(57)【要約】  噴出防止装置のシールの架橋密度を高める方法であって、硬化された弾性材料と少なくとも１つの剛性挿入部とを備える噴出防止装置シールの選択された部分に電子ビーム照射を選択的に適用し、硬化された弾性材料の選択された部分の架橋密度を高めることを含む方法が開示される。この方法は、前記選択的に適用する前に、はみ出しやすい前記噴出防止装置シールの一部分を決定することをさらに含み、前記選択的に適用することが、前記決定された部分に電子ビーム照射を選択的に適用することを含んでもよい。噴出防止装置のシールを硬化する方法、噴出防止装置、および噴出防止装置のシールもまた開示される。【選択図】図１
2012511651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴出防止装置のシールの架橋密度を高めるための方法であって、
硬化された弾性材料と少なくとも１つの剛性挿入部とを備える噴出防止装置シールの選択された部分に電子ビーム照射を選択的に適用し、前記硬化された弾性材料の選択された部分の架橋密度を高めることを含む方法。
【請求項２】
前記選択された部分が、はみ出しやすいものである請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記選択的に適用する前に、はみ出しやすい前記噴出防止装置シールの一部分を決定することをさらに含み、前記選択的に適用することが、前記決定された部分に電子ビーム照射を選択的に適用することを含む請求項１記載の方法。
【請求項４】
架橋密度の所望の増加に必要な電子ビーム照射の処理を、前記噴出防止装置シールの所与の深さに決定することをさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記電子ビーム照射の処理を決定することが、架橋密度の所望の増加を達成するための照射量を決定することを含む請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記照射量が約５０から約２０００ｋＧｙの範囲に及ぶ請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記所与の深さを決定することが、前記電子ビーム照射が前記所与の深さまで貫通するために必要な電子ビームのエネルギーレベルを決定することを含む請求項４記載の方法。
【請求項８】
前記電子ビームのエネルギーレベルが約５０ｋｅＶから約５０００ｋｅＶの範囲に及ぶ請求項７記載の方法。
【請求項９】
噴出防止装置のシールを硬化させる方法であって、
複数の剛性挿入部を用いて弾性材料を成形すること、
前記成形された弾性材料を硬化剤で硬化させること、
前記硬化された弾性材料の一部分の架橋密度を高めるために前記硬化された弾性材料の前記部分に電子ビーム照射を選択的に適用することを含む方法。
【請求項１０】
前記硬化剤が、硫黄、過酸化物、金属酸化物、アミン、またはフェノール樹脂のうちの少なくとも１つを含む請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記選択された部分が、はみ出しやすいものである請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記選択的に適用する前に、はみ出しやすい前記噴出防止装置シールの一部分を決定することをさらに含み、前記選択的に適用することが、前記決定された部分に電子ビーム照射を選択的に適用することを含む請求項９記載の方法。
【請求項１３】
架橋密度の所望の増加に必要な電子ビーム照射の処理を、前記噴出防止装置シールの所与の深さに決定することをさらに含む請求項９記載の方法。
【請求項１４】
噴出防止装置のシールであって、
弾性体と、
前記弾性体内に配置された少なくとも１つの剛性挿入部とを備え、
前記弾性体の一部分が、前記弾性体の残りの部分よりも高い架橋密度を有するシール。
【請求項１５】
前記弾性体が、ニトリルブタジエン、水素化ニトリル、およびカルボキシル化ニトリルから選択された少なくとも１つのニトリルベースのエラストマーを含む請求項１４記載のシール。
【請求項１６】
前記弾性体が、その中に少なくとも１つの充填剤を含む請求項１４記載のシール。
【請求項１７】
前記より高い架橋密度が電子ビーム照射によって達成される請求項１４記載のシール。
【請求項１８】
ドリルホールが中に画定された本体と、
前記本体内に配置され、ドリルホールを封止するように構成されたパッキングユニットであって、弾性体と、前記弾性体内に配置された少なくとも１つの剛性挿入部とを備え、前記弾性体の一部分が、前記弾性体の残りの部分よりも高い架橋密度を有する、パッキングユニットとを備える噴出防止装置。
【請求項１９】
前記弾性体が、ニトリルブタジエン、水素化ニトリル、およびカルボキシル化ニトリルから成るグループから選択された少なくとも１つのニトリルベースのエラストマーを備える請求項１８記載の噴出防止装置。
【請求項２０】
前記より高い架橋密度が電子ビーム照射によって達成される請求項１８記載の噴出防止装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において開示される実施形態は、一般に、石油およびガス産業で使用される噴出防止装置に関する。具体的には、開示される実施形態は、局所的に強化されたＢＯＰパッキングユニット、および噴出防止装置に使用するシールを処理、硬化、および製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
