SE518527C2 - Lagringstappstätning för användning av en borrkrona med roterande kon, borrkrona med roterande kon försedd med sådan tätning samt förfarande för formande av en lagringstappstätning för användning i en borrkrona med roterande kon - Google Patents

Description

25 30 35 518 527 2 maximera driftstiden eller livslängden för en borrkrona i en bergsformation. Förlängning av borrningstiden mini- merar den tid som går förlorad i samband med en upp-ner- tripp för borrsträngen i och för utbyte av kronorna eller skären. Utbyte av en borrkrona kan krävas pà grund av ett antal skäl, kontakt med bergsformationen blir utsliten eller uppvisar något brott.

En orsak till fel hos borrkronor är allvarlig för- inkluderande att den konstruktion som är i slitning hos lager, varpå skärkonerna är monterade. Dessa lager kan vara av friktions- eller rulltyp och kan utsät- tas för höga tryckbelastningar under borrning, höga hyd- rostatiska tryck i hålet som borras och höga temperaturer på grund av borrningen, ävensom förhöjda temperaturer i den formation vari borrning sker. Lagren smörjs med fett som är anpassat till dylika svåra förhållanden. Fettet kvarhàlls i borrkronan, i och för smörjning av lagren, medelst en tätning. Tätningen är typiskt i form av en ring och inkluderar en dynamisk tätningsyta, som är placerad i roterande kontakt med en axel- eller lager- tappsyta, och en statisk tätningsyta, som är placerad i kontakt med en stationär konyta. Tätningen måste klara av ett område av olika temperatur- och tryckförhàllanden vid de dynamiska och statiska tätningsytorna under borr- kronans drift för att förhindra fettet att försvinna ut och/eller förhindra föroreningar att tränga in och där- igenom säkerställa att lagringarna förblir tillräckligt smorda.

Kända lagertappstätningar är typiskt anordnade i form av en tätning av O-ringstyp tillverkad av exklusiva gummi- eller elastomeriska material. Ehuru lagertappstät- ningar formade av dylika gummi- eller elastomeriska mate- rial uppvisar utmärkta tätningsegenskaper vad gäller elasticitet och anpassningsbarhet till samverkande ytor, uppvisar de dåliga tribiologiska egenskaper, låg förslit- ningsbeständighet, hög friktionskoefficient och låg grad av slitstyrka och stabilitet vid hög temperatur under fx: n L; :v ca q \> -- .4 l3=1O g:'wthïansïl997ïp297196Q.doc 10 15 20 25 30 35 518 527 driftsförhàllanden. Livslängden för borrkronor som är ut- rustade med dylika tätningar bestäms följaktligen av den begränsade förmågan hos det elastomeriska tätningsmate- rialet att motstå de olika temperatur- och tryckförhàl- landena vid varje dynamisk och statisk tätningsyta.

Det amerikanska patentet US 3 788 654 (Mandley) be- skriver en O-ring med multippelhàrdhet, innefattande en tätningskropp formad av nitrilgummi och ett härdat eller förstärkt yttre skinn omgivande kroppen, vilket bildats genom ythärdning av den yttre ytan pá nitrilgummit. Även om patentet lär ut att O-ringtätningen, som är konstru- erad pà detta sätt, uppvisar förbättrad hårdhet och nöt- ningsbeständighet, bringar härdningen av hela den yttre ytan på tätningskroppen tätningen att förlora komprimer- barhet och andra därtill relaterade egenskaper, vilka är betydelsefulla för tätningens funktionsprestanda vid den statiska tätningsytan.

Det amerikanska patentet US 4 557 609 ver en borrkrontätning som har en dynamisk och en statisk (Moren) beskri- tätningsyta utformade av olika material. Den dynamiska tätningsytan är bildad av ett material med relativt làg friktion, innefattande Teflon, som är avsatt pà en inner- diameteryta hos tätningen. Den statiska tätningsytan är formad av samma material, som används för att forma tät- ningskroppen. Teflon-ytorna tjänar till att förbättra tätningens förslitningsbeständighet vid den dynamiska tätningsytan. Användningen av Teflon pä den dynamiska tätningsytan ger emellertid endast en tillfällig förbätt- ring vad gäller förslitningsbeständigheten, eftersom nämnda Teflon till slut nöts bort sä att den relativt sett mindre förslitningsbeständiga tätningskroppen blott- läggs.

