(57)【要約】【課題】  防噴装置の設計、製造、及び硬化工程を改良する方法を提供する。【解決手段】噴装置シールの製造方法であって、その方法は、少なくとも一つの挿入部と、少なくとも一つの金型内の弾性材料と、を配置し、その金型を硬化温度まで加熱し、少なくとも一つの弾性材料を硬化し、硬化中に少なくとも一つの弾性材料の温度を測定し、弾性材料の測定された温度を基に硬化時間と硬化温度を調整し、そして金型から硬化した防噴装置シールを取り出すことを含む。【選択図】図１２
2009544875.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
防噴装置シールの製造方法であって、
少なくとも一つの挿入部と、金型の中に少なくとも一つの弾性材料を配置し、
前記金型を硬化温度まで加熱し、
少なくとも一つの前記弾性材料を硬化し、
硬化中に少なくとも一つの前記弾性材料の温度を測定し、
前記弾性材料の測定した温度に基づいた硬化時間と硬化温度を調整し、
前記金型から硬化した前記防噴装置を取り出す、
ことを特徴とする、防噴装置シールの製造方法。
【請求項２】
前記弾性材料の硬化度合いを決定付けることを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
硬化中に前記防噴装置の有限要素解析熱的モデルの生成を更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
選択された硬化時間と硬化温度に基づく硬化の度合いを予測するための前記有限要素解析熱的モデルの使用を更に含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記硬化時間、測定された前記温度及び硬化度合いの有限要素解析熱的モデルとの関連付けを更に含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記相関有限要素解析熱的モデルの結果に基づいた付随した防噴装置シールの製造方法を更に含んだ、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記有限要素解析熱的モデルの結果に基づいた硬化温度と硬化時間を調整する方法を更に含んだ、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
防噴装置シールの設計の選択と、
前記相関有限要素解析熱的モデルに基づいて選ばれた設計のための第二有限要素解析熱的モデルの生成と、
前記第二有限要素解析熱的モデルの結果に基づいた前記防噴装置の製造と、
を更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記第二有限要素解析熱的モデルの結果に基づいた硬化時間と硬化温度の選択を特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記防噴装置シールがアニュラーパッキングユニットからなる、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記防噴装置シールが、可変ラムパッカーと、ラムブロック孔と、ラムブロック上部シールと、からなるグループから選ばれた少なくともひとつからなる、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
防噴装置シールを製造する方法であって、
防噴装置シール設計のための有限要素解析熱的モデルを生成し、
その有限要素解析熱的モデルは、前記防噴装置シールの少なくとも一つの弾性材料の硬化の度合いを予測するために使用され、
前記有限要素解析熱的モデルの結果を基に防噴装置を製造する、
ことを特徴とした、防噴装置シールの製造方法。
【請求項１３】
前記有限要素解析熱的モデルの結果に基づいた硬化時間と硬化温度の選択からなる製造を特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記選択された硬化時間のための硬化温度での弾性材料の硬化からなる製造を特長とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記有限要素解析熱的モデルの結果に基づいて選択された硬化時間の間選択された硬化温度で弾性材料を硬化し、
前記硬化中に前記弾性材料の温度を測定し、
前記測定した温度に基づき選ばれた硬化温度と選ばれた硬化時間を調整する、
ことを特徴とした製造を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記調整が、さらに測定した温度を使用して有限要素解析熱的モデルの結果に基づいた、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記防噴装置シールが、アニュラーパッキングユニットからなる、請求項１２乃至１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記防噴装置シールが、可変ラムパッカーと、ラムブロック孔と、ラムブロック上部シールと、からなるグループから選ばれた少なくともひとつからなる、請求項１２乃至１６のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明において開示されている実施形態は、石油及びガス産業で使用される防噴装置に一般的に関するものである。特に、実施形態は、硬化と防噴装置に使用されるシールの製造方法に関連するものであり、そのシールは弾性及び剛体材料を含む。
【背景技術】
【０００２】
坑井抑圧は、石油及びガス探査にとって重要な側面である。坑井を掘削する際、例えば、人々を怪我から守るため、また掘削作業によって生じる予期せぬ出来事から機械へのダメージを防ぐために安全装置が取り付けられなければならない。
【０００３】
坑井の掘削は、可変な地下の地質構造又は「層」を貫通する作業を伴う。時折、掘削孔は、掘削孔内で維持されている圧力より実質的に高い地層圧を有する層を貫通する場合がある。これが生じたとき、その坑井に「キック」が生じると言われている。キックに伴う圧力上昇は徐々に掘削孔への地層流体の流入により起こる。その流体は液体、ガス、又はそれらの混合物からなる場合もある。そのキックは、掘削孔の上部の掘削開始部分から高圧域から低圧域に向かって広がる傾向がある。もしキックが地表に向かってしまうと、掘削流体、坑井器具、及びその他の掘削構造が掘削孔からブローアウト（暴噴）する場合がある。そのような「ブローアウト」は、掘削機の壊滅的な破壊（例えば掘削リグを含む）や掘削作業人員の実質的な怪我又死亡を引き起こす場合がある。
【０００４】
暴噴の危険性により、防噴装置として知られている装置が表面の坑口の上または深海掘削装置の海底に、キックを抑制するための手段が取られるまで、掘削孔を効果的に密閉するために設置される。防噴装置を起動させるので、キックは十分に制御され、「還流して」装置の外に噴出される。防噴装置にはいくつかの種類があり、一般的なものは球形防噴装置を含むアニュラー防噴装置とラム防噴装置とがある。これらのそれぞれの防噴装置の詳細は後述される。
【０００５】
