NO157551B - Brannbestandig sluseventil med bakseteanordning mellom spindel og ventillokk. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en ventil omfattende et ventilhus

med en gjennomgående strømningskanal og et kammer som krysses av kanalen, et ventillukkeelement som er anbrakt i kammeret for å styre strøm gjennom strømningskanalen, en lokkdel som er festet til huset og har en boring som kommuniserer med kammeret, en ventilspindel som strekker seg gjennom boringen og ved hjelp av en mutter er forbundet med ventillukkeelementet, en sammensatt spindelstøtteenhet som understøtter spindelen aksialt i boringen, og en spindel-lokkdel-baksetetetningsenhet for anbringelse av spindelen mot et bakre sete på lokkdelen som reaksjon på aksial bevegelse av spindelen i forhold til lokkdelen.

Slik det gjenspeiles i patentlitteraturen og annen litteratur, er det i de senere år gjort stor innsats for å forsyne industrien, og særlig den som er engasjert i olje-

og gassproduksjon, med spindeldrevne ventiler som vil stå

imot de skadelige virkninger av brann eller andre høye temperaturer uten å tape sin funksjon med sikker, fluidumtett styring av høytrykkssystemer. Denne innsats har resultert i en rekke forskjellige konstruksjoner for ventiler med metall-mot-metall-tetninger, anbringelse av spindelen mot et bakre sete (heretter kalt bakseteanbringelse), og smeltbare elementer for å hindre bakseteanbringelse under normale driftstemperatu-rer, men likevel lette bakseteanbringelse når sådanne temperaturer overskrides.

Som eksempler på teknikkens stilling kan det henvises til DE-OS 2 920 643 og US-patentskriftene 4 286 614 og 4 281 819. Således viser DE-OS 2 920 643 en bakseteanordning hvor et ventilseteelement er forbundet med ventilspindelen og er forsynt med en fjærende, ringformet seteanbringelses-leppe med rund seteform. US-patentskrift 4 286 614 viser en ventilanordning med en metall-mot-metall-tetning som frembringes som et resultat av ødeleggelse av ventilens tetningselemen-ter og en pakningsring. US-patentskrift 4 281 819 viser en sluseventilmekanisme med en ventilspindel som er forsynt med en kjeglestumpformet tetningsflens, og hvor altså tetnings-flensen beveger seg sammen med ventilspindelen under åpning og lukning av ventilens lukkeelement.

Kravene til brannbestandige brønnhodeventiler er blitt meget strenge, og omfatter blant annet lekkasjefrihet ved lavt driftstrykk, noe som er meget vanskelig å oppnå, særlig når det gjelder bakseteanordningen mellom spindel og lokkdel. Baksetetetningen må dessuten ikke være ømfintlig overfor lekkasje som følge av moderat skjevinnstilling av spindel-baksetetetningen, moderate forstyrrelsestoleranser, materialomkost-ninger/materialvalg/materialtilgjengelighet, eller konstruk-sjonspålitelighet•

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en ventil av den innledningsvis angitte type med en forbedret bakseteanordning mellom spindel og lokkdel som imøtekommer de foran omtalte krav ved tilveiebringelse av en metall-mot-metall-tetning som er uten lekkasje mellom ventilspindelen og lokkdelen ved lave såvel som ved høye driftstrykk, og ved lave til ekstremt høye temperaturer.

Ovennevnte formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved at baksetetetningsenheten omfatter et ringformet metalltetningselement med i hovedsaken U-formet tverrsnitt, idet tetningselementet omfatter indre og ytre, ringformede tetningslepper som hver har en rund tetningsflateform, idet de indre og ytre lepper virker til å etablere en metall-mot-metall-tetning med ventilspindelen og lokkdelen i ventilspindelens aksialt bevegede stilling.

