ЗАПОРЫ
LOCKS

Настоящее изобретение относится к кольцевым уплотнительным элементам (запорам), сформированным из эластомерных или полимерных материалов, и к уплотнительным узлам, содержащим такие уплотнительные элементы.
С помощью таких уплотнительных элементов внутренняя периферийная поверхность уплотнительного элемента герметично входит в соединение с одним компонентом, в то время как уплотнительный элемент прижимается в осевом направлении к радиальной поверхности второго компонента, так что внешняя периферийная поверхность уплотнительного элемента герметично входит в зацепление с периферийной поверхностью второго компонента, чтобы обеспечить уплотнение между двумя компонентами.
С уплотнениями такого типа, например эластомерными уплотнительными кольцами или полимерными манжетными уплотнениями, давление жидкости, задержанной между внешней периферийной поверхностью уплотнительного элемента и вторым компонентом, будет предупреждать надлежащую герметизацию уплотнительного элемента в отношении второго компонента и, в частности, при применении при высоком давлении может вызвать радиальную нагрузку, принуждающую внутреннюю периферийную поверхность уплотнительного элемента войти в соединение с первым компонентом, что может привести к чрезмерному износу.
В соответствии с настоящим изобретением пространство между внешней периферийной поверхностью уплотнительного элемента и вторым компонентом вентилируется, так что давление, действующее на внешнюю периферийную поверхность уплотнительного элемента, может быть уменьшено.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения эластомерное или полимерное уплотнение состоит из кольцевого эластомерного или полимерного уплотнительного элемента, внутренняя периферийная поверхность уплотнительного элемента герметично входит в зацепление с первым компонентом, уплотнительный элемент примыкает к радиальной кольцевой поверхности второго компонента, а внешняя периферийная поверхность уплотнительного элемента герметично входит в зацепление с внутренней периферийной поверхностью второго компонента, вентиляционное отверстие, предусмотренное во внутренней периферийной поверхности второго компонента, прилегает к радиальной поверхности, чтобы провентилировать пространство между внешней периферийной поверхностью уплотнительного элемента и внутренней периферийной поверхностью второго компонента, вход в вентиляционное отверстие определяется кольцевой канавкой во внутренней периферийной поверхности второго компонента, кольцевой элемент со спиральной намоткой предусматривается в кольцевой канавке для предотвращения вытеснения уплотнительного элемента в вентиляционное отверстие, элемент со спиральной намоткой формируется из полосы материала удлиненного участка, прилегающие намотки материала находятся на расстоянии друг от друга.
В соответствии с этим аспектом настоящего изобретения вентиляционное отверстие позволяет выпустить жидкость, задержанную между уплотнительным элементом и вторым компонентом, тем самым снижая давление жидкости, действующей на внешней периферийной поверхности уплотнительного элемента так, чтобы обеспечить надлежащую герметизацию уплотнительного элемента со вторым компонентом и избежать перегрузки уплотнительного элемента на первый компонент при приложении высокого давления. Кольцевой элемент со спиральной намоткой предотвращает вытеснение уплотнительного элемента в вентиляционное отверстие, в то же время позволяя прохождение жидкости.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения уплотнительный узел расположен между первым и вторым компонентами, установленными с возможностью вращения относительно друг друга, первый компонент расположен коаксиально отверстию второго компонента, внешняя поверхность первого компонента расположена с радиальным зазором по отношению к поверхности отверстия, уплотнительный узел содержит защитное уплотнение, расположенное на конце уплотнительного узла со стороны высокого давления, защитное уплотнение действует, чтобы предотвратить поток жидкости в пространство между внешней поверхностью первого компонента и внутренней поверхностью отверстия, и уплотнительный узел сдержит множество эластомерных или полимерных уплотнительных элементов, обеспечивающих герметизацию между внешней поверхностью первого компонента и внутренней поверхностью отверстия, указанные эластомерные или полимерные уплотнительные элементы расположены с зазором в осевом направлении с защитным уплотнением и друг с другом, определяя группу камер между ними, камеры снабжены входами между прилегающими эластомерными или полимерными уплотнительными элементами, посредством чего затворная жидкость под давлением может быть введена в камеры.
