NO340035B1 - Tetningssammenstilling - Google Patents

Description

Tetningssammenstilling

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en tetningssammenstilling som er innrettet til å tette ringrommet mellom to koaksialt anordnete rørformete elementer. Særlig er tetningssammenstillingen innrettet til å tilveiebringe fullstendig tetningsfunksjon for et trykkfall over tetningssammenstillingen i en første retning, men å gi etter ved et trykkfall av en viss verdi i en andre retning, der den første og andre retningen er motsatte retninger. Tetningssammenstillingen i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen fungerer således som en ring-formet tilbakeslagsventil.

Bakgrunn

Spesielt innenfor feltet havbunnsbrønner og utstyr tilknyttet havbunns hydrokarbonproduksjon er det kjent et stort antall tetninger som er innrettet til å tette i ringrommet mellom rørformete metallelementer. I slike havbunnsbrønner kan det være store trykk til stede, slik som fra brønnen selv (brønntrykk) og omgivende trykk på grunn av store havdyp.

Patentsøknadspublikasjon GB2434607 beskriver en ringromstetning som er innrettet til å ta en radiell indre posisjon i hvilken den ikke tetter, og en radiell ytre posisjon i hvilken den tetter mot den indre flaten til et rørformet element. I tetningsposisjonen er den ringformete tetningen forspent radielt utover ved hjelp av radialt virkende fjærer som presser tetninger utover.

US4702481 beskriver en brønnhodepakning med en undulert metalltetning i form av en ring. Metalltetningen har påført et elastomermateriale. Tetningen blir aksialt komprimert mellom en mutter og en aktueringsskulder, slik at tetningen utvider seg i radiell retning. Dersom den radiale avstanden mellom den indre og ytre veggen øker, vil imidlertid ikke tetningen følge etter, og den vil således kunne lekke.

US2011174506 viser en ringromstetning for et brønnhode. Tetningen er innrettet til å øke sin dimensjon i radial retning når den komprimeres i aksial retning.

Oppfinnelsen

I samsvar med oppfinnelsen er det tilveiebrakt en tetningssammenstilling som er innrettet til å tette et ringrom mellom et indre rørformet element og et ytre rørformet element av utstyr tilknyttet havbunns hydrokarbonsproduksjon. Tetningssammenstillingen omfatter en tetning som er anordnet i ringrommet og en aktiveringssammenstilling som er anordnet på en aksial side av tetningen. Aktiveringssammenstillingen er aksialt bevegelig på en slik måte at den aktiverer tetningen til en aktivert modus når den beveger seg mot den, og at tetningen beveger seg tilbake til en deaktivert modus når aktiveringssammenstillingen beveger seg aksialt vekk fra den. I samsvar med oppfinnelsen omfatter det indre eller ytre rørformete elementet en skråstilt skulder. Tetningen omfatter en skråstilt glideflate som støter mot den skråstilte skulderen når tetningssammenstillingen er i aktivert modus. Videre, en fjærsammenstilling er anordnet mellom tetningen og aktiveringssammenstillingen.

I en foretrukket utførelsesform er fjærsammenstillingen aksialt komprimerbar når tetningssammenstillingen er i den aktiverte modusen. Det vil si, fjærsammenstillingen kan fortsatt bli komprimert ytterligere i den aksiale retningen når i den aktiverte og tettende modusen. Dette vil typisk inntreffe når et trykk på den motsatte siden av tetningen, i forhold til siden til fjærsammenstillingen, er så stort at den resulterende kraften på tetningen fra trykket vil presse tetningen i den aksiale retningen og således komprimere fjærsammenstillingen ytterligere. Dersom dette skjer vil det oppstå en fluidvei forbi tetningen.

Fjærsammenstillingen, anordnet mellom aktiveringssammenstillingen og tetningen, overfører aksial kraft fra aktiveringssammenstillingen til tetningen. Følgelig behøver fjærsammenstillingen ikke å bli komprimert for å overføre disse kreftene. Graden av kompresjon vil avhenge av stivhet til fjærsammenstillingen og den overførte aksiale kraften.

