NO318681B1 - Ventil med sekundaer lastbaerende overflate - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt sikkerhetsventiler for plassering under overflaten, og spesielt en ventil som angitt i ingressen til de selvstendige kravene 1 og 15.

Overflatekontrollerte sikkerhetsventiler plassert under overflaten blir vanligvis benyttet for å stenge av olje- og gassbrenner i tilfellet en svikt eller en risikabel tilstand i brønnoverflaten. Slike sikkerhetsventiler blir typisk avpasset i produksjonsrøret og opererer for å blokkere strømmen av formasjonsfluid oppover derigjennom. De underoverfladiske sikkerhetsventilene tilveiebringer automatisk avstengning av produksjonsstrømmen som svar på et antall "out of range"-sikkerhetstilstander som kan bli avfølt eller indikert på overflaten. For eksempel inkluderer sikkerhetstilstandene en brann på plattformen, en høy eller lav forbindelsesledningstemperatur eller trykktilstand eller operatøroverstyring.

Under produksjon blir den under overflaten plasserte sikkerhetsventilen typisk holdt åpen ved påføring av hydraulisk fluidtrykk ledet til den underoverfladiske sikkerhetsventilen gjennom en hjelpekontrolledning som strekker seg langs rørstrengen inne i ringrommet mellom røret og brønnforingen. Underoverfladiske sikkerhetsventiler av klafftypen benytter en lukkeplate som blir aktivert ved langsgående bevegelse av et hydraulisk aktivert rørformet stempel. Klaffventillukkeplaten blir holdt i ventilåpningsposisjonen av et operatørrør som blir forlenget ved påføring av hydraulisk trykk på stempelet. En pumpe i overflaten trykksetter et reservoar som leverer regulert hydraulisk kontrolltrykk gjennom kontrolledningen. Hydraulikkfluid blir pumpet inn i et trykkammer med variabelt volum, og virker mot kronen til stempelet. Når for eksempel produksjonsfluidtrykket stiger over, eller faller under et forhåndsinnstilt nivå, blir kontrolltrykket lettet slik at stempelet og operatørrøret blir trukket tilbake til den lukkede ventilposisjonen med en returfjær. Klaffplaten blir så rotert til den lukkede ventilposisjonen med en torsjonsfjær eller et strekkelement.

I konvensjonelle underoverfladiske sikkerhetsventiler av typen som benytter en oppover lukkende klaffplate blir klaffplaten satt mot en ringformet tetningsflate, enten i metall-til-metall-kontakt eller metall mot en ringformet elastometretning. I en konstruksjon beskrevet i US-patent nr. 3.955.623 har klafflukkingsplaten en flat, ringformet tetningsflate som kan kontakte en flat, ringformet ventilsetering, hvor tettende kontakt blir forbedret av en elastomertetningsring som er montert på ventilsetet. I en annen konstruksjon beskrevet i US-patent nr. 4.457.376 inkluderer ventilsetet et nedovervendende, konisk segment med en skrånende tetningsoverflate, og klaffelukkingsplaten har en komplementær skrånende ringformet tetningsoverflate som er avpasset for overflate-til-overflatekontakt mot den koniske ventiltetningsoverflaten.

Typisk blir klaffelukkingsplaten understøttet for rotasjonsbevegelse av en hengselsammenstilling som inkluderer en hengseltapp og en torsjonsfjær eller et strekkelement. Det vil forstås at strukturell forvrengning av klaffventillukkingsplaten, eller skade på hengselsammenstillingen som understøtter klaffelukkingsplaten, kan medføre feilinnretning av respektive tetningsoverflater, som dermed frembringer en lekkasjevei gjennom sikkerhetsventilen.

Slik feilinnretning vil forhindre korrekt tetning og tetning av klaffelukkingsplaten, og formasjonsfluid kan unnslippe gjennom den skadede ventilen, som medfører svinn og forurensning. Under situasjoner som involverer skade på brønnhodet, må brønnstrømmen bli avstengt fullstendig før reparasjoner kan bli gjort og produksjon gjenopptatt. Selv en liten lekkasje gjennom klaffesikkerhetsventilen i en gassbrønn kan medføre katastrofal skade.

Det har blitt gjort forsøk på å løse dette feilinnretningsproblemet. For eksempel involverer en konstruksjon bruk av et ventilsete og en oppoverlukkende klaffeplate som hver har en tetningsoverflate med en tilpasset (matching) sfærisk krumningsradius. Dette innebærer at ventilsetet er et konkavt sfærisk segment, og at tetningsoverflaten til klaffeplaten er et konvekst sfærisks segment. I dette arrangementet blir den sfæriske krumningsradien til det konkave ventilsetets sfæriske segment tilpasset med den sfæriske krumningsradien til det konvekse sfæriske segment som definerer tetningsoverflaten på klaffeplaten. De tilpassede sfæriske overflatene blir lappet sammen for å tilveiebringe en metall-mot-metall-tetning langs grenseflaten mellom de nestede konvekse og konkave tetningsoverflatene.

Som sådan blir det konvekse sfæriske tetningssegmentet til klaffeplaten mottatt i nestende kontakt med den konkave sfæriske segmentoverflaten til ventilsetet, som tillater noe vinkelforskyvning av klaffeplaten i forhold til ventilsetet uten å forstyrre overflate-mot-overflatekontakten derimellom. Den konkave sfæriske tetningsoverflaten til sikkerhetsventilsetet vil således tolerere en begrenset feilinnretning av klaffeplaten som kan bli forårsaket av strukturell fordreining av lukkeplaten eller vridning av hengselsammenstillingen.

Det har imidlertid blitt funnet ut at selv ved bruk av de sfæriske tetningsoverflatene kan lekkasje oppstå. Spesifikt ved applikasjoner som benytter rør med stor diameter og med et lite forhold mellom den ytre diameteren og den indre diameteren til tetningsoverflatene, kan fordreining av klaffelukkingsplaten forårsaket av økede belastninger på klaffelukkingsplaten føre til et tap av tetning. Disse økede belastningene blir utviklet som en følge av bruk av større sikkerhetsventiler med større klaffelukkingsplater i større rør.

