JPS5828082A - シ−ル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明のステムシール装置を使用したバルブは、高圧
、高温、つシあい上昇式ステムゲートバルブであり、次
に示す米国特許出願に開示された発明と類似するもので
ある。すなわち、１９７７年９月１５日にデビット・ビ
ー・ハードによって出願された特許第８３３．６８４号
の「積層状にして予め負荷をかけた固体潤滑性のステム
シールを有する温度耐性が高く化学的に安定な高圧ゲー
トバルブ」および１９７６年６月１６日にチャールス°
・ディー・モリμによって出願された特許第６９７゜０
８４号の「高い負荷をかけて予め積層状に装填した固体
潤滑性の金属相互のステムシールを有する高温１面圧、
つりあい上昇ステムゲートバルブ」である。

この発明のステムシール装置は、前記米国特許第６９７
，０８４＋Ｌに開示式れたステムシール装置に関連がめ
る。

前記出願は、この発明の出願人に譲渡され、それらの開
示内容は、この発明中において参照され、この発明の技
術中に生かされている。

石油、ガヌ業界においては、さく井時穴が深くなるにつ
れ圧力および温度は徐々に高まり、また、サワーガヌ田
においては、井戸から流出する流体に比較的高い割合で
硫化水素（Ｈ２Ｓ）を含有する。

油田で使用するバルブやウェルヘッド川のシールが最近
開発されているが、これらのシールは高圧。

高温の交互作用による劣化が比較的少なく、しかもＨ２
Ｓ等の腐食性の流体に対しても比較的耐性を有する。

１９７７年１１月１日に登録されたモリルの特許第４．
０５６．２７２号、これは出願査号第６９７，０８４号
と同一出願人によるもので、この発明の権利者に四渡烙
れているが、その開示内容はこの発明においても採用し
である。すなわち、ウェルヘッドとパイプハンガーとの
間の静的シールである。このシールは一対の円錐形の金
属リングガスケットより成り、その断面形状はほぼ長方
形である。この金属リングガスケットは固定螺子および
圧縮リングによって押し付けられ、このガスケットの端
部が塑性変形して、ウェルヘッドおよびパイプハンガー
の平行な円筒壁と保合して、金属同士のシー／ｌ／が行
なわれるまで締め付けられる。このような静的シールに
おいて使用される変形可能なリングの最初の断面形状は
台形で、テフロン、ポリ。

ウレタン、ゴム等で形成される。このリングは金属リン
グガスケットの間に配設され、金属リングガスケットを
押し付けてその断面形状を長方形にし、ウェルヘッドお
よびパイプハンガーの壁面と係合式せらｎる。この静的
シールに使われる変形可能なリングは、金属リングガス
ケットによるシールが不完全な場合、例えば、ウェルヘ
ッドやパイプハンガーにかき傷や機械痕がある場合に、
この金属リングガスケットのバックアップシールとして
作用する。この変形ｐＪ能なリングは、こうしたかき傷
や機械痕に侵入してシールする。

バルブのステムとバルブ本体すなわちボンネットの間の
動的または静的シールに使われるシールには、伸縮性の
円錐台形の金属リングガスケットが使われ、その断面形
状は長方形である。この金属リングガスケットはステム
周囲に設けたパツキン箱内に配設され、その間には１ら
に変形し易い材質のリングを挾んである。金属リングガ
スケットは、ばね用銅ではなく軟材で形成されているが
、ヘルビ）ｖ　（Ｂｅｌｌｅｖｉｌｌｅ）ばねに類似し
た伸縮性をもたせである理由は２つある。第１は、この
ガスケットを押し付けていない場合に、ガスケットの内
径を大きくするとともに外径を小さくしておき、バルブ
のステムやパツキン箱と過度に摩擦させずに、シールユ
ニットをパツキン箱に対して容易に着脱できるようにす
るためである。第２は、バルブ使用時に、温度や圧力が
変化すると、パッキンリテナを締着した場合に最初に生
じたガスケットの変形や歪が多少変化し、バルブプの寸
法が多少変化しても、このガスケットとステムやパツキ
ン箱との間の圧縮保合を保つためである。換言すれば、
このガスケットは予め加えた負荷を保つために伸縮性で
なくてはならない。

前記バルブステムシーｐは、前記出願第６９乙０８４８
おヨヒ、シー噛ティー・モリｐ、シー・ダブリュー曝メ
イヤのＡＣＭＥ論文「高圧・高流下で使用できるバルブ
ステムおよびウェルヘッド用のシール」に開示される。

後者は１９７６年９月１９日ないし２４日に、メキシコ
のメキシコシティ−での学会発表用に作成されたもので
、その内容はこの発明においても採用しである。この発
明において開示されるシールには、金属リングガスケッ
トを押し付けて平らにするために、螺子付のパッキンリ
テナが締着てれる。この場合、金属リングガスケットの
内周縁および外周縁は変形して、ノ（ルプヌテムの外面
およびパツキン箱の壁面と接触係合して、金属同士のシ
ー〜が行なわれる。

金属リングガスケット間に挾み込んだ挟着リングもシー
ルに対して圧縮することによって変形し、金属リングガ
スケットの形状に従い、ステムおよびパツキン箱と保合
する。金属リングガスケット間に挾んだリングはある程
度伸縮性を有するものでなくてはならない。初期の変形
によって、前記挟着リングは通常定位置に設置されるが
、その場合、幾分伸縮性を保持している。このようなシ
ールにおける挟着リングを形成するだめの材料は、弗素
樹脂、例えば、四弗化エチレンポリマやグツファイトで
ある。このような材料には、また最高約１５％の二硫化
モリブデンを含有する四弗化エチレンポリマもある。

前記バルブステムシールに使用する挟着リングは動的シ
ールであり、金属リングガスケットがステムの滑り動作
によって不調になった場合、金属リングガスケットとス
テムの間を動的にシールする作用を有するものである。

このような挟着リングは、また、ステムとの接触によっ
てめる程度摩耗し、ステムと金属リングガスケットの接
触域をｌｌｌ１滑する傾向を有し、ステムと金属リング
ガスヶットの間の摩擦を減少させる。この挟着リングは
、さらに、ステムと挟着リングの間および挟着リングと
金属リングガスケット間を潤滑させて、摩擦を減少させ
る。挟着リングは金属リングガスケットのバックアップ
シールとしても作用する。これは、前記米国特許第４．
０５６．２７２号のウェルヘッドとパイプハンガー間を
シールするための、変形可能なリングによるバックアッ
プシールと同様のもので、ステムに生じたかき傷や機械
痕に侵入してシールするものである。

