NO172603B - Tetningsenhet for et ringformet rom - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et tetningsenhet for et ringformet rom, f.eks. mellom et brønnhode og en foringsrørhenger, omfattende en øvre metallisk tetningsring, en nedre metallisk tetningsring, en elastomerisk tetningsring innfestet mellom de to, hhv. øvre og nedre tetningsringene, og organ for å begrense atskillelsen av de to metalltetningsringene i aksial retning. Det ringformete rommet mellom foringsrør-hengeren og den omgivende sylindriske veggen til et brønnhode, ofte kalt tetningsglanden,.

Oppfinnelsen gjelder særlig å forbedre slike tetninger slik at de kan hentes ut igjen fra glanden etter å ha vært i bruk, det vil si plassert i stilling i tettende inngrep mellom foringsrørhengerens vegg og den omgivende sylindriske veggen.

Slike tetninger er beskrevet i US-PS 3.797.864 og US-PS 4.521.040. Disse kildene viser tetninger som omfatter en elastomer ring plassert mellom de metalliske tetningsringer. Hver metallisk tetningsring har et par lepper som strekker seg mot det elastomere materialet slik at disse leppene ved komprimering av det elastomere materialet presses utover mot de omgivende veggene.

Tetninger av denne typen oppfører seg etter formålet når de bringes på plass, men det er ofte ønskelig at de tas ut igjen. For å kunne ta ut igjen slike tetninger blir tetningssammenstillingen trukket ut av tetningsglanden, det vil si trukket oppover ut av brønnen ved å trekke i den øvre metalliske tetningsringen. Denne trekkingen resulterer ofte i at det elastomere materialet slites eller rives av slik at halvparten eller en del etterlates sammen med den nedre tetningsringen i tetningsglanden. Når dette skjer og det ikke kan skje noen enkel fjerning av de gjenstående delene av tetningen må det skaffes tetning med andre midler.

På basis av at bruken av elastomere tetningsorgan er den beste måte å avtette glanden på, er mange forsøk blitt gjort for å skape en tetning som kan tas ut.

Et slikt forsøk omfatter ei rekke vertikalt plasserte bolter som strekker seg gjennom den øvre og den nedre metalliske tetningsringen og gjennom den vertikale sentrale delen av det elastomere materialet, med tilstrekkelig klaring mellom den nedre tetningsringen og boltene slik at boltene kan beveges aksialt i forhold til den nedre metalliske tetningsringen når tetningen settes på plass i tetningsglanden. Dette har tillatt deformasjon av det elastomere materialet og tillatt forandring av avstanden mellom de metalliske tetningsringene. Når tetningen har blitt satt på plass har det imidlertid vist seg, at i områdene umiddelbart rundt boltene har deformasjon av det elastomere materialet vært forskjellig fra deformasjonen i området mellom boltene. Dette resulterer i forskjellig tetningsvirkning nær boltene i forhold til andre områder. Selv om den kjente løsningen har gitt mulighet for uthenting, har tetningsevnen til slike tetninger vært redusert, det vil si tetningsevnen til tetningen varierte langs omkretsen og skapte lekkasje.

Det er også blitt forsøkt å bruke wirer i stedet for bolter, men resultatet har vært det samme.

Et annet forsøk på å skape en tetning med mulighet for uthenting etter bruk er anvendelsen av et massivt, sylindrisk bånd plassert vertikalt midt i det elastomere materialet og forbundet på hensiktsmessig måte mellom den øvre og den nedre tetningsringen, slik at trekk i den øvre metallringen vil trekke den nedre metallringen uten belastning på det elastomere materialet. Denne løsningen deler det elastomere materialet i to adskilte tetninger; en ved foringsrørhengeren og en ved den ytre veggen. Også i dette tilfellet ga løsning av uttaksproblemet reduserte tetnings-egenskaper.