Derfor har det oppstått et behov for en klaffVentil som opprettholder en tetning i en brønn som krever en klaffVentil med stor diameter som har et lite forhold mellom den ytre diameteren og den indre diameteren til tetningsoverflatene. Det har også oppstått et behov for en slik klaffVentil som ikke opplever et tap av tetning som følge av fordreining av klaffelukkingsplaten forårsaket av økede belastninger tilknyttet slike konstruksjoner.

Den foreliggende oppfinnelsen som her beskrives har en ventil innbefattende en ventillukkingsmekanisme som passer i et ventilsete, hvor ventilen har forbedret lastbærende evne. Ventilen i henhold til den foreliggende oppfinnelsen har separate tetnings- og lastbæringsoverflater, og kan således bli benyttet i brønn som krever en ventil med stor diameter som har et lite forhold mellom den ytre diameteren og den indre diameteren til tetningsoverflatene. Den forbedrede lastbærende evnen til ventilen i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er spesielt anvendbar i høytrykkssituasjoner. Videre opplever ikke ventilen i henhold til den foreliggende oppfinnelsen et tap av tetning som følge av fordreining av ventillukkingsmekanismen grunnet de økede belastninger på ventilen som er tilknyttet slike applikasjoner.

Ventilen innbefatter et ventilhus, et ventillukkingselement med en tetningsoverflate og en sekundær lastbærende overflate, et ventilsete med en ventilsetetetningsoverflate, og en sekundær lastbærende overflate som er plassert enten på ventilsetet eller som en del av ventilhuset, eller på både ventilsetet og ventilhuset. Ventillukkingsmekanismen inkluderer en sekundær lastbærende overflate som kan være plassert hvor som helst på, eller utformet som en integrert del av, ventillukkingsmekanismen. Ventillukkingsmekanismens sekundære lastbærende overflate kan være enten en indre eller ytre skulder, eller et eller flere indre eller ytre støtteelementer, eller enhver kombinasjon derav. Den lastbærende overflaten til ventillukkingsmekanismen vil passe i eller kontakte en lastbærende overflate som finnes enten på ventilsetet eller ventilhuset, eller på begge.

Dersom ventilsetet inkluderer en sekundær lastbærende overflate, kan den sekundære lastbærende overflaten være enten en indre lastbærende overflate av ventilsetet eller en ytre lastbærende overflate av ventilsetet. Den sekundære lastbærende overflaten til ventilsetet kan enten være en indre eller ytre skulder, eller et eller flere støtteelementer, eller enhver kombinasjon derav. En sekundær lastbærende overflate kan alternativt være koblet til ventilhuset, eller integrert utformet derpå. Dersom ventilhuset inkluderer en sekundær lastbærende overflate, kan den sekundære lastbærende overflaten til ventilhuset for eksempel være en indre skulder eller et eller flere indre støtteelementer, eller enhver kombinasjon derav.

Ventilen i henhold til den foreliggende oppfinnelsen kan være en klaffVentil. Alternativt kan ventilen i henhold til den foreliggende oppfinnelsen være en sluseventil, en kuleventil, en tallerkenventil, en ventil med glideelementer, en ventil med muffer, og en hvilken som helst annen type ventil som er kjent innen området. Følgelig kan ventillukkingselementet til ventilen være en klaffelukkingsplate, en sluse, en kule, en muffe, et glideelement, eller enhver annen struktur som danner en tetning når den føres sammen med eller kontakter et korresponderende ventilsete. Videre kan en klaffelukkingsplate være flat eller profilert.

Ventilen i henhold til den foreliggende oppfinnelsen kjennetegnes ved trekkene angitt i karakteristikken til de selvstendige krav 1 og 15.

I en utførelsesform inkluderer ventilen et rørformet ventilhus med et ventilkammer. Et ventilsete er montert inne i et hus. Ventilsetet har en tetningsoverflate og en sekundær lastbærende overflate. En ventillukkingsmekanisme er tilveiebrakt som en klaffelukkingsplate med en tetningsoverflate og en sekundær lastbærende overflate. Klaffelukkingsplaten er anbrakt inne i ventilkammeret, og roterer mellom en ventilåpningsposisjon, i hvilken klaffelukkingsplaten er fjernet fra ventilsetet, og en ventilstengningsposisjon, i hvilken tetningsoverflaten til klaffelukkingsplaten tettende kontakter ventilsetets tettende overflate for å forhindre strømning derigjennom. Når klaffelukkingsplaten er i ventillukkingsposisjonen, begrenser den sekundære lastbæringsoverflaten til ventilsetet den maksimale vandringen for klaffelukkingsplaten.

I en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse er den sekundære lastbærende overflaten til et ventilsete en indre lastbærende skulder som kan være maskinbearbeidet som en integrert del av ventilsetet. I en annen utførelsesform kan ventilsetet inkludere en temingsringsinnsats som innbefatter et materiale med en hardhet som er større enn hardheten til ventilsetet. Tetningsringinnsatsen kan være en massiv ring. Alternativt kan tetningsringen være en maskinbearbeidet sveisevulst. I begge tilfeller danner tetningsringinnsatsen en del av ventilsetets tetteoverflate og kan fungere som en indre lastbærende skulder.

I en annen utførelsesform er den sekundære lastbærende overflaten til ventilsetet en ytre lastbærende skulder. I denne utførelsesformen inkluderer klaffelukkingsplaten et ballastelement som strekker seg fra enden fra klaffelukkingsplaten motsatt av dreietappen, slik at den ytre lastbærende skulderen til ventilsetet og ballastelementet til klaffelukkingsplaten definerer den maksimale vandringen til klaffelukkingsplaten. Den ytre lastbærende skulderen kan bli benyttet alene eller i kombinasjon med en indre lastbærende skulder eller indre støtteelementer, som alle fungerer som sekundær lastbærende overflate.