この発明は、前記のバルブステムシールの改良に関する
ものである。

ｎＩＩ記のステムシールは、５つの金属リングガスケッ
トを有し、それらの間に２つの挟着リングを配設したも
のである。これは、ＳＭＴ型シールとして知られている
。このＳ　Ｍ　Ｔ型シールは、動作圧力が最高２５，０
００１）Ｓｉ　（１，７５０”ｃΔ）、使用温展−２０
°Ｆないし６００°Ｆ　（−２９〜１４９℃）のバルブ
に対して、十分なステムシールを与えるために構成した
ものである。

しかしながら、動作圧力が　３０．０００　　ｐ８１（
２，１００ｋｔｉ／ｃｓ　）以上のバルブに対しては、
ＳＭＴ型シールでは十分なパルプステムシールを常時提
供することができない。例えば、グラファイトのみから
成る材料は、動作圧力が３０．０００１）Ｓｉ（２，１
００ｋｔｉ／ｃａ　）クラスのバルブに対するＳＭＴ型
ステムシール用には不向きである。というのは、グラフ
ァイト材は、ガスケットを押し付けて平らにしてシール
する場合に、金属リングガスケットを越えて押し出され
る傾向があるためである。つまり、ガスケットが十分に
平らになってパルプステムとパツキン箱との間をシール
する以前に、グラファイトが押し出されてしまうためで
ある。さらに、グラファイトはバルブステムの動作によ
って摩耗したり侵食されたりして消耗する傾向があるが
、こればグラファイトがステム上に沈積し、ステムによ
ってガスケットを越えてパツキン箱の外側に運び埒られ
るからである。動作組方３０，０００ｐｓｉ　（２，１
００ｋ＜／／ｃｙｌ　）で使用した場合、グラファイト
が前記の理由によって押し出はれたり摩耗したシするた
め、シール部分から流体が漏出し、グラファイト製の挟
着リングを取り替える必要が生じる。

同様に、四弗化エチレンポリマ（ＴＦＥ）のみの材料、
あるいは四弗化エチレンポリマにＭｎＳ２を添加した材
料も、動作圧力３０．０００ｐｓｉ　（２，Ｉ　ＤＯｋ
りＭ’）の高圧で使用するバルブのＳＭＴ型ステムシー
ルには適でない。なぜなら、バルブに温度サイクルを加
えた場合、このような材料では前記のような高圧に対し
て常時耐密シールを保つことができないからである。油
田で使用するバルブには、深い井戸から流出する高圧の
流体が流されるため、バルブはこの流体によって約６０
０°”（１４９℃）にまで過熱される。井戸の閉止等に
よって、バルブに流される流体の流れが止まると、バル
ブの温良は常温、すなわち約７０°Ｆ（２１℃）まで冷
却されるが、井戸が再開でれると、流体は再び流れ始め
、バルブの温度は再び３００°Ｆ’（１４９℃）まで上
昇する。従って、バルブ温度は約７０°Ｆないし約６０
０°Ｆ（２１〜１４９℃）の間で変化する。バルブが使
用される温度内においては、いかなる温度でも、またど
のように温度サイクルが加えられても、バルブのステム
シールは常時耐密性を保つととができる必要がある。Ｔ
Ｆ’Ｅ！ｌングやＭｎＳ２を添加したＴＦＥ　！Ｊング
を使用したＳＭＴ型シールは、約３０．０ＯＯＩ）Ｓｉ
　（２，１００ｋＬＪ／ｄ）の動作圧において、約７０
°Ｆ（２１℃）の常温および３００°ｒ（’１４９℃）
の高温においては、流体に対してシール効果を有するが
、常温から６００°ｌ’（１４９℃）に温度を上げ、さ
らに常温に戻すといった湿度サイクルをバルブに加えた
場合、ＳＭＴ型シールでは常時耐密性を保つことができ
ない。また、バルブステムの動作時や静止時に、シール
部かられずかな漏出を生じることもある。パッキンリテ
ナを締め直せば漏出を止めることができるが、温度サイ
クルを加えると再び漏出を生じる。

この発明の目的は、動作圧力３０，０００　ｐｓｉ　（
２，１００ｋ＜／ｌｃ列）オーダーまたはそれ以」二で
使用し、−２０°Ｆないし３００°Ｆ’（−２９〜１４
９℃）の温度範囲で温度サイクルを加えられる／＜ルブ
に適した、信頼性の高いバルブステムシールを提供する
ことによって、前記問題を解決することにある。この発
明の別の目的は、３０，０００　ｐＳｉ　（２，１００
ｋｇ／ｃ７１）またはそれ以上の圧力を有する流体を適
用した場合、あるいはバルブに常温から約６００°Ｆ（
１４９℃）さらに常温に戻すといった温度サイクルを加
えた場合に、パッキンリテナを締め直さなくても、耐密
性を有するとともに、耐漏性のシールを提供することに
ある。この発明のさらに別の目的は、簡便、小型。

安価で、しかも製造、取り付けおよび取り扱いが容易な
シーμを提供することである。この発明のさらに別の目
的は、耐摩耗性が高く、丈夫で、高温や温度便化および
高圧に起因する劣化が比較的小さく、適用される流体に
対して化学的に安定したシールを提供することにある。

この発明の高圧、つシあい上昇ステムゲートバルブは、
パルプ本体のボンネットとバルブの動作ステムとの間、
および／＜ルプ本体の室とバランスステムとの間のシー
μを、伸縮性の材料を使った金属相互のステムシール装
置である。各シール装置は、円錐台形で伸縮性を有する
１対の金属リングガスケットより成る少なくともひとつ
のシールセットを有し、各金属リングガスケットの間に
は、四弗化エチレンポリマ等の、潤滑性が高くて揉夫な
伸縮性のめる材料で形成した２つの組立リングが配設嘔
れ、そのうち一方の組立リングは一方の金属リングガス
ケットに接触し、他方の組立リングはもう一方の金属リ
ングガスケットに接触する。