坑井を掘削するとき、坑井は場合によっては、坑井内で維持されている圧力よりも実質的に高い地層圧を有する層を貫通することもあり、その結果坑井が「キックを受ける（ｔａｋｅｎ  ａ  ｋｉｃｋ）」ことになる。圧力の上昇（一般には、地層流体の流入により引き起こされる）が表面に波及すると、掘削流体、坑井器具、およびその他の掘削構造体がドリルホール（ｗｅｌｌｂｏｒｅ）から噴出するおそれがある。このような「暴噴」の危険があるので、キックを制御するための積極的な処置が講じられるまでドリルホールを効果的に封止するために、噴出防止装置が表面の坑口の上または海底に設置される。坑井の封止は通常、「パッキングユニット」と呼ばれる大型のシール弾性体により行われる。パッキングユニットは、ドリルパイプおよび坑井器具に対して封止するか、または（パッキングユニットの孔の内部にドリルパイプまたは器具が存在しない場合）それ自体圧縮されるように、噴出防止装置内で作動することができる。パッキングユニットが、ドリルパイプの周りで、またはそれ自体圧縮されると、弾性体は半径方向内向きに圧迫されて、パッキングユニット内（特に、封止表面を形成する領域または範囲）に応力および歪みを生じさせる。
【０００３】
噴出防止装置シールに応力が加えられると、シールの材料は、応力に対処するように歪み、封止係合をもたらす。シールの材料に生じる歪みの量は、材料の弾性率によって異なる。弾性率は、応力と歪みとの比率の測度であり、力または圧力が印加されたときに変形する材料の傾向として説明することもできる。たとえば、高い弾性率を備える材料は、任意の所与の応力に対して、弾性率の低い材料よりも、受ける歪みが小さい。
【０００４】
弾性率および伸び率を含む弾性材料の特性は、基材（エラストマー）特性だけではなく、シール製造中に得られる弾性材料の硬化度、架橋の度合いおよび密度にも依存する。架橋が不十分であれば、結果として低い弾性率、高い伸び率のシールをもたらし、粘性流の影響を受けやすいシールとなるが、過度な架橋は、結果として弾性率は高いが伸び率の低いシールをもたらし、応力を受けてシールの脆性破壊を引き起こすことになるか、またはシールが曲がらず、望ましい封止係合を形成することができなくなる。したがって、シールの粘性流による破断を防ぐように十分に高く、しかし脆性破壊を避けるように十分に低い、架橋レベル間の均衡というものが存在する。
【０００５】
追加の架橋を通じてエラストマーシール体の弾性率および硬度を高める（また伸び率を低減する）ことに加えて、架橋密度が高まるにつれて、シールはまた、より熱的に安定なものとなる。架橋が少なすぎると、噴出防止装置シールが高温露出および／または熱循環を受けたとき、シール内のポリマー鎖が、さらなる結晶構造に再配向する、および／または鎖の可動性により追加の架橋を引き起こす可能性があり、これらはいずれもシールの脆性を増大させる。しかし、適正な架橋を与えることにより、鎖間の架橋の存在および量によりポリマー鎖は可動性が低下し／その位置により固定されるため、そのような現象は軽減される。
【０００６】
架橋密度を高め、したがって弾性率、硬度、および熱安定性を（硬化剤の大量使用または長い硬化時間を通じて）高める従来の手法は、結果としてパッキングユニット（または他のシール）全体にわたって架橋密度の均一な変化をもたらす。したがって、たとえばシールの上部内側孔または上部外側面のような領域におけるはみ出しによる破断を防ぐためにシールの架橋密度を高めることが必要である場合、シール全体が（さらに大量の硬化剤および／または硬化剤へのさらに長い暴露時間を通じて）より高いレベルの硬化を受ける。しかし、この変化が望ましい領域もある一方で、より高い柔軟性が必要とされるか、または割れを生じやすい領域では、この変化が望ましくない場合もある。シールの他の部分ではなく特定の望ましい部分で、選択的に架橋密度を高めることができれば、さまざまなシールの部分に起こりうる破断モードに基づいて望ましい特性を局所的に制御できるだけでなく、より低い架橋密度状態に硬化させるだけによってシール全体の硬化時間を潜在的に短縮することもできるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第２００８−００６６９０６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、弾性シールを通じて架橋密度を局所的に制御し、結果として、シールの残りの部分の柔軟性を低下させることおよび／または脆性破壊を起こしやすくすることなく、より大きい歪みを受け、はみ出す可能性があるシールの選択された領域において硬度、応力耐性、およびはみ出し耐性を高めることが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
１つの態様において、本明細書において開示される実施形態は、噴出防止装置のシールの架橋密度を高める方法であって、硬化された弾性材料と少なくとも１つの剛性挿入部とを備える噴出防止装置シールの選択された部分に電子ビーム照射を選択的に適用し、硬化された弾性材料の選択された部分の架橋密度を高めることを含む方法に関する。
【００１０】
もう１つの態様において、本明細書において開示される実施形態は、複数の剛性挿入部を用いて弾性材料を成形すること、成形された弾性材料を硬化剤で硬化させること、硬化された弾性材料の部分の架橋密度を高めるために電子ビーム照射を硬化された弾性材料の部分に選択的に適用することを含む噴出防止装置のシールを硬化させる方法に関する。
【００１１】
さらにもう１つの態様において、本明細書において開示される実施形態は、弾性体と、弾性体内に配置された少なくとも１つの剛性挿入部とを含む噴出防止装置のシールであって、弾性体の一部分が、弾性体の残りの部分よりも大きい架橋密度を有するシールに関する。
【００１２】
さらにもう１つの態様において、本明細書において開示される実施形態は、ドリルホールが中に画定された本体と、本体内に配置され、ドリルホールを封止するように構成されたパッキングユニットであって、弾性体と、弾性体内に配置された少なくとも１つの剛性挿入部とを備え、弾性体の一部分が、弾性体の残りの部分よりも高い架橋密度を有する、パッキングユニットとを備える噴出防止装置に関する。
【００１３】
本発明のその他の態様および利点は、後段の説明および添付の特許請求の範囲を読めば明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本開示の１つの実施形態による噴出防止装置を示す図である。
