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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zylinder und eine Kolbenkopfbaugruppe
mit einer ringförmigen
Dichtung sowie auf ein Verfahren zum Herstellen einer Kolbenkopfbaugruppe.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kolbendichtungen
für Schlammpumpen
und genauer auf eine auswechselbare Kolbendichtung. In einer bestimmten
Ausführungsform
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine haltbare Polymerkolbendichtung,
die mit sehr engen Toleranzen konstruiert ist, um eine präzise Presspassung
mit der entsprechenden Auskleidung bereitzustellen.
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Matsch-
oder Schlammpumpen werden allgemein zum Pumpen von Bohrschlamm im
Zusammenhang mit Bohrvorgängen
bei Bohrlöchern
verwendet. Wegen des Bedarfs des Pumpens des Bohrschlamms über mehrere
1000 Fuß (Meter)
an Bohrrohrgestänge
hinweg werden derartige Pumpen typischerweise mit hohen Drücken betrieben.
Weiterhin ist es notwendig, dass der Schlamm aus der Untertage-Bohrkrone
mit einer relativ hohen Geschwindigkeit austritt, um für eine Schmierung
und Kühlung
des Bohrers zu sorgen und um ein Mittel zum Abführen des Bohrkleins von der
gebohrten Erdformation bereitzustellen. Schließlich trägt der von der Schlammpumpe
erzeugte Druck zu dem gesamten Untertage-Druck bei, der dazu verwendet
wird, Bohrlocheruptionen zu verhindern.
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Die
für solche
Schlammpumpen verwendeten Kolben und Zylinder sind während ihrer
Verwendung in hohem Ausmaß einem
Verschleiß ausgesetzt,
da der Bohrschlamm relativ dicht ist und einen hohen Anteil an suspendierten
abrasiven Feststoffen aufweist. Wenn der Pumpenzylinder verschleißt, erhöht sich
der enge ringförmige
Raum zwischen dem Kolben und der Zylinderwand wesentlich und wird mitunter
unregelmäßig. Aus
diesen Gründen
ist der Dichtungsentwurf für
derartige Pumpen entscheidend.
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Die
abrasive Hochdruckumgebung, in der die Pumpen arbeiten müssen, ist
besonders für
die Dichtungen schädlich,
da beträchtliche
Reibungskräfte
erzeugt werden und da die im Betrieb auftretenden hydraulischen
Drücke
die Dichtung in den ringförmigen
Raum zwischen der Zylinderwand und den Kolben zwängen. In einigen Fällen können die Reibungskräfte die
Dichtung sogar von dem Kolben ablösen. In diesen Fällen können die
Ränder
der Dichtung sehr schnell durch den Schneid- oder Reißvorgang
beschädigt
werden, der infolge der Kolbenbewegung auftritt. Ein weiteres Problem
mit konventionellen Schlammpumpendichtungen besteht darin, dass
sie nicht auf adäquate
Weise die Zylinderwand "abwischen", was zur Folge hat,
dass unter Druck stehender Bohrschlamm zwischen der Dichtung und der
Zylinderwand durchsickert.
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Es
sind Versuche unternommen wurden, die Dichtung in dem Kolben zu
halten, um dieser Reibungskraft zu widerstehen. Eine konventionelle
Lösung
für dieses
Problem besteht in der Verwendung eines metallischen Dichtungshalters,
der über
dem Dichtungskörper
angeordnet und durch Sprengringe an Ort und Stelle gehalten wird.
Ein Nachteil dieser Lösung
besteht jedoch darin, dass das zusätzliche Dichtungs rückhalteelement
und seine Sprengringe die gesamte Kolbenkonstruktion teurer ausfallen
lassen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Dichtung mit
diesen Zusatzbauteilen etwas weniger flexibel und nachgiebig ist,
wodurch ihr Vermögen
reduziert wird, die Zylinderwand auf effiziente Weise abzuwischen.