Det amerikanska patentet US 5 362 073 beskriver en sammansatt borrkrontätning innefattande en (Upton et al.) dynamisk tätningsyta formad av ett enda slags elasto- meriskt material, och har inre och yttre statiska tät- ningsytor som var och en är formad av olika elastomeriska 2002--07--24 13:110 g: ëïst}~.*=__a:1s'\1997Xp29719GO .doc 10 15 20 25 30 35 518 527 material. De elastomeriska material som används för att forma den statiska tätningsytan är mindre förslitnings- beständiga än de elastomeriska material som formar den dynamiska tätningsytan. Materialen som formar de dy- namiska och statiska tätningsytorna är förbundna med varandra genom tvärbindning till bildande av tätnings- kroppen. Ãven om tätningen ger en viss förbättrad för- slitningsbeständighet vid den dynamiska tätningsytan, är den alltjämnt begränsad till vad en elastomer kan erbjuda vad avser förslitningsbeständighet eller -motståndskraft, varför den dynamiska ytans geometri alltjämnt kommer att vara stället för felfunktion hos tätningen.

Det är därför önskvärt att en lagertappstätning skall vara konstruerad på ett sätt som uppvisar tät- ningsegenskaper som är lika som eller bättre än de hos tätningar som är utformade uteslutande av elastomeriska material. Det är också önskvärt att tätningskonstruk- tionen uppvisar förbättrade tribiologiska egenskaper, förbättrad förslitningsbeständighet, minskad friktionsko- efficient och förbättrad slitstyrka och stabilitet vid hög temperatur vid jämförelse med de konventionella lagertappstätningar som är utformade uteslutande av elstomeriska material.

Sammanfattning av uppfinningen I enlighet med föreliggande uppfinning àstadkommes sålunda lagertappstätningar med höga prestanda, varvid åtminstone en del av tätningen eller hela tätningen är utformad av sammansatta material innefattande ett icke- elastomeriskt polymeriskt material och ett elastomeriskt material bundet till det polymeriska mateiralet. Det icke-elastomeriska polymeriska materialet är företrädes- vis i form av fiber vävda till bildande av ett tygstycke eller -ark. Det elastomeriska materialet kan innefatta åtminstone en smörjtillsats. I en föredragen utförings- form är tätningen utformad av ett sammansatt material innefattande ett antal pà varandra anordnade ark av poly- 07v~24 13 5.10 g:ïsthïa1xs\l997\p297'.196ü.doc 10 15 20 25 30 35 518 527 meriskt tyg sammanbundna med det elastomeriska mate- rialet.

I en utföringsform inkluderar tätningen en kropp som är utformad helt och hållet av det sammansatta materi- alet, i vilket fall både statiska och dynamiska tätnings- ytor är formade av samma material. I en annan utförings- form inkluderar tätningen en första kroppsdel formad av det sammansatta materialet och en resterande andra kroppsdel formad av ett icke sammansatt elastomeriskt tätningsmaterial. I en dylik utföringsform är det före- draget att den statiska ytan hos tätningen är formad av det icke sammansatta materialet och att den dynamiska ytan hos tätningen är formad av det sammansatta tätnings- materialet för att därigenom förbättra tätningslivs- längden vid den dynamiska ytan. Det är önskvärt att de elastomeriska material som används för att forma nämnda icke sammansatta och nämnda sammansatta tätningsmaterial är det samma eller kemiskt kompatibla med varandra för att underlätta tvärbindning mellan de statiska och dyna- miska tätningsytorna till åstadkommande av god bindning däremellan.

Borrkrontätningar utformade av det sammansatta mate- rialet enligt föreliggande uppfinning uppvisar förbättrad förslitningsbeständighet, minskad friktionskoefficient och förbättrad stabilitet och slitstyrka vid hög tempera- tur vid jämförelse med icke sammansatta tätningsmaterial, därigenom både förlängande den användbara livstiden både och hos borrkronor hos tätningar, som är utformade därav, som utnyttjar dylika tätningar.