Når metalltetningselementet er riktig installert i

en sluseventil eller en annen ventil av spindeltype, og under normale ventiloperasjoner (åpen eller lukket) med fluidumtrykk i ventilhuset, ligger dette tetningselement i et ringformet kammer i ventilens lokkdel med sin ytre leppe i tettende inngrep med en aksial overflate av kammeret, og med sin indre leppe omgivende, men ute av inngrep med en tilstøtende, første sylindrisk overflate av ventilspindelen. Spindelen har en første, sylindrisk overflate og en konisk, ringformet flate, dvs. kjeglestumpformet, som strekker seg fra denne første overflate til en andre, sylindrisk overflate med større diameter enn den første, slik at bakseteanbringelse av spindelen oppnås ved translasjon av spindelen i forhold til tetningselementet, enten manuelt eller ved påvirkning av visse ventil-

komponenter og/eller trykk som reaksjon på forhøyet temperatur, inntil spindelens koniske flate eller dens andre, sylindriske flate ligger innenfor tetningselementets indre leppe. Ved lave driftstrykk, når denne aksiale bevegelse av spindelen inntreffer, tvinger spindelens koniske flate tetningselementets indre leppe til å ekspandere (på grunn av presspasning), hvilket resulterer i en sikker metall-mot-metall-tetning uten lekkasje mellom spindelens koniske flate og tetningselementet. Ved høyere driftstrykk ekspanderer tetningselementets indre leppe tilstrekkelig mye til å gi plass for inngang av den andre, sylindriske flate, hvilket resulterer i en sikker metall-mot metall-tetning uten lekkasje mellom spindelen og tetningselementet .

For at den foran omtalte operasjon med anbringelse

av spindelen mot baksetet skal kunne gjennomføres automatisk i tilfelle av en brann, er ventilspindelen fjærforspent i retning mot sin bakseteanbrakte stilling, og et eutektisk (smeltbart) element er anordnet for å hindre translasjon av spindelen i denne retning under vanlige temperaturer. Når det eutektiske element smelter, tvinger således fjærens og ventilhusets trykk på spindelen denne til tettende inngrep med tetningselementet. Den foretrukne utførelse omfatter også en dødgangsforbindelse mellom spindelen og ventilens lukkeelement (slusen) for å oppnå lettvint spindeltranslasjon til dens bakseteanbrakte stilling aavhengig av slusebevegelse fra dennes lukkede stilling, slik at spindelen frigjøres fra de betydelige krefter som utøves på grunn av fluidumtrykk i ventilhuset og forsøker å holde ventilen lukket.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under hénvisning til tegningene, der fig. 1 viser et sentralt vertikalsnitt gjennom en sluseventil som omfatter særtrekk ifølge oppfinnelsen, og som viser ventilen lukket og spindelen i en stilling hvor den ikke er anbrakt mot det bakre sete,

og fig. 2 viser en forstørrelse av den sentrale og den nedre del av fig. 1, men viser spindelen i sin stilling anbrakt mot det bakre sete.

Som vist på fig. 1, omfatter den foretrukne utførelse av en forbedret, brannbestandig sluseventil 10 som omfatter særtrekk ifølge oppfinnelsen, et ventilhus 12 med en strømnings-kanal 14, et ventilkammer 16 som krysses av strømningskanalen 14, et ventillokk 18 som er løsbart festet til ventilhuset 12 ved hjelp av et antall periferisk adskilte pinneskruer

20 og muttere 22, en lokkhette 24 som er festet til lokket

18 ved hjelp av gjenger 26, en sluse 28 som er anbrakt i kammeret 16 for å styre strøm gjennom kanalen 14, en ikke-stigende ventilspindel 30 som strekker seg fra slusen 28 gjennom lokket 18 og hetten 24, og et håndratt 32 eller en annen passende anordning for dreining av spindelen 30. Spindelen 30 er ved 30a innskrudd i en mutter 34 som befinner seg i en tverrboring 36 gjennom slusen 28, slik at når spindelen dreies, og etter i begynnelsen å ha overvunnet dødgangen (avlangt hull), trans-lateres slusen mellom sin lukkede stilling (vist) og sin åpne stilling (ikke vist) i ventilhusets 12 ventilkammer 16. Selv om ventilkammeret 16 er vist i sin foretrukne utførelse som et sirkulært hulrom, kan hulrommet eventuelt være rektangulært, firkantet, etc. i tverrsnitt. Slusen 28 vil være utformet slik at den passer til ventilkammerets 16 form, dvs. sirkulær, rektangulær, firkantet, etc.