【図２】硫黄により硬化されたエラストマーサンプルへの照射量に応じて変化する１００％弾性率および伸び率の特性を示すグラフである。
【図３】過酸化物により硬化されたエラストマーサンプルへの照射量に応じて変化する１００％弾性率および伸び率の特性を示すグラフである。
【図４】硫黄／酸化亜鉛により硬化されたエラストマーサンプルへの照射量に応じて変化する１００％弾性率および伸び率の特性を示すグラフである。
【図５】ＳＷＮＴが充填された硫黄により硬化されたエラストマーサンプルへの照射量に応じて変化する１００％弾性率および伸び率の特性を示すグラフである。
【図６】ＭＷＮＴが充填された過酸化物により硬化されたエラストマーサンプルへの照射量に応じて変化する１００％弾性率および伸び率の特徴を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本明細書において開示される実施形態は、一般に、噴出防止装置に使用されるシール、ならびに噴出防止装置に使用するためにシールを処理、硬化、および／または製造する方法に関する。さらに具体的には、本明細書において開示される実施形態は、噴出防止装置に使用されるシールの弾性材料の架橋密度を高めるために電子ビーム照射を使用することに関する。さらになお具体的には、実施形態は特に、シールの架橋密度を高めるために、噴出防止装置シールに電子ビーム照射を選択的に適用することにも関する。加えて、本開示は、電子ビーム照射により予備成形済みのシールを処理することだけではなく、電子ビーム照射によりシールを硬化させてシールを処理する方法も対象とする。
【００１６】
弾性材料の選択的な処理（すなわち、架橋密度を選択的に高めること）は、局所的な選択ならびに架橋の程度（密度および深度）の制御を含むことができる。このようにＢＯＰ弾性シールの架橋密度を選択的に制御することで、シールの特定の領域について予想される負荷および破断モードに耐えるシールの能力を高めるように、所与の領域の架橋依存の材料の特性を局所的に調整することが可能になる。前述のように、架橋密度を高める従来の手法では、シール全体がより高いレベルで硬化される。しかし、本開示の実施形態によれば、電子ビーム照射を使用することで、より大きい弾性率値または他の架橋依存特性を必要とする弾性シールの選択領域に架橋密度の制御および選択を行うことができる。
【００１７】
電子ビーム照射は、本開示のシールに使用される弾性材料を含む、エラストマー鎖の間の架橋を形成するために使用されうるイオン化エネルギーの形態をとる。電子ビーム照射において、電子ビーム（電子の高濃度、高荷電の電子流）は、電流が「電子加速器」の真空チャンバ内のフィラメントを通過するときに生成される。ワイヤは、電気抵抗により加熱し、雲状の電子を放出する。次いで、これらの電子は電界によって加速され、真空チャンバの外に出る。真空チャンバの外に出てしまうと、電子ビームは、エラストマー内でラジカルを形成して２つの鎖の間の架橋を引き起こすような、化学結合を断つための強力なエネルギー源である。
【００１８】
電子ビーム照射による硬化において、架橋は、元素（たとえば、塩素、フッ素のようなハロゲン元素）または基（たとえば、メルカプト基）をエラストマーのポリマー鎖から取り除くように十分に大きく、しかしポリマーバックボーンの破損または分断を防ぐように十分に緩和されているエネルギーのビームを、弾性シール（および特にエラストマー分子）に照射することで生成される。元素または基が取り除かれた後、元のエラストマー分子の遊離基誘導体は、取り除かれた元素または基が以前結合されていたポリマー鎖の元素（通常は炭素）で遊離基サイトと共存する。遊離基は通常、他の物質と極めて急速に反応するが（実際、遊離基は、急速に実行される多段階化学反応を説明する反応速度モデルの超短期中間エンティティとして頻繁に参照される）、遊離基ポリマー鎖は、遊離基状態において比較的安定している（または少なくともより安定している）。高分子遊離基が、移動およびポリマー鎖の遊離基サイトに結合する他の物質との接触を比較的制約される場合、相対的な安定性は特に当てはまる。架橋結合は、第１の遊離基サイトが第２の遊離基サイトと結合して架橋をもたらすときに生じる。共有結合架橋に加えて、架橋はまた、イオン結合ならびに（たとえば、ファンデルワールス力などの）電子または静電気引力によって生じたその他の結合も含むことができる。架橋を達成するために電子ビーム照射を使用すること、および本開示のシールへのその特定の適用については、後段においてさらに詳細に説明される。
【００１９】
本開示のシールは、電子ビーム照射により処理されており、剛性および弾性材料を含むことができる。本明細書において使用されるように、「シール」は、高圧力のゾーンを低圧力のゾーンと分離することができるデバイスを示す。本開示の方法に使用されうる噴出防止装置シールの例は、パッキングユニット、アニュラーパッキングユニット、トップシール、および可変孔ラムなどを含むが、これらに限定されることはない。本明細書において使用されるように、「剛性材料」は、噴出防止装置のシールに構造体をもたらすことができる任意の材料を示し、金属材料および非金属材料を共に含むことができる。剛性材料の例は、鋼鉄、青銅、および高張力複合材（たとえば、特に炭素複合材、エポキシ複合材、熱可塑性物質）を含むことができるが、これらに限定されることはない。さらに、本明細書において使用されるように、「弾性材料」は、熱可塑性物質、熱硬化性樹脂、ゴム、および弾性を呈し、シール、Ｏリングなどに一般に使用される他の高分子化合物を含む高分子材料を示す。
【００２０】