Et annet forsøk på å skape en tetning med mulighet for uttak beskrives i US-PS 4.324.422, hvor et par metallringer med mothakeorganer, det vil si overlappende fingre, ble innleiret i det elastomere materialet og utformet slik at det var dødgang mellom fingrene. Dødgangsforbindelsen tillot deformasjon av det elastomere materialet når tetningen ble brakt på plass og dannet inngrep når tetningen skulle hentes ut ved å danne en mekanisk forbindelse mellom den øvre og den nedre metallringen ved at fingrene grep inn i hverandre ved trekk oppover på den øvre metallringen. Også denne løsningen medfører redusert tetningsevne for tetningen. Metallhylsene og fingrene sammen med den spesielle forbindelsen påvirker deformasjonsegenskapene til det elastomere materialet. Uttrykt på en annen måte vil det elastomere materialet påvirkes av metallet og ikke deformeres slik et enkelt, massivt legeme av dette materialet ville ha gjort.

En annen type tetning som er kjent fra US-PS 4.488.740, har deformerbare metallbånd mellom øvre og nedre metallringer, idet disse båndene er omgitt av ei rekke elastomere ringer. Det deformerbare metallbåndet har form av ei rekke V-er plassert sideveis, med ringene ved spissen av V-ene. I montert tilstand vil endene til benene og spissene til V-ene sammen med de elastomere ringene danne inngrep med side-veggene i tetningsglanden slik at det dannes tetning. Denne tetningen avhenger imidlertid sterkt av det metalliske tetningsinngrepet mot glandveggene. Bruken av flere elastomere ringer, i stedet for ett legeme av elastomert materialet med forskjellige deformasjonsegenskaper, kan gi flere lekkasjeveier. I alle tilfeller vil trekk i den øvre metallringen løfte ut tetningen fordi det deformerbare metallbandet er forbundet med den nedre metallringen. Andre ulemper ved slike tetninger ligger i de alvorlige vanskelighetene ved å møte selv små eksentrisiteter mellom foringsrør-hengeren og brønnhodets hus. Denne tetningstypen krever også meget høy monteringskraft, som så bringes til veie av uønskete dreiemomentforsterkere.

I US-PS 3.561.527 er det beskrevet en uttakbar tetning med en elastomer ring mellom to hhv. øvre og nedre tetningsringer, omfattende et sentralt plassert og vertikalt orientert meanderformet bånd i det elastomere materialet. Forbindelsen av båndet til de to ringene gjør tetningen uttakbar, men på grunn av størrelsen og tykkelsen på båndet, vil dette, på samme måte som i US-PS 4.324.422, påvirke deformasjonsegenskapene til det elastomere materialet og redusere tetningens tetningsevne.

Hovedformålet med oppfinnelsen er derfor å skape en tetning med to metalliske tetningsringer med en ring av elastomer-materiale mellom seg, som tillater uttak etter bruk, uten at det skjer noen reduksjon i tetningsegenskapene.

Oppfinnelsens formål oppnås med en tetningsenhet av den innledningsvis angitte art som er kjennetegnet ved de trekk som er angitt i den karakteriserende delen av etterfølgende patentkrav 1. Ytterligere trekk framgår av de tilhørende uselvstendige krav.

Oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet under henvisning til tegningene, hvor

fig. 1 viser et aksialsnitt av en ringformet tetningsenhet i samsvar med foreligg-ende oppfinnelse,

fig. 2 viser et aksialsnitt av det metalliske båndet eller ringen for innleiring i det elastomere materialet i tetningen,

fig. 3 viser båndet fra fig. 2, halvt i snitt og halvt i riss, sett i retning av pilene 3 i fig. 2,

fig. 4 viser et aksialsnitt av en tetningsmontasje med en tetning i samsvar med oppfinnelsen vist i upåvirket tilstand plassert i et vanlig foringsrørhenger som omgis av et brønnhodehus,

fig. 5 viser et snitt som tilsvarer fig. 4, med tetningen i innspent tilstand, mens

fig. 6 og 7 illustrerer skjematisk et snitt lagt aksialtgjennom tetningen med et mønster som illustrerer deformasjon av det elastomere materialet, idet fig. 6 illustrerer tetningens fri tilstand, mens fig. 7 illustrerer tetningen satt under press i tetningsglanden.