この２つの組立リングの間にはコアリングが配設される
。どのコアリングの加熱による体膨張率は、緻密なグツ
ファイト等で形成された組立リングの膨張率より小さい
。コアリングの内径は組立リングの内径よりも大きい。

コアリングとバルブの動作ステムまたはバランスステム
との間には、コアリングの内周縁にそって軸受リングが
配設される。

この軸受リングは、組立リングと同種の材料、例えば四
弗化エチレンポリマで形成烙れる。各シールセットは環
状の□パツキン箱内に配設される。このパツキン箱はパ
ルプ本体に隣接し、ステムの回りに延出して設けられて
いる。各パツキン箱はその内部に螺合した環状のパッキ
ンリテナによって閉じられ、円錐台形の金属リングガス
ケットを押し付けている。このため、各金属リングガス
ケットの内周縁および外周縁はそれぞれステムおよびパ
ツキン箱と係合する。この場合、金属リングガスケット
の凹側内周縁および凸側外周縁は十分な圧力を加えられ
て塑性変形する。組立リングの間に削設されたコアリン
グおよび軸受リングよシ成る挟着層は変形して、押し付
けられた金属リングガスケットの間に形成される空間の
形状に従い、はぼその空間全体を満たす。コアリングの
体積は挟着層全体の体積の約１／３である。バルブが作
動して、温度サイクルが加えられても、パッキンリテナ
を締め直さずに、耐密性を保ち、予圧を加えた状態を保
持できる。この発明のバルブのステムシールセットは、
また固定螺子を完全にバックする場合にも使用でき、温
度サイクルを加えた場合でも、可動部は動作時および動
作後にシー／Ｌ／ちれている。

次に、この発明の一実施例を図面に従って説明する。第
１図にはバルブが示しであるが、このノ（ルブは中空体
を有し、この中空体には室２１およびボンネット２３が
植込ボルト２５とナツト２７とによって固定される。ボ
ンネット２６と牢２１との間は、適当な圧力保持用のガ
スケット２９でシールされる。通路３５．３７の内側端
部に取シ伺けられた台座ろ１，６３が、１列の開閉ゲー
ト３９゜４１と協働して、／＜ルブを通過する水、オイ
ルあるいはガヌ等の流体の流量を調節する。シール剤は
貯蔵部４３．４５内に貯蔵され、シール剤分配用の通路
４７．４９を介して、開閉ゲー）３９．４１と台座３１
．３３の界面および台座３１．３３の首部（＋−７＜ル
プ本体の界面に対して自動的に供給され、これらの界面
をシールする。

開閉ゲー）３９．４１は、はぼ円筒状をした動作ステム
５１によって、閉位置と開位置の間を往少運動する。第
１図には閉位置を示しであるが、この位置では流体は通
路３５．３７を流れることができない。一方、開位置で
はゲートボー）５３．５５が台座３１．３３内のボート
５７．５９と一致し、流体は通路３５．３７を流れる。

動作ステム５１の上端は室２１から外側に延出し、ボン
ネット２６内に形成したポート６１に通てれる。この発
明のシー／し部材６６は動作ステム５１と、ボンネット
２６内に形成したほぼ円筒状のパツキン箱６５との間を
シールする。このシール部材６３はパッキンリテナ６７
によってパッキン箱６５内に圧入されている。このパッ
キンリテナ６７は、ボンネット２３の上部に形成された
内部に螺子を有するネック６９に螺合される。ブリーダ
ーポート７１は、動作ステム５１が後方に着座した後、
動作ステム５１とポート６１との間の流体の漏れをチェ
ックするために使用される。

ボンネット２３のネック６９の外部にも螺子が刻んであ
シ、この螺子に軸受押え７６を螺合することができる。

動作ステム５１の螺子付上部７７には動作ナツト７５が
螺合される。この動作ナツト７５にはフランジ７９が形
成してｌ）、その上下にヌラスト軸受８１．８３が同軸
配置嘔れる。フランジ７９の下方に配設されたヌラヌト
軸受８６は、パッキンリテナ６７の」二部にｖ１己設芒
れたワッシャ８５の上部と係合する。フランジ７９の上
方Ｖこ配設ぢれたヌラスト軸受８１は軸受押え７３の上
端内側と係合する。ハンドホイー／Ｌ’８７には非円形
孔８９が形成してあし、この非円形孔８９は、これと対
応するように動作ナツト７５に形成した非円形部９１と
整合する。ハンドホビー／１／８フ目１、動作ナツト７
５の上端に螺合したりテナーナット９６によって定位置
に保持される。ブリーダーボート９５は、動作ステム５
１の螺子付上部と動作ナツト７５の間から流体を逃がす
ためのものである。

はぼ円Ｍ駄をしたバランスステム９７が開閉グー）３９
．４１の下端に連結きれ、ポート９９を通ってバルブの
宇２１の外側に延出する。このバランスステム９７と、
バルブ本体内に形成したほぼ円筒状のパツキン箱１０６
との間は、この発明のシール部材１０１によってシール
される。このシー／し部材１０１は下方に設けたパッキ
ンリテナ１０５によってパツキン箱内に圧入烙れている
。このパッキンリテナ１０５は、ポート９９およびパツ
キン箱１０３と同軸的に形成嘔れた螺子材のソケット１
０７に螺合される。バランスステム９７の上端の拡大部
が、バルブ本体のボート９９０回シに形成されｆｃ環状
の台座に確実に着座している場合、このバランス７テム
９７とポート９９との間の流体の漏れは、ブリーダーボ
ート１０９によってチェックされる。バルブ本体には、
キャップ１１１が螺子１１３によって固定され、このキ
ャップ１１１によって、パッキンリテナ１０５、すなわ
ちバランスステム９７の下端が覆われる。

ハンドホイー１ｖ８７を回すと、動作ナツト７５が回さ
れ、動作ステム５１が作動する。この動作ステム５１が
作動すると、ハブ１１５によって動作ステム５１に連結
された開閉グー）３９．４１が上下動する。この開閉グ
ー）３９．４１の上下動に伴い、ハブ１１７によって開
閉ゲート３９．４１に連結されたバランスステム９７が
上下動する。従って、動作ステム５１とバランスステム
９７は、それぞれの対応するシー２部材６３，１０１に
対して、軸方向に動作する。この場合、シール部材６６
゜１０１は、各ステム５１，９７の軸方向への動作時お
よびその前後において確実に保持される必要がある。