Nær den øvre ende av lokkdelen 18 befinner det seg

en ringformet pakning 38 som tilveiebringer en fluidumtetning, for normale driftstilstander, mellom lokkdelen og spindelen 30, og en støttering 40 som holdes på plass ved hjelp av et fjærhus 42 som er innskrudd i lokkdelen, tjener som en holder for pakningen. Over fjærhuset. 42 er spindelen 30 opplagret i to trykklagre 44, 46 som muliggjør lettvint dreining av spindelen for å åpne og lukke ventilen.

Mellom lagrene 44, 46 befinner det seg en sammensatt spindelstøtteenhet 48 (fig. 1) som understøtter spindelen 30 aksialt i den viste stilling under normale driftstempera-turer. Støtteenheten 48 omfatter en aksialt oppsplittet hylse

50 med en ringformet, radial flens 50a som strekker seg utover fra hylsens nedre ende, en holdering 52 med en ringformet, radial flens 52a som strekker seg innover fra dens øvre ende, og en eutektisk ring 54 som er innskutt mellom flensene 50a, 52a. Hylsen 50 er dannet av to like, halvrunde segmenter (bare ett er vist) som passer rundt et spindelparti 30b med redusert diameter og mellom motstående, ringformede skuldre 30c, 30d. Holderingen 52 omgir fritt hylsen 50 og den eutektiske ring

54, og har én eller flere sideporter (ikke vist) gjennom hvilke materiale i ringen 54 kan gå ut etter å ha blitt smeltet på grunn av en brann eller en annen tilstrekkelig høy temperatur. Til den øvre ende av lokkhetten 24 er det festet et ringformet deksel 58 med en radial endevegg 58a som tilveiebringer en viss grad av brannbeskyttelse for de innelukkede ventilkompo-nenter.

Slik som kanskje best vist på fig. 2, omfatter ventilen 10 videre et forbedret spindel-lokkdel-baksete av en spe-siell konstruksjon som tilveiebringer en sikker metall-mot-metall-tetning over et vidt område av trykk og temperaturer. Denne bakseteanordning omfatter en sammensatt tetningsenhet

60 omfattende et ringformet metalltetningselement 62, et ringformet avstandsstykke 64, og en holdermutter 66. Tetningselementet 62 har et basisparti 68 fra hvilket det aksialt strekker seg to ringformede flenser eller lepper 70, 72, idet den indre leppe 70 har en indre tetningsflate 70a med rund (avrundet) tverrsnittsform for å etablere en metall-mot-metall-tetning med ventilspindelen 30, og den ytre leppe 72 har en ytre tet-ningsf late 72a som også har rund (avrundet) tverrsnittsform for å etablere en metall-mot-metall-tetning med ventilens lokkdel 18. Avstandsstykket 64 hindrer translasjon (eller rotasjon) av tetningselementet 62 under fråkopling av ventilspindelen 30 fra tetningen, og benyttes også til å installere tetningselementet i sitt ringformede kammer 74 i lokkdelen 18. Holdermutteren 66 er utvendig innskrudd i lokkdelen 18

og hindrer således tetningselementet 62 fra å løftes opp fra lokkdelen under fråkopling av spindelen 30 fra tetningselementet. Dersom det skulle ønskes, kan eventuelt en sneppring (ikke vist) benyttes i stedet for holdermutteren 66.

Over baksetet-tetningsenheten 60 (slik som betraktet på tegningene) er det anordnet en kombinert støpejern/viton-hylse 76 for å opprettholde innretting av spindelen 30 for bakseteanbringelse samtidig som den tilveiebringer bistand ved sentrering av spindelen for ventilens brukstidsoperasjoner (åpnings/luknings-syklusgjennomløpning).