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Eine
weitere konventionelle Lösung
für das Abdichtproblem
besteht im Einschluss eines Dichtungsrückhalterings oder einer Verstärkung in
der Dichtung selbst. In diesem Fall wird der Rückhaltering oder die Verstärkung in
das Dichtungsmaterial eingeformt. Wie im Fall des externen Rückhalterings verringert
diese Lösung
die Flexibilität
der Dichtung und erhöht
deren Herstellungskosten.
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Es
ist üblich,
die obigen Dichtungen in den Kolbenköpfen einzuschließen, wobei
die Dichtung permanent an dem Kolbenkopf befestigt wird. Dies ist nachteilig,
da die Dichtung zu einem wesentlich schnelleren Verschleiß als der
Kolbenkopf neigt, was zu einem übermäßigen Ausschuss
und Kosten führt, wenn
der ganze Kolbenkopf aufgrund des Verschleißes des Dichtungsbauteils ersetzt
werden muss. Daher ist die Bereitstellung einer Kolbendichtung erwünscht, die
von dem Kolbenkopf entfernt und deshalb ersetzt werden kann, ohne
dass ein Austausch des gesamten Kolbenkopfs notwendig ist.
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Die
Beschaffenheit der Betriebsumgebung der Schlammpumpen erschwert
ein effektives Angehen dieser Probleme. Daher ist die Entwicklung
einer neuen und verbesserten austauschbaren Dichtung für einen
hin und her gehenden Schlammpumpenkolben erwünscht, welche die obigen Schwierigkeiten überwindet
und bessere Verschleißeigenschaften
sowie vorteilhaftere Gesamtergebnisse bewerkstelligt.
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US-A-4 516 785 offenbart
eine Dichtung für eine
Schlammpumpe, wobei die Dichtung einen Dichtungsabschnitt, einen
Absatzabschnitt und einen an dem Absatzabschnitt verbundenen Anti-Extrusionsring
aufweist.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für eine Schlammpumpe
mit einem Zylinder und einer Kolbenkopfbaugruppe bereitgestellt,
wobei die Kolbenkopfbaugruppe in dem Zylinder hin und her gehend bewegbar
ist und der Zylinder eine innere Oberfläche mit einem Innendurchmesser
hat und die Kolbenkopfbaugruppe folgendes aufweist: einen Kolbenkopf mit
einem Mittelteil und einem Flansch; sowie eine ringförmige Dichtung,
welche auf dem Flansch auswechselbar befestigt ist, wobei die Dichtung
eine Lippe und einen Absatz aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass
der Absatz frei von einer separaten Verstärkungsanordnung ist; der Flansch
einen Durchmesser aufweist, welcher im Neuzustand nicht mehr als 0,010
inch (etwa 0,25 mm) kleiner ist als der Innendurchmesser der inneren
Oberfläche
des Zylinders; und die Lippe einen unkomprimierten Durchmesser aufweist,
welcher mindestens 0,20 inch (etwa 5,1 mm) größer ist als der Innendurchmesser
der inneren Oberfläche
des Zylinders.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Herstellen einer Kolbenkopfbaugruppe zur Hin- und Herbewegung in
einem Zylinder bereitgestellt, welcher eine innere Oberfläche mit
einem Innendurchmesser aufweist, wobei das Verfahren die folgenden
Schritte aufweist: das Bereitstellen eines Kolbenkopfs, welcher
ein Mittelteil und einen Flansch aufweist, wobei der Flansch einen
Durchmesser hat, der nicht mehr als 0,010 inch (etwa 0,25 mm) kleiner
ist als der Innendurchmesser der inneren Oberfläche des Zylinders; die Befestigung
einer auswechselbaren ringförmigen
Dichtung auf dem Flansch, wobei die Dichtung eine Lippe und einen
Absatz aufweist, und wobei die Lippe einen unkomprimierten Durchmesser
hat, der mindestens 0,20 inch (etwa 5,1 mm) größer ist als der Innen durchmesser
der inneren Oberfläche
des Zylinders und der Absatz frei von einer separaten Rückhalteanordnung
ist.