シール部材６３，１０１は同一のものであるため、その
一方について詳細に説明すれば足シる。第２Ａ図および
第２Ｂ図を参照すると、シール部材６６は上部シールセ
ット１１９と下部シー／Ｌ／＋ｔット１２１とから成る
。下部適合りング１２６は、環状のパツキン箱６５の底
部に配設され、下部シールセットの下方に位置する。下
部適合リング１２６の下面は、パツキン箱６５の底面と
面を接し、両者は互いに相補関係にある。従適合リング
１２５は、パッキンリテナ６７の底面１２７と上部シー
ルセット１１９の間に配設される。従適合リング１２５
の上端面はパッキンリテナ６７の底面１２７と面を接し
、相関関係を有する。上部シールセット１１９と下部シ
ールセット１２１との間には、中間適合リング１２９が
配設される。下部適合リング１２３の上面、従適合リン
グ１２５の下面および中間適合リング１２９の上下両面
の形状はいずれも円錐台形であり、その円錐の角度は、
最終的組立位置において上下シールセラ）１１９，１２
１の形状に合致するように設定される。この点に関して
説明すると、第２Ｂ図はこの発明のシール部材をバルブ
内に取り付けた図であるが、パッキンリテナ６７を締着
して、前記シール部材を保持する前の図である。一方、
第２Ａ図はパッキンリテナ６７を螺子付きのネック６９
に締着略せ、シール部材を保持して、各シールセット１
１９，１２１および各適合リング１２３．１２５．１２
９を最終組付位置にした場合の図である。以下に詳述す
るが、各シールセット１１９，１２１の金属リングガス
ケット１６１は、前記各適合リングの面よシ鋭い円錐形
をしている。すなわち、金属リングガスケット１３１の
円錐の角度は、第２Ａ図の最終的締着位置に比べ、第２
Ｂ図の締着前の状態では小さい。

場合によっては、下部適合リング１２３、従適合リング
１２５のうちいずれか一方または両方を省略してもよい
が、この場合、パツキン箱６５の底面またはパッキンリ
テナ６７の下面を所定の角度および所定の面を有する円
錐台形にする必要がある。適合リング１２３．１２５．
１２９を使用する場合には、これらは４１４０Ｍ等のか
なり硬い材料で形成する必要があるが、バルブ本体およ
びボンネット２６は、従来の高圧バルブ用の鋼で形成す
れば十分である。

上下シールセラ）１１９，１２１は同一のものであるた
め、その一方について詳述すれば十分である。シールセ
ット１１９の構成は、１対の円錐台形の金属リングガス
ケット１６１の間に、２つの同一の組立リング１３６を
配設しｆｒものである。

この組立リング１５６け樵夫で、柔軟性があり、しかも
金属リングガスケット１３１に比べて弾性係数が小さい
固体潤滑性の材料で形成される。組立リング１６３のう
ちの一方は、金属リングガヌケット１３１のうちの一方
と隣接して配設され、もう一方の組立リング１３３は他
方の金属リングガスケット１６１と隣接して配設される
。

コアリング１６５が組立リング１６３の間に配設される
。コアリング１６５の熱による体積膨張率はホｌ立リン
グ１３６の体積膨張率に比べて小さい。コアリング１６
５の内径は、組立リング１６３の内径よシも大きい。コ
アリング１６５と動作ステム５１の間において、コアリ
ング１６５の内周にわたって軸受リング１６７が配設て
れる。この軸受リング１６７け、組立リング１６３の形
成に使用される材質と同様に、丈夫で、柔軟性がある固
体潤滑性の材料で形成式れる。軸受リング１３７はコア
リング１３５に形成された孔内に滑合する。

金属リングガスケット１３１の断面形状は、締着される
前においては、はぼ多方形であシ、水平面に対して約３
０°の角度で傾斜している。従って、締着される前にお
いては、この金属リングガヌヶット１３１の円錐の角度
は約１２００となっている。

また、金属リングガスケット１６１が締着される前にお
いては、動作ステム５１およびパツキン箱６５と、この
金属リングガヌヶット１３１０周縁部との間には隙間が
形成ちれるため、パルプ内にこの金属リングガヌケット
１６１を取り付ける際に、動作ステム５１やパツキン箱
６５が損傷を受けることはない。金属リングガスケット
１６１は、落し込むだけで定位置に設定できる。パッキ
ンリテナ６７を締めてシール部材を締着すると、各金属
リングガスケット１３１は押し付けられて、それらの内
径は十分に減少し、一方外径は十分に増大する。このた
め、各金属リングガスケット１３１の四側の内周縁およ
び凸側の外周縁は変形する。

すなわち、各金属リングガスケット１３１はｔａ性変形
し、それぞれ動作ステム５１およびパツキン箱６５と係
合して、金属同士でシールが行なわれる。動作ステム５
１が摩軽したり損傷したりすることがないように、金属
リングガスケット１６１は動作ステム５１に比べて、軟
かい金属で形成する必要がある。例えば、動作ステムけ
にモネ／Ｌ／（Ｋ　Ｍｏｎｅｌ　）合金が使用できるが
、これに匹適する鋼でもよい。動作ステム５１の表面に
は、炭化タングステン等の硬質のコーティングを３ない
し５ミ／Ｌ／（７，６ｘ１０″ないし１２．７　Ｘ　１
０’ｆｆ１）の犀さで施し、この動作ステム５１の表面
の硬度を増し、そのｌ酎久性を増大させることが望まし
い。このようなコーティングを施すことによって、動作
ステム５１の硬度は、ロックウェル硬度で約６０ないし
約６０高くなる。金属リングガスケット１３１は十分な
可塑性を有するため、高い応力をかけて周縁部を変形さ
せることによって、金属同士でシールすることができる
とともに、十分な強度を有するため、加えられた高い予
圧および井戸から流出する流体圧に耐えることができる
。例えば、この金属リングガスケット１６１は、１３１
６ステンレス鋼等の焼鈍ステンレス鋼（オーヌテナイト
系ステンレス鋼）、または炭素鋼１合金鋼等の他の金属
で形成される。動作ステム５１の摩耗や損傷をきらに少
なくするためには、各金属リングガスケットの凹側の内
周縁に丸味を付ける場合に、その半径が金属リングガス
ケット１６１の厚さの約半分になるようにするのが望ま
しい。例えば、金属リングガスケット１６１の厚さが０
．０４インチ（１，０１１であれば、内周縁を０．０２
インチ（０，ｆ５朋）の半径で丸めるとよい。金属リン
グガスケット１３１は、締清芒れた状態においては、水
平に苅して約１５゜の角度をなすため、その円錐角は約
１５０°となる。