アニュラー防噴装置は一般的に、「パッキングユニット」と称される金属インサートを有する大型アニュラー、ゴム又は弾性シールを使用する。パッキングユニットは、ドリルパイプ又は掘削ツールと掘削孔の間の「アニュラス（環帯）」を完全に密閉するために、またドリルパイプと掘削ツールを密閉するために防噴装置の中で作動させてもよい。パッキングユニットの孔の中にドリルパイプ又は掘削ツールが存在しない場合、パッキングユニットは、孔が完全に封鎖されるように圧縮される。そのようなものとして、完全密閉アニュラー防噴装置パッキングユニットは、遮断弁のような役割をする。一般的にパッキングユニットは、それ自体を密閉するためと暴噴を引き起こす坑井圧力を防ぐために、手動もしくは機械によって急速に圧縮される。
【０００６】
パッキングユニットを有するアニュラー防噴装置の一例として、Ｋｎｏｘに付与された米国特許第２６０９８３６は、本件の譲受人に譲渡され、その全体の開示が本明細書に組み入れる。Ｋｎｏｘのパッキングユニットは、複数の金属挿入部分が埋め込まれている弾性ボディを含み、その金属挿入部分は弾性ボディと完全に結合している。金属挿入部分は、パッキングユニットと掘削孔の中心軸から伸びて概して輪状に放射面に間隔を置いている。パッキングユニットが坑井圧力を密閉するために放射状に圧縮されるとき、金属挿入部は、構成的な支持を供給する。パッキングユニットのドリルパイプ又はそれ自体の圧縮において、弾性ボディは内方向に放射状に圧縮され、金属挿入部も同じく内方向に放射状に移動させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４６５７２６３号公報
【特許文献２】米国特許第４９８６５１１号公報
【特許文献３】米国特許第４４５２４２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１では、ハウジング１０２を含むアニュラー防噴装置１０１が示される。アニュラー防噴装置１０１は、掘削孔１０３と対応して延びる、孔（ボア）１２０を有する。そしてパッキングユニット１０５はアニュラー防噴装置１０１の孔１２０と掘削孔１０３との周囲に配置される。パッキングユニット１０５は、弾性アニュラーボディ１０７と複数の金属挿入部１０９とを含む。金属挿入部１０９は、パッキングユニット１０５の弾性アニュラーボディ１０７に配置されており、その金属挿入部１０９は、通常輪状に掘削孔１０３から延長した放射面上に間隔を置いて配置されている。更に、パッキングユニット１０５は、防噴装置１０１の孔１２０と同心の孔１１１を含む。
【０００９】
アニュラー防噴装置１０１は、ピストンチャンバ１１２の開口１１３から注入される流体により作動する。その流体はピストン１１７を上部へ移動させ、くさび面１１８を介してパッキングユニット１０５へ力を運ぶためにピストン１１７に圧力をかける。くさび面１１８からのパッキングユニット１０５に対して変えられた力は、アニュラー防噴装置１０１のリムーバブルヘッド１１９に対して上向きに、またアニュラー防噴装置１０１の掘削孔１０３の中心軸の内側に方向付けられる。アニュラー防噴装置１０１のリムーバブルヘッド１１９がパッキングユニット１０５に逆らって保持されているため、パッキングユニット１０５は、ピストン１１７からパッキングユニット１０５へ運ばれた力により上方向にずれることはない。しかしながら、パッキングユニット１０５は、アニュラー防噴装置１０１の掘削孔１０３の中心軸に向けてパッキングユニット１０５を圧縮する運ばれた力により内側にずれる。結果的には、ドリルパイプは十分な半径方向圧縮とともに孔１２０の中に配置され、パッキングユニット１０５はドリルパイプの周囲を“閉位置”に密閉する。閉位置は図５に示される。結果的に、トリルパイプが存在しない場合には、十分な半径方向圧縮とともにパッキングユニット１０５が孔１１１を完全に密閉する。
【００１０】
ピストンチャンバ１１２の開口１１５に流体が注入された場合、アニュラー防噴装置１０１は、上述した動きと類似した逆の動きをする。流体は、ピストン１１７のくさび面はパッキングユニット１０５が放射状に“開位置”に広がることを可能にする下方向の力をピストン１１７へ運ぶ。開位置は図４に示される。さらに、アニュラー防噴装置１０１のリムーバブルヘッド１１９は、必要に応じてパッキングユニット１０５の修理や変更のためのパッキングユニット１０５へのアクセスを可能にする。
【００１１】
図２、図３Ａ及び３Ｂに、アニュラー防噴装置１０１に使用されるパッキングユニット１０５及び金属挿入部１０９の詳細が示される。図２では、パッキングユニット１０５は、弾性アニュラーボディ１０７と複数の金属挿入部１０９を有する。金属１０９は、弾性アニュラーボディ１０７の内部に通常輪状に且つ放射面上に間隔を置いて配置されている。図３Ａ及び３Ｂは、弾性アニュラーボディ１０７内に配置及び埋め込まれる金属挿入部１０９の例を示したものである。一般的に、金属挿入部１０９はパッキングユニット１０５への構造的な支持を提供するために弾性アニュラーボディ１０７に埋め込まれ完全に接合される。アニュラーボディ１０７と金属挿入部１０９との接合は、弾性アニュラーボディ１０７内の弾性に障害を引き起こす場合のあるアニュラーボディ１０７と金属挿入部１０９との関連した動きを制限する。パッキングユニット内の弾性ボディと金属挿入部との接合についての更なる説明は、Ｓｉｍｏｎに付与された米国特許公報第５８５１０１３において見られることができ、本件の譲受人に譲渡され、その全体を参照として本明細書に組み入れられる。
【００１２】
図４及び図５は、パッキングユニット１０５の開位置（図４）及び閉位置（図５）の例が示される。図４に示されるように開位置のとき、パッキングユニット１０５は緩んでおり、その間に形成された隙間をアニュラス流体が通過できるように、ドリルパイプ１５１の周囲を密閉するために圧縮されていない。図５に示されるように閉位置のとき、パッキングユニット１０５は、アニュラスに流体が通過できないようにドリルパイプ１５１の周囲を密閉するために圧縮されている。このように、防噴装置は掘削孔圧力に対して以下に起因する防噴に対してパッキングユニット１０５を閉めてもよい。
【００１３】
同様に、球状防噴装置は、パッキングユニットとして、金属挿入部を有した大型で半球状の弾性シールを使用する。図６は、掘削孔軸１０３の周囲に配置された半球防噴装置３０１の例を示す。図６は、米国特許第３６６７７２１（Ｖｕｊａｓｉｎｖｉｃに付与され、その全体を参照として本明細書に組み入れる）から引用したものである。球形防噴装置３０１は、下部ハウジング部３０３と上部ハウジング部３０４とが複数のボルト３１１に開放可能に締め付けられている。ハウジング部３０３と３０４とは、カーブ及び半球状の内部表面を有していてもよい。パッキングユニット３０５は半球防噴装置３０１の内部に配置されており、一般的にはカーブした弾性アニュラーボディ３０７と、ハウジング部３０３，３０４のカーブして且つ半球状の内部表面に対応する複数のカーブした金属挿入部３０９とを有している。金属挿入部３０９はそれゆえ、掘削孔１０３の中心軸から放射状に概して輪状に間隔を置いてアニュラーボディ３０７の内部に配置されている。
【００１４】
さらに、ラム防噴装置もまた金属挿入を有する弾性シールを含んでいてもよい。大型のシールは一般的にラムブロックの上部又はラムブロックの先端に、その間にシールを供給するために配置される。図７は、ハウジング７０３とラムブロック７０５と上部シール７１１とを含むラム防噴装置７０１を示す。図７は、一つのラムブロック７０５のみを示しているが、しかしながら一般的には、掘削孔１０３の反対方向に二つの対応しているラムブロック７０５がそれぞれ位置している（図８参照。）。ラム防噴装置７０１は、そこを通過する孔７２０とハウジング７０３に固定されたボンネット７０７とピストン作動ロッド７０９とを有し、孔７２０は掘削孔１０３の中心軸の周囲に配置される。ロッド７０９はラムブロック７０５に接合しており、掘削孔１０３に対して内方向に移動するために作動されてもよい。ラムブロック７０５はパイプラム、可変孔ラム、シェアーラム、又はブラインドラムでもよい。パイプ及び可変孔ラムは作動したとき、ドリルパイプ及び／又は坑井ツールと結合するために移動し囲い、掘削孔を密閉する。ラム防噴装置のさらなる説明は、Ｂｅｒｃｈｅｎｈｏｆｆに付与された米国特許第６５５４２４７に開示され、本件の譲受人に譲渡され、その全体を参照として本明細書に組み入れられる。