高分子材料は多くの場合、熱硬化性材料（合成樹脂の１つのタイプ）、熱可塑性材料（合成樹脂の第２のタイプ）、および弾性（またはゴム状）材料（弾性材料は、エラストマーが固体の「完成」状態の特性を備えない限り、一般には「合成樹脂」として参照されない）という３つの主要カテゴリのうちの１つに該当するものとして定義される。これらの３つのカテゴリに関する重要な測定可能な考慮事項は、融点、つまり材料の固相および液相が共存する点の概念である。この点に関して、熱硬化性材料は原則的に、「凝固」または「硬化」または「架橋」された後に溶解することはありえない。熱硬化性材料の前駆構成要素は通常、溶融（または基本的に液体）形状で形成されるが、いったん凝固が実行されてしまうと、材料に対して融点は基本的に存在しない。対照的に、熱可塑性材料は、（結晶生成を伴い）固形に硬化し、その融点を基本的に無限に保持し、形成された後に（一般的高分子品質に特定量の劣化を伴う場合があったとしても）再溶融する。弾性材料には融点がなく、むしろエラストマーは、高分子材料が有用に流れる能力を示す場合にガラス転移温度を有するが、それは融点における固相および液相の共存がない場合である。一部の熱硬化性物質ならびに熱可塑性物質は、架橋を通じてエラストマーに転換されてもよい（または弾性特性を保有する）。
【００２１】
エラストマーは、加硫（熱および硬化剤を含む硬化プロセス）を通じて非常に堅固で柔軟な材料に転換されてもよい。特に、硫化中に、ポリマー鎖は架橋されて、硫化前または硬化前の状態のエラストマーで作られた材料よりも変形に対してより堅固な弾性材料をもたらす。本開示のシールの硫化は、シールの製造で従来どおり行われるものとして生じてもよい。しかし、そのような硫化プロセスに加えて、本開示の方法は、シールが成形されて硬化プロセスを経た後に、電子ビーム照射処理を行う。
【００２２】
噴出防止装置のシールを形成する際に使用される通常タイプのエラストマーは、ニトリルブタジエン、水素化ニトリル、およびカルボキシル化ニトリルのような、ニトリルベースのエラストマーを含む。ニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ：ｎｉｔｒｉｌｅ  ｂｕｔａｄｉｅｎｅ  ｒｕｂｂｅｒ）は、アクリロニトリル（ＡＣＮまたは２−プロピレンニトリル）およびブタジエン（１、２ーブタジエンおよび１、３ーブタジエン）の不飽和合成共重合体である。ＮＢＲの物理的および科学的特性は、アクリロニトリルおよびブタジエンの相対量に応じて異なる場合がある。たとえば、アクリロニトリル含有量が増加すると、エラストマーは耐油性が高まるが、柔軟性が低下し、その逆の場合も同様である。
【００２３】
水素化ニトリルブタジエンゴム（ＨＮＢＲ：ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ  ｎｉｔｒｉｌｅ  ｂｕｔａｄｉｅｎｅ  ｒｕｂｂｅｒ）はＮＢＲの水素化誘導体であり、ＨＳＮまたは高飽和ニトリルと呼ばれることが多い。ＨＮＢＲはＮＢＲと類似した特性を有するが、通常は耐経年劣化性および耐熱性を備える。そのようなものとして、ＨＮＢＲは、優れた耐候性および耐摩耗性ならびに機械的強度を有する。ＨＮＢＲは、アミン腐食防止剤への耐性および（ＮＢＲに比べて）硫化水素に対する十分に高い耐性が望ましい場合に、石油およびガス産業で使用されることが多い。
【００２４】
噴出防止装置のシールを形成する際に使用されることの多いもう１つの合成エラストマーは、カルボキシル化ニトリルブタジエンゴム（ＸＮＢＲ）である。ＸＮＢＲは、アクリル酸またはメタクリル酸のようなモノマーを含むカルボン酸を使用することによりポリマー鎖に挿入される酸性基を有する。カルボン酸性基は、ＮＢＲと比較して、より高い架橋密度、引張り特性、連続使用温度、耐化学性、および硬度のような特性を達成するために、ポリマー鎖に組み入れられてもよい。
【００２５】
弾性材料は、非常に柔らかいことから非常に固いことまで、広範にわたる特性を呈することが知られている。特性の変化は、強度、経年劣化、および環境耐性のような基本特性をもたらすようにベースポリマー（またはポリマーブレンド）を選択してから、ポリマー鎖の架橋を通じて硬度および弾性率特性を変更することにより、または充填剤を使用して所望の特性を達成することにより得られてもよい。
【００２６】
噴出防止装置シールに使用される弾性材料を硬化または架橋する際に使用される標準的な硬化剤は、硫黄、過酸化物、金属酸化物（たとえば、酸化亜鉛）、アミン、およびフェノール樹脂を含むが、硫黄および過酸化物が最も一般的である。架橋は、たとえば、（硫黄硬化剤を使用する場合）硫黄原子の原子ブリッジまたは（過酸化物を使用する場合）炭素間結合を形成することによって形成される。
【００２７】
弾性材料に追加される充填剤は通常、補強タイプまたは拡張タイプの充填剤に分類されてもよい。補強タイプの充填剤は、硬度、引張り強度、はみ出し耐性、引裂き強度、伸び率、および弾性率を高めることができるが、その例はカーボンブラック、カーボンナノチューブ（単層および複層を含む）、および二酸化ケイ素充填剤を含む。二酸化チタンおよび硫酸バリウムのような、拡張タイプの充填剤は、性能特性を犠牲にすることなく製造コストを抑えるために使用されてもよいが、また色素特性を提供して酸化環境の安定性を向上させることもできる。充填剤粒子の大きさは、マイクロサイズからナノサイズ（ミクロンよりも小さい粒子）の範囲に及ぶが、粒子の大きさの選択は、結果として生じる弾性材料の特性の相違に応じて異なる場合がある。たとえば、ナノサイズの充填剤を使用すると、ミクロンよりも大きい粒子の場合と比較して、一部の特性が１０倍以上増加するという結果が得られる。そのような特性の増大の１つの例は、カーボンブラック充填剤を使用する場合に明らかになるが、カーボンブラック充填剤は、弾性材料の鎖と相互作用する高比表面積および間の緊密な粒子間の間隔を備え、大幅に改良された硬度値および引張り強度をシールにもたらす。
【００２８】