一方、適合リング１２３．１２５．１２９の円錐台面も
水平に対して約１５°の角度で自己設される。従って、
各金属リングガスケット１ろ１は、各適合リング１２３
、１２５．１２９の円錐台面に適合する。ところで、金
属リングガスケット１６１は好斗しい円ｆｉｌｌ（台形
にしであるが、別の角度の円錐台形にしてもよいことは
いうまでもないことである。

組立リング１３３および軸受リング１６７川の材料は摩
擦係数が小プくなくてはならない。すなわち、潤滑性の
高い材質であることを必要とする。

組立リング１３３および軸受リング１６７川の材料には
、高圧下において完全性を保つに足る強度および耐久性
も要求され、しかも、バルブによって制御される流体に
対しても化学的に安定であるとともに、パルプ操作時に
予想嘔れる温度、例えば６００°Ｆ〜−２０°Ｆ（１４
９〜−２９℃）に対しても耐えられることが要求される
。このような材料は十分な伸縮性あるいは塑性を有し、
５Ｊｉ軸な隙間に侵入し得るものでなくてはならない。

ここにいう隙間は、金属リングガヌヶッ）１３１．動作
ステム５１およびパツキン箱６５との間に形成される隙
間であり、動作ステム５１とパツキン箱６５に形成され
るかき傷や機械痕に起因するもの、または、動作ステム
５１の動作時および動作後において、金属リングガスケ
ット１６１と動作ステム５１の新たな面とが隣接するこ
とによって生じる隙間である。後者のような隙間は、例
えば動作ステム５１の動作時および動作後においては、
各金属リングガスケット１３１の内周縁は同時にしかも
常時塑性変形して、新たに隣接する動作ステム面に適合
するわけではないために生じるものである。

組立リング１３３および軸受リング１３７は、前記のよ
うな微細な隙間に侵入してシール効果を発揮する。従っ
て、この組立リング１６６および軸受リング１３７はシ
ールリングとみなすことができる。組立リング１６６お
よび軸受リング１６７用の材料としては、［テフロン（
Ｔｅｆｌｏｎ）　Ｊ　　あるいは「−ｔ　Ｕ　テフロｙ
　（Ｍｏｌｙ−Ｔｅｆｌｏｎ）　Ｊという商品名で市販
訟れている」：うな四弗化エチレンポリマが適している
。ここで、モリテフロンはテフロンと類似しているが、
荒面１５％の二硫化セリプデン（ＭｎＳ２　）を含有す
るものであり、その中でも、束敏パーセントで５％のＭ
ｎＳ２と９５％の四弗化エチレン（ＴＦ”Ｅ）よシ成る
ものが最適であり、これはアリド・ケミ力）Ｖ−カンパ
ニ　（ＡｌｌｉｅｄＣｈｅｍｉｃａｌ　Ｃｏｍｐａ、ｎ
ｙ）からｌ−１ｋ　２０２１　Ｊとして販売されている
。

コアリング１３５用の材料は、組立リング１３ろおよび
軸受リング１６７の場合と同様、シールするために必要
な高い予圧に耐え得る強度が要求されるとともに、この
コアリング１６５によってシー）ｖされる流体に対して
化学的に安定であυ、かつ、パルプ操作時に予想される
温度、例えば、６００°Ｆ〜−７５°Ｆ’（１４９〜−
５９℃）に対しても耐え得ることを要求ちれる。

コアリング１６５の別の特徴は、ＳＭＴ型のシールを高
圧下で激しい温展父化を加えて使用した場合の漏出の原
因と考えられる出願人の発見した事実によって明らかに
なる。とはいえ、ここに開示したシールは漏出の問題を
理論的に解明したものではないことは理解できよう。

ＴＦ’ＥまたはＭｎＳ２を加えたＴＦＥで形成したリン
グを使用して、温度サイクル後、３０．０００ｐｓｉ（
２，１００ｋ（Ｊ／ｃｙｌ　）の範囲の圧力を加えた場
合、ＳＭＴ型ステムシー〃に見られる漏出は、シールに
加えられる予圧の部分的損失に起因することは明らかで
ある。前記のＡＳＭＦ論文において開示された純粋なエ
ラストマーパツキンに加えられる予圧の損失と比較すれ
ばよくわかる。ＳＭＴ型シールを構成する場合、パッキ
ンリテナを締着することによってシール部に機械的圧力
が加えられるが、この圧力は、高圧流体によって加えら
れる圧力よシ大きい。ＳＭＴ型ヌテステールを有するバ
ルブを常温から６００°］’（１４９℃）まで加熱する
と、ＴＦ’Ｅで形成したリングは膨張するが、大きな範
囲にわたって膨張するわけではない。というのは、これ
らのリングは金属によってほぼあらゆる方向を囲まれて
おり、その金属の膨張速度がこれらのリングに比べて遅
いからである。このため、シールに加わる予圧力は、元
の圧力すなわち加熱前の圧力に比べて高くなる。バルブ
が常温まで冷却きれると、予圧は、バルブの加熱によっ
て高くなった圧力より減少するのみならず、元の圧力よ
りも小さくなる。これは、次に示す効果のうち一方また
は両方に起因する。バルブが約６００°Ｆ（１４９℃）
まで加熱されると、ＴＦ’Ｅで形成したリングが熱膨張
し、シールおよび周囲を囲む金属に加えられる圧力が上
昇して予圧が高くなり、との周Ｖ月１を囲む金属の変形
すなわち降伏が起るため、シール部が再び常温才で冷却
されると、シーμが占める体積が増大し、シールに加わ
る圧力が元の予圧より小さくなる。また、バルブを６０
０°１’（１４９℃）まで加熱することによって熱膨張
が起り、ＴＦＥで形成したリングに加わる圧力が上昇す
ると、ＴＦ’Ｅのリングは予圧に起因する変形よシ大き
い永久変形、すなわち、さらに大きな圧縮変形を受ける
ことになる。この変形はバルブが常温まで冷却されても
元に戻らないので、ＴＦ’Ｅのリングに加わる圧力は減
少し、パッキンリテナによってシールに加わる圧力がい
くぶん相殺される。従って、温度サイクルにかけた後に
おいて、適当な予圧を得るためには、パッキンリテナを
締め直す必要がある。