Защитное уплотнение может быть одним или несколькими манжетными уплотнениями, одним или несколькими полимерными уплотнениями с поджатыми пружинами или механическим торцевым уплотнением.
Ниже только в качестве примера приводится описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи:
Фиг.1 демонстрирует в разрезе уплотнительный узел для промывной трубы буровой установки;
Фиг.2 демонстрирует частичное увеличение уплотнительного узла, изображенного на Фиг.1;
Фиг.3 демонстрирует кольцевой элемент со спиральной намоткой, используемый в уплотнительном узле, изображенном на Фиг.1;
Фиг.4 представляет собой частичный разрез, изображающий модификацию уплотнительного узла, изображенного на Фиг.1;
Фиг.5 представляет собой частичный разрез, изображающий альтернативный уплотнительный узел, похожий на изображенный на Фиг.1; и
Фиг.6 представляет собой частичный разрез, изображающий другой альтернативный уплотнительный узел, похожий на изображенный на Фиг.1.
Фиг.1 демонстрирует уплотнительный узел 10, с помощью которого труба для подачи бурового раствора буровой установки буровой вышки соединена с устройствами привода ротора буровой вышки, в результате чего буровой раствор при высоком давлении, например 500 бар или выше, может подаваться на буровые трубы.
Уплотнительный узел 10 состоит из неподвижного первого соединительного элемента 12, который приспособлен для подключения к трубе для подачи бурового раствора (не показан). Первый соединительный элемент 12 подключен без возможности вращения к корпусу уплотнения 14. Промывная труба 16 установлена коаксиально к корпусу уплотнения 14, промывная труба 16 с возможностью вращения установлена на корпусе уплотнения 14 с помощью шарикоподшипников 18, расположенных в осевом направлении. Конец промывной трубы 16, удаленной от первого соединительного элемента 12, соединен без возможности вращения со вторым соединительным элементом 20. Второй соединительный элемент 20 приспособлен для подсоединения к буровым трубам (не показаны) так, что второй соединительный элемент 20 и промывная труба 16 вращаются вместе с буровыми трубами, когда буровые трубы приводятся в действие устройствами привода ротора буровой вышки.
Пара предусмотренных защитных уплотнений 22, 24, расположенных в осевом направлении друг от друга рядом с концом корпуса уплотнения корпуса 14 в конце корпуса уплотнения, соединенным с первым соединительным элементом 12. Защитные уплотнения 22, 24 выполнены в виде манжетных уплотнений, имеющих расположенные на расстоянии друг от друга крылья 32, 34 в осевом направлении, установленные в кольцах 26, которые герметизированы по отношению к внутренней периферийной поверхности корпуса уплотнения посредством уплотнительных элементов, расположенных в канавках 28 в корпусе уплотнения 14. Радиально расположенные выступы 30 на защитных уплотнениях 22, 24 размещают в соответствующих углублениях в кольцах 26, чтобы предотвратить вращение защитных уплотнений 22, 24. Крылья 32, 34 защитных уплотнений 22, 24 расположены в направлении первого соединительного элемента 12 так, что давление бурового раствора, подаваемого в первый соединительный элемент, будет побуждать крылья 32, 34 защитных уплотнений 22, 24 войти в герметичное присоединение с промывной трубой 16 и кольцами 26 соответственно. Кроме того, защитные уплотнения 22, 24 могут свободно перемещаться в осевом направлении в пределах соответствующих колец 26, чтобы позволить давлению бурового раствора уравновесить давление затворной жидкости за защитными уплотнениями 22, 24. Это уменьшает перепад давления по периметру защитных уплотнений 22, 24 и продлевает срок их службы. Например, если давление бурового раствора выше, чем давление жидкости за каждым защитным уплотнением 22, 24, то защитное уплотнение 22, 24 будет перемещаться по направлению к нижней области давления, т.е. в обратном направлении, чтобы уравновесить давление. Однако, если давление жидкости за каждым защитным уплотнением 22, 24 больше, чем давление бурового раствора, то жидкость будет протекать мимо крыльев 32, 34 защитных уплотнений 22, 24 и в буровую жидкость, чтобы уравновесить давление.