Fremdeles som best vist på fig. 2, har ventilspindelen 30 en første sylindrisk overflate 78, en andre sylindrisk overflate 80 med større diameter enn overflaten 78, og en mellomliggende, konisk (kjeglestumpformet), ringformet overgangsflate 82 som strekker seg mellom de første og andre sylindriske overflater 78, 80. Slik som vist på fig. 1, er tetningselementets 62 indre leppe 70 ikke i kontakt med spindelen 30 når denne ikke er i baksetestillingen, som for eksempel under normale driftsforhold. Når spindelen 30 er anbrakt mot baksetet, er tetningens indre leppe 70 i fluidumtett kontakt med enten den koniske overflate 82 eller den andre sylindriske overflate 80 av spindelen, som vist på fig. 2. Spindelen 30 har også en ringformet, radial stoppflens 84 som samvirker med holdermutteren 66 for å hindre ytterligere oppadrettet (slik som betraktet på fig. 1 og 2) translasjon av spindelen så snart bakseteanbringelse er blitt oppnådd (fig. 2)

Som vist på fig. 1, er spindelen 30 forspent i retning mot sin baksetestilling ved hjelp av en skruefjær 86 som er aksialt sammentrykket mellom bunnen av fjærhuset 42 og en ringformet fjærholder 88. Fjærholderen 88 holdes i anlegg mot lokkdelen 18 indirekte ved hjelp av lokkhetten 24, og er forhindret fra relativ, aksial bevegelse i forhold til spindelen 30 ved hjelp av trykklageret 44 og den oppsplittede hylse 50. For å føre spindelen 30 manuelt mot baksetet, dreies følgelig lokkhetten 24 i den retning som forårsaker avskruing av denne fra lokkdelen 18, slik at hindringen av fjærholderen 88 frigjøres og fjæren 86 tillates å presse spindelen aksialt i retning mot sin baksetestilling som vist på fig. 2. Når denne aksiale bevegelse inntreffer, kommer spindelens koniske overflate 82 i kontakt med tetningsleppen 70 og forårsaker at leppen ekspanderer (på,grunn av presspasning), slik at det frembringes en metall-mot-metall-tetning ved lave såvel som ved høye ventilhustrykk. Det skal bemerkes at oppnåelse av lavtrykkstetning er det mest vanskelige, og at bakseteanordningen ifølge oppfinnelsen bevirker en meget tilfredsstil-lende tetning ved lavt (og høyt) trykk uten å kreve ekstremt kritiske fremstillingstoleranser og justeringer.

Med spindelen 30 anbrakt mot baksetet (fig. 2) kan lokkhetten 24 fjernes for å tilveiebringe adgang til spindel-pakningen 38 for vedlikehold eller utskiftning av denne. Når lokkhetten 24 skrues tilbake på lokkdelen 18, tvinges spindelen 30 bort fra sin baksetestilling til sin normale driftsstilling som er vist på fig. 1.

Når den eutektiske ring 54 smelter, slik det vil inn-treffe når ventilen 10 utsettes for en oljebrønn- eller gass-brønnbrann eller en annen tilstrekkelig høy temperatur, trans-lateres spindelen 30 fra sin driftsstilling (fig. 1) til sin baksetestilling (fig. 2) som reaksjon på kraft som utøves på denne på grunn av fjæren 86 og/eller ventilhustrykk.

Slik som best vist på fig. 2, er lengden av ventil-slusens mutter 34 betydelig mindre enn dimensjonen D av den vertikalt langstrakte sliss 36 i slusen 28 gjennom hvilken mutteren strekker seg, slik at det tilveiebringes en dødgangs-forbindelse mellom spindelen 30 og slusen 28. Når operasjonen med bakseteanbringelse av spindelen utføres mens ventilen er lukket (fig. 1 og 2), translaterer følgelig ventilspindelen 30 uten bevegelse av slusen 28. Dette trekk reduserer i vesent-lig grad den kraft som er nødvendig for å translatere spindelen 30, og bidrar til opprettholdelse av lekkasjefrihet mellom ventilspindelen og tetningens indre leppe, hvilket er så kritisk viktig under en brann. Dette trekk reduserer også den eventuelle mulighet for lekkasje mellom slusen og setene under operasjonen med bakseteanbringelse av spindelen, ved å utelukke bevegelse mellom slusen og setet under de nevnte operasjoner.

