DE3740368A1 - Sitzringdichtung fuer kugelhaehne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Absperrhahn mit einem auf Sitz­ ringen gelagerten Absperrorgan, vorzugweise einem Kugelkü­ ken, zum Sperren eines Rohrstrangs in einer Hauptdruckrich­ tung, mit in den Sitzflächen der Sitzringe eingelassenen Dichtungsnuten, in die schmiegungsfähige Dichtelemente ein­ gelegt sind.

Derartige Absperrhähne, wie sie beispielsweise aus der US 30 36 590 bekannt sind, dienen dazu, einen Bohrstrang abzusperren. Der Bohrstrang ist während des Bohrbetriebs mit einer Spülung gefüllt, die einen vorbestimmten Druck in dem Bohrloch aufrecht erhält. Der Gegendruck des Gebirges kann beispielsweise durch das Anbohren von Lagerstätten mit leicht entflammbaren oder giftigen Gasen entstehen. Sollte der Gegendruck des Gebirges größer werden als der Druck der Spülung, so muß sichergestellt sein, daß die Bohrung des hohlen Gestänges mit einem Absperrhahn abgesperrt werden kann, um ein Außerkontrollegeraten des Bohrlochs und ein Ausströmen von Gasen zu verhindern.

Diese Absperrhähne sind üblicherweise als Kugelhähne mit einem Kugelküken ausgebildet, das in Durchflußrichtung oben und unten schwimmend gehalten und Metall auf Metall hart abgedichtet. Die Oberfläche der metallischen Kugelsitzringe sind in der Regel zwar den zugehörigen Oberflächenpartien der Kugelküken angepaßt, jedoch kann es vornehmlich bei niedrigen Drücken und in der Druckaufbauphase, zu Leckagen zwischen den metallischen Dichtflächen kommen. Diese Lec­ kagen verhindern dann den Druckaufbau, der zur Erzeugung der erforderlichen Anpreßkraft der Dichtflächen benötigt wird. Da die abzusperrende Spülung meist auch einen hohen Anteil an abrasiven Bestandteilen enthält, können solche zunächst noch geringe Leckagen sehr schnell größer werden, daß insbesondere eine Gasdichtigkeit nicht mehr gewährlei­ stet ist und beispielsweise giftige Gase entweichen können.

Aus der US 31 54 094 ist es bekannt, in die Sitzflächen der Sitzringe Dichtelemente einzulegen. Diese Dichtelemente können aber dem hohen Druck eines Bohrlochs nicht standhal­ ten.

Aus der DE-PS 32 25 906 ist es an sich bekannt, in eine Dichtungsnut ein mit einem Elastomerring vorgespanntes Dichtelement aus Polytetrafluorethylen einzulegen und zwi­ schen der Nutinnenwandung und dem eingelegten Dichtelement einen Spalt freizulassen. Diese Dichtungnuten verlaufen in radialer Richtung und die Spalten dienen zur Aufnahme von Schmiermittel, mit dem das zur Abdichtung einer sich bewegenden Kolbenstange vorgesehene Dichtelement gegenüber einem unbeweglichen Maschinenteil zur Verminderung der Rei­ bung geschmiert wird. Die dabei beherrschbaren Drücke sind relativ gering, und das Dichtelement wird einzig von dem Elastomerring angepreßt. Eine solche Dichtung hält dem sehr hohen statischen Druck, wie er in einem Bohrloch auftreten kann, nicht stand.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Absperrhahn der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem Lec­ kagen an den Sitzflächen der Kugelküken sowohl bei niedri­ gen als auch bei hohen Drücken wirksam vermieden werden.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß das in Hauptdruck­ richtung untere Dichtelement einen größeren Innendurchmes­ ser und das in Hauptdruckrichtung oberere Dichtelement ei­ nen kleineren Außendurchmesser als die jeweils zugehörende Dichtungsnut aufweist, wobei bei dem unteren Dichtelement radial innen und bei dem oberen Dichtelement radial außen ein an sich bekannter Spalt zu der Innenwandung der Dich­ tungsnut vorgesehen ist. Durch diese Maßnahmen wird ein Dichtungssystem für einen Kugelabsperrhahn geschaffen, bei dem in Geschlossenstellung des Kükens der Systemdruck an der seiner Hauptdruckrichtung zugewandten Kante des unteren Dichtelements in die Dichtungsnut eindringen und hinter das Dichtelement gelangen kann. Dieses Dichtelement wird da­ durch - ähnlich wie der Sitzring selbst - mit zunehmenden Systemdruck mit seiner Dichtkante fester an die radial äußere Innenwandung der unteren Dichtungsnut gepreßt. Zu­ gleich gelangt der Druck auch unter das Dichtelement und preßt es in axialer Richtung gegen das als Absperrorgan eingesetzte Kugelküken. Dieses Dichtelement wird so mit zunehmendem Systemdruck fester gegen das Kugelküken ge­ preßt. Die metallische Dichtung der Sitzringe wird so von dem relativ weichen Dichtelement unterstützt und ergänzt.