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Zur
Einführung
in die ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
erfolgen nun Bezüge
auf die beiliegenden Zeichnungen, in welchen:
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1 eine
Querschnittsansicht einer konventionellen Kolbenkopfbaugruppe in
einem Zylinder ist;
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2 eine
Querschnittsansicht eines Dichtungsbauteils ist, das gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist; und,
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3 eine
Querschnittsansicht des Dichtungsbauteils von 2 ist,
das an einem Kolbenkopf in einem Zylinder montiert ist.
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Zu
Anfang auf 1 Bezug nehmend weist eine typische
Schlammpumpen-Kolbenbaugruppe vom Stand der Technik einen Kolbenkopf 10 und
eine zugeordnete Dichtvorrichtung bzw. Dichtung 15 auf, die
gleitbar in einem Kolbenzylinder 12 aufgenommen ist. Der
Kolbenkopf 10 umfasst einen allgemein zylindrischen Körper mit
einem sich davon erstreckenden Flansch 11. Der Kolbenkopf 10 ist
typischerweise aus Stahl wie z.B. AISI4140 gefertigt. Die Dichtung 15 ist
mittels Reibungspassung an dem Kolbenkopf 10 befestigt
und stößt an den
Flansch 11 an. Die Dichtung 15 weist einen elastischen
Dichtungsabschnitt 14 sowie einen Absatzabschnitt 13 auf.
Diese Abschnitte sind entweder integral ausgebildet oder miteinander
verbunden. Der Absatzabschnitt 13 besteht typischerweise
aus einem Stapel mehrerer Lagen aus gummi-imprägnierter Struktur, die einen
höheren
Elastizitätsmodul
als der elastische Dichtungsabschnitt 14 erbringt. In Schlammpumpen
vom Stand der Technik widersteht der Absatzabschnitt 13,
der steifer als der elastische Dichtungsabschnitt ist, bis zu einem
gewissen Ausmaß einem
Hineindrücken
in den Spalt zwischen dem Zylinder und dem Kolbenflansch. Allerdings
wird der Absatzabschnitt 13 unter dem Einfluss des hydrostatischen
Drucks an Stellen, an denen ein Verschleiß auftritt, immer noch in den Spalt
gedrängt.
Das Bezugszeichen 18 bezeichnet einen Teil des Absatzabschnitts 14,
der in den Spalt 20 zwischen dem Flansch 11 und
dem Zylinder 12 hinein gedrückt worden ist.
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Sowohl
der elastische Dichtungsabschnitt 14 wie der Absatzabschnitt 13 gehen
einen engen Kontakt mit dem Zylinder 12 ein. Die Dichtung 15 wird durch
einen Rückhaltering 16 und
einen Sprengring 17 festgehalten, wobei die Ringe die Dichtung 15 an Ort
und Stelle halten und deren Austausch ermöglichen. Ein einfacher Austausch
der Dichtungen ist bei einer Schlammpumpe ein erwünschtes
Merkmal, da die Dichtungen lange vor den anderen Komponenten der
Schlammpumpe verschleißen
und für
eine Fortführung
von Pumpenvorgängen
ersetzt werden müssen.
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Die
Bewegungsrichtung des Kolbens 10 ist durch einen Pfeil 19 dargestellt.
Die Richtung der durch das Arbeitsfluid der Pumpe ausgeübten Kraft des
hydrostatischen Drucks wird durch Pfeile 21 dargestellt.
Diese Kraft komprimiert den elastischen Dichtungsabschnitt 14 und
den Absatzabschnitt 13 axial und expandiert diese Abschnitte
radial gegen die Zylinderwand.
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Nun
auf
2 Bezug nehmend ist eine gemäß der vorliegenden Erfindung
aufgebaute Dichtung
22 dargestellt. Diejenigen Bauteile
in den
2 und
3, welche den Bauteilen aus
1 entsprechen,
tragen die gleichen Bezugszeichen. Die Dichtung
22 weist
einen Absatz
23 und eine elastische Dichtlippe
24 auf.