Det skal bemerkes at oppfinnelsen tilveiebringer flere fordeler i forhold til tidligere metoder for bakseteanbringelse av spindelen i en brannbestandig ventil eller en annen ventil med høy ytelse. Disse fordeler omfatter følgende: 1) Metall-mot-metall-tetning der hvor positiv forskyvning av tetningen under bakseteanordningens tetning-mot-spindel-aktivering muligens kan bringe tetningen til å gi permanent etter (i begrenset utstrekning) for å tilpasse seg til den sammenpassende spindeltetningsflate. Dersom delvis ettergiven-het innbygges i leppene, vil de fremdeles ha tilstrekkelig fjærkraft til å opprettholde en permanent metall-mot-metall-tetning selv etter et stort antall bakseteanbringelsesoperasjo-

ner, og også etter å være utsatt for høye temperaturer.

2) Metall-mot-metall-baksetetetningen holdes løsbart

på plass i ventillokket ved hjelp av en låsemutter eller en sneppring, og således er serviceutskiftning av tetningen mulig på stedet.

3) Da tetningsgeometrien er utformet for å ta hensyn

til en viss skjevinnstilling mellom spindelen og baksetetet-

ningen, er tetningsinngrepet ikke avhengig av helt riktig innretting.

4) Tetningen vil gi rom for en viss begrenset, util-

siktet dreining av spindelen i baksetestillingen og likevel opprettholde en positiv metall-mot-metall-tetning. 5) Spindelen og tetningen vil lette et stort antall baksetetetningsoperasjoner under ventilens driftslevetid.

6) Bakseteanbringelsesoperasjonen krever ikke beveg-

else av slusen under bakseteanbringelse av spindelen når ven-

tilen befinner seg i enten den åpne eller den lukkede stilling.

7) Bakseteanbringelsesoperasjonen kan oppnås ved hjelp

av en spindeltranslaterende kraft som utøves ved hjelp av

a) indre fluidumtrykk i ventilhuset, b) skruefjæren 86 eller

c) en kombinasjon av a) og b).

Claims (18)

1. Ventil omfattende et ventilhus (12) med en gjennom-

gående strømningskanal (14) og et kammer (16) som krysses av kanalen, et ventillukkeelement (28) som er anbrakt i kammeret (16) for å styre strøm'gjennom strømningskanalen, en lokkdel (18, 24) som er festet til huset og har en boring som kommuniserer med kammeret, en ventilspindel (30, 30a) som strekker seg gjennom boringen og ved hjelp av en mutter (34) er forbundet med ventillukkeelementet (28), en sammensatt spindelstøtteenhet (48) som understøtter spindelen aksialt i boringen, og en spindel-lokkdel-baksetetetningsenhet (60) for anbringelse av spindelen mot et bakre sete på lokkdelen som reaksjon på aksial bevegelse av spindelen i forhold til lokkdelen, KARAKTERISERT VED at baksetetetningsenheten (60) omfatter et ringformet metalltetningselement (62) med i hovedsaken U-formet tverrsnitt, idet tetningselementet omfatter indre og ytre, ringformede tetningslepper (70a, 72a) som hver har en rund tetningsflateform, idet de indre og ytre lepper virker til å etablere en metall-mot-metall-tetning med ventilspindelen (30) og lokkdelen (18) i ventilspindelens aksialt bevegede stilling (fig. 2).

2. Ventil ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at metalltetningselementet (62) for ettersyn og/eller utskiftning på stedet er avtagbart festet til lokkdelen (18) i et ringformet tetningskammer (74) i lokkdelen ved hjelp av en avtagbar holder (66).

3. Ventil ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at den avtagbare holder omfatter en ringformet mutter (66) som er fast-skrudd til lokkdelen.

4. Ventil ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at den avtagbare holder omfatter en sneppring.

5. Ventil ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at metalltetningselementet omfatter et ringformet basisparti (68), idet de indre og ytre tetningslepper (70a, 72a) strekker seg aksialt fra basispartiet til den avtagbare holder (66).