シールは、さまざまな実施形態に関して本明細書において説明されるように照射硬化プロセスへの変更を明らかにして、標準的な成形プロセスにより製造されてもよい。硬化剤および充填剤は、成形および／または硬化のために型穴を充填する前に、樹脂（ポリマー前駆物質）またはポリマーに追加されてもよい。本開示が同質シール体に適用されることに加えて、単層シールが上記で説明されるように、異質の混合組成として、複数の弾性材料で形成されうること、またはシールが各々別個のシールのボリュームを充填する２つの（またはそれ以上の）同質組成から形成されうることもまた本発明の範囲内に含まれる。一部の実施形態において、シールは、単一の型穴で順次成形されて硬化されてもよい。もう１つの実施形態において、シールは、型穴で成形され、続いて硬化チャンバで硬化されてもよい（本明細書において、型穴および硬化チャンバは同義的に使用されてもよい）。たとえば、一部の実施形態において、剛体材料は鋳型に配置され、鋳型は必要に応じて、閉じられ、少なくとも１つの樹脂または溶融材料で充填されてもよい（すなわち、成形してから硬化）。他の実施形態において、以前成形され、まだ硬化されていないシールは、硬化チャンバに配置されてもよい（つまり、硬化のみ）。成形または硬化チャンバは、材料が鋳型に配置される前または後に、高温に加熱されてもよい。
【００２９】
次いで、型穴に配置された材料の温度は、弾性材料を硬化または少なくとも部分的に硬化するのに十分な温度まで高められてもよい。たとえば、熱は、蒸気、石油、または他の流動体によって、もしくは電気発熱体によって供給されてもよい。硬化温度において十分な時間が経過した後、硬化または部分的に硬化した部分は、型穴から取り出されて、冷却されてもよい。シールは適宜、部分を後硬化温度で保持すること、つまり徐々に部分を冷却することなどにより、後硬化されてもよく、所望の特性を生成するために使用されてもよい。そのような後硬化は、本開示の方法により適用される電子ビーム照射硬化に追加されてもよい。
【００３０】
一般に、硬化されたシールの特性に影響を及ぼす可能性のある変数は、成形または硬化チャンバの温度、加熱速度、冷却速度、および硬化または後硬化温度を含むことができる。通常、成形または硬化チャンバの温度は、熱交換媒体の測定温度に基づいて保持される。加熱および冷却速度は、たとえば、熱交換媒体の種類（電気、流体、流体の種類、および流体のそれぞれの熱力学的特性）、ならびに成形材料（たとえば、鋼鉄の種類とその特性）による影響を受けることがある。材料が所与の温度を保持する時間もまた、硬化の度合いに影響を与える。これらの変数（およびその結果得られる特性）は、特に、架橋を選択的に制御するために使用されうる電子ビーム照射硬化を引き続き使用することを考えて、硬化スケジュールを選択するときに考慮されてもよい。つまり、標準的な硬化プロセスにおいて、弾性シール全体は少なくとも比較的均一に硬化するので、一部の所望の特性をその他の特性のために（たとえば、伸び率に対する弾性率）犠牲にすることが必要になる。したがって、弾性シール上に集束される電子ビームの位置、貫通の深さ、および加速度を通じて選択的に架橋を制御できるようにすることにより、弾性シールの選択された部分が、高いレベルの架橋を有し、その結果、それらの部分について予想される負荷および破断モードを補償し、それらに基づいてシール性能を向上させるように、架橋に起因する特性を調整することができる。性能の向上は、封止機能の向上、破断までのサイクル数の増大などを含むことができる。さらに、処理されるべきシールが、シール体全体を通じて均一の（同質または均一な異質混合）組成を保有していない実施形態の場合、１つまたは複数の領域（組成が明確）が電子ビーム照射で処理されてもよい。さらに、弾性体を形成するそのような複数の領域のうちの１つに関して、さまざまな実施形態において、各同質の領域は、選択された部分、またはその全体を、電子ビーム照射により処理されてもよい。
【００３１】
加えて、電子ビーム照射を使用することはまた、標準的な硬化プロセスによるシール全体の「より少ない」硬化が、電子ビーム照射を受けない領域の所望の特性に応じて、適宜行われてもよいことを意味することにもなる。その結果、硬化時間を短縮することができる。あるいは、（標準的な硬化の）硬化時間はまた、シール全体の「より少ない」硬化をもたらすように短縮されてもよく、電子ビーム照射は、弾性材料をさらに架橋するためにもシール全体に適用されてもよい。この電子ビーム照射はシール全体に均一に適用されてもよいか、または照射は特定の領域に（他の領域は含まず）大量の照射量またはエネルギーレベルで適用されて、その特定の領域が他の領域と比較して大きい架橋密度を有するようにされてもよい
シールの特性はまた、使用される弾性材料の種類および量、使用される剛性材料の種類、熱力学的特性（たとえば、伝導性）、および使用される場合、硬化剤または任意の他の充填剤の種類および量、ならびに（架橋密度の量および範囲に影響する）電子ビーム処理のエネルギーレベルおよび量によって影響を受けることもある。シールの特性はまた、弾性材料および／または硬化剤の力学的特性の変動によっても影響を受けることがある。
【００３２】
上記で説明されるように、電子ビーム照射は通常、電子加速器により供給されるが、代替として放射線源またはレーザー光源によるものであってもよい。個々の加速器は、そのエネルギー、出力、およびタイプによって有効に特徴付けられる。本開示の特定の実施形態において、適切なエネルギーレベルは、５０ｋｅＶから５．０ＭｅＶの範囲であってもよいか、または他の実施形態において１００ｋｅＶから４．０ＭｅＶであってもよい。したがって、加速器の選択は、所望のエネルギーレベルに基づいて行われてもよい。たとえば、低エネルギー加速器は、約１５０ｋｅＶから約２．０ＭｅＶのビームエネルギーを提供し、中エネルギー加速器は、約２．５から約８．０ＭｅＶを提供するが、高エネルギー加速器は、約９．０ＭｅＶよりも大きいビームエネルギーを提供する。加速器出力は、電子エネルギーとビーム電流の積である。そのような出力は、約５から約３００ｋＷの範囲に及ぶ。加速器の主なタイプは、静電直流（ＤＣ）、動電ＤＣ、高周波（ＲＦ）線形加速器（ＬＩＮＡＣＳ）、磁気誘導ＬＩＮＡＣ、および持続波（ＣＷ）マシンである。吸収されるエネルギーの量（線量）は、ｋｉｌｏＧｒａｙ（ｋＧｙ）の単位で（１ｋＧｙはキログラムあたり１，０００ジュールと等しい）、またはＭｅｇａＲａｄ（ＭＲ、ＭｅＲＡＤ、またはＭｒａｄ）の単位（１ＭＲはグラムあたり１，０００，０００エルグと等しい）で測定される。本開示の一部の実施形態によれば、線量は、約５０から２０００ｋＧｙの範囲であってもよいか、または他の実施形態において１００から１０００ｋＧｙであってもよい。