Som nevnt, når i aktivert modus kan fjærsammenstillingen være komprimerbar ved bevegelse av tetningen mot fjærsammenstillingen i en slik grad at det tilveiebringes en fluidbane forbi tetningen. Dette vil typisk også inntreffe når overskytende trykk finnes på den siden av tetningen som er motsatt av fjærsammenstillingen. Eller mer presist når et overskytende trykkfall er til stede over tetningssammenstillingen. Kraften fra dette trykket vil bevege tetningen mot og komprimere tetningssammenstillingen, og således la fluidet strømme forbi tetningen. Når tetningen blir beveget vil den gli langs den vinklete skulderen. Spenning i tetningen vil forsøke å endre diameteren til tetningen mot den originale diameteren, det vil si mot diameteren til tetningen når tetningen er i den deaktiverte modusen.

Fjærsammenstillingen kan fordelaktig omfatte en bølgefjær anordnet mellom et øvre kraftdistribusjonselement og et nedre kraftdistribusjonselement. Slike kraftdistribusjonselementer kan være metallringer.

Aktiveringssammenstillingen kan omfatte et flertall aktiveringshoder som er innrettet til å påføre aksial kraft på fjærsammenstillingen. Aktiveringshodene kan være distribuert langs utstrekningen til det øvre kraftdistribusjonselementet.

Det skal bemerkes at begrepet øvre og nedre (kraftdistribusjonselementer) er ment å angi at kraftdistribusjonselementene er på respektive sider av bølge-fjæren. Følgelig, de skal ikke strengt forstås til å være over og under, som i en vertikal stabel. Tetningssammenstillingen i samsvar med oppfinnelsen kan absolutt ha en horisontal eller skråstilt orientering.

Den vinklete skulderen kan fordelaktig være en del av det indre rørformete elementet og når i deaktivert modus kan den vinklete skulderen strekke seg forbi utstrekningen til tetningen i den radielle retningen.

I enda en utførelsesform omfatter det indre rørformete elementet en radielt ytre flatedel som, når tetningssammenstillingen er i den deaktiverte modusen, strekker seg radielt forbi den ytre delen til tetningen. I denne utførelsesformen, når i aktivert modus, strekker den radielt ytre delen til tetningen seg forbi den radielt ytre flatedelen.

Tetningen kan omfatte en første hoveddel og en andre hoveddel, hvorved materialet i den første hoveddelen er mykere enn materialet i den andre hoveddelen og hvorved den første hoveddelen er anordnet aksialt nærmere fjærsammenstillingen enn den andre hoveddelen.

Eksempel på utførelsesform

Idet oppfinnelsen er blitt beskrevet generelt ovenfor vil et mer detaljert eksempel på utførelsesform bli beskrevet nedenfor med henvisning til tegningene, i hvilke

Fig. 1 er et tverrsnittperspektivriss av en innvendig ventiltrehette som er

forsynt med en tetningssammenstilling i samsvar med oppfinnelsen;

Fig. 2 er et prinsippriss av tetningssammenstillingen i samsvar med oppfin nelsen i en deaktivert modus; Fig. 3 er et prinsippriss tilvarende Fig. 2, dog i en aktivert modus; Fig. 4 er enda et prinsippriss tilsvarende Fig. 3, dog hvorved tetningen blir

presset av et trykk til å åpne en fluidbane forbi tetningen;

Fig. 5 er en prinsipptegning tilsvarende Fig. 2, dog hvorved tetningen er

anordnet på den indre flaten til et ytre rørformet element;

Fig. 6 er et forstørret perspektivriss til en del av tetningssammenstillingen og

den innvendige ventiltrehetten;

Fig. 7 er et forstørret perspektivriss tilsvarende Fig. 6, som imidlertid viser

tetningssammenstillingen i en aktivert modus, slik som i Fig. 1;

Fig. 8 er et forstørret tverrsnittsriss gjennom tetningssammenstillingen, og viser tetningssammenstillingen i en deaktivert modus;

Fig. 9 er et forstørret tverrsnittsriss gjennom tetningssammenstillingen, og

viser tetningssammenstillingen i en aktivert modus; og

Fig. 10 er et prinsipp tverrsnittsriss gjennom et segment av tetningen.