Fig. 1 illustrerer en tetning 10 utformet i samsvar med oppfinnelsen, med en øvre metallisk, sylindrisk tetningsring 12, en nedre metallisk og sylindrisk tetningsring 14 og en mellomliggende ring 16 av elastomert materiale. Den øvre tetningsringen er forsynt med et par integrerte, nedoverrettete tetnings- og låselapper 20. Leppene er koniske med den tykkeste delen opp til tetningsringens hoveddel og smaler av mot en relativt tynn vegg ved sin nedre ende.

Tilsvarende har den nedre metallringen oppoverrettede lepper 22. Den elastomere tetningsringen 16 strekker seg opp i utsparinger eller spor 24 og 25 mellom leppene til henholdsvis den øvre og den nedre tetningsringen idet den har en ytre flate 30 som faller sammen med ytterflata til tetningsringene, og ei indre flate 32 som strekker seg radialt innenfor metallringenes innerflate. Den indre flata 32 er tildannet med to avskrådde deler 34 og 36, umiddelbart opp til kanten av henholdsvis den øvre og den nedre leppa og et vertikalt mellomparti 40 koaksialt med metallringenes innerflate, slik at det dannes en vulst i flaten 32 midt mellom de to leppene.

De to tetningsringene 12 og 14 har hvert vertikale slisser henholdsvis 42 og 44, plassert midt i tykkelsen av tetningsringen, hvori den øvre og den nedre delen, henholdsvis 46 og 48, av et metallbånd 50 er forankret, f.eks. ved sveising, slik at det dannes en permanent forbindelse til de to tetningsringene. I aksialsnittet i fig. 1 er metallbåndet 50 rett over en strekning som er omtrent lik lengden av leppene slik det er vist ved 52 og 54, men er så knekket innover mot den indre flata som vist ved 56 og 58, slik at det dannes en vulst 60 med sin indre begrensning opp til den sentrale delen av den indre flata 32.

Dette båndet 50 gir tetningen en evne til uttak ved å danne et strekkorgan mellom de to tetningsringene, slik det er vist nærmere i fig. 2 og 3.

Den venstre delen av fig. 2 viser et aksialsnitt som tilsvarer snittet i fig. 1, mens resten av figuren viser båndet 50 med ei rekke innbyrdes adskilte, forholdsvis smale, vertikale slisser 62, som danner vertikale metallstropper 64 mellom seg, slik at det elastomere materialet kan flyte gjennom når det blir støpt inn slik det er vist i fig. 1, og det strekker seg hovedsakelig over høyden av båndet 50 og inn i de rette delene 52 og 54, slik at det dannes sammenhengende kantpartier 66 og 68 av metall ved henholdsvis overkanten og underkanten. De vertikale metallstroppene 64 vil på sin side gi båndet 50 fleksibilitet i sitt midtparti og i radial retning som vist ved,pila 70 og tillater på denne måten at de vertikale metallstroppene bøyes av det elastomere materialet slik at dette kan innta en stilling beregnet for tetning. Materialet i båndet er i et eksempel tilvirket av en sterk legering ASTM-4130, med en tykkelse på omtrent 0,75 mm. Fig. 4 og 5 illustrerer en vanlig plassering av tetningen i et brønnhodene 72 med et foringsrørhenger 74 båret av en profil (ikke vist). Forings;.* henger bævev vanligvis en streng av foringsrør, f.eks. som beskrevet i US-PS 3.492.026 o&3.t797.864 samt i enkelte av skriftene nevnt foran. En tetningsenhet 76 kan omfatte en tetning 10 og en tetningsmutter 80 som støtter tetningen 10. Tetningsmutteren 80 er vist med invendige gjenger 82 som griper inn med urvendige gjenger 84 på den øvre enden av foringsrørhengeren slik at dreining av tetningsmutteren 80 vil presse tetningen nedover i en tetningsgland 86 som er et rom mellom brønnhodehusets innvendige veggflate 90 og foringsrørhengerens tetningsflate 92. For å tillate tetningsmutteren 80 å rotere uten rotasjon av tetningen 10, har tetningsenheten en svovelforbindelse 94 og et trustlager 96. Koblingsforbindelsen omfatter en medbringering 100 plassert i komplementære spor 102 i tetningsmutteren 74 og den øvre tetningsringen. Fig. 5 viser tetningen 10 presset inn i tetningsglanden 86 og den elastomere ringen 16 trykket sammem på grunn av glandens mindre radiale tykkelse, slik at det dannes et tetningstrykk. Tetningen 10 presses ytterligere nedover mot friksjonskreftene fra glandeveggene, og de øvre og nedre leppeparene 20 og 22 skilles slik at det dannes tetninger og låseinngrep etter at den nedre tetningsringen 14 har dannet anlegg mot en skulder 104 på foringsrørhengeren 74, og støter også mot en splittring 106 som holdes fast på foringsrørhengeren i et spor 110 i brønnhodet, for å låse