Группа размещенных в осевом направлении полимерных уплотнений с поджатыми пружинами 36, 38, 40, 42, 44 расположена между корпусом уплотнения 14 и промывной трубой 16. Уплотнения 36, 38, 40, 42, 44 расположены в осевом направлении между внутренним защитным уплотнением 24 и вторым соединительным элементом 20. Полимерные уплотнения 36, 38, 40, 42 и 44 расположены в кольцах 46, которые герметизированы по отношению к внутренней периферийной поверхности корпуса уплотнения с помощью уплотнительных элементов, расположенных в канавках 28 в корпусе уплотнения 14. Каждая пара прилегающих полимерных уплотнений 36, 38, 40, 42 и 44 определяет герметичную камеру 48, 50, 52, 54 между ними, и вход 56, предусмотренный для каждой из герметичных камер 48, 50, 52 и 54.
Каждое из полимерных уплотнений 36, 38, 40, 42 и 44 содержит полимерное кольцо швеллерного сечения, имеющее базовую часть 60 и внутреннюю и внешнюю конструкцию крыльев 62, 64. Пружинное кольцо 66 расположено между конструкциями крыльев 62, 64, оно своей упругостью побуждает конструкции крыльев 62, 64 войти в герметичное зацепление с внешней периферийной поверхностью промывочной трубы 16 и с внутренней периферийной поверхностью присоединенного кольца 46. Конструкции (не показаны) на базовой части 60 полимерных уплотнений 36, 38, 40, 42 и 44 входят в соединение с соответствующими конструкциями на кольцах 46 для предотвращения относительного вращения между ними.
Как подробно показано на Фиг.2, кольца 46 имеют расположенные под углом в осевом направлении выступы 70, которые входят в соединение с соответствующими углублениями 72 в прилегающем кольце 46 так, чтобы кольца 46 могут быть установлены в корпус уплотнения 14 без возможности вращения относительно друг друга. Выступы 70 проходят в осевом направлении в большей степени, чем углубления 72 так, что когда кольца 46 смонтированы, кольцеобразные углубления 74 предусматриваются между смежными кольцами 46. Аналогичные выступы и углубления (не показаны) предусмотрены в кольцах 26 и кольцах 76, которые поддерживают опоры 18 так, что кольца 26 и 76 могут быть смонтированы без возможности вращения в корпусе уплотнения 14 по отношению к кольцам 46. Пальцы 78 входят в соединение с соответствующими осевыми отверстиями 80 в концевых кольцах 26, 46 и смежными радиальными поверхностями уплотнения корпуса 14, таким образом, предотвращая вращение колец 26, 46, 76 по отношению к корпусу уплотнения 14.
Направленная радиально внутрь фланцевая конструкция 82 предусмотрена рядом с первым концом 84 каждого из колец 46, в которые торцом упирается базовая часть 60 полимерных уплотнений 36, 38, 40, 42, 44, внешнее крыло 64 полимерного уплотнения 36, 38, 40, 42, 44 входит в соединение с отверстием 86 кольца 46 в направлении второго конца 90. Кольцевая канавка 88 предусматривается в отверстии 86, примыкающем к фланцевой конструкции 82 на стороне фланцевой конструкции 82, открытой по отношению ко второму концу 90. Один или более проходов 92 располагаются в осевом направлении от кольцевой канавки 88 к первому концу 84 кольца 46 так, что когда кольца 46 смонтированы в корпусе уплотнения 14, проход 92 будет открыт по отношению к кольцевому углублению 74 между кольцами 46.