【００３３】
架橋は、電子ビームの２つの態様を変えることにより制御されてもよい。ビームの貫通の深さは加速電圧により制御されてもよく、架橋の度合いは照射量によって制御されてもよい。線量は、ビーム電流、ビーム直径、および源までの距離によって異なってもよい。したがって、本明細書において開示されるように、シールの選択的な処理の一部は、どの場所がより高い故障率の影響を受けるかを決定することを含むだけではなく、所望の架橋および望ましい架橋依存の材料特性をもたらす電子ビーム照射の量を決定することもできる。この決定は、架橋密度の所望の増加をもたらす照射量を決定すること、および増加された架橋密度の所望の深さをもたらす電子エネルギーレベルを決定することを含むことができる。さらに、線量およびエネルギーレベルの範囲は上記で説明されているが、当業者であれば、加速電圧、線量などが所望の架橋に応じて上記の範囲を外れてもよいことを理解するであろう。
【００３４】
したがって、本開示の実施形態によれば、電子ビーム照射は、標準的な硬化プロセスと併せて使用されてもよいか、または（以前形成された）標準的な硬化シールの選択された部分を処理するため、標準的な硬化技法に関連する問題または欠陥を改善するために使用されてもよい。具体的には、電子ビーム照射−硬化は、シールの特定の部分（１つまたは複数）の架橋の数を選択的に増大させて、加圧下にある間はみ出しやすい部分により大きい強度およびはみ出し耐性を与えることにより、標準的な硬化材料の性能を高めることができる。
【００３５】
たとえば、アニュラー噴出防止装置のパッキングユニットは、上部内側孔または上部外側面、下部外側面、またはより大きい架橋密度を有することで有益となる任意の他の領域のような選択された部分に電子ビーム照射で処理されてもよく、それによりパッキングユニットの残りの部分と比較して、より大きい弾性率およびはみ出し耐性を備えることができる。しかし、本明細書において開示される方法は、アニュラー噴出防止装置用のパッキングユニットの処理に限定されることはない。むしろ、これらの方法は、ラムパッカー、ユニットのトップシール、側面シール、可変孔ラムなどを含む任意のシールに同等に適用することができる。
【００３６】
さらに、架橋の度合いおよび深さは、上記で説明されるように、電子ビームの特徴を変えることによって容易に制御することができるので、所望の特定の材料または機械的特性は制御可能に達成されてもよい。当業者であれば、所望の特性は、エラストマーシールがシールの運用中に受ける可能性のある圧力の量、応力、運用条件などに基づいて決定されてもよいことを理解するであろう。
【００３７】
したがって、１つの例示的な実施形態において、噴出防止装置のシールの架橋密度は、硬化弾性材料の選択された部分の架橋密度を高めるように硬化弾性材料および複数の剛性挿入部を備える噴出防止装置シールの部分に電子ビーム照射を選択的に適用することによって高められてもよい。電子ビーム照射を適用するよう選択されるシールの部分は、はみ出しやすいシールの局所的部分であってもよい。したがって、電子ビーム照射を選択的に適用する前に、はみ出しやすい部分が電子ビーム照射で選択的に処理される部分となるよう、はみ出しやすい噴出防止装置シールの部分が決定されるように、シールの分析が行われてもよい。この分析はまた、所望の架橋密度の増加およびシールの材料特性の対応する変更を達成するために、電子ビーム照射の量を決定することを含むことができる。適用されるべき電子ビーム照射の量を決定することは、電子ビーム照射量および／または電子ビームエネルギーレベルを決定することを含むことができる。
【００３８】
もう１つの例示的な実施形態において、本開示はまた、噴出防止装置のシールを硬化させる方法に関する。そのような方法は、複数の剛性挿入部を用いて弾性材料を成形すること、成形された弾性材料を硬化剤で硬化させること、硬化された弾性材料の部分の架橋密度を高めるために電子ビーム照射を硬化された弾性材料の部分に選択的に適用することを含むことができる。上記で説明される実施形態と同様に、電子ビーム照射を適用するよう選択されるシールの部分は、はみ出しやすいシールの局所的部分であってもよい。したがって、電子ビーム照射を選択的に適用する前に、はみ出しやすい部分が電子ビーム照射で選択的に処理される部分となるよう、はみ出しやすい噴出防止装置シールの部分が決定されるように、シールの分析が行われてもよい。この分析はまた、所望の架橋密度の増加およびシールの材料特性の対応する変更を達成するために、電子ビーム照射の量を決定することを含むことができる。適用されるべき電子ビーム照射の量を決定することは、電子ビーム照射量および／または電子ビームエネルギーレベルを決定することを含むことができる。
【００３９】
図１を参照すると、本明細書において開示される実施形態によるパッキングユニットを含むことができるアニュラー噴出防止装置１０１が示される。アニュラー噴出防止装置１０１は、試錐孔軸１０３に沿って延長する中央孔１２０を有する筐体１０２を含む。パッキングユニット１０５は、パッキングユニット１０５の孔１１１が噴出防止装置１０１の中央孔１２０とほぼ同心となるように、中央孔１２０の周囲でアニュラー噴出防止装置１０１内部に配置される。
【００４０】
図１に示されるように、パッキングユニット１０５は、アニュラー弾性体１０７、および複数の金属挿入部１０９を含む。金属挿入部１０９は、試錐孔軸１０３の周囲に概ね環状に半径方向面上に、パッキングユニット１０５のアニュラー弾性体１０７内部に配置されていることが示される（パッキングユニット１０５の縦軸（図示せず）は試錐孔軸１０３と一致する）。使用中、作動液は、アクチべーションポート１１３を通じてシリンダ１１２に入り、それにより作動位置１１７を上方向に押し付けることができる。位置１１７が上方向に押し付けられるので、金属挿入部１０９が試錐孔軸１０３側にずれると孔１１１が縮小するように、作動位置１１７の傾斜面１１８はパッキングユニット１０５を圧縮する。孔１１１を開くためには、作動液は収縮ポート１１５に方向転換され、位置１１７は下方向に圧迫される。