【００１５】
図８は、ラムブロック７０５Ａ及び７０５Ｂとラム防噴装置７０１に使用される上部シール７１１Ａ及び７１１Ｂとを詳細に示した図である。図に示されるように、上部シール７１１Ａ及び７１１Ｂは、ラムブロック７０５Ａ及び７０５Ｂのそれぞれの溝７１３の内部に配置され、ラムブロック７０５とハウジング７０３との間を密閉する。描写されているように、ラムブロック７０５Ａは、上部シール７０５Ａを有する上部シェアーラムブロックであり、ラムブロック７０５Ｂは、下部シール７０５Ｂを有する下部シェアーラムブロックである。駆動したとき、ラムブロック７０５Ａ及び７０５Ｂは、シェアー７１５Ａがシェアー７１５Ｂの上で物理的にシェアードリルパイプ１５１に連動するところにおいて連動するために移動する。ラムブロック７０５Ａ及び７０５Ｂは、ハウジング７０３とラムブロック７０５Ａ及び７０５Ｂ間のいかなる圧力または流入漏れを防ぐために上部シール７０５Ａ及び７０５Ｂをハウジング７０３に対して動かす。
【００１６】
図９Ａ及び９Ｂは、上部シール７１１Ａ及び７１１Ｂの詳細を示す。図９に詳しく示されるように、上部シール７１１Ａ及び７１１Ｂは、弾性バンド７５１と、弾性バンド７５１の各端部に取り付けられた弾性セグメント７５３と、各弾性セグメント７５３の内部に配置された金属挿入部７５５と、を備える。ラムブロック７０５Ａ（例えば上部シェアーラムブロック）用の上部シール７０５Ａは、弾性セグメント７５３の間に結合された支持構造７５７を含んでもよい。図９Ｂの断面図に示されるように、弾性セグメント７５３の内部に配置された金属挿入部７５５は、Ｈ型の断面図を有する。金属挿入部のＨ型の断面図は、弾性セグメント７５３に、支持と最適剛性を提供する。更に、上部シール７１１Ａ及び７１１Ｂは、パイプラム、ブラインドラム、またはシェアーラム（図８参照）のいずれかに使用されても良いことを理解されるべきである。
【００１７】
図１０は、ラム防噴装置（例えば図７の７０１）に使用される上部シールとラムパッカー７１７Ａを有したラムブロック７０５Ａである。図１０は、米国特許出願番号２００４００６６００３（Ｇｒｉｆｆｉｎ他に付与され、その全体を参照として本明細書に組み入れる）から引用したものである。シェアーラム（図７及び８参照）の代わりに、図１０は、弾性と金属から成る可変孔ラムパッカー７１７Ａを有するパイプラムアセンブリを描写している。図に示されるように、可変孔ラムパッカー７１７Ａは、弾性ボディ７６１に溶接された金属パッカー挿入部７６３を有する半楕円形状の弾性ボディ７６１から成る。金属パッカー挿入部７６３は弾性ボディ７６１の孔７６５の周囲に配置される。パイプラム又は可変孔ラムについて上述されているように、駆動されたとき、ラムパッカー７１７Ａ（ラムパッカー７１７Ａの逆側に位置する対応するラムパッカーと共に）はドリルパイプ及び／又は孔７６５に位置する坑井ツールと結合するために移動し囲い、掘削孔を密閉する。
【００１８】
弾性と金属とからなるいかなる防噴装置の密閉構造（例えば、アニュラーと球形防噴装置のパッキングユニット、及びラム防噴装置の上部シールとラムパッカー）のために、防噴装置の多様な要素の間に圧力を封じ込めるように負荷が加えられる。例えば、図１に示されるアニュラー防噴装置に関して、掘削孔１０３の中心軸に対してパッキングユニット１０５を閉じるために、流体力が、ピストン１１７及びくさび面１１８からパッキングユニット１０５へ運ばれる。また、流体力は下からの掘削孔圧力に対して密封する密封面を含む範囲と容積において、パッキングユニット１０５の中で反力及びひずみを生成する（例えばくさび面１１８及びドリルパイプ１５１）。パッケージユニット１９５内で起こる反力は、パッキングユニット１０５運ばれた流体力におおよそ比例する。
【００１９】
防噴装置シールで反力が発生すると、シール部材は反力に適応するように引っ張り、そしてシール結合を供給する。シールの部材内で起こるひずみの量は、物質の弾性係数に左右される。弾性係数は、反力とひずみとの比率を測るものであり、それに力または圧力が加えられたときに変形する物質の柔軟性と描写されてもよい。例えば、弾性係数が高い物質は、与えられる応力に対して、弾性係数が低い物質より少ないひずみを受ける。防噴装置に使用される材質である、金属挿入部は、弾性部より実質的に大きい弾性係数を有している。例えば、スチール（一般的に３０，０００，０００  ｐｓｉ，  ２００ＧＰａ）の弾性係数は、ほとんどの弾性体（一般的に役１，５００  ｐｓｉ，  ０．０１ＧＰａ）の弾性係数より約２０，０００から３０，０００倍大きい。
【００２０】
歴史的に、防噴装置のパッキングユニットのようなシールを実験、設計、及び製造するとき、シール内において発生する応力及び／またはひずみの位置と量は、大きな懸念事項であり、多くの注目と分析を受けている。シールが負荷を受けるので（例えば、ドリルパイプやそれ自体のアニュラー防噴装置のパッキングユニットの反復的で周期的な密閉）、シール全域での応力及びひずみに対するマグニチュード及び方向は、シールの性能を決定付けるために評価される。この評価に使われる一般的な技術は、有限要素解析（ｆｉｎｉｔｅ  ｅｌｅｍｅｎｔ  ａｎａｌｙｓｉｓ  “ＦＥＡ”）である。特に、ＦＥＡは規定の配置状況下でシールに起こる応力及び／又はひずみ集中をシミュレートし、評価する。
【００２１】
剛体挿入部を含む高ひずみ弾性シールを設計し製造するとき、ＦＥＡによって予測される理論的な応力とひずみと実際の応力とひずみの間に重大な不一致が生じる場合がある。そのため、防噴装置シールに対する現在のモデリングと分析技術は、その設計及び製造を改良するための正確な情報を供給しない場合がある。
【００２２】
さらに、製造されたシールの性能もまた使用された弾性材料の特性によって決まる場合がある。弾性材料の特性は、基材（弾性）特性だけにより決まるものではないが、しかしながら硬化の度合い、又は架橋の度合い、シールの製造中に得られる弾性材料の度合いにもよる。例えば、過度に硬化された又は架橋弾性材料は、剛体で適切に機能しない場合がある。例えば、硬化は弾性材料の弾性係数に影響を及ぼす場合がある。不十分に硬化された弾性材料は弾力性に欠けている場合がある。
【００２３】
従って、防噴装置の設計、製造、及び硬化工程を改良する方法の需要が存在している。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
一つの観点において、ここに開示されている実施形態は、防噴装置シールの製造方法に関連している。その防噴装置シールは、少なくとも一つの挿入部と少なくとも一つの金型内の弾性材料とを配置する。そして、その金型を硬化温度まで加熱し、少なくとも一つの弾性材料を硬化し、硬化中に少なくとも一つの弾性材料の温度を測定し、弾性材料の測定された温度を基に硬化時間と硬化温度を調整し、そして金型から硬化した防噴装置シールを取り出すことを含む。
【００２５】