Кольцевой элемент 94 со спиральной намоткой расположен в каждой кольцевой канавке 88. Элемент 94 со спиральной намоткой сформирован из полосы упругого материала удлиненного поперечного сечения. Диаметр внешней периферийной поверхности элемента со спиральной намоткой немного больше, чем диаметр основания кольцевой канавки 88, а прилегающие намотки элемента со спиральной намоткой 94 расположены на расстоянии друг от друга так, что когда элемент 94 со спиральной намоткой частично сжат из-за соединения внешнего диаметра элемента 94 со спиральной намоткой с основанием кольцевой канавки 88, намотки элемента 94 со спиральной намоткой будут оставаться на расстоянии друг от друга. Элемент 94 со спиральной намоткой также расположен в радиальном направлении от кольцевой канавки 88 в отверстие кольца 46 так, что она входит в соединение с базовой частью полимерного уплотнения 36, 38, 40, 42, 44. Элемент 94 со спиральной намоткой будет, таким образом, упруго центрировать полимерное уплотнение 36, 38, 40, 42, 44 и дополнительно противодействовать вращению полимерного уплотнения 36, 38, 40, 42, 44 относительно кольца 46.
Полимерные уплотнения швеллерного сечения 36 и 38 открыты по отношению к камере 48, в то время как полимерные уплотнения 40, 42 и 46 открыты по отношению к камерам 50, 52 и 54 соответственно.
Затворную жидкость вводят под давлением в камеры 48, 50, 52 и 54 через соответствующие входы 56. Давление затворной жидкости в камере 48 слегка превышает давление бурового раствора, подведенного с помощью трубы для подачи бурового раствора к первому соединительному элементу 12. Давление затворной жидкости в камерах 50, 52 и 54 постепенно уменьшается, так что перепад давления на каждом из полимерных уплотнений 38, 40, 42 и 44, по существу, одинаковый. Таким образом, перепад давления от давления бурового раствора до атмосферного давления снижается поэтапно, так что ни одно полимерное уплотнение 36, 38, 40, 42, 44 не подвергается воздействию перепада давления, которое может привести к чрезмерному износу.
Датчики давления (не показаны) могут предусматриваться для контроля изменения давления бурового раствора и регулирования давления затворной жидкости, подаваемой в каждую из камер 48, 50, 52 и 54.
Затворная жидкость вводится в камеру 58 между защитным уплотнением 24 и полимерным уплотнением 36 в результате утечки из камеры 48 через полимерное уплотнение 36.
Если одно из полимерных уплотнений 36, 38, 40, 42, 44 выходит из строя, то подача затворной жидкости в камеры 48, 50, 52, 54 вниз по потоку по отношению к уплотнениям 36, 38, 40, 42, 44 прерывается, и давление затворной жидкости, подаваемой в другие камеры 48, 50, 52, 54, соответствующим образом корректируется, так что перепад давления на других полимерных уплотнениях 36, 38,40, 42, 44 компенсируется.
Когда в камерах 48, 50, 52, 54 повышается давление, то давление жидкости в камерах 48, 50, 52, 54 будет побуждать крылья 62, 64 полимерных уплотнений 36, 38, 40, 42, 44 войти в герметичное соединение с промывной трубой 16 и отверстиями 86 колец 46 соответственно. Любые жидкости, задержанные между крылом 64 и отверстием 86 кольца 46, будут вытеснены через кольцевую канавку 88 и проход 92 в камеры 50, 52 или 54 на стороне низкого давления полимерного уплотнения 38, 40, 42, 44 или в случае полимерного уплотнения 36 в камеру 58 между полимерным уплотнением 36 и защитным уплотнением 24, где также давление более низкое, чем в камере 48. Удаление задержанной жидкости позволяет внешним кромкам 64 полимерных уплотнений 36, 38, 40, 42, 44 должным образом сделать герметичными отверстия 86 кольца 46 и избежать повышения давления на внешней периферийной поверхности полимерного уплотнения 36, 36, 40, 42, 44, что может привести к чрезмерному износу. Элемент 94 со спиральной намоткой предохраняет полимерное уплотнение 36, 36, 40, 42, 44 от вытеснения в кольцевую канавку 88, пока разрешается прохождение жидкости.