Kort beskrivning av ritningarna Dessa och andra särdrag hos och fördelar med före- liggande uppfinning kommer att inses då densamma förstås bättre under hänvisning till beskrivningen, patentkraven och ritningarna, på vilka: 2ÛG2---O7~24 13:10 g: ÉStÉP-finS1l997Ép29711 960 .C100 10 15 20 25 30 35 518 527 6 Fig. l är en halvschematisk perspektivvy av en borr- krona innehållande en lagertappstätning konstruerad i enlighet med principerna för föreliggande uppfinning; Fig. 2 är en partiell sektionsvy av borrkronan inne- fattande en lagertappstätning konstruerad i enlighet med principerna för föreliggande uppfinning; Fig. 3 är en tvärsektionsvy av en första utförings- form av en lagertappstätning konstruerad i enlighet med principerna för föreliggande uppfinning; Fig. 4 är en tvärsektionsvy av en andra utförings- form av en lagertappstätning konstruerad i enlighet med principerna för föreliggande uppfinning; Fig. 5 är en tvärsektionsvy av en tredje utförings- form av en lagertappstätning konstruerad i enlighet med principerna för föreliggande uppfinning; Fig. 6 är en tvärsektionsvy av en alternativ andra utföringsform av en lagertappstätning konstruerad i en- lighet med principerna för föreliggande uppfinning; och Fig. 7 är en tvärsektionsvy av en alternativ tredje utföringsform av en lagertappstätning konstruerad i en- lighet med principerna för föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning En borrkrona som använder en lagertappstätning konstruerad i enlighet med principerna för föreliggande uppfinning innefattar en stomme 10 som har tre skärkoner ll monterade pà sin undre ände, såsom visas i fig. 1. En gängad tapp 12 är anordnad vid stommens övre ände för fästande av borrkronan på en borrsträng för borrande av oljekällor eller liknande. Ett flertal volframkarbidin- satser 13 är inpressade i hàl i skärkonernas ytor för an- liggning mot den bergformation vari borras. Munstycken 15 i borrkronsstommen inför borrvätska i utrymmet runtom skärkonerna för kylning och avlägsnande av spàn som borras bort fràn formationen av kronan.

Lagertappstätningar konstruerade i enlighet med principerna för föreliggande uppfinning kan utformas: 2602-0? 24 13:10 g;Xstfn\ans2lL997\p2971960soc 10 15 20 25 30 35 518 527 (1) i form av en O-ring som har en cirkulär inner- och ytterdiameter och har cirkulär tvärsektion; (2) med en tvärsektionsgeometri med högt radialförhàllande (dvs tvärsektionens radiella bredd är större än en axiell bredd); eller (3) med vilken som helst annan typ av symmetrisk eller asymmetrisk tvärsektionsgeometri. Ett nyckelsärdrag hos lagertappstätningar enligt föreliggande uppfinning är att de är konstruerade av ett sammansatt material eller kompositmaterial innefattande både icke- elastomeriska polymeriska material och elastomeriska material.

Fig. 2 är en fragmentarisk längdsektion av borr- kronan, sträckande sig radiellt från borrkronans rota- (14) erna är monterade. Varje ben inkluderar en lagrings- inát- tionsaxel genom ett av de tre ben, pà vilka skärkon- eller axeltapp sträckande sig nedåt och radiellt, riktat pä borrkronans stomme. Lagringstappen inkluderar en cylindrisk lageryta som har en hàrdmetallinsats 17 pà en undre del av lagringstappen. Hårdmetallinsatsen är typiskt en kobolt- eller järnbaserad legering svetsad pá plats i ett spàr på lagringstappen och med en väsentligt större hårdhet än stålet som bildar lagringstappen och borrkronans stomme.

Ett öppet spår 18 är anordnat på den övre delen av lagringstappen. Ett dylikt spàr kan t.ex. sträcka sig längs omkring 60 procent eller så av lagringstappens om- krets, och hàrdmetallinsatsen 17 kan sträcka sig runt de resterande 40 procenten eller sà. Lagringstappen har även en cylindrisk näsa 19 vid sin undre ände.