Die Dichtung
22 ist vorzugsweise einstückig ausgebildet, so dass die
elastische Dichtlippe
24 integral mit dem Absatzabschnitt
23 ausfällt. Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
ist die Dichtung
22 vorzugsweise aus einem steifen Polymer
ausgebildet, das die in der nachfolgenden Tabelle angeführten Eigenschaften
aufweist.
| Härte, Shore
A: | >80 |
| E50-Modul: | >900 psi (etwa 6 MPa) |
| E100-Modul: | >1000 psi (etwa 7 MPa) |
| E200-Modul: | >1500 psi (etwa 10 MPa) |
| E300-Modul: | >2000 psi (etwa 14 MPa) |
| Zugfestigkeit: | >5000 psi (etwa 35 MPa) |
| Bruchdehnung: | >350 % |
| Reißfestigkeit,
C: | >500 pl (etwa 88 kN/m) |
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Da
die Dichtung 22 weiterhin in einer nassen Umgebung zum
Einsatz kommt, ist sie vorzugsweise aus einem Material hergestellt,
das einer Zersetzung durch Wasser widersteht. Daher ist es bevorzugt, dass
das Material keine signifikanten Verringerungen der oben angeführten Eigenschaften
nach einer längeren
Einwirkung von Wasser aufweist. Ein Beispiel eines bevorzugten Polymers
ist ein Polyurethan wie z.B. dasjenige, das von Utex Industries
unter der Kennzeichnung 50399 verkauft wird.
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Nun
auf 3 Bezug nehmend ist die Dichtung 22 von 2 an
einem Kolbenkopf in einem Zylinder montiert dargestellt. Es ist
ersichtlich, dass die Dichtlippe 24 radial komprimiert
wird und sich an die Innenseite des Zylinders 12 anpasst.
Um weiterhin zu ermöglichen,
dass die Dichtung 22 ohne einen verstärkten Absatzabschnitt verwendet
werden kann, wird der Kolbenkopf 10 mit äußerst engen
Toleranzen hergestellt. Im Einzelnen ist ermittelt worden, dass die
Gebrauchsdauer der Dichtung 22 in großem Umfang durch die Sicherstellung
verlängert
werden kann, dass das Spiel zwischen dem Flansch 11 und dem
Zylinder 12 am Anfang minimiert wird. Daher ist die mittlere
Weite des ringförmigen
Spalts 25 zwischen dem Flansch 11 und dem Zylinder 12 wesentlich
kleiner als bei Vorrichtungen vom Stand der Technik. Diesbezüglich ist
es bevorzugt, dass der Unterschied zwischen dem Außendurchmesser
des hergestellten Flanschs 11 und dem Innendurchmesser
des hergestellten Zylinders 12 weniger als 0,010 inch (etwa
0,25 mm) und bevorzugter weniger als 0,008 inch (etwa 0,2 mm) beträgt. Beispielshalber
ist der Flansch 11 eines 6 inch (etwa 15 cm) großen Kolbens
vorzugsweise etwa 0,002 bis 0,010 inch (etwa 0,05 bis 0,25 mm) kleiner
als die zugeordnete Bohrung.
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Wie
in den Figuren ersichtlich ist die Dichtlippe 24 der Dichtung 22 vorzugsweise
etwas größer als
der nominelle Innendurchmesser des Zylinders 12. Wiederum
beispielshalber hat die Dichtlippe 24 für einen Kolben mit einem nominellen
Durchmesser von 6 inch (etwa 15 cm) vorzugsweise einen Durchmesser
von etwa 6,25 inch (etwa 15,9 cm). Somit haben sich in einer bevorzugten
Ausführungsform
die Durchmesser die folgenden Werte: für den Metallflansch 11 ist
df = 5,990 inch (etwa 15,21 cm); für Zylinder 12 ist
der Innendurchmesser idl = 6,000 inch (etwa 15,24 cm); für die Dichtungslippe 23 ist
ds = 6,250 inch (etwa 15,88 cm); und für den Absatz 24 ist dh
= 5,990 inch (etwa 15,2 cm).