他の観点において、ここに開示されている実施形態は、防噴装置シールの製造方法に関連している。その防噴装置シールは、防噴装置シール設計のための有限要素解析熱モデルの生成と、有限要素解析熱モデルの結果に基づく防噴装置シールの製造と、を含む。好ましくは、有限要素解析熱モデルは、防噴装置シールの少なくとも一つの弾性材料の硬化の度合いを予測するのに使用される。
【００２６】
他の観点とメリットは、後述の説明と請求の範囲で明らかとなる。
【発明の効果】
【００２７】
防噴装置の設計、製造、及び硬化工程を改良する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】アニュラー防噴装置の断面図である。
【図２】アニュラー防噴装置のパッキングユニットの断面図である。
【図３Ａ】アニュラー防噴装置のパッキングユニットの金属挿入部の概略図である。
【図３Ｂ】アニュラー防噴装置のパッキングユニットの代替金属挿入部の横図である。
【図４】開状態のアニュラー防噴装置の先行技術のパッキングユニットの断面図である。
【図５】閉状態のアニュラー防噴装置のパッキングユニットの断面図である。
【図６】球形防噴装置の断面図である。
【図７】ラム防噴装置の断面図である。
【図８】ラム防噴装置のラムシェアーの斜視図である。
【図９Ａ】ラム防噴装置のラムブロックの上部シールの斜視図である。
【図９Ｂ】ラム防噴装置のラムブロックの上部シールの断面図である。
【図１０】ラム防噴装置のラムブロックの多様なボアラムパッカーの斜視図である。
【図１１】本発明で開示されている実施例のシール製造工程を示したフローチャートである。
【図１２】本発明で開示されている実施形態にともなう、防噴装置用のシールの製造方法を描写したフローチャートである。
【図１３】本発明で開示されている実施形態にともなう、アニュラーパッキングユニットの断面の軸プロファイルで２次元プロット（Ｘ及びＹ軸）で示した図である。
【図１４】本発明で開示されている実施形態にともなう、アニュラーパッキングユニットの断面のプロファイルで２次元プロット（Ｘ及びＺ軸）で示した図である。
【図１５】本発明で開示されている実施形態にともなう、アニュラーパッキングユニットのシールモデルの一部を三次元プロット（Ｘ、Ｙ、及びＺ軸）で示した図である。
【図１６】本発明で開示されている実施形態にともなう、アニュラーパッキングユニットのシールメッシュの一部を三次元プロット（Ｘ、Ｙ、及びＺ軸）で示した図である。
【図１７Ａ】アニュラー防噴装置のパッキングユニット用の金属挿入部の端面図である。
【図１７Ｂ】本発明で開示されている実施形態にともなう、アニュラー防噴装置のパッキングユニット用の金属挿入部の端面図である。
【図１８Ａ】アニュラー防噴装置のパッキングユニット用の金属挿入部の上面図である。
【図１８Ｂ】アニュラー防噴装置のパッキングユニット用の金属挿入部の上面図である。
【図１９】本発明に開示されている実施形態にともなう防噴装置用のシール製造方法を説明したフローチャートである。
【図２０】本発明に開示されている実施形態にともなう防噴装置用のシール製造方法を説明したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
一つの観点では、ここの開示された実施形態は、石油及びガス産業で使用される防噴装置に一般的に関するものである。より詳細には、実施形態は防噴装置に使用されるシールの硬化と製造方法に関したものであり、そのシールは弾性と剛体材料とを含む。より詳細には、実施形態は防噴装置に使用されるシールの硬化と製造方法の経験的方法に関するものである。または、本発明に開示されている実施形態は、防噴装置に使用されるシールの設計、硬化、及び製造の分析的な方法に関するものである。
【００３０】
上述されているように、シールは弾性と剛性の両方の物質を含んでいる。ここに使用される「剛性物質」は、防噴装置のシールの金属及び非金属の両方の構造を提供するいかなる物質を言及する。剛性物質の例は、スチール、銅、及び高強度複合材料（例えば特に、炭素複合材、エポキシ複合材、熱可塑性プラスチック及びその他）を含む場合があるが、それに制限されない。更に、ここに使用されている「シール」とは、低圧力帯と高圧力帯を分離することができる装置を言及する。防噴装置のシールの例は、パッキングユニットと、アニュラーパッキングユニットと、上部シールと、可変孔ラムと、を含むがそれに限定されない。また、ここに使用されている「弾性物質」とは、熱可塑性プラスチックと、熱硬化性樹脂と、ゴムと、シールやＯリング、又はそれに類似するものに通常使用される弾性性質を示すその他のポリマー複合材と、を言及する。
【００３１】
シールは、後述される多様な実施形態に関してより詳細に説明される製造工程への変形の説明となる従来の成形工程で製造されてもよい。いくつかの実施形態では、シールは、１個取り金型で連続して形成され硬化されてもよい。他の実施形態では、シールは金型キャビティの中で形成されその後、硬化チャンバーの中で硬化されてもよい（金型キャビティと硬化チャンバーは交互に用いられても良い）。
【００３２】
例えばいくつかの実施形態において、剛性物質が金型の中に配置され、金型は閉じられ、必要に応じて、少なくとも一つの融解された弾性物質（成形後、硬化）によって塞がれてもよい。他の実施形態においては、あらかじめ融解され、硬化されていないシールが硬化チャンバーに入れられてもよい（硬化のみ）。金型または硬化チャンバーは、剛性及び弾性材料が金型に配置された前又は後に高温に熱せられてもよい。
【００３３】
金型キャビティに配置された材料の温度は、弾性材料が硬化するのに十分な温度まで上昇されてもよい。例えば、熱は蒸気、オイル、または他の流体、又は発熱体により供給されてもよい。硬化温度で十分な時間を置いた後、硬化した部は金型キャビティからはずされ冷却される。シールは随意的に、その部分を後硬化温度に維持し、又は徐々に冷却するような後硬化されてもよく、また所望の特性を発生するために使用されても良い。
【００３４】
通常は、硬化したシールの特徴に影響を与えるであろう変数は、初期金型温度、加熱速度、冷却速度、及び金型温度を含む。一般的に、金型又は硬化チャンバーの温度は、熱交換媒体の測定された温度により維持される。加熱及び冷却速度は、金型材料（例えばスチールのタイプ、その特性）と同様に、例えば熱交換媒体の種類（電気的、流体、流体の種類、及び流体の相対する熱力学特性）、によって影響される。材料が所定の温度である時間は、硬化の度合いに影響する。
【００３５】
シールの特性は、使用される弾性材料と剛性材料の種類と量、熱力学特性（例えば伝導係数）そして仮に使用されるのであれば、いかなる硬化剤又は他の添加物の種類と量とにより影響される。シール特性は、弾性材料及び／又は硬化剤の力学的特性における多様性により影響される。
【００３６】
図１１は、ここに開示されている実施形態に従ったシールの製造方法を示したものであり、シールは硬化工程中に弾性材料の温度を測定することにより製造される。上述したように、剛性及び弾性材料は金型内に配置される（１１１２）。金型に配置される材料の温度は、弾性材料が硬化するのに十分な温度まで熱せられてもよい（１１１４）。
【００３７】
硬化している間、弾性材料の温度が測定される（１１１６）。例えばいくつかの実施形態において、熱電対は金型又は硬化チャンバーキャビティから、弾性材料のひとつか又は二つの部分に突き出ている。熱電対の貫通の位置と深さは、シール設計によって決まり、好ましくは仕上げ部分に熱電対を配置してマイナス影響を制限する。他の実施形態では、熱電対はタブ又は仕上げ部分から切り取られる余剰材料の温度を測定する。更に他の実施形態では、シールか硬化されるのと平行して、個別のチャンバーが弾性材料の温度を測定するために使用されてもよく、個別チャンバーは硬化されているシールと類似又は非類似のサイズを有する場合があり、硬化されているシールの温度の近似を可能にする。