Varje skärkon är i form av en ihàlig, allmänt konisk stàlkropp som har sintrade volframkarbidinsatser 13 in- pressade i hål vid den yttre ytan. För lång livslängd kan insatserna på spetsarna ha ett skikt av polykristallin diamant. Dylika volframkarbidinsatser åstadkommer borr- verkan genom ingrepp med en underjordisk bergformation dà borrkronan roteras. En del typer av borrkronor har stål- tänder med härd yta utfrästa på konens utsida i stället 2002~ 07-»24 13 :'10 g: Estšfflflansäl997\p297l96(> . doc 10 15 20 25 30 35 518 527 8 för karbidinsatser. Kaviteten i konen innehåller en cylindrisk lagringsyta inkluderande en aluminiumbrons- insats 21 avsatt i ett spàr i konstàlet eller som en flytande insats i ett spàr i konen. Aluminiumbronsin- satsen 21 i konen är i ingrepp med hàrdmetallinsatsen 17 pà benet och ger huvudlagerytan för konen pà kronans stomme. En näsknapp 22 finns mellan änden pà kaviteten i konen och näsan 19 och tar upp de huvudsakliga kontryck- belastningarna på lagringstappen. En hylsa 23 omger näsan och åstadkommer ytterligare lagringsyta mellan konen och lagringstappen. Andra typer av koner, speciellt för till- ämpningar med högre rotationshastighet, har rullager i stället för de glidlager som illustreras häri. Det torde inses att en lagringstapptätning konstruerad i enlighet med principerna för föreliggande uppfinning kan användas med borrkronor innefattande antingen rullager eller konventionella glidlager.

Ett flertal lagerkulor 24 är inpassade i motsvarande kulbanor i konen och pà lagringstappen. Dessa kulor är införda genom en kulpassage 26, vilken sträcker sig genom lagringstappen mellan kulbanorna och det yttre av borr- kronan. En kon inpassas först pá lagringstappen, varpå lagerkulorna 24 införs genom kulpassagen. Kulorna tar upp varje trycklast som tenderar att avlägsna konen från lag- ringstappen och kvarhàller därigenom konen pà lagrings- tappen. Kulorna kvarhàlls i lagerbanorna av en kulhàllare 27 som är införd genom kulpassagen 26 efter det att kulorna är pà plats. En plugg 28 fastsvetsas därefter i änden av kulpassagen för att hàlla kulhàllaren pà plats.

Lagerytorna mellan lagringstappen och konen är smorda medelst ett fett. evakuerat, och fett införs genom en pàfyllningspassage Det inre av borrkronan är företrädesvis (icke visad). Fettet fyller sålunda områdena invid lager- och luft är i allt väsentligt exkluderad fràn det inre av borr- ytorna plus olika passager och en fettreservoar, kronan. Fettreservoaren innefattar en kavitet 29 i borr- kronans stomme, vilken är ansluten till kulpassagen 26 2002-07-24 13 110 g:*3sthEansäJ.99T/\p29711960,doc 10 15 20 25 30 35 518 527 9 genom en smörjmedelspassage 31. Fett fyller också delen av kulpassagen invid kulhållaren, det öppna spåret 18 på den övre sidan av lagringstappen och en däremellan sig diagonalt sträckande passage 32. Fett kvarhålls i lager- konstruktionen av en elastisk tätning i form av en lag- ringstappstätning 50 mellan konen och lagertappen. I en alternativ utföringsform är lagringstappstätningen anord- nad i ett lätt rampformat eller V-format spår.