Kommt im Falle einer Beschädigung das abzusperrende Medium an dieser in Hauptdruckrichtung ersten Dichtung vorbei, so gelangt es zunächst in den Totraum hinter dem Kugelküken und gegen das Dichtelement in dem oberen Sitzring. Dieses obere Dichtelement ist in seinem Außendurchmesser kleiner als die zugehörige Dichtungsnut und läßt einen von radial außen kommenden Druck in die Dichtungsnut. Dieser von ra­ dial außen kommende Druck gelangt durch den hier radial außen liegenden Spalt in die obere Dichtungsnut und hinter das obere Dichtelement. Er preßt dieses radial nach innen und nun axial gegen die Hauptdruckrichtung fest gegen das Kugelküken. Das Kugelküken wird dadurch noch fester wieder gegen den unteren Sitzring gepreßt.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeich­ nung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben; es zeigt:

Fig. 1 den Schnitt durch einen Absperrhahn zum Einbau in Bohr- und Steigrohrgestänge für Bohranlagen;

Fig. 2 die Detaildarstellung des unteren Kugelsitzringes mit zusätzlichem Dichtelement;

Fig. 3 die Detaildarstellung des oberen Kugelsitzringes mit zusätzlichem oberen Dichtelement.

Der in der Fig. 1 dargestellte Absperrhahn 10 besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 11 in dem als Absperrorgan ein Kugelküken 17 in einem unteren Sitzring 12 und einem oberen Sitzring 18 schwimmend gelagert ist. Der obere Sitz­ ring 18 wird durch eine Zwischenscheibe 23 und einen Schul­ terring in seiner Lage im Gehäuse 11 gehalten. Gegenüber dem Gehäuse 11 sind die Sitzringe 12 und 18 mit O-Ringen 13 (Rundringdichtung) abgedichtet, wobei ihnen ein Stützring 14 zugeordnet sein kann.

Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, sind die Sitzringe 12 und 18 mit Sitzflächen 20 versehen, die zugleich metallische Dichtflächen gegenüber dem Kugelküken 17 darstellen. Die Absperrreinheit, bestehend aus den Sitzringen 12 und 18 und dem Kugelküken 17, ist mit einer Tellerfeder 31 vorge­ spannt.

In die Sitzflächen 20 der Sitzringe 12 und 18 sind Dich­ tungsnuten 19 eingelassen, die parallel zur Hauptdruckrich­ tung 22 (Pfeil), also in axialer Richtung, verlaufen. Wie die Fig. 2 zeigt, ist in die Dichtungsnut 19 des unteren Sitzrings 12 ein unteres Dichtelement 16 eingelegt. Der In­ nendurchmesser der Dichtungsnut 19 ist kleiner als der In­ nendurchmesser des Dichtelements 16, so daß radial innen ein Druckspalt 34 entsteht. Das Dichtelement 16 erhält da­ durch eine radial innen liegende Druckkante 15, an der der in Hauptdruckrichtung 22 kommende Systemdruck angreifen kann. Das Dichtelement 16 wird dabei mit seiner radial außen liegende Dichtkante 28 fest gegen den Außendurchmes­ ser der Dichtungsnut 19 gepreßt.

In die in axialer Richtung verlaufende Dichtungsnut 19 ist ein O-Ring 13 eingelegt, der einerseits das Dichtelement 16 vorspannt und andererseits den Zwischenraum zwischen dem Dichtungsnutgrund und der Rückseite des Dichtelements dich­ tend ausfüllt. Im dargestellten unbelasteten Zustand weist das Dichtelement 16 einen axialen Überstand 29 gegenüber der Sitzfläche 20 auf.

Bei Druckbeaufschlagung gelangt der Systemdruck durch den Druckspalt 34 hinter das Dichtelement 16 und preßt es fest gegen das Kugelküken 17. Der Systemdruck löst dabei den O-Ring 13 ab, der das Dichtelement 16 bis dahin unter Vor­ spannung gehalten hat.

Wie die Fig. 3 zeigt, ist in die Dichtungsnut 19 des oberen Sitzrings 18 ein oberes Dichtelement 21 eingelegt. Der Außen­ durchmesser des oberen Dichtelements 21 ist kleiner als der Außendurchmesser der Dichtungsnut 19, so daß der Druckspalt 34 radial außen gelegen ist. Das Dichtelement 21 weist da­ durch eine radial außen liegende Druckkante 24 auf, gegen die der Systemdruck wirken kann. Radial innen weist das Dichtelement 21 eine Dichtkante 28 auf, mit der es dicht an den Innendurchmesser 36 der Dichtnut 19 gepreßt wird. Auch das obere Dichtelement 21 steht im unbelasteten Zustand mit einem Überstand 29 über der Sitzfläche 20.