Fig. 1 er et tverrsnittsriss av en innvendig ventiltrehette (ITC) 1 som er innrettet til å bli låst inne i rørstussen (spool) til et havbunns ventiltre (ikke vist i Fig. 1). ITC-en 1 omfatter et flertall bevegelige komponenter som har forskjellige funk-sjoner slik som en låsering for å låse ITC-en 1 til ventiltreet og en metalltetning innrettet til å tette mellom ITC-en 1 og den indre boringen til ventiltrerørstussen. Disse funksjonene vil dog ikke bli beskrevet heri.

På sin ytre flate er ITC-en 1 forsynt med en tetning 50 som er innrettet til å tette mot den indre flaten til ventiltrerørstussen. Tetningen 50 fremviser tetningsflater som er laget av ikke-metallmaterialer. Den prinsipielle funksjonen til tetningen 50 vil bli beskrevet i det følgende med henvisning til Fig. 2 til Fig. 5.

Fig. 2 viser et prinsippriss av tetningssammenstillingen i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Tetningen 50 er del av tetningssammenstillingen og er anordnet i ringrommet 19 mellom et indre rørformet element 5 (slik som ITC-en 1 vist i Fig. 1) og et ytre rørformet element 7 (slik som ventiltreet omtalt ovenfor). Fig. 2 viser tetningssammenstillingen i en deaktivert tilstand, hvorved fluid kan strømme forbi tetningen 50 i den aksiale retningen. Aksialt over tetningen 50 er en aktiveringssammenstilling 70. Aktiveringssammenstillingen 70 er innrettet til å bevege seg aksialt i begge aksiale retninger, og således påføre en aksial kraft på tetningen og å fjerne slik kraft.

Mellom aktiveringssammenstillingen 70 og tetningen 50 er det anordnet en fjærsammenstilling 60. Når aktiveringssammenstillingen 70 blir beveget aksialt mot tetningen 50, overfører fjærsammenstillingen 60 kraft på tetningen 50. Fjærsammenstillingen 60 fremviser tilstrekkelig stivhet slik at tetningen 50 blir beveget langs en vinklet skulder 51 på det indre rørformete elementet 5. Under denne aktiveringen av tetningen 50 kan fjærsammenstillingen 60 bli komprimert 1 noen grad, dog ikke fullstendig komprimert. Tetningen 50 fremviser en glideflate 52 som støter mot den konete formen til den vinklete skulderen 51.

Fig. 3 viser tetningssammenstillingen i en aktivert modus. I denne modusen har fjærsammenstillingen 60 presset tetningen 50 inn i tetningsinngrep med den indre flaten til det ytre rørformete elementet 7 og med den ytre flaten til det indre rørformete elementet 5. Som kan forstås ved sammenligning med skissen i Fig. 2 har tetningen beveget seg både aksialt og radielt, som angitt med den bøyde pilen tegnet på tetningen 50. Ettersom tetningen 50 har formen til en ring, er dens diameter og omkrets blitt endret. Tetningen 50 vist i dette eksemplet er innrettet til å gli på en vinklet skulder 51 og omkretsen til tetningen 50 vil øke når den blir beveget inn i aktivert modus (Fig. 3). I andre utførelsesformer kan tetningen 50 være laget for å oppnå en mindre omkrets når den blir presset inn i aktivert modus (jf. Fig. 5).