En tryckkompenserande underenhet är inkluderad i fettreservoaren 29. Denna underenhet innefattar en me- tallkopp 34 med en öppning 36 vid dess inre ände. En flexibel gummibälg 37 sträcker sig in i koppen från dess yttre ände. Bälgen hålls på plats av en kåpa 38 med en ventilationspassage 39. Den tryckkompenserande underen- heten hålls på lats i Då borrkronan är fylld med fett, fettreservoaren av en snäppring 41. är lagren, spåret 18 på lagringstappen, passager i lagringstappen, smörj- medelspassagen 31 och fettreservoaren pà bälgens 37 ut- sida fyllda med fett. grund av uppvärmning, Om fettvolymen expanderar t.ex. på sammanpressas bälgen 37 för att ge ytterligare volym i det slutna fettsystemet, varigenom uppbyggnad av överdrivna tryck förhindras. Högt tryck i fettsystemet kan skada lagringstappstätningen 50 och tillåta borrvätska eller liknande att komma in i lag- ringarna. Dylikt material är nötande och kan snabbt skada lagren. Omvänt gäller att om fettvolymen skulle minska, bälgen kan expandera för att förhindra låga tryck i det slutna fettsystemet, vilket skulle kunna orsaka flöde av nötande och/eller korrosiva ämnen förbi tätningen.

Bälgen har en förtjockning 42 vid sin inre ände, vilken kan anligga mot kåpan 38 vid ena änden av bälgens förskjutning för tillslutning av ventilationspassagen 39.

Bälgens ände kan också anligga mot koppen 34 vid den andra änden av dess slaglängd, därigenom tillslutande öppningen 36. Om så önskas kan en tryckavlastande back- ventil också vara anordnad i fettreservoaren för avlas- tande av övertryck i fettsystemet som skulle kunna skada 2OG2 »07-24 .13 : 10 g: ïstlfzïazzsëvlšâT-.pââïfl960 .doc 10 15 20 25 30 35 518 527 10 O-ringtätningen. Ãven med en tryckkompensator kan det antagas att tillfälliga skillnadstryck kan existera över lagringstappstätningen av upp till 150 psi (550 kilo- pascal).

För bibehållande av de önskade egenskaperna hos lag- ringstappstätningen vid de tryck- och temperaturförhål- landen, som råder i en borrkrona, för förhindrande av "pumpning" av fett genom tätningen och för lång användbar livstid, är motstàndskraftig mot ràbensin och andra kemiska kompo- är det betydelsefullt att lagringstappstätningen sitioner som finns i oljekällor, har hög värme- och nöt- ningsbeständighet, har låg gnidningsfriktion och icke lätt deformeras under tryck- och temperaturförhållandena i en källa, vilket skulle kunna tillåta läckage av fett ut från kronan eller av borrslam in i kronan.

Lagringstappstätningar som konventionellt utnyttjas i borrkronor är utformade i form av en O-ring och är bil- dade av icke-sammansatta material innefattande elasto- meriska material eller gummimaterial, såsom akrylnitril- polymerer eller akrylnitril/butadiensampolymerer. Andra komponenter som ibland används i polymererna inkluderar aktivatorer eller acceleratorer för härdningen, såsom stearinsyra, och medel som förbättrar värmebeständigheten hos polymeren, såsom zinkoxid och härdmedel.

Syntetiska gummin som används för att forma dylika tätningar uppvisar typiskt dålig värmebeständighet och är kända för att bli spröda då de utsätts för förhöjda dvs de uppvisar dålig högtemperaturslitstyrka och -stabilitet. driftstemperaturer efter utsträckta tidsperioder, Dylika föreningar är också kända för att ha oönskat låg draghållfasthet och hög friktionskoefficient och är icke väl lämpade för användning vid formande av lagringstapps- tätningar pà grund av de höga driftstemperaturer och den aggressiva förslitning som man vet föreligger i borr- kronor. Dessutom gäller att lagringstappstätningar som utformats uteslutande av elastomeriska eller gummimaterial också har befunnits ha dåliga tribiologiska 2002 -- 97-24 13:10 g:ïsthïazisfl997\p297l96O .doo 10 15 20 25 30 35 518 527 ll egenskaper, vilket ytterligare bidrager till accelererad tätningsförsämring under användning.

Lagringstappstätningar konstruerade i enlighet med principerna för föreliggande uppfinning är formade av ett sammansatt material innefattande icke-elastomeriska poly- meriska material och elastomeriska eller gummimaterial.