foringsrørhengeren 74 til brønnhodet. På det tidspunktet er tetningen montert.

En mer omfattende beskrivelse av hvordan de koniske leppene 20 og 22 reagerer når tetningen beveges nedover i tetningsglanden er gitt i US-patentskrift 4.521.040.1 denne søknaden angis også størrelsen av tykkelsen på den elastomere ringen i den

sentrale delen, det vil si ved veggflata 32/40, i forhold til tykkelsen på de to metallringene 12 og 14 og hvordan dette forhold forbedrer tetningens tettende egenskaper. Tykkelsen kari være fra 8 til 20 prosent større enn tykkelsen på metallringene. Reak-sjonen fra den elastomere ringen" 16 ved dens bevegelse nedover og sluttmontering vil imidlertid bli beskrevet nærmere i forbindelse med fig. 6 og 7. Det vil framgå at ved bruk av den beskrevne teknikken illustrert ved disse figurene vil ikke den naturlige flytningen av det elastomere materialet, det vil si deformasjonen bli påvirket ved nærværet av båndet 50 og det er dette som er oppfinnelsens siktemål.

Fig. 6 og 7 illustrerer tetningen 10 ifølge oppfinnelsen, idet fig. 6 tilsvarer tetningen som yjft i fig. 1 og 4, mens fig. 7 tilsvarer tetningen i fig. 5. For å

illustrere deformasjonen av det elastomere materialet i ringen 16 når tetningen er

4

både umontert og montert, er et mønster 112 blitt plassert over ringen 16 pg på denne måten danner mønsteret 112 i fig. 6 et nettverk av ei rekke rektangler 114 plassert i rekker og søyler i snittet, med båndet 50 vist skjematisk for å illustrere hvordan båndets kurvatur blir fastlagt. I denne figuren er rektanglene 114 jevnt fordelt og upåvirket.

Fig. 7 illustrerer tetningen 10 i sin monterte tilstand, hvor den nær foringsrør-hengeren er blitt komprimert slik at sideflaten 32/40 nå flukter med innerflatene til de to tetningsringene 12 og 14. Denne sammentrykkingen er illustrert med symbolet AX. Reaksjonskrafta fra veggene i glanden 86 er gjengitt med pilene F.

Som vist i fig. 7, når tetningen 10 går inn i den trangere glanden 86, vil den skråttløpende flata 36 støte mot veggen 116 (fig. 4 og 5), slik at det elastomere materialet først trykkes sammen, men fordi materialets totale volum forblir det samme, forlenges tetningen 10 noe. Dette er gjengitt med henvisningen AY.