Как показано на Фиг.1, первый соединительный элемент 12 может быть соединен с корпусом уплотнения 14 и/или второй соединительный элемент 20 может быть соединен с промывной трубой 16 таким образом, чтобы разрешить их относительное перемещение по отношению к плоскости, перпендикулярной к оси корпуса уплотнения 14 и промывной трубе 16 с целью согласовать осевое и угловое смещение первого или второго соединительного элемента 12, 20 с корпусом уплотнения 14 или промывной трубой 16 соответственно.
Как показано, первый соединительный элемент 12 прикреплен к корпусу уплотнения 14, а второй соединительный элемент 20 присоединен к промывной трубе 16 посредством ряда расположенных под углом винтов 100, которые входят в зацепление с радиальными резьбовыми отверстиями в соединительном элементе 12, 20, и проходят радиально в кольцевое углубление 102 в корпусе уплотнения 14, промывной трубе 16. Винты 100 заканчиваются недалеко от основания углубления 102.
Полимерное уплотнение с поджатыми пружинами 104 предусматривается между периферийными поверхностями первого соединительного элемента 12 и корпусом уплотнения 14 и между вторым соединительным элементом 20 и промывной трубой 16. Статические полимерные уплотнения с поджатыми пружинами 104, которые действуют между относительно не вращающимся первым соединительным элементом 12 и корпусом уплотнения 14 и между вторым соединительным элементом 20 и промывной трубой 16, открыты по направлению к соединительным элементам 12 и 20, чтобы предотвратить утечку бурового раствора из промывной трубы 16 в атмосферу. Внешнее кольцо 106 прикреплено к первому соединительному элементу 12 и второму соединительному элементу 20, чтобы сохранить полимерное уплотнение 104.
Предусматриваются средства (не показаны) для предотвращения вращения первого соединительного элемента 12 относительно корпуса уплотнения 14 и для предотвращения вращения второго соединительного элемента 20 относительно промывной трубы 16.
Зазор между винтами 100 и основаниями углублений 102 позволяет первому соединительному элементу 12 наклоняться в поперечной плоскости относительно корпуса уплотнения 14 и второму соединительному элементу 20 наклоняться в поперечной плоскости относительно промывной трубы 16, при этом соединительные элементы наклоняются относительно полимерных уплотнений 104.
В модификации, показанной на Фиг.4, предусматривается вход 68 в камеру 58 между защитным уплотнением 24 и полимерным уплотнением 36, через которое затворная жидкость может быть введена в камеру 58. Давление затворной жидкости в камере 58 может поддерживаться при давлении, среднем между давлением в камере 48 и давлением бурового раствора путем подачи затворной жидкости под давлением от внешнего источника на постоянной основе или в виде объемной дозы, вводимой с интервалами.
В альтернативном варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.5, защитные уплотнения 22, 24 заменяются механическим торцевым уплотнением 110. Механическое торцевое уплотнение 1 10 содержит первое уплотнительное кольцо 112, которое подогнано к ступенчатому отверстию 114 корпуса уплотнения 14. Первое уплотнительное кольцо 112 примыкает к плечевой части 116 ступенчатого отверстия 114 и выполнено герметичным по отношению к ней с помощью эластомерного уплотнительного кольца, расположенного в кольцевом углублении 118, расположенном в осевом направлении. Один палец или более (не показаны) входят в соединение с отверстиями, расположенными в осевом направлении, в плечевой части 116 и уплотнительным кольцом 112, чтобы предотвратить вращение уплотнительного кольца 112 относительно корпуса уплотнения 14.