Tätningar utformade av dylikt sammansatt material er- bjuder nyckelfördelar vid jämförelse med tätningar ut- formade av icke sammansatta material, såsom tätningar ut- formade uteslutande av elastomeriska material, tack vare den höga graden av slitstyrka och stabilitet vid hög temperatur, förslitningsbeständighet och minskad frik- tionskoefficient som ges av det sammansatta materialet.

Det torde inses att det polymeriska materialet är icke-elastomeriskt eller "elastomerfritt" och att termer- na polymeriskt material och icke-elastomeriskt polyme- riskt material kan användas utbytbart med varandra för att avse samma sak. Icke-elastomeriska polymeriska ma- terial som är användbara för bildande av den sammansatta lagringstapptätningen är företrädesvis i form av fibrer och inkluderar de valda från gruppen bestående av poly- esterfibrer, bomullsfiber, aromatiska polyaminer (ara- mider), såsom de som är tillgängliga inom Kevlar-famil- jen, polybensimidasol (PBI)-fibrer, poly-m-fenylenisofta- limidfibrer, såsom de tillgängliga inom Nomex-familjen, och blandningar därav. Fibrerna kan antingen användas i deras fristående tillstànd eller kombineras till strängar eller trådar eller vävas till tyg och användas i det resulterande tillståndet. Föredragna icke-elastomeriska polymeriska material inkluderar de som har en mjuknings- punkt högre än omkring 350°F och en draghàllfasthet som är större än omkring 10 Kpsi. Andra polymeriska material som är lämpade för användning vid formande av sammansatta tätningar inkluderar de som uppvisar egenskaperna stabi- litet och slitstyrka vid högtemperatur, förslitningsbe- ständighet samt har en friktionskoefficient likartad med den hos det polymeriska material som specifikt omnämnts 2902 -07 24 .13:lí} g:ïSth\ansïl997\p297J.960,dOC 10 15 20 25 30 35 518 527 12 ovan. Om så önskas kan glasfibrer användas för att förstärka den polymeriska fibern, därvid utgörande kärnan av den polymeriska fibern.

Ett exemplifierande icke-elastomeriskt polymeriskt material är ett polyesterbomullstyg som har en densitet av aproximativt 270 gram per kvadratmeter. Det poly- meriska materialet tillhandahålls i form av ett tygark som har önskad mesh-storlek.

Lämpliga elastomeriska material som är användbara för formande av tätningskonstruktionen inkluderar de som är valda från gruppen av fluorelastomerer, inkluderande de som finns tillgängliga under handelsnamnet Advanta, som tillverkas av DuPont, karboxilerade elastomerer såsom karboxilerade nitriler, höggradigt mättade nitril(HSN)- (HBR) , höggradigt mättat (HNBR) och liknande. Lämpliga elasto- elastomerer, nitrilbutagengummi nitrilbutadiengummi meriska material har en elasticitetsmodul vid 100 pro- cents töjning av från omkring 500 till 2000 psi (3 till 12 megapascal), en minimidraghàllfasthet av från omkring 100 till 7000 psi (6 till 42 megapascal), töjning av från 100 till 500 procent, "die C"-rivhållfasthet av åtmins- tone l0O lb/in (1,8 kilogram/millimeter), durometerhàrd- het Shore A i området från omkring 60 till 95 och en komprimeringsdeformation efter 70 timmar vid 100°C av mindre än omkring 18 procent, och företrädesvis mindre än omkring 16 procent. Ett föredraget elastomeriskt material är en egen HSN som tillverkas av Smith International Inc., under produktnamnet HSN-8A.