この締め直しをしなければ、このバルブを３０，０００
ｐｓ　ｉ　（２，１００ｋｔｉ／ｄ＞オーダーの圧力に
対して使用するとシール部に闘れを生じる。

この発明においては、ＳＭＴ型のステムシールの金属リ
ングガスグツトの間に挟着するＴＦ’ＥやＭｎＳ２を添
加したＴＦ’Ｅの代りに、加熱した場合に、ＴＦＢやＭ
ｎＢ２を添加したＴＦＥに比べて膨張率の小さい材料が
使用される。この発明の好ましい実施例においては、こ
のような膨張率の小さい材料はコアリング１６５に使用
され、このコアリング１３５の６面は、組立リング１３
６および軸受リング１６７を介して、金属リングガスケ
ット１３１および動作ステム５１に隣接している。

従って、コアリング１３５の熱膨張率は組立リング１３
３および軸受リング１３７の熱膨張率より低くなくては
ならない。コアリング１３５用の適白な材料としては、
緻密なグラファイトがあげらレルカ、コレは［クラ７　
＃　イ／ｌ／　（Ｇｒａｆｏｉｌ）　Ｊ　という商品名
で市販されている。これについては米国特許第３．４０
４．０６１号が参照でさる。正確な数値については不明
であるが、例えば、ＴＦ″Ｅの熱膨張率はグラフオイル
の熱膨張率に比べて数倍大きいといわれている。しかし
、正式なデータによれば、伸縮性のある薄い層状のシー
）ｔたけリボンとして製造されたグラフオイルの線膨張
率はグラファイトの層と平行方向、すなわちシートにお
いては畏テ方向、リボンにおいては幅方向に関しては、
７０°Ｆないし２．０［］０°Ｆ（２１〜１．０９３℃
）の範囲で約−（１，０２Ｘ　１０−５ｉｎ／ｉｎ生（
−０，０４ｘ１０−５α／鐸℃）であり、層と垂直な方
向、すなわちシートおよびリボンの厚さ方向に関しては
、７０°Ｆないし４，００．０’Ｆ’　（２１〜２，２
０４℃）の範囲で約ｊ、５　ｘ　１Ｑ−”ｉｎ／ｉｎ’
Ｆ（２，７ｘｉ　Ｄ−”ｃ／ｍ℃）　ｆ　、Ｔ）　；ｂ
。ＴＦＥノ線１１ｇ１ｍ率ハ、７８°Ｆないし５００°
Ｆ（２６〜２６０℃）の範囲で約７、［ｌ　〜１　ｏ、
ｏｘ’＋　０−５１ｎ／ｉｎ″Ｐ（１２，６〜１８．Ｏ
Ｘｌ　０−５ｆｆｉ／ｍ℃）である。固体の場合、体膨
張率は線膨張率の約６倍である。これについては、ザ・
ハンドブック・オプφケミストリーーアンド・フィシツ
ク７、　（ＴｈｅＨａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉ
ｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｐｈｙｓｌｃｓ）　４８版、Ｐ−９
０ページ（ケミカル・ラバー・カンパニ、１９６７）を
参照できる。さて、グフフォイ７しの体膨張率が前記線
膨張率の５倍の太き嘔であると仮定しても、その体膨張
率は、約７８°Ｆないし３００°Ｆ（２６〜１４９℃）
の温度範囲での、ＴＦ”Ｅの体膨張率の１／４以下であ
る。

金属リングガスケットの間に挟着されたリングの層（以
下、挟着層という）は、コアリング１３５と、コアリン
グ１６５の内周にそって配設された軸受リング１３７と
、コアリング１３５および軸受リング１６７の上下面に
隣接して配設された組立リング１３３とから成り、金属
リングガスケット１６１を押し付けて保持した場合に、
金属リングガスケット１６１の間に形成される空間の形
に従って変形し、その空間のほぼ全体を満す。挟着層の
リングの元の断面形状は長方形であるが、バルブ内に取
り付ける前に変形式せて、第２図の右側に示す円錐台形
に合せてもよい。その形状は適合リング１２３．１２５
．１２９の円錐台形表面に対応する形状であり、前記適
合リング１２３．１２５．１２９には金属リングガスケ
ット１．２１１が押し付けられる。また、挟着層のリン
グの取υ付は時の元の断面形状は長方形であり、シール
を形成することによって円錐台形に変形略れる。

圧力緩和用のコアリング１６５の形成用の材料は、剛性
を有し継ぎ目のないリングにしっかりと圧縮して巻いた
グラフオイルリボンである。このヨウナリボンは、ユニ
オン・カーバイド・コーボｖ−シ、　ｙ　（Ｉｌｎｉｏ
ｎ　Ｃａｒｂｉｄｅ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から、
グラフオイル・リボンｅバックという名称で市販されて
いるもので、ユニオン曝カーバイドーコーポレーシッン
の技術報告書Ｌ５２４−２０４に述べられており、その
コピーがこの商品に付録ｌとして添付されている。グラ
フオイル・リホン・バックをしっかりと巻いたリングは
、これをパツキン箱内の動作ステムの周囲、すなわち動
作ステムとパツキン箱の方向に設置した場合、半径方向
に高い熱膨張率を示す。また、コアリング１３５は、グ
ラフオイルのシートを切断して形成してもよいし、シー
トを重ね合せて形成してもよい。市販のグラフオイルは
約７０９６まで圧縮して緻密にしであるが、１００％す
なわち完全に圧縮するのは、前記のように取り付は前で
もよいし、バルブ内に設置してからシーμを形成するこ
とによって圧縮してもよい。