For en mer fullstendig forståelse av den foreliggende oppfinnelse, inkludert dens trekk og fordeler, vises det nå til den detaljerte beskrivelsen av oppfinnelsen, satt i sammenheng med de medfølgende tegninger, i hvilke: Fig. 1 er en skjematisk illustrasjon av en offshore olje- eller gassproduksjonsplattform som opererer en under overflaten plassert sikkerhetsventil i henhold til den foreliggende oppfinnelse; Fig. 2A-2B er halve snittriss av en under overflaten plasserbar sikkerhetsventil i henhold til den foreliggende oppfinnelse i ventilåpningsposisjonen; Fig. 3 A-3B er halve snittriss av en under overflaten plasserbar sikkerhetsventil i henhold til den foreliggende oppfinnelse i ventillukkingsposisjonen; Fig. 4 er et tverrsnittsriss av en ventil i henhold til den foreliggende oppfinnelse i ventillukkingsposisj onen; Fig. 5 er et perspektivriss av en klaffelukkingsplate til en ventil i henhold til den foreliggende oppfinnelse; Fig. 6 er et tverrsnittsriss av en ventil i henhold til den foreliggende oppfinnelse i ventillukkingsposisjonen under typiske lastbetingelser; Fig. 7 er et tverrsnittsriss av en ventil i henhold til den foreliggende oppfinnelse i ventillukkingsposisjonen under høye lastbetingelser; Fig. 8 er et tverrsnittsriss av en ventil i henhold til den foreliggende oppfinnelse i ventillukkingsposisjonen under typiske lastbetingelser; Fig. 9 er tverrsnittsriss av en ventil i henhold til den foreliggende oppfinnelse i ventillukkingsposisjonen; Fig. 10 er et perspektivriss av en klaffelukkingsplate til en ventil i henhold til den foreliggende oppfinnelse; Fig. 11 er et tverrsnittsriss av en ventil i henhold til den foreliggende oppfinnelse i ventillukkingsposisjonen; Fig. 12 er et perspektivriss av en klaffelukkingsplate plassert mot et støtteelement til en ventil i henhold til den foreliggende oppfinnelse; Fig. 13 er et tverrsnittsriss av en ventil i henhold til den foreliggende oppfinnelse i ventillukkingsposisjonen; og Fig. 14 er et perspektivriss av en klaffelukkingsplate plassert mot et par støtteelementer til en ventil i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

Ved å henvise til fig. 1, er en under overflaten plassert sikkerhetsventil i bruk sammen med en offshore olje- og gassproduksjonsplattform skjematisk vist og generelt betegnet 10. En halvt nedsenkbar plattform 12 er sentrert over en undervannsolje- og gassformasjon 14 plassert under sjøbunnen 16. Brønnhode 18 er plassert på dekket 20 av plattformen 12. Brønnen 22 strekker seg gjennom sjøen 24 og gjennomtrenger de ulike jordlag inkludert formasjonen 14 for å danne borehullet 26. Et foringsrør 28 er anordnet inne i borehullet 26. Et produksjonsrør 30 er anordnet inne i foringsrøret 28, og strekker seg fra brønnhodet 18. Et par tetningssammenstillinger 32,34 tilveiebringer en tetning mellom produksjonsrøret 30 og foringsrøret 28 for å forhindre strømning av produksjonsfluider derimellom. Under produksjon entrer formasjonsfluider brønnhullet 26 gjennom perforeringer 36 i foringsrøret 28, og går inn i produksjonsrøret 30 gjennom sandkontrollanordningen 38 til brønnhodet 18. En under overflaten plasserbar sikkerhetsventil 40 er anbrakt inne i produksjonsrøret 30, og tetter brønnhodet 18 av fra brønnformasjonen 14 i tilfellet unormale forhold. Den underoverfladiske sikkerhetsventilen 40 inkluderer en ventillukkingsmekanisme som under produksjon fra formasjonen 14 er bibeholdt i ventilåpningsposisjonen av hydraulisk kontrolltrykk mottatt fra et overflatekontrollsystem 42 gjennom en kontroHedning 44.

Ved nå å henvise til fig. 2A, 2B, 3A og 3B, er en sikkerhetsventil 50 for plassering under overflaten vist. Sikkerhetsventilen 50 har en relativt stor produksjonsboring, og er derfor tiltenkt for bruk i brønner med høy strømningshastighet. Sikkerhetsventilen 50 er koblet direkte i serie med produksjonsrøret 30. Hydraulisk kontrolltrykk blir ledet i kommunikasjon med en langsgående boring 52 utformet i sideveggen til toppkonnektorovergangen 54. Trykksatt hydraulikkfluid blir levert gjennom den langsgående boringen 52 til et ringformet kammer 56 definert av en forsenkning 58 som er i kommunikasjon med en ringformet underskår 60 dannet i sideveggen av toppkonnektorovergangen 54. En indre husmuffe 62 er glidbart koblet og tettet til toppkonnektorovergangen 54 med en slippforbindelse 64 og tetning 66, hvor underskjæringen 60 definerer et ringrom mellom den indre stammen 62 og sideveggen til toppkonnektorovergangen 54.

Et stempel 68 blir mottatt i en glidbar, avrettet kontakt mot den indre boringen til den indre stammen 62. Det underskårede ringrommet 60 åpner inn i et stempelkammer 70 i ringrommet mellom den indre boringen til en konnektorovergang 72 og den ytre overflaten til stempelet 68. Den ytre radien til en øvre sideveggs stempelseksjon 74 er maskinbearbeidet og redusert til å definere en radiell klaring mellom stempelet 68 og konnektorovergangen 72. En ringformet skrånende overflate 76 av stempelet 68 virker mot det trykksatte hydraulikkfluidet som leveres gjennom kontrolledningen 44.1 fig. 2A-2B er stempelet 68 helt utstrakt med stempelskulderen 78 i kontakt med toppringromsoverflaten 80 til et operatørrør 82.1 denne ventilåpningsposisjonen er en returfjær 84 helt komprimert.