Den totale kompresjonen (deformasjonen) av tetningen som er vist i fig. 7 er illustrert med en vridning av rektanglene 114. Rektanglene 114a innenfor avgrensningene 24 og 26 dannet av leppene henholdsvis 20 og 22, er uforstyrret, mens rektanglene 114b umiddelbart under og over leppene hhv. 20 og 22 utsettes for en vesentlig forandring. Dette illustrerer området av maksimal vridning av det elastomere materialet ved forvregningen av de øvre og nedre delene av rektanglene, særlig de rektanglene 114b som ligger nærmest den forskjøvne indre veggflata 32. Rektanglene 114c nær høyden av vulsten 60 har på den annen side blitt horisontalt tynnere og kommet nærmere hverandre.

Ved utnyttelse av nettverksillustrasjonen av forvregningen som vist i fig. 7, ble båndets kurvatur valgt. Kurvaturen er slik at båndets naturlige deteksjon når det utsettes for trykk fra foringsrørhengerets side og forlenges, er omtrent lik material-deformasjonen til det elstomere materialet når det monteres i glanden. Innenfor avgrensingen til leppene, det vil si områdene 24 og 26, ble båndet 50 utformet rett, det vil si delene 50 og 52, og brått avbøyet ved 56 og 58 mot vulsten, gjengitt ved punktene 1 og 2, inntil høyden på vulsten 60 nådde et punkt 3, det vil si maksimal utstrekning. Påvirket av formendringen av det elastomere materialet ble bånd-krummingen slik det er vist i fig. 6. Profilen på båndet 50 i fig. 6 tilsvarer således den i flg. 1, 3 og 4.

Beskrivelsen ovenfor viser at konseptet med å anordne et bånd 50, som samsvarer med deformasjonen på det elastomere materialet så langt som mulig når tetningen er montert, tilveiebringer en tetning med mulighet for uttak uten at deformasjonsegenskapene til det elastomere materialet påvirkes. Resultatet er blitt at det er skapt et bånd 50 som er utformet for å reagere på det elastomere materialet på en slik måte at materialets deformasjonsegenskaper blir uendret. Dette betyr at det elastomere materialet kan deformeres fritt, som om metallbandet manglet. Likevel vil det samme metallbåndet gi den nødvendige mekaniske forbindelse mellom de to metallringene, som trenges for å gjøre uttak av tetning 10 mulig.

Claims (2)

1. Tetningsenhet for et ringformet rom, f.eks. mellom et brønnhode og en foringsrørhenger, omfattende en øvre metallisk tetningsring (12), en nedre metallisk tetningsring (14), en elastomerisk tetningsring (16) innfestet mellom de to, hhv. øvre og nedre tetningsringene, og organ for å begrense atskillelsen av de to metalltetningsringene i aksial retning,karakterisert vedat nevnte organ utgjøres av et ringformet metallisk bånd (50) utformet med langstrakte, vertikale åpninger (62) som avgrenser smale, vertikale stropper (64) av metallisk materiale, og med en rundtløpende, radial vulst dannet ved bøyning av stroppene (64), hvilket metallbånd (50) er forbundet med den øvre og den nedre tetningsringen (12, 14) og innleiret i den elastomeriske tetningsringen (16).

2. Tetningsenhet i samsvar med krav 1, hvor den elastomeriske tetningsringen (16) har en radial utvidelse i forhold til metalltetningsringene (12, 14), hvilken utvidelse er plassert på en side av tetningsenheten (10),karakterisert vedat metallbåndet (50), sett i et aksialsnitt gjennom tetningsenheten, forløper koaksialt med og midt mellom metalltetningsringenes ytterflate og innerflate i et øvre og nedre område hvor metalltetningsringene og den elastomeriske tetningsringen overlapper hverandre, og krummer mot utvidelsen i et midtre område.