【００３８】
金型又は硬化キャビティの温度は、温度交換媒体の熱を介して、測定された温度に応じて調整される（１１１８）。例えば、発熱架橋結合反応は、シールを硬化するための消耗された温度より高くなる弾性材料の温度を引き起こす、余剰な熱を発生する場合がある。架橋結合反応が遅くなるにつれ、弾性材料の温度は、シールを硬化させるための所望の温度より低く下がる場合がある。弾性材料の温度測定は、金型、つまり硬化工程を通じて弾性材料の温度管理を促進することができる。
【００３９】
弾性材料の温度測定は、硬化時間、または弾性材料が硬化温度に露出される時間を調整することができ、所望のシール特性が作成される。例えば、弾性材料が導入温度から硬化温度までゆっくり上昇すると、硬化時間は硬化温度より低い温度での時間が占める割合を延長されてもよい。他の例として、硬化中に硬化温度が変動すると、硬化時間は変動の占める割合を延長されるか又は短くされる。
【００４０】
さらに、熱は弾性材料の厚みを介して伝わらなければならないため、弾性材料の内部は、金型近くの弾性材料と異なった温度であってもよい。所望より高い温度は、剛性材料を生成する過剰の架橋結合を引き起こす場合がある。所望より低い温度は、所望より少ない架橋結合を引き起こす場合がある。弾性材料の温度測定は、金型付近の弾性材料が余計に架橋結合することを防ぐように且つ弾性材料の内部が十分に架橋結合するように、硬化温度と硬化時間との調整を可能にする。
【００４１】
シール内の弾性材料の硬化に伴い、要望に応じてシールは後硬化されてもよい。加熱と硬化工程中の温度測定は、後硬化温度又は後硬化時間の調整に使用されてもよい。同様に、温度は後硬化の最中に測定されてもよく、また後加工温度と時間は所望のシール特性という結果をもたらすために調整されてもよい。
【００４２】
好ましい実施形態では、パッカーシールで行われた実験は、“ＧＸ  １３−１０  Ｐａｃｋｉｎｇ  Ｕｎｉｔ  Ｃｕｒｅ  Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ”（”Ｔｈｅ  ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ  ｓｔｕｄｙ”）とされ、実験的、論理的、及びパッカーシールのための硬化の適切な状態を決定付けるのを目的としたＦＥＡベースの分析研究を網羅し、参照として本明細書に組み入れられる。実験において、パッカーシールの熱硬化が行われ、温度データは熱電対を使用したパッカーシールボディ内の所定の位置で集められた。熱電対の研究の結果から、特定の実施形態はパッカーシールを形成するとき、７時間硬化サイクルを使用することができる。
【００４３】
更に、熱硬化とデータ収集テスト手順は、金型の形状と金属とゴムとの混合物の温度特性もまた形成された、ＦＥＡシミュレーションを認証するために使用された。したがって、パッカーシール対時間を通じた温度分布は、ＦＥＡ分析方法で得ることができた。これらの結果は、パッカーシールユニットの中で得られた熱電対データと厳密に一致していた。このＦＥＡ分析から測定された温度分布と、硬化テスト熱電対解釈から得たものの緊密な比較はＦＥＡメソッドの正確性を立証した。ＦＥＡメソッドは、熱電対を使用する実験的方法に、シンプル且つより効果的な代替方法であるので、形成されたゴム製品の硬化状態と品質及び機能寿命の改良とを意義付けるためにより頻繁に使用されてもよい。
＜ＦＥＡモデル＞
上述されたように、防噴装置のための弾性及び剛性物質を有したシールを設計し製造するために歴史的に使用された技術とモデルとは、シールの設計の製造と性能を改良するための正しい情報を提供しない場合がある。例えば、一様でない熱処理、材料の厚さの多様性、材料特性の変動などは適切な硬化パラメータの信頼できない予測を引き起こす可能性がある。そのため、本発明に開示されている実施形態に従った防噴装置用シールの設計及び製造において、硬化段階のＦＥＡシステムを含む方法はシールの設計及び製造の改良に使用されてもよい。このＦＥＡメソッドは、シールモデルの生産と変更のための特定の技術に加え、硬化サイクルの間に弾性材料の硬化度合いをより正確に測定することができる。そのようなＦＥＡを行うのに適切なソフトウェアは、ＡＢＡＱＵＳ（ＡＢＡＱＵＳ，  Ｉｎｃ．で入手可能）、ＭＡＲＣ（ＭＳＣ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎで入手可能）、及びＡＮＳＹＳ（ＡＮＳＹＳ，  Ｉｎｃ．で入手可能）を含むが、これらに限定されない。
【００４４】
特に、本発明に開示されている実施形態は、多様な温度と時間プロファイルにおいてシールの反応を定義づけるためのＦＥＡにおいてシールモデルを作成し分析するための技術を有利に提供できる。ここに開示されている方法は、簡素シール設計及び／又はシールのモデルをシールの分析においてをアシストするために使用してもよい。例えば、ここに開示されている方法は、その設計を“スムージング”することにより複雑なシール設計の分析部分を回避することができる。
【００４５】
ここに使用されているように、“スムージング”という用語は、ＦＥＡで使用するシール設計の複雑な形状を簡素化する多様な技術を意味する。これらの技術は、スムーズではないモデルの分析が可能で無い場合に、実験的に測定された条件と相関させ、また最も確実な結果に集約させるためのスムーズモデル（例えばスムーズ設計から構成されるＦＥＡモデル）の分析を可能とする。また、スムージング設計により構成されたモデルは、総合的に決定するため又はバルク条件をＦＥＡ内で分析される。このバルク（例えば局部的でない）条件を分析することで、多様な時間と温度条件に置かれたシールの硬化がより正確に予測されるであろう。バルク条件のスムーズ設計の分析に従ったとき、そこから得られた知識は、製造される（スムーズではない）シール設計に組み込むことができる。
【００４６】
図１２は、弾性及び剛性物質を含んだシールの製造方法を描いたフローチャートである。最初のステップ１２１０として、シールの材料の特性（例えば弾性物質、剛性物質、及び使用するのであれば架橋剤）が決定される。物質の特性は、実証的テストを通じて決定付けられるか、または別の方法では工業的に入手可能な物質の特性データから提供される。物質の特性は、例えば伝導性及び他の熱力学特性や、運動速度係数、分解温度、反応基の濃度、及び物質の反応に影響するであろう他の物質の特性、を含んでもよい。
【００４７】
第二ステップ１２１５として、金型材料の特性（例えばとりわけ、金型を形成している物質及び熱交換媒体）が決定される。物質の特性は、実証的テストを通じて決定付けられるか、または別の方法では、工業的に入手可能な物質の特性データから提供される。物質の特性は、例えば、伝導性、粘性、対流熱伝達定数、及び他の熱力学特性、を含んでもよい。金型材料の特性は、シール境界条件の決定を提供する場合がある。
【００４８】
次に、シール用の三次元シールモデル（例えばメッシュ）が１２２０で生成される。また、シールモデル１２２０の形成は、シールモデル１２２１の取り込みと、ＦＥＡ分析を簡素化するためその後取り込まれたシールモデルのスムージング１２２２と、からなる。
【００４９】
次に、さらに正確な硬化モデルを望む場合、金型のための三次元金型モデル（例えばメッシュ）が１２２５で形成される。また、金型モデル１２２５の形成は、金型モデル１２２６の取り込みと、ＦＥＡ分析を簡素化するためその後取り込まれた金型モデルのスムージング１２２７と、からなる。