組立リング１３３はコアリング１３５および軸受リング
１６７よりも薄い。この組立リング１３３はコアリング
１３５が十分に圧縮されている場合には、はぼ同じ厚さ
であるが、半径方向の幅は１コアリング１３５．軸受リ
ング１３７のいずれよシも広い。コアリング１３５の半
径方向の幅と軸受リング１３７の半径方向の幅を加えた
ものは、組立リング１３６の半径方向の幅にほぼ等しい
。バルブ内に挟着層を設置した場合、組立リング１３６
と軸受リング１３７とによって、スライド可能なしまシ
ばめが形成される。この挟着層がシールの形成によって
押し付けられると、組立リング１６５と軸受リング１３
７の内周縁ば、動作スデム５１に対して押し付けられ、
組立リング１６６とコアリング１６５の外周縁はパツキ
ン箱６５の壁面と耐密係合させら相、る。

２つのシールセラ）１１９，１２１が図示しであるが、
この発明の出願人の考えでは、１つのシールセット全使
用するだけで十分なシール効果が得られる。すなわち、
２つ目のシールセットは、シールすべき流体からできる
だけ離して設ｆｉｔ　Ｌ、１つ目のシールセットが損傷
を受けた場合の非常用すなわちバックアップ用である。

非常用すなわちバックアップ用シールの別の特徴として
、通路１６９がボンネット２３に形成しである。この通
路１３９は、シールが形成された時に、中間適合リング
１２９に形成された通路１４１と一致して流路が形成さ
れる。通路１３９は、またボンネット２６の外部に設置
した螺子付ソケットに配設された噴射フィッティング１
４０と連通している。→−“−一通路１６９と連通する 環状溝１４３は、パツキン箱６５の壁面に形成され、通
路１４１と連通する環状溝１４５は中間適合リング１２
９の内側端部に形成きれる。シール部、、）１１９，１
２１が損壊すると、シール材は噴射フィッティング１４
０および通路１３９，１４１を経て、環状５１４３，１
４５へと噴射てれ、パツキン箱６５および動作ステムの
回シで、それぞれ非常シールすなわちバックアップシー
ルが形成される。

この発明のシール装置は、パッキンリテナ６７を締め付
けることによって、予圧を加えである。

この場合の圧力は、パルプを作動させた場合に流体によ
って加えられる圧力よりも大きい。第１図に示したパル
プ、すなわち、定格動作圧３［］、０００ｐｓｉ　（２
，１００ｋｇ／ｉ）のパルプのステムシーｐに加えられ
る予圧は、はぼ３７，５００　ｐＳｉ　Ｃ２，６２５ｋ
（ハ））である。

この発明のステムシール装置を有するパルプが、パルプ
に流体を流すこと等によって、７０°Ｆ（２１℃）程度
の常温から約６００°Ｆ’（１４９℃）まで加熱され、
次いで再び常温まで冷却式れても、パッキンリテナを締
め直す必要はない。従って、温度サイクルを行なっても
、パルプに最初に加えた予圧は保持される。とれは、次
のような事実に起因する。すなわち、金属リングガヌケ
ソ）１３１の間の挟着層の熱膨張によって生じる圧力、
すなわち最初に加えられる予圧は、パルプ内のシールに
隣接した金属に囲まれた部分を永久変形させるには不十
分であるととによるが、とれはコアリング１６５のシシ
膨張率が組立リング１３６および軸受リング１６７に比
べて小嗅いからである。同様の理由により、加熱によっ
て付加される圧力は低いため、組立リング１３３および
軸受リング１３７が烙らに永久変形、すなわち圧縮歪み
を営けることはないとともに、リング１６３，１３７が
冷却てれることによって緩んでも、予圧は損失烙れない
。

出願人によれば、この発明のステムシール装置は、−２
０°Ｆないし３００°Ｆ（−２９〜１４９℃）の温度サ
イクルを加えて、３０．０００　ｐＳｉ　（２，１００
Ａ：り／ｄ）の流体に適用しても、パッキンリテナを締
め直さずに十分使用に耐えるとのことである。この場合
、組立リング１６６および軸受リング１３７はＭｎＳ２
を５９６添加したＴＦＥで形成し、コアリング１６５は
グラフオイルで形成し、かつコアリング１ろ５の体積を
挟着層全体の体積の約１／６としである。

従って、この好ましい実施例においては組立リング１３
６と軸受リング１６７の合計体積はコアリング１３５の
体積の約２倍である。組立リング１３６を形成する材料
は、シーμの形成によって金属リングガスケット１６１
から押し出されることはなく、シール形成時にこの組立
リング１３６の間に配設されたグラフォイ／ｌ／１！！
！のコアリング１６５を取り囲んで、金属リングガスケ
ット１３１と動作ステム５１およびパツキン箱６５の間
に金属同士のシールが形成される前に、コアリング１６
５が金属リングガスケット１３１を越えて押し出されな
いようにするものである。また、グラフオイ／ｌ’製の
コアリング１６５の内周にそって配設されるＭｎＳ２を
５９６含有するＴＦ’Ｅ製の軸受リング１６７は、動作
ステム５１とステムシール装置との間の摩擦を緩和する
とともに、コアリング１６５の過度の摩耗を防ぐ。従っ
て、グラフオイル製のコアリング１６５は熱膨張率が小
さく、その５面はＭｎＳ２を５％含有するＴ　Ｆ’　Ｅ
製の組立リング１３６および軸受リング１３７を介して
動作ステム５１および金属リングガスケット１３１と接
している。この場合、この発明の挟着層において、コア
リング１３５の体積は組立リング１３３と軸受リング１
３７の合計体積の約１今にすることが望ましい。もちろ
ん、との挟着層のリングの体積比を変えてもよく、また
リングの材料を変更してもよい。

第１図、第２Ａ図および第２Ｂ図においては、金属リン
グガスケット１６１および挟着層のリングの円錐形は、
シールされる圧力の向きと反対向きであるが、シール部
の内周縁および外周縁の面が平行で、保合状態が同一で
あれば、シール部を逆にしてもよい。従って、金属リン
グガスケット１６１と挟着層の各リングの円錐形は、シ
ー／Ｉ／ちれる流体の圧力の向きと同じ向きにすること
ができる。また、組立リング１３６と軸受リング１６７
け必ずしも別々に形成する必要がないことも理解できよ
う。例えば、円筒状のリングの外周の中央部にそって、
一体内に溝を形成し、その断面形状がＵ字形となるよう
な部材にしてもよい。この場合、その溝内にコアリング
を整合させてから、パルプ内に設置される。