Муфта 120 закреплена на внешней поверхности промывной трубы 16 посредством множества расположенных под углом установочных винтов 122. Муфта 120 расположена с зазором по оси с первым уплотнительным кольцом 112. Второе уплотнительное кольцо 124 установлено в стопорное кольцо 126, установленное с возможностью скольжения на внешней поверхности промывной трубы 16. Стопорное кольцо 126 герметично по отношению к промывной трубе 16 с помощью эластомерного кольца, расположенного между задней поверхностью второго уплотнительного кольца 124 и стопорным кольцом 126, в углублении 128 в стопорном кольце 126. Средства, например расположенная в осевом направлении канавка на внутренней периферийной поверхности второго уплотнительного элемента 124 или стопорного кольца 126 и выступ на внешней поверхности промывной трубы 16 (не показан), предусматриваются для предотвращения вращения второго уплотнительного элемента 124 по отношению к промывной трубе 16, в то же время разрешая относительное осевое перемещение. Ряд расположенных под углом спиральных пружин сжатия 130 расположен в закрытых отверстиях, расположенных в осевом направлении, в муфте 120 и противодействует стопорному кольцу 126 побуждать уплотнительную поверхность 132 второго уплотнительного кольца 124 вступить в герметичное зацепление с соответствующей уплотнительной поверхностью 134 первого уплотнительного кольца 112.
Камера 136, сформированная снаружи уплотнительных колец 112 и 124, присоединена к внешнему источнику затворной жидкости при давлении, среднем между давлением затворной жидкости в камере 48 между полимерными уплотнениями 36 и 38 и давлением бурового раствора, с помощью входа 138. Как и в предыдущих вариантах осуществления изобретения, избыточное давление в камере 136 предотвращает утечку бурового раствора с абразивными добавками между уплотнительными поверхностями 132, 134, при этом утечка затворной жидкости из камеры 136 по направлению к буровому раствору служит для того, чтобы смазать уплотнительные поверхности 132, 134.
В варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.6, механическое торцевое уплотнение 110 заменяет защитные уплотнения 22, 24 и полимерное уплотнение 36 из варианта осуществления изобретения, показанного на Фиг.1. В этом варианте осуществления изобретения максимальное давление затворной жидкости применяется к камере 136, сформированной снаружи уплотнительных колец 112 и 124. Давление затворной жидкости затем снижается поэтапно в камерах 50, 52 и 54.
Различные модификации могут быть сделаны без отступления от изобретения. Например, несмотря на то, что описание вышеуказанных вариантов осуществления настоящего изобретения было дано со ссылкой на полимерные уплотнения с поджатыми пружинами, изобретение в равной степени применимо к любому кольцевому эластомерному или полимерному уплотнительному элементу.
Кроме того, несмотря на то, что изобретение было описано со ссылкой на уплотнение для буровой жидкости, содержащее множество уплотнительных элементов, это только один из примеров, и изобретение может быть использовано для одного или нескольких уплотнительных элементов.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на уплотнительный узел для герметизации бурового раствора при использовании в буровых работах, аналогичные узлы могут использоваться в других устройствах герметизации с высоким давлением, где поэтапное снижение давления является предпочтительным. Одно или несколько манжетных уплотнений 22, 24 могут быть использованы в качестве защитных уплотнений в этих узлах. В качестве альтернативы эти уплотнения могут быть уплотнениями с поджатыми пружинами. Полимерные уплотнения, используемые на стадии поэтапного снижения давления уплотнительного узла, могут быть заменены любым подходящим эластомерным или полимерным уплотнительным элементом.
Несмотря на то, что в варианте, показанном на Фиг.1, оба соединительных элемента 12, 20 соединены с уплотнительным узлом 10, чтобы обеспечить наклон относительно поперечной плоскости, только один из соединительных элементов 12, 20 может быть соединен таким образом.