【００５０】
二つの別々のモデルが述べられているが、金型に配置されたシールの三次元モデルもまた形成される。しかしながら、金型からまたは硬化キャビティからシールが取り除かれた後、硬化が続くにつれてシールも冷却され、金型モデルから分離されたシールモデルは金型の外で起きる継続した硬化を説明することができる。いつかの実施形態において、金型モデルとシールモデルとは一体化し、金型モデルはシールモデルのための境界条件を各反復中に提供する。境界条件のステップ変更は金型キャビティからのシールの分離の後の前硬化のモデリングのために使用されてもよい。
【００５１】
次に、硬化条件（例えば時間及び温度条件）は、シールモデル１２２０（またはスムーズシールモデル１２２２）、及び付随的に、金型モデル１２２５（またはスムーズ金型モデル１２２７）を使用するＦＥＡにおいてシミュレートされる（１２３０）。好ましくは、これらのシミュレートされた硬化状況は熱伝導、架橋反応、及び硬化中にシールが経験することを予測される特性の変化、を反映する。さらに、硬化条件のシミュレーション後、シールモデルの中で起きている硬化を示したプロットが形成され分析される（１２４０）。理想的に、そのプロットはシミュレートされた硬化条件に応えて、シールモデルで起きている硬化の位置と量を示す。プロットは、シールモデルの性能特性を決定付けるために分析及び調査されてもよい（１２４０）。
【００５２】
シールの製造方法は、硬化工程中のシールの物質特性変化を明らかにするためにステップ１２１０へ戻り、またはその代わりに、他のシールモデルの形成と分析のためにステップ１２２０へ戻っても良い。これらのループは、更なる修正またはモデルの後、その性能を決定付けるＦＥＡにおける更なるシミュレーションになるシールモデルを可能にする。さもなければ、シールモデルが許容され特定の規定に沿っている場合、シールモデルは、防噴装置用シールの製造で使用されてもよい（１２５０）。
【００５３】
ステップ１２２０では、シールのためのモデル（例えばメッシュ）が形成される。シールのモデルを形成するとき、シールのモデルの特徴は選ばれモデルに適用される。例えば、アニュラー防噴装置パッキングユニット用に、使用される挿入部の数、剛性素材挿入部の幅、及び剛性素材挿入部に使用される特定の物質はシールモデルを形成するときに選択される。シールモデルは、キャド（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ａｉｄｅｄ  ｄｅｓｉｇｎ：  “ＣＡＤ”）ソフトウェア（例えばＡｕｔｏｄｅｓｋ，Ｉｎｃにより販売されているＡｕｔｏＣＡＤ、及びＰａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  により販売されているＰｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ）により作成されてもよく、ＦＥＡソフトウェアパッケージに取り入れられるか、代わりにＦＥＡパッケージ（ＡＢＡＱＵＳ及びＰＡＴＲＡＮ）の中で作成されてもよい。
【００５４】
図１３から図１６はここに開示されている実施形態にともなうシールモデルの形成方法を示す。特に、図に示されるように、アニュラー防噴装置パッキングユニット１０５の型は、ＣＡＤソフトウェアを使用して作成されたシール設計により形成されてもよい。図１３に示すように、シール設計の断面、プロファイル１３０１は２次元プロット（Ｘ軸とＺ軸を使用）でアニュラーパッキングユニット１０５に形成されてもよい。パッキングユニット１０５は、弾性ボディ（１０７）と、孔１１１付き剛体（例えば金属）挿入部１０９と、を含む。複数の放射状及び軸方向の断面プロファイルは、シールの異なった断面を表すために形成されてもよい。例えば、プロファイルは、金属挿入部１０９を有する又は有さないパッキングユニット１０５の部分を形成することができる。
【００５５】
ここから、図１４で示されるように、シール設計の軸方向の断面プロファイル１３０１と、放射状の断面プロファイル１４０１が２次元プロット（Ｘ軸とＹ軸を使用）のシールの異なる放射状断面を表すために形成される。パッキングユニット１０５が対称なため、図に示されるように、断面の放射状プロファイル１４０１の放射状部分だけが、形成される必要がある。そして、図１５に示されるように、軸方向及び放射状プロファイル１３０１、１４０１を合わせることで、三次元シール設計１５０１は、三次元プロット（図１３と図１４の対応するｘ、ｙ、およびｚ軸を使用）におけるパッキングユニット１０５の少なくとも一部を表すために形成されることができる。三次元シール設計１５０１、金属挿入部１０９及び弾性ボディ１０７、及び弾性ボディ１０７はお互いに作用するここのボディとして形成される。シール設計（例えばこの場合はパッキングユニット）の複雑性によって、シールの設計の複雑性によって、シールの更なるプロファイル１３０１、１４０１はシール設計１５０１において詳細に形成される。
【００５６】
さらに示されるように、シール設計１５０１とモデル又はメッシュ１６０１（後述される）は、パッキングユニット１０５の放射部分のみを表す。しかしながら、パッキングユニット１０９の残りの部分はパッキングユニット１０５の対称な形状を活かすことにより簡単に形成することができる。当業者は、放射的に対称モデルの場合、対称部とプロファイルとはモデルの生成を簡素化するために使用され複製されてもよいことは言うまでもない。
【００５７】
図１６において、ＣＡＤソフトウェアを使用して製作されたシール設計１５０１は、有限要素１６０３のモデルまたはメッシュ１６０１を作り出すためにＦＥＡソフトウェアを組み込んでもよい。メッシュ１６０１の有限要素１６０３は、硬化条件が適用されたとき、シールとパッキングユニットとをシミュレートするために一緒に作用する。パッキングユニット１０５の弾性ボディ１０７の無限エレメント１６０３は、弾性物質の熱力学と力学的特性に対応した硬化条件をシミュレートし応答する。
【００５８】
同様に、パッキングユニット１０５の金属挿入部の有限要素１６０３は、金属挿入部の金属特性に対応している硬化条件をシミュレートし対応する。それ故に、有限要素１６０３は、物質特性に従って、シールの異なった物質（例えば弾性又は剛性物質）の反応をシミュレートするための伝導性、膨張、及びその他の熱力学特性を示す。有限要素１６０３は、図で示されるように８節要素（例えばレンガ要素）であり、技術的に知られているいかなる計上の有限要素が使用されてもよい。
【００５９】
さらに、シールモデル１２２０を形成する一方で、いくつかのスムージング技術がシール設計１２２２に使用されてもよい。多様な状況において、上述されているように、ＦＥＡを使用したシールの実際の製造された形状の分析は、複雑な形状がシミュレートされたとき、複雑な状況の原因となる場合がある。特に、金属シール要素の形状は、製造された際に、使用中に要素に負荷が加わるにつれ、要素全体に応力をより平等に分配するための放射状のコーナーと応力集中の減少特性とを含む。しかしながら、これらの放射状のコーナーは、ＦＥＡの中のＦＥＡモデルに悪影響を及ぼすと発見されている。すなわち、それらはモデルの複雑性を増し、またＦＥＡを正確な結果を生み出すことを妨げる。そのため、スムーズ設計から形成されたシールモデルは、ＦＥＡの結果を改良するための試みにおいて製造時の応力集中の特性の除去を含んでもよい。
【００６０】