I den viste utførelsesformen er en klaffplate 86 svingbart montert på en hengselovergang 88 som er gjengeforbundet til den nedre enden av fjærhuset 90. En ventilsete 92 er begrenset inne i en forsenkning utformet på hengselovergangen 88. Den nedre enden av sikkerhetsventilen 50 er forbundet med produksjonsrøret 30 av en bunnovergangskonnektor 94. Bunnovergangskonnektoren 94 har en forsenkning 96 som definerer et ventilkammer 98. Bunnovergangskonnektoren 94 danner således en del av ventilhusinnkapslingen. Klaffplaten 86 svinger om dreietappen 100, og blir forbelastet til ventillukkingsposisjonen som vist i fig. 3A-3B av spiralfjæren 102.1 ventilåpningsposisjonen vist i fig. 2A-2B er fjærspenningskraften overvunnet og klaffplaten 86 blir bibeholdt i ventilåpningsposisjonen av operatørrøret 82 for å tillate formasjonsfluid å strømme opp gjennom produksjonsrøret 30.

Når en "out of range"-tilstand oppstår, og den under overflaten plasserbare sikkerhetsventilen 50 må bli operert fra ventilåpningsposisjonen til ventillukkingsposisjonen, blir hydraulisk trykk frigjort fra ledningen 44, slik at returfjæren 84 virker på den nedre enden av stempelet 68 som trekker tilbake operatørrøret 82 langsgående gjennom ventilkammeret 98. Klaffelukkingsplaten 86 vil så rotere gjennom kammeret 98. Når klaffelukkingsplaten 86 nærmer seg ventillukkingsposisjonen inne i ventilkammeret 98, hvor vesentlig struping av fluidstrømning oppstår, kan reaksjonskreftene av den store størrelsesordenen forvrenge operatørrøret 82, klaffelukkingsplaten 86 eller dreietappen 100.1 tillegg kan innretningen av klaffplaten 86 i forhold til ventilsetet 92 bli forstyrret som følge av smellende sammenstøt mellom klaffelukkingsplaten 86 og ventilsetet 92.

Ved nå å henvise til fig. 4, er en ventil 120 vist. Ventilen 120 inkluderer en ventillukkingsmekanisme som er avbildet som klaffelukkingsplaten 122. Ventilen 120 inkluderer et ventilsete 124.1 den viste utførelsesformen har de tettende overflatene til klaffelukkingsplaten 122 og ventilsetet 124 pardannende segmenter som blir tilpasset i krumning for å tilveie en metall-mot-metalltetning. Tetningsoverflaten 126 til ventilsetet 124 er et konkavt sfærisk segment. Tetningsoverflaten 128 til klaffelukkingsplaten 122 er et konvekst sfærisk segment. Den konvekse klaffelukkingsplatens tettende overflate 128 og det konkave ventilsetets tettende overflate 126 er begge generelt en omdreiningsoverflate frembrakt ved å dreie en semi-sirkulær bue med en buelengde 130 og en krumningsradius 132. Som vist i fig. 4, er krumningsradien til den konvekse klaffelukkingsplatens tettende overflate 128 hovedsakelig lik krumningsradien til det konkave ventilsetets tettende overflate 126.

Spesifikt blir den sfæriske krumningsradien til det konkave ventilsetets tettende overflate 126 tilpasset den sfæriske krumningsradien til den konvekse klaffelukkingsplatens tettende overflate 128. "Tilpasset krumningsradius" betyr her at krumningsradien til klaffeplatens konvekse tetningsoverflate 128 er hovedsakelig den samme som, men ikke større enn, krumningsradien til det konkave ventilsetets tettende overflate 126. Fortrinnsvis blir de konvekse og konkave overflatene tilpasset i krumning for å tilveiebringe glatt, ikke-bindende overflatekontakt mellom den konvekse klaffelukkingsplatens tetningsoverflate 128 og det konkave ventilsetets tettende overflate 126. De tilpassede konvekse og konkave sfæriske overflatene 128,126 blir lappet sammen for å tillate tett nestende kontakt mellom klaffelukkingsplaten 122 og ventilsetet 124. Dette arrangementet tillater jevn vinkelforskyvning av klaffelukkingsplaten 122 i forhold til ventilsetet 124 uten å forstyrre overflate-mot-overflatekontakten derimellom.

Ventilsetet 124 inkluderer en sekundær lastbærende overflate som, i den viste utførelsesformen, er en indre lastbærende skulder 134 som forløper generelt radielt innover fra det konkave ventilsetets tettende overflate 126. Slik det forklares mer detaljert nedenfor, avgrenser den lastbærende skulderen 134 den maksimale vandringen til klaffelukkingsplaten 122 i forhold til ventilsetet 124.

Ved nå å henvise til flg. 5, har klaffelukkingsplaten 122 en konveks sfærisk tetningsoverflate 128 og en halvsylindrisk kanal 136 over toppen av klaffelukkingsplaten 122 i flukt med dens langsgående akse 138. Det radielle fremspringet til klaffelukkingsplaten 122 blir minimalisert, slik at i ventilåpningsposisjonen vist i fig. 2A-2B, blir operatørrøret 82 mottatt inne i den halv-sylindriske kanalen 136, med den konvekse sfæriske tetningsoverflaten 128 fremskytende inn i ringrommet mellom operatørrøret 82 og bunnovergangskonnektor 94. Klaffelukkingsplaten 122 har en sekundær lastbærende overflate vist som skuldrene 142.

Ved nå å henvise til fig. 6 og 7, er ventilen 120 vist i et riss som er rotert 90 grader i forhold til det i fig. 4. Ventilen 120 inkluderer klaffelukkingsplaten 122 og ventilsetet 124. Som forklart ovenfor med henvisning til fig. 4, er tetningsoverflaten 126 til ventilsetet 124 et konkavt sfærisk segment, og tetningsoverflaten 128 til klaffelukkingsplaten 122 et konvekst sfærisk segment. Den konkave tetningsoverflaten 126 til ventilsetet 124 har en krumningsradius som er i det vesentlige lik krumningsradien til den konvekse klaffelukkingsplatens tettende overflate 128. Ventilsetet 124 inkluderer en indre lastbærende skulder 134 som forløper generelt radielt innover fra det konkave ventilsetets tettende overflate 126 som avgrenser den maksimale vandringen til klaffelukkingsplaten 122 i forhold til ventilsetet 124.