6. Ventil ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at metalltetningselementet omfatter et ringformet avstandsstykke (64) som er anbrakt mellom de indre og ytre tetningslepper (70a, 72a) og strekker seg aksialt forbi tetningsleppene og hviler på den avtagbare holder (66) for å hindre forskyvning av metalltetningselementet (62) under translasjon av ventilspindelen (30).

7. Ventil ifølge krav 1 eller 2, KARAKTERISERT VED at ventilspindelen (30) har to sylindriske overflater (78, 80) med forskjellige diametre, og en konisk, ringformet overgangsflate (82) som strekker seg aksialt mellom de to sylindriske flater, idet den indre tetningsleppe (70a) er beliggende radi-alt utenfor og ute av kontakt med den ene sylindriske flate med minst diameter, idet den ytre tetningsleppes (72a) runde tetningsflate kontakter ventillokkdelen (18) i fluidumtett kontakt.

8. Ventil ifølge krav, 7, KARAKTERISERT VED at den indre tetningsleppes (70a) runde tetningsflate er i fluidumtett kontakt med den koniske, ringformede overgangsflate (82) i ventilspindelens (30) aksialt bevegede stilling.

9. Ventil ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at den indre tetningsleppes (70a) runde tetningsflate er i fluidumtett kontakt med den andre sylindriske flate med størst diameter i ventilspindelens (30) aksialt bevegede stilling.

10. ; Ventil ifølge kray 1, KARAKTERISERT VED at mutterfor- i bindelsen mellom ventilspindelen (30, 30a) og lukkeelementet (28) omfatter en dødgangsforbindelse (34, 36) mellom ventilspindelen og ventillukkeelémentet, for å lette anbringelse av ventilspindelen mot baksetet uten bevegelse av ventillukkeelementet fra sin lukkede stilling.

11. Ventil ifølge krav 10, KARAKTERISERT VED at dødgangs-forbindelsen omfatter en avlang sliss (36) i ventillukkeelémentet (28) i hvilken den nevnte mutter (34) befinner seg.

12. Ventil ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den sammen-satte spindelstøtteenhet (48) omfatter en ring (54) av eutektisk materiale og en støttéhylse (50) som er omgitt av og understøtter ringen, idet støtteh<y>lsen omgir og er festet til spindelen (30) for enhetlig, aksial bevegelse med denne, idet ringen samvirker med ventillokkdelen (18) for å hindre den enhetlige, aksiale bevegelse inntil smelting av ringen (54) har inntruffet.

13. Ventil ifølge kray 12, KARAKTERISERT VED at støttehyl-sen (50) omfatter en utadragende flens (50a) på hvilken ringen (54) er understøttet.

14. Ventil ifølge krav 13, KARAKTERISERT VED at ventil-støtteenheten (48) videre omfatter en holdering (52) som omgir spindelen (30), idet den eutektiske ring (54) er innskutt mellom holderingen (52) og støttehylsen (50).

15. Ventil ifølge krav 14, KARAKTERISERT VED at holderingen (52) omfatter en ringformet, radial flens (52a), og at den eutektiske ring (54) er beliggende mellom holderingflensen og støttehylseflensen.

16. Ventil ifølge krav 15, KARAKTERISERT VED at støttehyl-sen (50) og holderingen (52) i det vesentlige omslutter den eutektiske ring (54).

17. Ventil ifølge krav 12, KARAKTERISERT VED at spindel-støtteenheten (48) videre omfatter et første lager (46) som omgir spindelen (30) over den eutektiske ring (54), for å hindre aksial bevegelse av spindelen, og et andre lager (44) som omgir spindelen (30) under den eutektiske ring (54) og understøtter den eutektiske ring.

18. Ventil ifølge krav 12, KARAKTERISERT VED at stempel-støtteenheten (48) videre omfatter en fjæranordning (86) som omgir spindelen (30) og presser støttehylsen (50), den eutektiske ring (54) og spindelen (30) aksialt i retning bort fra kammeret (16).