一つの実施形態において、シール設計の剛体物質は、それの複雑性を減らすために修正（例えばスムーズに）される。図１７Ａは、ウェブ１７０５によって結合されたフランジ１７０３を含む金属挿入部１７０１の端面図である。金属挿入部１７０１は、放射状の内部角１７０７と、四角い外部角１７０９を一般的に有している。しかしながら、スムージング設計の一つの実施形態において、金属挿入部の角は、修正される場合がある。例えば、図１７Ｂは、ここに開示されている実施形態に従った、ウェブ１７１５によって結合されたフランジ１７１３を含む金属挿入部１７１１の端面図である。スムージング設計においては、内部角１７１７は、その後構成されたモデルを簡素化しようとして半径（図参照）を減らすか消滅するために修正される場合がある。さらに、スムージング設計においては、外部角１７１９は、その後構成されたモデルを簡素化しようとして半径（図参照）を追加あるいは増やすために修正される場合がある。この方法で構成されたシールモデルは、ＦＥＡが、従来の、より“局部的”なアプローチの使用より、さらに正確で決定的な結果を生み出すためにバルク伝導性と硬化のために分析されてもよい。
【００６１】
さらに他の実施形態では、剛体物質挿入部の内部角及び外部角を修正することで設計をスムーズにする代わりに、スムージングは、剛体物質挿入部の形と弾性ボディ内での位置の修正を含んでもよい。図１８Ａは、アニュラーパッキングユニットの弾性ボディ１８０２の一部の中に配置された金属挿入部１８０１の上面図である。図に示されている金属挿入部１８０１のフランジ１８０３及びウェブ１８０５は、四角い形状をしており、フランジ１８０３のフランジ端１８０４Ａ及び１８０４Ｂと、ウェブ１８０５のウェブ端１８０６Ａ及び１８０６Ｂは、直線で定義されている。フランジ端１８０４Ａ及びウェブ端１８０６Ａは、フランジ端１８０４Ｂ及びウェブ端１８０６Ｂより中心軸１０３に対して半径方向に近くに位置する。
【００６２】
しかしながら、図１８Ｂを参照すると、金属挿入部の形と方向性とはバルクひずみ分析のためにスムーズにされてもよい。図１８Ｂでは、ここに開示されている実施体系に従ったアニュラーパッキングユニットの弾性ボディ１８０２の一部内に配置された金属挿入部の上面図である。示されるように、金属挿入部１８１１のフランジ１８１３とウェブ１８１５（アウトラインが示されている）は、中心軸１０３の周りを中心とした放射状アウトラインを決定するアーチ形の端部を有している。特に、フランジ１８１３の側面１８１４Ｃ及び１８１４Ｄは、中心軸１０３から外側に放射状に伸びた放射ライン１８１７に沿っていてもよい。ウェブ１８１５の側面１８１６Ｃ及び１８１６Ｄは、同じように放射ライン（図示せず）に沿っていてもよい。これに基づいて、フランジ側面１８１４Ｃ及び１８１４Ｄの間に配置されているフランジ端部１８１４Ａ及び１８１４Ａと、ウェブ側面１８１６Ｃ及び１８１６Ｄとの間に配置されているウェブ端部１８１６Ａ及び１８１６Ｂとは、弧、弓形、又は屈曲を有するためにアーチ型に沿っていてもよい。好ましくは、アーチ状端部１８１４Ａ、１８１４Ｂ，１８１６Ａ、及び１８１６Ｂは、中心軸１０３周囲を明確にした放射状パスに沿っている。それ故、図に示されるように、１８１４Ａ、１８１６Ａの端部から１８１４Ｂ、１８１６Ｂの端部にむけて、１８１４Ｃ、１８１４Ｄ、１８１６Ｃ、１８１６Ｄに沿ったとき、フランジ１８１３とウェブ１８１５の幅は広がる。それ自体は、この方法で構成されたシールモデルは、より正確で決定的な結果を生み出すためにＦＥＡの間の硬化をより正確にシミュレートすることができる。
【００６３】
同じように、シール設計の弾性ボディも同じくスムーズにされていてもよい。再び図１５において、弾性ボディ１０７は、ピストン１１７（図１）のくさび面１１８と対応する圧縮面１０８を含む。例えば、シール設計は、圧縮面１０８の角及び／又は半径を修正することによりスムーズにされてもよい。弾性ボディの圧縮面と他の部分を修正するためには、そこから構成されたシールモデルは、ＦＥＡの間、硬化をより正確にシミュレートすることができる。当業者は、これらの説明されたスムージング技術と修正に追加して、他の技術も使用されていいことは言うまでもない。
【００６４】
再び図１２を参照し、ステップ１２２０でシールモデルを形成するとき、特にシールモデルのシール設計１２２２をスムージングするとき、シールモデルの弾性ボディと剛体物質挿入部の体積（ボリューム）は、実質的に一定のままである。体積（ボリューム）が一定ではない場合、ＦＥＡによって生成された結果とシミュレートされた硬化は正確でも一貫性があるものでもない場合がある。この概念を使用すると、弾性ボディと剛体物質挿入部の体積（ボリューム）は、正確な結果をもたらすために、好ましくは実質的に一定のままである。
【００６５】
ステップ１２３０に続くと、硬化条件は、形成されたシールモデルを使用するＦＥＡでの防噴装置用のシールにおいてシミュレートされる。好ましくは、シミュレートされた硬化条件は、シールが硬化中に経験すると予測されているであろう所定の温度での温度と時間である。例えば、アニュラー防噴装置のパッキングユニットのモデルは、弾性物質（例えば十分な架橋結合の開発）の所望される弾力性の開発に関連した硬化条件をシミュレートしてもよい。
【００６６】
ステップ１２４０では、硬化条件に応えたシールモデルにおいて起こる物質的な特性の硬化と開発を示している硬化プロットは、モデルにしたシール硬化の性能を定義付けるために分析し再考されてもよい。この技術は、硬化条件とともにシールモデルの各要素の硬化度合いを測定することで、または現状におけるシールモデルの対応する各要素の硬化を示すことで遂行されてもよい。これは、シミュレートされた硬化条件下においてパッキングユニットで起きている硬化が、パッキングユニットにおいてそれの元の位置と条件に“戻され”てもよい。
【００６７】
上述されているように、シールモデルは、他の可変の中で、硬化時間と温度の変化、選ばれた弾性及び剛体物質、及びシールの形又は設計を含む多様な状況下における硬化の度合いを予測するために使用されてもよい。付随して、金型モデルは、シールが硬化工程の中で経験するであろう境界条件（例えば金型内の温度変化）での時間のずれと差異とを占める場合がある。例えば、金型が開けられ周囲環境に露出される時間は変化するところにおいて、金型の初期温度はシールまたは剛体物質の装填のために開けられた金型による結果などによって異なってもよい。
【００６８】
その他のシールモデル要素は、特に、形状、伝導性、硬化速度／反応速度、加熱及び冷却レート、分解速度及び反応性、及び他の熱力学又は力学特性、からなる。例えば、形状に関しては、弾性物質の薄い部分は、金型内の金属の伝導性又は熱要素の位置により、薄い部分より高い平均温度にさらされる場合がある。シールモデル及び金型は、いくつかの実施形態において、弾性物質の余剰加熱を防ぐために、例えば加熱要素の選択的配置などによって、設計するのに使用されてもよい。シールモデルは、架橋結合の度合い又は前硬化工程によって影響を受ける特性を測定するために使用されてもよい。
【００６９】
いくつかの実施形態において、上述されたモデルは、モデルを実証するために経験的データを使用し、実証又は相互関係が示される。例えば、実験的データは、伝熱媒体の温度と金型の部分の測定、及び／又は上述されているような硬化工程中の弾性材料の測定により収集されてもよい。付随して、測定された硬化条件から得られた硬化の度合いについてのデータも得られる場合がある。測定された硬化条件ともたらされたシール特性は、その後、モデルを実証し実際のテスト結果の相互関係を示す。実験的データにモデルを関連させる例として、運動速度定数、伝導性、又は伝導的及び対流的な熱伝達係数が、実際の効果のより良い概算において理論価値から結果に調整されてもよい。