Under typiske strømningshastighetsregimer blir de tilpassede konvekse og konkave sfæriske overflatene 128, 126 lappet sammen for å tillate tett nestende inngrep av klaffelukkingsplaten 122 inne i ventilsetet 124 som vist i fig. 4, hvor en spalte 140 finnes mellom skuldrene 142 til klaffelukkingsplaten 122 og den indre lastbærende skulderen 134 til ventilsetet 124.1 applikasjoner hvor rør med stor diameter og klaffelukkingsplater med stor diameter er nødvendig, og hvor forholdet mellom de ytre og indre diametrene til tetningsoverflatene er lite, har belastningene på klaffelukkingsplaten 122 en tendens til å deformere klaffelukkingsplaten 122 om aksen 138, som kan føre til et tap av tetning. Spesifikt, når klaffelukkingsplaten 122 deformeres om aksen 138, kan tetningsarealet mellom klaffelukkingsplaten 122 og ventilsetet 124 bli redusert. Som best vist i fig. 7, avgrenser den indre lastbærende skulderen 134 til ventilsetet 124 den maksimale vandringen til klaffelukkingsplaten 122, slik at eventuell deformasjon av klaffelukkingsplaten 122 om aksen 138 som lukker spalten 140 mellom skuldrene 142 til klaffelukkingsplaten og den indre lastbærende skulderen 134 til ventilsetet 124 ikke vil redusere tetningsarealet mellom klaffelukkingsplaten 122 og ventilsetet 124, og ikke vil forstyrre overflate-mot-overflatekontakten mellom de nestede sfæriske segmentene, men bare vil forflytte området for overlappende kontakt. Følgelig blir en kontinuerlig, positiv metall-mot-metalltetning opprettholdt fullstendig rundt den sfæriske segmentgrenseflaten.

Med henvisning til fig. 8, er det vist en annen utførelsesform av en ventil i henhold til den foreliggende oppfinnelse som generelt er betegnet 150. Ventilen 150 har et

ventillukkingselement vist som en klaffelukkingsplate 122 og et ventilsete 152. Som for ventilen 120 i fig. 6 og 7, har ventilsetet 152 konkav ventilsetetetningsoverflate 126, og klaffelukkingsplaten 122 har en konveks klaffelukkingsplatetetningsoverflate 128. Den konkave tetningsoverflaten 126 til ventilsetet 152 har en krumningsradius som er hovedsakelig lik krumningsradien til den konvekse klaffelukkingsplate-tetningsoverflaten 128.

Ventilsetet 152 inkluderer en tetningsringinnsats 154. Tetningsringinnsatsen 154 danner en del av den konkave tetningsoverflaten 126, og danner den sekundære lastbærende overflaten vist som den indre lastbærende skulderen 134 som strekker seg generelt radielt innover fra den konkave ventilsetetningsoverflaten 126. Den indre lastbærende skulderen 134 avgrenser den maksimale vandringen til klaffelukkingsplaten 122 i forhold til ventilsetet 152. Fortrinnsvis innbefatter tetningsringinnsatsen 154 et materiale som har en høyere hardhet enn ventilsetet 152. Ettersom tetningsringstnnsatsen 154 må motstå ekstreme belastninger utøvd av skuldrene 142 til klaffelukkingsplaten 122, er hardheten til tetningsringinnsatsen 154 et viktig trekk ved den foreliggende oppfinnelsen. For eksempel kan tetningsringinnsatsen 154 være dannet ved å maskinere ut en seksjon av ventilsetet 152 og legge en sveisevulst deri. Sveisevulsten blir så maskinbearbeidet glatt for å danne en del av den konkave tetningsoverflaten 126 og den indre lastbærende skulderen 134. Alternativt kan tetningsringinnsatsen 1S4 være en massiv ring som blir støpt på plass inne i ventilsetet 152 og så maskinbearbeidet glatt for å danne en del av den konkave tetningsoverflaten 126 og den indre lastbærende skulderen 134.

Ved nå å henvise til fig. 9, er det vist en ventil generelt betegnet 160. Ventilen 160 inkluderer et ventillukkingselement vist som en klaffelukkingsplate 162 og et ventilsete 164.1 den viste utførelsesformen har tetningsoverflatene til klaffelukkingsplaten 162 og ventilsetet 164 sammenpassende segmenter som blir tilpasset i krumning for å tilveiebringe en metall-mot-metalltetning. Tetningsoverflaten 166 til ventilsetet 164 er et konkavt sfærisk segment. Tetningsoverflaten 168 til klaffelukkingsplaten 162 er et konvekst sfærisk segment. Krumningsradien 170 til den konvekse klaffelukkingsplatens tettende overflate 168 er hovedsakelig lik krumningsradien til det konkave ventilsetets tetningsoverflate 166.

Spesifikt er krumningsradien til klaffeplatens konvekse tetningsoverflate 168 hovedsakelig den samme som, men ikke større enn, krumningsradien til det konkave ventilsetets tettende overflate 166. Fortrinnsvis blir de konvekse og konkave overflatene matchet i krumning for å tilveiebringe jevn, ikke-bindende overflatekontakt mellom den konvekse klaffelukkingsplatens tettende overflate 168 og det konkave ventilsetets tettende overflate 166. De matchende konvekse og konkave sfæriske overflatene 168, 166 blir lappet sammen for å tillate tett nestende inngrep av klaffelukkingsplaten 162 inne i ventilsetet 164. Dette arrangementet tillater jevn vinkelforskyvning av klaffelukkingsplaten 162 i forhold til ventilsetet 164 uten å forstyrre overflate-mot-overflatekontakten derimellom.