Wenn das untere Dichtsystem beschädigt wird, kann der Sy­ stemdruck an dem in der Fig. 2 dargestellten unteren Dicht­ element 16 von radial innen nach radial außen vorbei. Er wirkt nun über den Totraum 35 hinter dem Kugelküken 17 und in dem Druckspalt 34 von radial außen nach radial innen gegen die außen liegende Druckkante 24 des oberen Dichtele­ ments 21. Dabei wird die innen liegende Dichtkante 28 gegen den Innendurchmesser der Dichtungsnut 19 gepreßt. Der Sy­ stemdruck gelangt auch hinter das obere Dichtungselement 21 und preßt es fest gegen das in dieser Figur nicht darge­ stellte Kugelküken 17. Die Anpreßkraft wird dabei um so größer, je höher der Systemdruck wird. Die metallische Dichtung zwischen den Sitzflächen 20 und dem Kugelküken 17 wird durch die zusätzlichen, schmiegungsfähigen Dichtele­ mente 16 und 21 ergänzt und die bei Serienfertigung auftre­ tenden Formfehler sowie die während des Betriebs auftreten­ den geringfügigen Beschädigungen in den metallisch dichten­ den Flächen werden hermetisch geschlossen.

Zu Beginn des Schaltens entsteht zwischen dem Kugelküken 17 und den Sitzflächen ein sehr hoher spezifischer Druck, da die Öffnung noch sehr klein ist. Die Dichtelemente 16 und 21 sind deshalb aus einem harten aber schmiegungsfähigen Kunststoff, nämlich aus Polychlortetrafluorethylen (PCTFE), um nicht in den sich öffnenden Spalt eingezogen zu werden.

PCTFE ist weicher als der Stahl der Sitzflächen 20, aber härter und widerstandsfähiger als übliche Dichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) sind.

Das schwimmend gelagerte Kugelküken 17 ist mit einem von außen einsteckbaren Schaltschlüssel 32 über eine Schalt­ klaue 26 zu öffnen und zu schließen. Die Schaltklaue 26 sitzt, wie die Fig. 1 zeigt, mit O-Ringen 13 und einem Stützring 27 abgedichtet in einer Buchse 33, die über einen O-Ring 13 gegenüber dem Gehäuse 11 abgedichtet ist.

Bezugszeichen:

10 Absperrhahn
11 Gehäuse
12 unterer Sitzring
13 O-Ring
14 Stützring
15 innere Druckkante
16 unteres Dichtelement
17 Kugelküken
18 oberer Sitzring
19 Dichtungsnut
20 Sitzfläche
21 oberes Dichtelement
22 Hauptdruckrichtung
23 Zwischenscheibe
24 Druckkante
25 Verriegelungsstück
26 Schaltklaue
27 Stützring
28 Dichtkante
29 Überstand
30 Oberfläche
31 Tellerfeder
32 Schaltschlüssel
33 Buchse
34 Druckspalt
35 Totraum

Claims (5)

1. Absperrhahn mit einem auf Sitzringen gelagerten Absperr­ organ, vorzugweise einem Kugelküken, zum Sperren eines Rohr­ strangs in einer Hauptdruckrichtung, mit in den Sitzflächen der Sitzringe eingelassenen Dichtungsnuten, in die schmie­ gungsfähige Dichtelemente eingelegt sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das in Hauptdruckrichtung (22) untere Dicht­ element (16) einen größeren Innendurchmesser und das in Hauptdruckrichtung (22) oberere Dichtelement (21) einen kleineren Außendurchmesser als die jeweils zugehörende Dichtungsnut (19) aufweist, wobei bei dem unteren Dichtele­ ment (16) radial innen und bei dem oberen Dichtelement (21) radial außen ein an sich bekannter Spalt (34) zu der Innen­ wandung der Dichtungsnut (19) vorgesehen ist.

2. Absperrhahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsnuten (19) in axialer Richtung verlaufen und die Dichtelemente (16, 21) axial vorgespannt sind.

3. Absperrhahn nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dichtelemente (16, 21) mit Runddichtrin­ gen (13) axial vorgespannt sind.

4. Absperrhahn nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dichtelemente (16, 21) aus hartem, schmie­ gungsfähigem Kunststoff, nämlich Polychlortetrafluorethylen sind.

5. Absperrhahn nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberflächen (30) der Dichtelemente (16, 21) den jeweils zugehörenden Kugelsitzflächen (20) angepaßt sind.