【００７０】
他の実施形態において、モデルを相関させる又は実証されたモデルを使用するとき、モデルは、硬化工程中の熱電対と温度設定点の調整に使用される他の器具を測定するために使用されてもよい。例えば、金型／シール界面に隣接して配置されてもよい熱電対、熱伝達媒体の温度の測定、電気ヒーターからの入力／出力エネルギーの測定、及びその他は不正確で、金型キャビティの一つかそれ以上の実際の熱入力に影響を及ぼす場合がある。シール／金型モデルは、測定したデータに不正確な箇所がある場合は、分析のために使用されてもよい。この様に、モデルは、測定した温度プロファイルの変化を明らかにするために調整されてもよく、又はモデルは、オペレーターによって入力された温度プロファイルを調整するために使用されてもよく、またモデルは、不正確さを明らかにする実際の硬化条件を調整することによりシールの硬化及び／又は整合性を改良する手段を提供することができる。
【００７１】
上述されたシールモデル（及び使用する場合は金型モデル）は、多種多様な物質の混合の硬化条件を定義づけるために使用されてもよい。規定のシールモデル（形状）に対して、様々な多数の弾性物質、剛体物質、硬化補助（架橋結合剤）、及び他の変数は、硬化条件ともたらされたシール特性が特定のシールモデル（形状）に最適化されるためにシミュレートされる。
【００７２】
いくつかの実施形態において、二つ目のシールモデルは上述されたように形成された一つ目のシールモデルに基づき形成されてもよい。例えば、モデルは異なったシール形状を反映するために変更されてもよい。上述されたような物質特性と他の変数、及び実験的データに関連づけられるそれらは、一つ目のシールモデルの形状とは異なった形状を持つシールのために得られた硬化を測定するために使われてもよい。この様に、多様な形状が硬化ともたらされたシール特性の両方を最適化するためにシミュレートされてもよい。
【００７３】
例えば、ＦＥＡモデルは上述された変数が所望した強度、弾力、または他のシール特性に到達するために調整するのに使用されてもよい。いくつかの実施形態について、シールモデルは、特に他の特性のなかでも流量計、弾性係数、及び強靭性を含む架橋結合の度合いから推測されるであろう特性のような、硬化工程からもたらされた物理的性質データを提供する。
【００７４】
他の実施形態においては、もたらされたシール特性は、応力下のシールの性能を分析するために使用されたＦＥＡモデルとまとめられてもよい。そのようなＦＥＡモデルは特に、不具合前の循環の兆候、圧力限界又は評価、応力／ひずみ限界、及びシール実証、を提供するために使用されてもよい。そのようなＦＥＡモデルは、米国仮出願番号第６０／８４７，７６０に開示され、本開示の譲受人へ譲渡され、その全体を参照として本明細書に組み入れる。
＜シールの製造／硬化におけるモデルの使用＞
上述されたＦＥＡシールモデルは、物質選択を最適化するために、また的確な硬化条件を定義づけるのに使用されてもよい。いくつかの実施形態において、オペレーターは硬化時間と硬化温度をＦＥＡモデルによってもたらされた結果に基づいて、図１９に示すように選択することができる。初期ステップ１９１０として、シールモデルは、上述されたように形成され実証されても良い。モデルはそして、所望の製品特性に適したシール物質を選択（１９２０）するために使用されてもよい。モデルはそして、シールの製造（１９４０）に使用される硬化条件を選択（１９３０）するために使用されてもよい。
【００７５】
例えば、ＦＥＡは、単位時間あたりに硬化するであろうシールの数を増やす最速の循環時間を提供する硬化温度プロファイルを選択するために使用されてもよい。他の例として、ＦＥＡは、所望のシール特性をもたらす硬化条件を選択するために使用されてもよい。他の実施形態では、ＦＥＡは、所望のシール特性をもたらすためにロット変動（例えばロット間の弾性物質特性の多少の差異）を基に硬化条件を決定するために使用されてもよい。
【００７６】
上述されたＦＥＡモデルは、図２０に示されるように硬化条件を調節するためにも使用されてよい。初期ステップ２０１０として、シールモデルは、上述されたように形成、実証されてもよく、またシール材料を選択する（２０２０）ためと硬化条件（時間と温度プロファイル）を選択する（２０２５）するために使用されてもよい。シール材料はその後、硬化（２０４０）のために金型キャビティに配置（２０３０）される。硬化ステップ２０４０の間、実際の温度測定が行われＦＥＡモデルに入力される。実際の硬化条件と選択された硬化条件との多様性のため、硬化時間と温度とはＦＥＡモデル結果を基に調整されてもよい。このように、例えば、硬化稼動の多少の変動が大半を占めていてもよく、又／あるいは、シール特性のロット変動は最小にされてもよい。
【００７７】
上述されたＦＥＡシールモデルは、前硬化条件を選択及び／又は調整するために使用されてもよい。図１９及び２０で示されるように、後硬化条件は、ＦＥＡモデルを使用して選択（１９５５、２０５５）されてもよい。硬化ステップ１９４０、２０４０に従ったとき、シールは前硬化され（１９６０、２０５５）、いくつかの実施形態では、後硬化時間と温度は、測定された硬化条件及び／又は測定された後硬化条件に基づいて、所望されたシール特性をもたらすために調整されてもよい。
【００７８】
上述されたように、ここに開示された実施形態は、シールを製造する実験的方法を提供する。硬化工程中の硬化条件の測定は、特に一つかそれ以上の製品の一貫性、硬化循環時間、およびシール特性を改良するための硬化条件を調整するために使用されてもよい。
【００７９】
更に、ＡＰＩ  １６Ａ／ＩＳＯ  １３５３３：２００１のような産業の必要条件は、シールモデルを比較し証明する特定の基準として使用されてもよい。具体的に、ＡＰＩ  １６Ａ，  Ｓｅｃｔｉｏｎ  ５．７．３がアニュラータイプ防噴装置の密閉試験を基準としている一方で、ＡＰＩ  １６Ａ，  Ｓｅｃｔｉｏｎ  ５．７．２は、ラムタイプ防噴装置の“密閉試験”を基準としている。ＡＰＩ  １６Ａ／ＩＳＯ  １３５３３：２００１の下で、パッキングユニットはドリルパイプの周囲を６箇所密閉されていることを必要としており、７箇所の密閉においては、２００−３００  ｐｓｉ  （１．４−２．１  ＭＰａ）程度の圧力に対して効果的な密閉が可能であることが必要とされている。
【００８０】
上述したように、シールモデルはシールを設計、シール形状を選択、シールの製造に使用される物質、を選択するために使用されてもよく、またシールの製造のために使用される硬化条件の選択と調節に使用されてもよい。有利に、ここに開示されているシールを使用した実施形態は、特にメリットの中では、一つか又はそれ以上の改良されたシール設計、改良さらえたシールの硬化、硬化循環時間の減少、改良された製品一貫性、及び増大された寿命、を供給することができる。
【００８１】
開示が制限された数の実施形態を含むが、本開示の利益を有するこれらの当業者は、他の実施形態は、本開示の範囲から逸脱することがない範囲で改良されることは言うまでもない。したがって、範囲は付属の特許請求の範囲によりのみ制限されるべきである。
【図１】
2009544875.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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