この発明の好ましい実施例について説明したが、この発
明の精神を逸脱することなく、当業者によって、数多く
の変形をすることができる。従って、ここに開示した内
容は、説明を目的とするものにすぎず、この発明の範囲
を限定するものではないととはいうまでもない。発明の
範囲は特許請求の範囲に示される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のパルプの縦断面図、第２Ａ図および
第２Ｂ図は、円錐台形の金属リングガスケットが、バル
ブの内側に対してシールされる圧力とは反対向きになっ
たこの発明の動作ステムシー／ｌ／装置の一実施例を示
す第１図と同じ面についての部分拡大断面図であって、
第２Ｂ図はバルブ内に設ｊＮ　Ｌ、バソギンリテナを締
着する前におりる、この発明のステムシール装置の部分
拡大断面図、第２Ａ図はパッギンリテナを締着した後に
おける、ステムシール装ｆｉｆの部分拡大１υ「面図で
ある。 ５１・・・動作ステム　　　　　６１・・・ボート６３
．１０’ｌ・・・シール部材６５．１０３・・・パツキ
ン箱６７．１ｒ１５・・・バッギンリテナ １３１・・・金属リングガスケット １６６・・・組立リング　　　　１３５・・・コアリン
グ１６７・・・軸受リング 出　願　人　　　スミス・インターナショナル・インコ
ーホレーテッド代」ｊ１！人　弁理士　岡　ＬＥ　　英
　彦自発手続補正書（方式）

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）パツキン箱の下方にポートを有し、パルプの軸方
   向に動作可能な動作ヌテムが前記ポートを通ってパツキ
   ン箱の外側に延出し、高圧下、温度サイクルにかけた状
   態で使用し、前記動作ステムの壁面と、この動作ヌテム
   の周囲に設置されたパツキン箱の間をシーμするシール
   装置であって、前記動作ヌテムの周囲に配設された前記
   パツキン箱内に設置した第１および第２の金属リングガ
   スケットと、前記パツキン箱内において前記金属リング
   ガスケットの間に挟着でれた変形可能な環状のシール部
   材とから成り、前記シール部材が、前記金属リングガヌ
   ケソトと隣接する第１および第２の環状部と、前記環状
   部の間に設置されたコア部とを有し、前記環状部は丈夫
   な変形可能な材料で形成づれ、前記コア部は前記環状部
   を形成する材料より熱膨張率が小さい材料で形成てれる
   ことを特徴とするシール装置。
2. （２）前記第１および第２の■１；１状部を形成する材
   料の摩擦係数が小さいことを特徴とする特許請求の範囲
   第１す１記戦のシール装置。
3. （３）　　前記第１および第２の環状部が、四弗化エチ
   レンポリマで形成され、前記コア部が緻密なグラフフィ
   トで形成されることを特徴とする特許請求の範囲第２項
   記載１のシール装置。
4. （４）前記第１および第２の環状部を形成する材料が、
   最高約１５％の二硫化モリブデンを含有することを特徴
   とする特許請求の範囲第６項記載のシール装置。
5. （５）前記第１および第２の環状部が、前記動作ヌテム
   および前記パツキン箱と保合してシールする組立リング
   より成るとともに、前記コア部が、前記動作ヌテムの外
   径より大きい内径を有するコアリングより成り、嘔らに
   前記コアリングと動作ステムの間において、前記コアリ
   ングの内周にそって配設εに丈夫な変形可能な材料で形
   成した軸受リングを有することを特徴とする特許請求の
   範囲第４項記載のシール装置。
6. （６）前記軸受リングが前記組立リングと同一の材料で
   形成されることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載
   のシール装置。
7. （７）　　ｒｌｉｔ記コアリングと前記軸受リングとが
   、前記組立リングの間に軸方向に形成される空間、およ
   び前記動作ステムと前記パツキン箱との間に半径方向に
   形成される空間のほぼ全てを満すことを特徴とする特許
   請求の範囲第６項記載のシール装置。
8. （８）前記コアリングの体積が組立リングと軸受リング
   の合計体積の約１／／２であることを特徴とする特許請
   求の範囲第７項記載のシール装置。
9. （９）前記コア部を形成する材料の熱膨張率が、前記第
   １および第２の環状部を形成する材料の熱腎張率の１／
   ４より小さいことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のシール装置。 Ｏｎ　　前記第１および第２の金属リングガスケットを
   押し付ける部材をさらに有し、この部材によって前記金
   属リングガスケットは部分的に平らになり、その内周縁
   および外周縁が変形して、前記動作ステムおよび前記パ
   ツキン箱と保合してシールされるとともに、前記シール
   部材の第１および第２の環状部が前記動作ステムおよび
   前記パツキン箱と係合してシールされることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のシール装置。 ０１）　　前記環状のコア部の外周縁がＭｉｌ記パツキ
   ン箱と隣接するとともに、このコア部の内径は前記ステ
   ムの外径より大きく、さらに前記シール部材が、第６の
   環状部を有し、この環状部は匁夫で変形可能な材料で形
   成され、前記コア部と前記ステムの間に配設されること
   を特徴とする特許請求の範囲第１０項記載のシール装置
   。 Ｑ′）Ｊ　　前記第１．第２および第６の環状部が四弗
   化エチレンポリマで形成され、前記コア部が緻密なグラ
   ファイトで形成式れることを特徴とする特許請求の範囲
   第１１項記載のシー／Ｌ／装置。 ０３　　前記第１．第２および第６の１項状部が四弗化
   エチレンポリマ９５％、二硫化モリブデン５９６よシ成
   る材料で形成され、前記コア部が緻密なグラファイトで
   形成され、前記金属リングガスケットを圧縮した場合、
   金属リングガスケット、動作ステムおよびパツキン箱の
   間に形成される空間のほぼ全体が、前記第１．第２およ
   び第６の環状部とコア部によって占められ、かつ前記コ
   ア部の体積が前記空間の全体積の約１／６であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１１項記載のシール装置。