Ventilsetet 164 inkluderer to sekundære lastbærende overflater, spesifikt en indre lastbærende skulder 172 som forløper generelt radielt innover fra det konkave ventilsetets tettende overflate 166 og en ytre lastbærende skulder 174 som forløper generelt radielt utover fra det konkave ventilsetets tettende overflate 166. Klafflukkingsplaten 162 inkluderer også to sekundære lastbærende overflater vist som skuldrene 188 og ballastelementet 176. Den ytre lastbærende skulderen 174 blir aksielt innrettet med ballastelementet 176 til klafflukkingsplaten 162. Ballastelementet 176 er integrert med klafflukkingsplaten 162, og anbrakt motsatt av dreietappstøtteelementet 178. Sammen avgrenser disse sekundære lastbærende overflatene den indre lastbærende skulderen 172 og den ytre lastbærende skulderen 174 den maksimale vandringen til klafflukkingsplaten 162 i forhold til ventilsetet 164. Det skal bemerkes av fagpersoner innen området at selv om ballastelementet 176 er vist integrert med klafflukkingsplaten 162, kan et ballastelement være festet til klafflukkingsplaten 162 ved bruk av et mangfold fremgangsmåter, inkludert, men ikke begrenset til sveising eller bolting.

I applikasjoner hvor rør med stor diameter og klafflukkingsplater med stor diameter er nødvendig, og hvor forholdet mellom de ytre og indre diametrene til tetningsoverflatene er lite, har belastningene på klafflukkingsplaten 162 en tendens til å deformere klafflukkingsplaten 162 om både aksen 180 og aksen 182, som best vist i fig. 10. Når klafflukkingsplaten 162 deformeres om aksen 180 og spalten 184 blir lukket, avgrenser den indre lastbærende skulderen 172 til ventilsetet 164 den maksimale vandringen til klafflukkingsplatens 162 skuldre 188. Likeledes, når klafflukkingsplaten 162 deformeres om aksen 182, og spalten 186 blir lukket, avgrenser den ytre lastbærende skulderen 174 til ventilsetet 162 den maksimale vandringen til klafflukkingsplatens 162 ballastelement 176. Som sådan vil eventuell deformasjon av klafflukkingsplaten 162 om aksen 180 eller aksen 182 ikke redusere tetningsarealet mellom klafflukkingsplaten 162 og ventilsetet 164, og ikke forstyrre overflate-mot-overflatekontakten mellom de nestede sfæriske segmentene, men vil bare forflytte området med overlappende kontakt. Følgelig blir en kontinuerlig, positiv metall-mot-metalltetning opprettholdt fullstendig rundt den sfæriske segmentgrenseflaten.

Selv om fig. 9 viser to sekundære lastbærende overflater, den indre lastbærende skulderen 172 og den ytre lastbærende skulderen 174, skal det forstås av fagpersoner innen området at en enkel sekundær lastbærende overflate alternativt kan bli benyttet slik som den indre lastbærende skulderen 172, som forklart ovenfor med henvisning til fig. 4-8, eller den ytre lastbærende skulderen 174.

Ved nå å henvise til fig. 11, er en ventil generelt betegnet 200 vist. Ventilen 200 inkluderer en ventillukkingsmekanisme vist som en klafflukkingsplate 202 og et ventilsete 204.1 den viste utførelsesforrnen har de tettende overflatene til klafflukkingsplaten 202 og ventilsetet 204 sammenpassende segmenter som har en tilpasset krumning for å tilveiebringe en metall-mot-metalltetning. Tetningsoverflaten 206 til ventilsetet 204 er et konkavt sfærisk segment. Tetningsoverflaten 208 til klafflukkingsplaten 202 er et konvekst sfærisk segment. Den konvekse klafflukkingsplatens tettende overflate 208 og den konkave ventilsetetetningsoverflaten 206 er begge generelt en omdreiningsoverflate frembrakt ved å dreie en halvsirkulær bue med en buelengde 210 og krumningsradius 212. Som vist i fig. 11, er krumningsradien til den konvekse klafflukkingsplatens tettende overflate 208 hovedsakelig lik krumningsradien til det konkave ventilsetets tettende overflate 206.

Fortrinnsvis har de konvekse og konkave overflatene en gjensidig tilpasset krumning for å tilveiebringe jevn, ikke-bindende overflatekontakt mellom den konvekse klafflukkingsplatens tettende overflate 208 og det konkave ventilsetets tettende overflate 206. De tilpassede konvekse og konkave sfæriske overflatene 208,206 blir lappet sammen for å tillate tett nestende inngrep av klafflukkingsplaten 202 inne i ventilsetet 204. Dette arrangementet tillater jevn vinkelforskyvning av klafflukkingsplaten 202 i forhold til ventilsetet 204 uten å forstyrre overflate-mot-overflatekontakten derimellom.

Ventilsetet 204 inkluderer en sekundær lastbærende overflate vist som et indre støtteelement 214 som forløper generelt radielt innover om en del av omkretsen av det konkave ventilsetets tettende overflate 206 på siden motsatt av hengselen 216. Det indre støtteelementet 214 er plassert inne i en lomme 218 som er skåret i den konkave ventiltetningsoverflaten 206 til ventilsetet 204. Det indre støtteelementet 214 er sikkert festet inne i lommen 218 ved bruk av egnede midler slik som en eller flere bolter 220. Det indre støtteelementet 214 blir riktig innrettet inne i lommen 218 ved bruk av tappen 222 som strekker seg inn i hullet 224 til det indre støtteelementet 214 og hullet 226 til ventilsetet 204. Det indre støtteelementet 214 avgrenser den maksimale vandringen til klafflukkingsplaten 202 i forhold til ventilsetet 204.

Under typiske strømningshastighetsregimer blir de tilpassede konvekse og konkave sfæriske overflatene 208,206 lappet sammen for å tillate tett nestende inngrep av klafflukkingsplaten 202 inne i ventilsetet 204, som vist i fig. 11, hvor en spalte 228 finnes mellom en sekundær lastbærende overflate 230 av klafflukkingsplaten 202 og overflaten 232 av det indre støtteelementet 214.1 applikasjoner hvor rør med stor diameter og klafflukkingsplater med stor diameter er nødvendig, og hvor forholdet mellom de ytre og indre diametrene til tetningsoverflaten er lite, har belastningene på klafflukkingsplaten 202 en tendens til å deformere klafflukkingsplaten 202 om både aksen 234 og aksen 236, som best vist i fig. 12, som kan føre til et tap av tetning. Spesifikt, når klafflukkingsplaten 202 deformeres om aksene 234, 236, kan tetningsarealet mellom klafflukkingsplaten 202 og ventilsetet 204 bli redusert. Det indre støtteelementet 214 avgrenser den maksimale vandringen til klafflukkingsplaten 202, slik at enhver deformasjon av klafflukkingsplaten 202 lukker spalten 228, men ikke vil redusere tetningsarealet mellom klafflukkingsplaten 202 og ventilsetet 204, og ikke vil forstyrre overflate-mot-overflatekontakten mellom de nestede sfæriske segmentene, men bare forflytte området for overlappende kontakt. Følgelig blir en kontinuerlig, positiv metall-mot-metalltetning bibeholdt fullstendig rundt den sfæriske segmentgrenseflaten.