【００４１】
本明細書において開示される実施形態によれば、図１に示されるパッキングユニット１０５の選択された部分およびアニュラー弾性体１０７の選択された部分は、特に、選択された部分の架橋密度を高めるために電子ビーム照射を受けてもよい。上記で説明されるように、そのような選択された部分は、たとえば傾斜面１１８と孔１２０の間のアニュラー空間の大きな「隙間」を通ってはみ出す部分であってもよい。架橋密度を高めることが必要なそのような部分は、摩耗パッキングユニットの以前の目視検査に基づいて、および／または所与のずれの条件（力、負荷状態、歪み）の下のシール、ならびにはみ出しやすいシールの部分にわたり発生する応力および／または歪みの集中をシミュレートおよび評価するために、有限要素解析（ＦＥＡ：Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）分析を通じて事前対応的に決定されてもよい。噴出防止装置向けのシールを設計する際にＦＥＡ分析を使用することは、本発明の譲受人に譲渡され、参照によりその全体が本明細書に組み入れられている米国特許出願公開第２００８／００２７６９３号明細書において説明される。したがって、本開示は、電子ビーム照射で処理される噴出防止装置シールの特定の領域または特定のタイプに限定されることはない。
例
後段の例は、（標準的な硬化手段により）事前硬化済みのエラストマー標本（大きさ６インチ×６インチ×６インチ）をさらに硬化させるための電子ビーム照射の適用および使用をさらに説明するために提供される。標本サンプルは、硫黄により硬化されたＮＢＲ（サンプル１および６）、過酸化物により硬化されたＨＮＢＲ（サンプル２および７）、硫黄／酸化亜鉛により硬化されたＸＮＢＲ（サンプル３および８）、単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）充填の硫黄により硬化されたＮＢＲ（サンプル４および９）、およびＳＷＮＴ充填の過酸化物により硬化されたＨＮＢＲ（サンプル５および１０）を含む。硫黄により硬化されたＮＢＲサンプルは、３２０°Ｆで１５分間事前硬化され、過酸化物により硬化されたＨＮＢＲサンプルは、３２０°Ｆで４５分間事前硬化され、硫黄／酸化亜鉛により硬化されたＸＮＢＲサンプルは、３２０°Ｆで１５分間事前硬化された。ＳＷＮＴ充填の硫黄により硬化されたＮＢＲサンプルは、２．８２％のＳＷＮＴ装填で、３００°Ｆで１５分間事前硬化された。ＳＷＮＴ充填の過酸化物により硬化されたＨＮＢＲサンプルは、６．３９％のＳＷＮＴ装填で、３２０°Ｆで３０分間事前硬化された。各サンプルは、指示されている硬化時間／温度で、ヒートプレスで６”×６”スラブに成形された。ダンベル標本（またはドッグボーン）が、スラブから切り取られた。電子ビーム照射は、これらのダンベル標本に端から端まで均一に適用された。
【００４２】
これ以降、表１を参照すると、サンプル１から５の照射量および照射エネルギーを一覧する照射硬化スケジュールが示される。表１に示されるように、標本サンプル１から５は、固定３０００ｋｅＶの放射エネルギーで１５０から７５０ｋＧｙの範囲の照射量を受けた。
【００４３】
【表１】
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硬化されたサンプルの２つの特性について表１に一覧されている照射量の効果を検査するために、サンプルごとに弾性率および伸び率が評価される。弾性率は、材料の剛性を示し、材料を一定量変形させるために必要な力の量の測度である。したがって、１００％弾性率は、材料を１００％変形させる、すなわち長さを２倍にするために必要な力の量の測度である。伸び率（破断時の伸び率とも呼ばれる）は、材料をその破断点まで引き伸ばすことによって生成される材料の長さの増加の測度であり、材料の初期長さの割合として表される。これ以降、図２から図６を参照すると、表１に詳述される照射硬化スケジュールにおいて、結果として得られる１００％弾性率および伸び率を示すプロットが示される。
【００４４】
サンプル１、つまり硫黄により硬化されたニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）サンプルの電子ビーム照射硬化の効果は、図１に示される。電子ビーム硬化は、照射量の増加に伴って１００％弾性率が４００から１５００ｐｓｉに増加する結果をもたらし、エラストマーの弾性率（硬度）が照射量の増加と共に増大することを示す。たとえば、図１に示されるように、サンプル１が１５０ｋＧｙの照射エネルギーを吸収すると、１００％弾性率は４００ｐｓｉから５９０ｐｓｉに増大し、ここで化合物には、材料をその元の大きさの２倍に伸ばすために５９０ｐｓｉの圧力が必要であることを示す。１００％弾性率は、架橋密度の増加（吸収した照射エネルギー）に応じてほぼ線形の増加を示すが、伸び率は照射量の増加（および架橋密度の増加）と共に減少する。サンプル１の破断時の伸び率は、吸収した照射量の範囲にわたり、わずかに６００％を超える値からわずかに２００％を超える値まで減少する。たとえば、サンプル１が４５０ｋＧｙの照射エネルギーを吸収すると、サンプル１の伸び率は〜６１５％から〜３４０％に減少し、エラストマーが引裂かれるまでにその元の長さの〜３４０％までの伸びしか生じないようになっている。したがって、架橋密度の増大には、弾性率と伸び率とを含む（ただし、これらに限定されることはない）所望の特性を平衡化することが必要であることが明らかである。たとえば、弾性率が増大することで、より大きな応力に耐える能力をシールにもたらすことができるが、シールはまた、伸び率がより短くても破断する可能性が高くなる。したがって、弾性率および伸び率（ならびにその他の所望の特性）の許容可能な範囲の平衡を決定することができ、そのような特性が許容可能であると見なされる結果をもたらす線量を決定することができる。
