with two axial actuator bores 4 8 which run parallel to the valve housing 10's longitudinal axis. Each actuator bore 4 8 is provided with two hydraulic cylinders 50, one at each end of the bore ring 48, and where the cylinders 50 are connected by means of a cross-section rectangular piston rod 52 provided with a hydraulic piston 54 at each end. Each end is additionally provided with an end piece 56 with a threaded opening 58 for the supply/extraction of hydraulic fluid. The shaft 32 is placed centrally between, and perpendicular to, two cooperating piston rods 52. Furthermore, each shaft 32, with the help of said sliding strips 34 and 38 and sliding tracks 36 and 40, is attached to a sleeve 60 which is provided with two parallel and flange-like actuator discs 62 and 62' of the same diameter projecting radially from said sleeve 60. Relative to the shaft 32's longitudinal axis, the cross-section rectangular piston rod 52 is eccentrically fixed between the actuator discs 62 and 62', whereby the actuator 41 is assigned a torque arm to transmit the hydraulic forces on. The piston rod 52 is fixed between the actuator disks 62 and 62' by means of a through torque transmission pin 64 which, when the actuators 41 are activated, can move in a radial sliding shoe 66 in each of the disks 62 and 62'. Each torque transmission pin 64 is provided in the sliding shoe 66 with a surrounding bushing 68 or the like. The actuator 41 is also provided with an external cover plate 70 with an associated axial bearing 72. The shafts 32 are provided in the valve housing 10 with a main bearing 74 and associated high-pressure seal(s) 76.

Kuleventilen 8 åpnes eller stenges ved at aktuatoren 41, på hver side av ventilkulen 22, tilføres hydraulisk trykk som driver samvirkende stempler 54 slik at kulen 22, via skivene 62 og 62' og akslingene 32, tilføres et nødvendig dreiemoment. Aktuatorskiven 62 er for øvrig forsynt med en om-kretsutsparing 78 med anleggsflater 80 som ved fullført dreining, ligger an mot en stoppanordning 82 som begrenser skivene 62 og 62', samt ventilkulen 22, sin(e) vinkel-dreining(er) til fortrinnsvis 90°. The ball valve 8 is opened or closed when the actuator 41, on each side of the valve ball 22, is supplied with hydraulic pressure that drives cooperating pistons 54 so that the ball 22, via the discs 62 and 62' and the shafts 32, is supplied with a necessary torque. The actuator disk 62 is also provided with a peripheral recess 78 with contact surfaces 80 which, when the rotation is complete, rests against a stop device 82 which limits the disks 62 and 62', as well as the valve ball 22, its angular rotation(s) to preferably 90°.

Som beskrevet i dette utførelseseksempel, forløper hver av ventilen 8 sine akslinger 32 ut til en aktuatoranordning i ventilhuset 10 sin ytterside, slik at aktuatoranordningen og akslingene 32 sine ender er lett tilgjengelige og kan synlig-gjøres. Akslingen(e) 32 og aktuatorskiven(e) 62 kan derved eksempelvis tilordnes en på tegningsfigurene ikke angitt posisjoneringsanordning som lett kan synliggjøres fra ventilen 8 sin ytterside. Posisjoneringsanordningen vil til en-hver tid nøyaktig angi akslingene 32, og derved ventilkulen 22, sin(e) åpningsgrad(er). Ved testing eller nedihulls ope-rasjon av ventilen 8, vil man derfor lett kunne sjekke ventilkulen 22 sin åpningsgrad, samt i tillegg å kunne inspisere aktuatoranordningen. As described in this design example, the shafts 32 of each of the valve 8 extend to an actuator device in the valve housing 10 on its outside, so that the ends of the actuator device and the shafts 32 are easily accessible and can be made visible. The shaft(s) 32 and the actuator disk(s) 62 can thereby be assigned, for example, a positioning device not shown in the drawings which can be easily made visible from the outside of the valve 8. The positioning device will at any time accurately indicate the shafts 32, and thereby the valve ball 22, its degree(s) of opening. During testing or downhole operation of the valve 8, one will therefore easily be able to check the degree of opening of the valve ball 22, as well as also being able to inspect the actuator device.

Claims

1. Device with a ball valve (8) of the kind that is preferably used in a high-pressure pipe connection where the ball valve (8) is provided with one or more actuators (41) in a valve housing (10), where the actuator(s) (41) supply a valve ball (22) and its shafts (32) a torque that opens or closes the ball valve (8), and where the actuator(s) (41) is activated preferably hydraulically by supplying hydraulic fluid through associated pipes and connections, characterized in that each shaft (32) is provided with an inner ring (44), flange or plate for the ball (22), and where the ring (44), flange or plate is designed with a contact surface (46) which rests against a complementary contact surface (42 ) or seat designed in the ball (22)'s shaft bore (26).

2. Device according to claim 1, characterized in that the ring (44), flange or plate in relation to the longitudinal axis of the shaft (32) is perpendicular and concentrically assigned to the shaft (32).

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the ring (44), the flange or the plate is force-transmittingly placed against the contact surface (42) or the seat which is formed in the ball (22)'s shaft bore (26).

4. Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the outer diameter or outer dimensions of the ring (44), the flange or the plate protrudes beyond the corresponding dimensions of the shaft (32)'s sliding strips (34) or a similar fastening device.

5. Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the ring (44), the flange or the plate is preferably assigned to the end of the shaft (32) closest to the center line of the ball (22).