Selv om fig. 11 har blitt beskrevet med henvisning til en enkel sekundær lastbærende overflate, dvs. støtteelementet 214, skal det forstås av fagpersoner innen området at støtteelementet 214 kan bli benyttet sammen med en indre lastbærende skulder 134 som beskrevet ovenfor med henvisning til fig. 4-7 eller en ytre lastbærende skulder 174 som beskrevet ovenfor med henvisning til fig. 9-10, eller begge.

Alternativt skal det bemerkes at det indre støtteelementet 214 kan være festet til klafflukkingsplaten 202 slik at når klafflukkingsplaten 214 er i den lukkede posisjonen, blir det indre støtteelementet 214 mottatt inne i lommen 218 som fungerer som den sekundære lastbærende overflaten til ventilsetet 204.1 et annet alternativ kan det indre støtteelementet 214 bli mottatt inne i, eller mot en sekundær lastbærende overflate til ventilhuset motsatt av ventilsetet 214.

Ved nå å henvise til fig. 13, er det vist en ventil generelt betegnet 240. Ventilen 240 inkluderer et ventillukkingselement vist som en klafflukkingsplate 242 og et ventilsete 244.1 den viste utførelsesformen har de tettende overflatene til klafflukkingsplaten 242 og ventilsetet 244 sampassende segmenter som har en tilpasset krumning for å tilveiebringe en metall-mot-metalltetning. Tetningsoverflaten 246 til ventilsetet 244 er et konkavt sfærisk segment. Tetningsoverflaten 248 til klafflukkingsplaten 242 er et konvekst sfærisk segment. Fortrinnsvis har de konvekse og konkave overflatene en tilpasset krumning for å tilveiebringe jevn, ikke-bindende overflatekontakt mellom den konvekse klafflukkingsplatens tettende overflate 248 og det konkave ventilsetets tettende overflate 246. De tilpassede konvekse og konkave sfæriske overflatene 248, 246 blir lappet sammen for å tillate tett nestende inngrep av klafflukkingsplaten 242 inne i ventilsetet 244. Dette arrangementet tillater jevn vinkelforskyvning av klafflukkingsplaten 242 i forhold til ventilsetet 244 uten å forstyrre overflate-mot-overflatekontakten derimellom.

Ventilsetet 244 inkluderer en sekundær lastbærende overflate vist som et par indre støtteelementer 250,252 som forløper generelt radielt innover om deler av omkretsen av det konkave ventilsetets tettende overflate 246. De indre støtteelementene 250, 252 er plassert inne i lommer 254,256 som er skåret i den konkave ventiltetningsoverflaten 246 til ventilsetet 244. De indre støtteelementene 250,252 er festet inne i lommer 254, 256 ved bruk av egnede midler slik som en eller flere bolter 258. Det indre støtteelementet 250 er innrettet inne i lommen 254 ved bruk av en tapp 260 som strekker seg mellom hullet 262 til ventilsetet 244, og hullet 264 ved det indre støtteelementet 250. Det indre støtteelementet 252 er innrettet inne i lommen 256 ved bruk av en tapp 266 som strekker seg mellom hullet 268 til ventilsetet 244 og hullet 270 til det indre støtteelementet 252.

De indre støtteelementene 250, 252 avgrenser den maksimale vandringen til klafflukkingsplaten 242 i forhold til ventilsetet 244. Under typiske strømningshastighetsregimer blir de tilpassede konvekse og konkave sfæriske overflatene 248,246 lappet sammen for å tillate tett nestende inngrep av klafflukkingsplaten 242 inne i ventilsetet 244, som vist i fig. 13, hvor spaltene 272, 274 finnes mellom den sekundære lastbærende overflaten 280 til klafflukkingsplaten 242 og de indre støtteelementene 250, 252.1 applikasjoner hvor rør med stor diameter og klafflukkingsplater med stor diameter er nødvendig, og hvor forholdet mellom de ytre og indre diametrene til tetningsoverflaten er lite, har belastningene på klafflukkingsplaten 242 en tendens til å deformere klafflukkingsplaten 242 om både aksen 276 og aksen 278, som best vist i fig. 14, som kan føre til et tap av tetning. Spesifikt, når klafflukkingsplaten 242 deformeres om aksene 276, 278, kan tetningsarealet mellom klafflukkingsplaten 242 og ventilsetet 244 bli redusert. De indre støtteelementene 250,252 avgrenser den maksimale vandringen til klafflukkingsplaten 242, slik at enhver deformasjon av klafflukkingsplaten 242 lukker spaltene 272,274, men ikke vil redusere tetningsarealet mellom klafflukkingsplaten 242 og ventilsetet 244, og ikke vil forstyrre overflate-mot-overflatekontakten mellom de nestede sfæriske segmentene, men bare forflytte området for overlappende kontakt. Følgelig blir en kontinuerlig, positiv metall-mot-metalltetning opprettholdt fullstendig rundt den sfæriske segmentgrenseflaten.

Selv om fig. 13 har vist den andre lastbærende overflaten bestående av et par indre støtteelementer 250, 252, skal det forstås av fagpersoner innen området at disse sekundære lastbærende overflatene kan bli benyttet sammen med andre sekundære lastbærende overflater beskrevet ovenfor, inkludert den indre lastbærende skulderen 134 i fig. 4 og den ytre lastbærende skulderen 174 i fig. 9.