Det henvises fortsatt til Fig. 3, ettersom omkretsen til den ringformete tetningen 50 er blitt øket, eksisterer det en strekkspenning i tetningen 50. Som et resultat, dersom kraft fra fjærsammenstillingen 60 blir fjernet, vil tetningen 50 bevege seg tilbake langs den vinklete skulderen 51 av seg selv, mot den deaktiverte modusen. Fig. 4 viser de samme delene som Fig. 2 og Fig. 3 i en prinsippskisse. I denne situasjonen er aktiveringssammenstillingen 70 i den samme posisjonen som i Fig. 3, følgelig i en aktivert modus-posisjon. Fig. 4 illustrerer hvordan et trykk på siden av tetningen 50 som er motsatt i forhold til fjærsammenstillingen 60 presser tetningen 50 tilbake mot fjærsammenstillingen 60. Med andre ord beveger trykket tetningen 50 langs den vinklete skulderen 51 og tilveiebringer således en fluidbane forbi tetningen 50. Fjærsammenstillingen 60 fremviser således tilstrekkelig stivhet til å aktivere tetningen 50 til aktivert modus, dog også tilstrekkelig ettergivenhet til å la trykk over en terskelverdi bevege tetningen 50

slik at nevnte fluidbane tilveiebringes.

Som vil forstås av en fagmann på området vil et fluidtrykk på den samme siden av tetningen 50 som fjærsammenstillingen 60 øke tetningskontakten mellom tetningen 50 og flatene til det indre og ytre rørformete elementet (7, 5). Fig. 5 illustrerer en utførelsesform tilsvarende den vist i Fig. 2 til Fig. 4, dog hvorved tetningen er anordnet på et ytre rørformet element, støtende mot en vinklet skulder som er del av det ytre rørformete elementet. I denne utførelses-formen vil omkretsen til tetningen bli redusert når den blir beveget langs den vinklete skulderen mot en aktivert tilstand. Fig. 6 illustrerer en realistisk utførelsesform av den forliggende oppfinnelsen med et tverrsnittperspektivriss, og viser en del av risset av ITC-en vist i Fig. 1, dog i en deaktivert tilstand. I denne utførelsesformen omfatter fjærsammenstillingen 60 en bølgefjær62 anordnet mellom en øvre kraftdistribusjonsring 61 og en nedre kraftdistribusjonsring 63. Bølgefjæren 62 er et langstrakt metall-element som omringer det indre rørformete elementet 5 to ganger. Til forskjell fra den øvre distribusjonsringen 61 og den nedre distribusjonsringen 63 som hver strekker seg langs ett plan, fremviser bølgefjæren 62 et flertall bølge-former. Ved kompresjon blir bølgeformene til bølgefjæren 62 bøyet mot en rettere form. Denne funksjonen av en bølgefjær er kjent for fagmannen på området og behøver ikke å bli beskrevet i detalj heri. Antallet runder av bølgefjæren kan også være én eller flere enn to.

For å påføre kraft på tetningen 50 via fjærsammenstillingen 60 er aktiveringssammenstillingen 70 anordnet på den motsatte siden av fjærsammenstillingen 60 i forhold til tetningen 50. I denne utførelsesformen omfatter aktiveringssammenstillingen 70 et flertall aktiveringshoder, her i form av bolthoder 71, som er festet til en aksialt bevegelig aktiveringshylse 73. Bolthodene 71 er distribuert om omkretsen til det indre rørformete elementet 5 (ITC 1) og er innrettet til å støte mot den øvre kraftdistribusjonsringen 61 når aktiveringshylsen 73 blir beveget mot den aktiverte modusen (det vil si nedover i Fig. 6).

Fig. 7 er et riss tilsvarende risset i Fig. 6, dog med tetningssammenstillingen i den aktiverte modusen (det ytre rørformete elementet er ikke vist i Fig. 6 og Fig. 7 av illustrasjonsformål). Som kan ses av Fig. 7, bolthodene 71 til aktiveringssammenstillingen har presset den øvre distribusjonsringen 61 en aksial avstand mot tetningen 50. Som et resultat er fjærsammenstillingen 60, eller mer presist bølgefjæren 62, blitt komprimert og tetningen 50 har beveget seg delvis aksialt og delvis radielt langs den vinklete skulderen 51. Det skal bemerkes at fjærsammenstillingen 60 ikke er blitt fullstendig komprimert, det vil si at den fortsatt kan komprimeres ytterligere. Dette gjør det mulig for et overskytende trykk å bevege tetningen 50 tilbake langs den vinklete skulderen 51 og således å komprimere tetningssammenstillingen 60 ytterligere og å tilveiebringe en fluidbane forbi tetningen 50.