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Es
ist bevorzugt, dass die Dichtungslippe 24 einen mindestens
etwa 0,20 inch (etwa 5,1 mm) und bevorzugter mindestens etwa 0,25
inch (etwa 6,35 mm) größeren Durchmesser
als der Innendurchmesser des Zylinders 12 aufweist. Dies
stellt sicher, dass die Dichtungslippe 24 bei ihrer Anordnung
in dem Zylinder 12 komprimiert wird. Das Ausmaß an Kompression
nimmt ab, wenn die Dichtung 22 verschleißt, weshalb
ein ziemlich hohes Ausmaß an
Kompression für
eine neue (nicht verschlissene) Dichtung erwünscht ist. Da auch die Auskleidung
selbst verschleißt,
wird das hohe Ausmaß an
Kompression für die
nominelle Dichtungsgröße ausgeglichen,
wodurch es ermöglicht
wird, dass das gesamte System über
längere
Verschleißzeiträume hinweg
auf effektive Weise eine Abdichtung bereitstellen kann. Wie in den
Figuren dargestellt ist lediglich die Lippe 24 übergroß bemessen.
Hinter der Lippe 24 verjüngt sich der Körper der
Dichtung 22 auf den nominellen Durchmesser von 6,000 inch
(etwa 15,24 cm). Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
wird die schädliche Auswirkung
eines Hineinziehens in die Dichtung 22 dadurch signifikant
verringert, dass die Dichtung 22 und der Flansch 11 mit
sehr engen Toleranzen und einer äußerst präzisen Symmetrie
hergestellt werden.
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Weiterhin
ist ermittelt worden, dass Dichtungen vom Stand der Technik durch
eine leichte Vertiefung beeinträchtigt
sind, die um den Umfang um ihre Außenflächen herum vorliegen. Diese
Vertiefung ist in 1 übertrieben gezeigt und durch
das Bezugszeichen 14a in gestrichelten Linien dargestellt.
Es ist festgestellt worden, dass eine Herstellung der Dichtung 22,
bei der diese Vertiefung beseitigt wird, die Lebensdauer der Dichtung 22 verlängert. Die
Vertiefung 14a kann dadurch beseitigt werden, dass die Gießform, in
der die Vertiefung ausgeformt wird, so ausgebildet ist, dass sie
diejenige Schrumpfung, die auftritt, wenn die Dichtung entformt
wird, ausgleicht, oder indem die äußere Oberfläche der Dichtung nach dem Entformen
maschinell bearbeitet wird. Aus Kostengründen wird die erste dieser
beiden Techniken bevorzugt. Bei solchen Fällen, in denen die Form der Gießform modifiziert
wird, hat die nicht ausgehärtete Form
der Dichtung 22 einen größeren Durchmesser als die erwünschte abschließende Form,
wie dies in 2 durch die gestrichelten Linien
bei 23a dargestellt ist. Ebenfalls verstehen sich für den Fachmann alternative
Techniken zur Bewerkstelligung dieser Aufgabe. In einem bevorzugten
Ansatz umfasst der Absatz 24 eine ringförmige Wulstung 23a,
wenn er anfänglich
geformt wird. Wenn die ringförmige
Dichtung 22 von der Gießform entfernt wird und aushärten kann,
führt die
Schrumpfung des Materials dazu, dass die Wulstung 23a verschwindet.
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Obgleich
die Erfindung mit besonderem Bezug auf einen Pumpenkolben beschrieben
worden ist, der zusammen mit Matsch- oder Schlammpumpen verwendet
wird, versteht sich, dass bestimmte Merkmale davon dazu verwendet
oder angepasst werden können,
in anderen Typen von hin und her gehenden Pumpen verwendet zu werden. Ähnlich dazu
versteht sich, dass verschiedene Modifizierungen der vorliegenden
Dichtung erfolgen können, ohne
den in den beiliegenden Ansprüchen
definierten Rahmen der Erfindung zu verlassen.