Alternativt skal det bemerkes at de indre støtteelementene 250, 252 kan være festet til klafflukkingsplaten 242 slik at når klafflukkingsplaten 242 er i den lukkede posisjon, blir de indre støtteelementene 250,252 mottatt inne i lommer 254,256 som fungerer som den sekundære lastbærende overflaten til ventilsetet 244.1 et annet alternativt kan de indre støtteelementene 250,252 bli mottatt inne i, eller mot en sekundær lastbærende overflate av ventilhuset motsatt av ventilsetet 244.

Claims (30)

1. Ventil (120) av typen som har et ventilhus (94) med et ventilsete (124) og en klafflukkingsplate (122) anbrakt deri, hvilket ventilsete (124) har en ventilsetetetningsoverflate (126), hvor ventilen (120) er karakterisert ved: at klaffplateelementet (122) har en klafflukkingselementtetningsoverflate (128) og et klafflukkingselements sekundære lastbærende overflate (142); og en sekundær lastbærende overflate (134) av ventilen for å motta klafflukkingsplatens sekundære lastbærende overflate (142).

2. Ventil i henhold til krav 1, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen blir understøttet av ventilsetet (124).

3. Ventil i henhold til krav 1, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen blir understøttet av ventilhuset (94).

4. Ventil i henhold til krav 1, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen inkluderer en indre lastbærende skulder (134).

5. Ventil i henhold til krav 1, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen inkluderer en ytre lastbærende overflate (174).

6. Ventil i henhold til krav 1, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen inkluderer et indre støtteelement (214).

7. Ventil i henhold til krav 1, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen inkluderer første og andre indre støtteelementer (250,252).

8. Ventil i henhold til krav 1, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen inkluderer et indre støtteelement (214) og en indre lastbærende skulder (134).

9. Ventil i henhold til krav 1, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen inkluderer første og andre indre støtteelementer (250, 252) og en indre lastbærende skulder (134).

10. Ventil i henhold til krav 1, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen inkluderer et indre støtteelement (124) og en ytre lastbærende overflate (174).

11. Ventil i henhold til krav l, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen inkluderer første og andre indre støtteelementer (250,252) og en ytre lastbærende overflate (174).

12. Ventil i henhold til krav 1, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen inkluderer en tetningsringinnsats (154) inne i ventilsetet (124).

13. Ventil i henhold til krav 12, karakterisert ved at tetningsringsinnsatsen (154) inkluderer en fast ring.

14. Ventil i henhold til krav 12, karakterisert ved at tetningsringsinnsatsen (154) inkluderer en maskinbearbeidet sveisevulst.

15. Ventil (120) av typen som har et ventilhus (94) med et ventilkammer (98), et ventilsete (124) montert inne i huset (94) med en ventilsetetetningsoverflate (126), hvilket ventilsete (124) definerer en strømningspassasje derigjennom, og en klafflukkingsplate (122) dreibart anbrakt inne i ventilkammeret (98) som er dreibar mellom en ventilåpningsposisjon i hvilken klafflukkingsplaten (122) blir fjernet fra ventilsetet (124) og en ventillukkingsposisjon i hvilken en tetningsoverflate (128) for klafflukkingsplaten (122) tettende kontakter ventilsetetetningsoverflaten (126) for å forhindre strømning gjennom strømningspassasjen, hvilken ventil (120) er karakt e r i s e r t av en sekundær lastbærende overflate (134) av ventilen som mottar en klafflukkingsplates sekundære lastbærende overflate (142) for å avgrense den maksimale vandringen til klafflukkingsplaten (122) i den lukkede posisjonen.

16. Ventil i henhold til krav 15, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen blir understøttet av ventilsetet (124).

17. Ventil i henhold til krav 15, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen blir understøttet av ventilhuset (94).

18. Ventil i henhold til krav 15, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen inkluderer en indre lastbærende skulder (134).

19. Ventil i henhold til krav 15, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen inkluderer en ytre lastbærende overflate (174).

20. Ventil i henhold til krav 19, karakterisert ved at klafflukkingsplaten (122) inkluderer et ballastelement (176), og hvor den ytre lastbærende overflaten (174) av ventilsetet (124) og ballastelementet (176) til klafflukkingsplaten (122) avgrenser den maksimale vandringen til klafflukkingsplaten (122) i den lukkede posisjonen.

21. Ventil i henhold til krav 15, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen inkluderer et indre støtteelement (214).

22. Ventil i henhold til krav 15, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen inkluderer første og andre indre støtteelementer (250,252).

23. Ventil i henhold til krav 15, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen inkluderer et indre støtteelement (214) og en indre lastbærende skulder (134).

24. Ventil i henhold til krav 15, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen inkluderer første og andre indre støtteelementer (250, 252) og en indre lastbærende skulder (134).

25. Ventil i henhold til krav 15, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen inkluderer et indre støtteelement (214) og en ytre lastbærende overflate (174).

26. Ventil i henhold til krav 15, karakterisert ved at den sekundære lastbærende overflaten av ventilen inkluderer første og andre indre støtteelementer (250,252) og en ytre lastbærende overflate (174).

27. Ventil i henhold til krav 15, karakterisert ved å inkludere en tetningsirnginnsats (154) inne i ventilsetet.

28. Ventil i henhold til krav 27, karakterisert ved at tetningsringinnsatsen (154) inkluderer en massiv ring.

29. Ventil i henhold til krav 27, karakterisert ved at tetningsringinnsatsen (154) inkluderer en maskinbearbeidet sveisevulst.

30. Ventil i henhold til krav 15, karakterisert ved at tetningsoverflaten (128) til klafflukkingsplaten (122) danner et konvekst sfærisk segment med en krumningsradius og at ventilsetets tettende overflate (126) danner et konkavt sfærisk segment med en krumningsradius som hovedsakelig passer sammen med krumningsradien til det konvekse sfæriske segmentet til klafflukkingsplaten (122) for å tillate nestende kontakt mellom det konvekse sfæriske segmentet til klafflukkingsplaten (122) og det konkave sfæriske segmentet av ventilsetet (124).