Fig. 8 og Fig. 9 er forstørrete tverrsnittsriss gjennom tetningssammenstillingen i den deaktiverte modusen og den aktiverte modusen, henholdsvis, og tilsvarer følgelig situasjonene vist i Fig. 6 og Fig. 7. De viste komponentene til tetningssammenstillingen i samsvar med oppfinnelsen er beskrevet ovenfor med henvisning til de foregående figurene.

Det henvises fortsatt til Fig. 8 og Fig. 9. Det indre rørformete elementet 5, på den ytre flate av hvilket tetningen 50 er anordnet, har en radielt ytre flatedel 59. Når tetningen 50 er i den deaktiverte modusen, som vist i Fig. 8, er den radielt ytre delen til tetningen 50 posisjonert radielt innenfor den radielle posisjonen til den radielt ytre flatedelen 59. Videre, når tetningen 50 er i den aktiverte modusen er den radielt ytre delen til tetningen 50 posisjonert radielt utenfor den radielle posisjonen til den radielt ytre flatedelen 59. Den radielt ytre flatedelen 59 kan fordelaktig være anordnet tilstøtende den radielt ytre delen til den vinklete skulderen 51.

Fig. 10 er et prinsipp tverrsnittsriss gjennom et segment av tetningen 50. I denne utførelsesformen omfatter den ringformete tetningen 50 to hoveddeler som er av forskjellige materiale. Tverrsnittet her en hovedsakelig kileformet form. En første hoveddel 55, som er delen nærmest fjærsammenstillingen 60, omfatter et mykt materiale som er innrettet til å tilveiebringe tetningsinngrep med de motstående flatene til det indre rørformete elementet 5 og det ytre rør-formete elementet 7. En andre hoveddel 57 er festet til den første hoveddelen 55 og er anordnet aksialt på den andre siden av den første hoveddelen 55 i forhold til fjærsammenstillingen 60. Den andre hoveddelen 57 omfatter et hardt materiale som tilveiebringer en viss stivhet i den ringformete tetningen 50. Det vil si, materialet i den andre hoveddelen 57 er tilstrekkelig stivt slik at når det blir elastisk deformert, ved bevegelse langs den vinklete skulderen 51, vil det sikre at tetningen 50 beveger seg tilbake til den deaktiverte modusen ved tilbake-trekking av aktiveringssammenstillingen 70.

Videre, materialet i den andre hoveddelen 57 forhindrer at det skjer ekstruder-ing av tetningen 50 når den blir presset inn i kløften mellom det indre og ytre rørformete elementet 5, 7.

Med begrepene «mykt materiale» og «hardt materiale» er det ment heri at materialet i den første hoveddelen 55 er mykere enn materialet i den andre hoveddelen 57. Et hensiktsmessig eksempel på et materiale i den første hoveddelen er gummi. Et eksempel på en hensiktsmessig gummi er en hydrert versjon av nitrilgummi (HNBR). Et eksempel på et hensiktsmessig materiale i den andre hoveddelen er en termoplast, slik som PEEK-plast (polyetereter-keton). Den myke gummien ville da tilveiebringe tetningsinngrepet med de motstøtende flatene, mens PEEK-plasten ville forhindre tetningen 50 fra å bli ekstrudert og tilveiebringe at tetningen 50 beveger seg tilbake mot sin form i den deaktiverte modusen (jf. Fig. 6 og Fig. 8).

Som et hardt materiale i den andre hoveddelen 57 kunne man også anvendt metall, for eksempel som en metall splittring.