【００４５】
サンプル２、つまり過酸化物により硬化された水素化ニトリルブタジエンゴム（ＨＮＢＲ）の電子ビーム照射硬化の効果は、図２に示される。前述のように、酸化物により硬化されたＨＮＢＲは、ＮＢＲの水素化／飽和誘導体であり、一般に、標準的なＮＢＲ材料よりも大きい耐温度性および機械的強度を有すると見なされている。図２に示されるように、サンプル２の照射量が増加すると、弾性率は（サンプル１（ＮＢＲ）よりもわずかに高い線形関係で）約５００から約２１００ｐｓｉに増加し、伸び率は３２５％から１００％に減少し、エラストマーは照射量が増加するに伴ってより頑丈になることを示す。
【００４６】
サンプル３、つまり硫黄／酸化亜鉛により硬化されたカルボキシル化ニトリルブタジエンゴム（ＸＮＢＲ）サンプルの電子ビーム照射硬化の効果は、図３に示される。前述のように、ＸＮＢＲは、ＡＣＮおよびブタジエンと重合されたカルボン酸含有のモノマーを有することにより、ＮＢＲのカルボキシル化誘導体である。図３に示されるように、サンプル３の照射量が増加すると、１００％弾性率は約１５００から約３７５０ｐｓｉに増加するが、伸び率は約３２０％から約７５に％に減少する。
【００４７】
サンプル４、つまりＳＷＮＴ充填のＮＢＲサンプルの電子ビーム照射硬化の効果は、図４に示される。図４に示されるように、サンプル４の照射量が増加すると、１００％弾性率は約５５０から約２２００ｐｓｉの範囲に及び、伸び率は約５２５％から約８０％に減少する。サンプル１（ＳＷＮＴ充填剤なし）と比較すると、照射エネルギーを適用する前の、ＳＷＮＴ充填のＮＢＲサンプルの弾性率は、充填剤なしのＮＢＲサンプルよりも大きいが、これは補強充填剤の存在によるものと見られる。電子照射を適用することで、弾性率値の初期の相違に加え、弾性率曲線と伸び率曲線の交点が移動するという結果になる。つまり、許容可能であると決定される弾性率および伸び率の値の所与の範囲に対して、ナノ充填剤をエラストマーに組み入れることにより、より低量の電子照射で、ナノ充填剤を含まない照射硬化のエラストマーと同じ「許容可能な」弾性率および伸び率の範囲をもたらすことができ、処理時間と関連コストを低減することができる。
【００４８】
サンプル５、つまりＳＷＮＴ充填のＨＮＢＲサンプルの電子ビーム照射硬化の効果は、図５に示される。図５に示されるように、サンプル５の照射量が増加すると、１００％弾性率は約６００から約１２１５ｐｓｉの範囲に及ぶが、伸び率は約６５０％から約２２５％に減少する。サンプル１と４との比較と同様に、サンプル５は、サンプル２（ＳＷＮＴ充填剤なしのＨＮＢＲ）と比較されてもよい。図２と図５の比較はまた、電子照射の適用が、弾性率曲線と伸び率曲線の交点の移動という結果をもたらすこと、およびナノ充填剤をエラストマーに組み入れることにより、より低量の電子照射で、ナノ充填剤を含まない照射硬化のエラストマーと同じ「許容可能な」弾性率および伸び率の範囲をもたらすことができることを示す。したがって、ナノ充填剤が提供することができる既知の利点の中でも特に、ナノ充填剤は、より少ない電子ビーム照射を適用させて、ナノ充填剤を含まない照射硬化のエラストマーと同じ結果を達成できるようにする。
【００４９】
サンプル６から１０はまた、さまざまな照射エネルギーレベルにおいて電子ビーム照射を受けた。さまざまな電子エネルギーのレベルに露出されると、以下の表２に示されるように、ショアＡスケール（Ｓｈｏｒｅ  Ａ  ｓｃａｌｅ）を使用して標本の露出面および対向面で硬度が測定された。表２に示されるように、各サンプルは一般に、照射により硬化されると、硬度値の増大（または維持）を呈する。加えて、照射エネルギーの増加に応じて、サンプルの対向面で得られた硬度からも明らかなように、電子ビーム硬化の貫通深さも増加する。
【００５０】
【表２】
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本明細書において開示される実施形態は、以下の利点のうちの少なくとも１つを提供することができる。標準的な硬化の方法はシール全体を均一に硬化するのみであるが、本開示の処理の方法は、より大きい架橋密度（したがって、より大きい弾性率）が望ましいシールの領域に選択的な処理を行うことができるようにする。電子ビーム照射の使用は、特性の局所的な変化が望ましいシールの領域を選択的に処理するために使用されてもよい。したがって、本開示の方法は、加圧下および高温でさらに強度を高めるために架橋密度を増大させた領域を有する噴出防止装置シールを実現する方法を提供することができる。加えて、電子ビーム照射は、電子ビーム照射で処理されると完全な強度を達成し、しかもプレス硬化時間を短縮する、部分的に硬化されたシールを硬化するために使用されてもよい。
【００５１】
本開示は限られた数の実施形態を含むが、本開示を利用することができる当業者は、本開示の範囲を逸脱することなく他の実施形態が考案されてもよいことを理解するであろう。したがって、その範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【符号の説明】
【００５２】
１０１  アニュラー噴出防止装置
１０２  筐体
１０３  試錐孔軸
１０５  パッキングユニット
１０７  アニュラー弾性体
１０９  金属挿入部
１１１  孔
１１２  シリンダ
１１３  アクチべーションポート
１１５  収縮ポート
１１７  作動位置
１１８  傾斜面
１２０  中央孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2012511651.tif 000009
【図６】
2012511651.tif 000010
【国際調査報告】
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2012511651.tif 000012
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