Ved bruk av et gummimateriale i den første hoveddelen 55 har tester vist at ved deaktivering av tetningssammenstillingen, vil en gummiring som ikke er festet til den andre hoveddelen 57 behøve noe tid før den trekker seg sammen til en redusert omkrets. Følgelig, ved bruk av gummi eller tilsvarende materialer med slik egenskap, bør den første hoveddelen 55 fortrinnsvis være festet til den andre hoveddelen 57. Dog, dersom et mykt materiale anvendt i den første hoveddelen 55 er av en type som vil trekke seg sammen av seg selv, kan man også anvende en tetning 50 omfattende en første hoveddel 55 som ikke er festet til den andre hoveddelen 57. I et slik tilfelle ville den andre hoveddelen 57 skyve den første hoveddelen 55 i den aksiale retningen, men den første hoveddelen 55 ville trekke sammen sin omkrets av seg selv.

Claims (9)

1. Tetningssammenstilling innrettet til å tette et ringrom mellom et indre rørformet element (5) og et ytre rørformet element (7) av utstyr tilknyttet havbunns hydrokarbonproduksjon, omfattende en tetning (50) anordnet i ringrommet (19) og en aktiveringssammenstilling (70) anordnet på en aksial side av tetningen (50), aktiveringsanordningen (70) er aksialt bevegelig på en slik måte at den aktiverer tetningen (50) til en aktivert modus ved bevegelse mot den og hvorved tetningen (50) er innrettet til å bevege seg til en deaktivert modus når aktiveringssammenstillingen (70) beveger seg vekk fra den,karakterisert vedat - det indre eller ytre rørformete elementet (5, 7) omfatter en skråstilt skulder (51); - tetningen (50) omfatter en skråstilt glideflate (52) som støter mot den skråstilte skulderen (51) når tetningssammenstillingen er i aktivert modus; og at - en fjærsammenstilling (60) er anordnet mellom tetningen (50) og aktiveringssammenstillingen (70).

2. Tetningssammenstilling i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat fjærsammenstillingen (60) er aksialt komprimerbar når tetningssammenstillingen er i den aktiverte modusen.

3. Tetningssammenstilling i samsvar med patentkrav 1 eller 2,karakterisert vedat tetningen (50) er innrettet til å bevege seg i en aksial retning vekk fra aktiverings-sammenstilingen (70) ved øking av den radiale utstrekningen til ringrommet (19).

4. Tetningssammenstilling i samsvar med patentkrav 2 eller 3,karakterisert vedat i den aktiverte modusen er fjærsammenstillingen (60) komprimerbar av bevegelse av tetningen (50) mot fjærsammenstillingen (60) til en slik grad at en fluidbane blir tilveiebrakt forbi tetningen (50).

5. Tetningssammenstilling i samsvar med et av de foregående patentkravene,karakterisert vedat fjærsammenstillingen (60) omfatter en bølgefjær (62) som er anordnet mellom et øvre kraftdistribusjonselement (61) og et nedre kraftdistribusjonselement (63).

6. Tetningssammenstilling i samsvar med et av de foregående patentkravene,karakterisert vedat aktiveringssammenstillingen (70) omfatter et flertall aktiveringshoder (71) innrettet til å påføre aksial kraft på fjærsammenstillingen (60).

7. Tetningssammenstilling i samsvar med et av de foregående patentkravene,karakterisert vedat den vinklete skulderen (51) er del av det indre rørformete elementet (5) og at når i deaktivert modus strekker den vinklete skulderen (51) seg forbi utstrekningen av tetningen (50) i den radielle retningen.

8. Tetningssammenstilling i samsvar med et av de foregående patentkravene,karakterisert vedat det indre rørformete elementet (5) omfatter en radielt ytre flatedel (59) som, når tetningssammenstillingen er i den deaktiverte modusen, strekker seg radielt utenfor den radielt ytre delen til tetningen (50), hvorved når i den aktiverte modusen den radielt ytre delen til tetningen (50) strekker seg forbi den radielt ytre flatedelen (59).

9. Tetningssammenstilling i samsvar med et av de foregående patentkravene,karakterisert vedat tetningen (50) omfatter en første hoveddel (55) og en andre hoveddel (57), hvorved materialet i den første hoveddelen (55) er mykere enn materialet i den andre hoveddelen (57) og hvorved den første hoveddelen (55) er anordnet aksialt nærmere fjærsammenstillingen (60) enn den andre hoveddelen (57).