Kompositmaterial som används för att forma tätnings- konstruktioner enligt föreliggande uppfinning innefattar företrädesvis i området av från 10 till 90 volymprocent polymeriskt material. En tätning formad av ett sammansatt material innefattande mindre än omkring 10 volymprocent av polymeriskt material kommer icke att ge en önskad grad av hållbarhet och stabilitet vid hög temperatur och för- slitningsbeständighet. En tätning formad av ett samman- satt material innefattande mer än omkring 90 volymprocent 2002-» 07» 24 131110 g: ïsth'=-.azis^=.1997\p2971960 .doo lO 15 20 25 30 35 518 527 13 av polymeriskt material kommer att vara alltför styv och sakna önskad grad av elasticitet för att verka som ett bra tätningsmaterial. Ett sammansatt material innefattan- de mindre än omkring 30 volymprocent av det elastomeriska materialet kommer att ge en tätning som har minskad grad av elasticitet och dàlig kompressibilitet. Ett sammansatt material innefattande mer än omkring 90 volymprocent av det elastomeriska materialet kommer att ge en tätning som har en otillräcklig mängd polymeriskt material för att ge en önskad grad av stabilitet och hållbarhet vid hög tem- peratur samt förslitningsbeständighet_ En särskilt före- dragen tätning är utformad av ett sammansatt material innefattande approximativt 50 volymprocent polymeriskt material.

Tätningskonstruktionen inkluderar företrädesvis en eller flera smörjtillsatser, likformigt fördelade inom det elastomeriska materialet, för att ytterligare minska förslitning och friktion längs tätningens yta. Lämpliga smörjtillsatser inkluderar de som är valda fràn gruppen bestående av polytetrafluoreten (PTFE), nitrid (hBN), grafit i flingform, molybdendisulfid (MOSQ hexagonal boron- och andra kända fluorpolymeriska, torra eller polymeriska smörjmedel och blandningar därav. Smörjtillsatsen används för att ge en ökad grad av làg friktion och förslitnings- beständighet till den elastomeriska komponenten i det sammansatta materialet som placeras i kontakt med en roterande yta. En föredragen smörjtillsats är hBN som tillverkas av Advanced Ceramics, identifierad som Grade HCP, vilken har en genomsnittlig partikelstorlek i om- rådet av fràn omkring fem till tio mikrometer. hBN är en föredragen smörjtillsats eftersom den ger en överlägsen grad av smörjning dà den placeras i kontakt med stàl utan att ge skadliga, t.ex. nötande, sidoeffekter pà lagrings- tappen eller konen.

Lagringstappstätningar konstruerade i enlighet med principerna för föreliggande uppfinning innefattar före- trädesvis i omràdet av från omkring 5 till 20 volympro- 2OÛ2~Q7~24 13:10 g: \$3th\_8.1153\1997\p297l.96{}.dOC 10 15 20 25 30 35 518 527 14 cent smörjtillsats. En tätningskonstruktion innefattande mindre än omkring 5 volymprocent av smörjtillsats skulle innehålla mindre av smörjtillsats än vad som var nödvän- digt för att ge en önskad minskning i ytfriktion och för- slitningsbeständighet hos de elastomeriska komponenten.

En tätningskonstruktion innefattande mer än 20 volympro- cent av smörjtillsats är icke önskvärd, eftersom den skulle interferera med eller ogynnsamt påverka önskade mekaniska egenskaper hos elastomermaterialet. En särskilt föredragen tätningskonstruktion innefattar approximativt 10 volymprocent smörjtillsats.

I enlighet med principerna för föreliggande uppfin- ning konstrueras sammansatta lagringstappstätningar genom upplösning av en önskad mängd av det valda, ohärdade (vätskeformiga) elastomeriska materialet i ett lämpligt lösningsmedel. Lösningsmedel som är användbara för upp- lösning av det elastomeriska materialet inkluderar de or- ganiska lösningsmedel som konventionellt används för att upplösa gummi- eller elastomeriska material.

En önskad mängd av smörjtillsats sätts till elasto- merblandningen. Det önskade icke-elastomeriska poly- meriska materialet tillförs därefter till det upplösta elastomeriska materialet, så att det är fullständigt ned- sänkt i och mättat med det elastomeriska materialet. I en exemplifierande utföringsform är det polymeriska materi- alet i form av ett tygark, som placeras i kontakt med det elastomeriska materialet, så att arket blir fullständigt impregnerat med det elastomeriska materialet. Det poly- meriska tygarket impregneras företrädesvis med det elas- tomeriska materialet medelst en kalanderingsprocess, var- vid tygarket matas mellan två motsatt varandra placerade, roterande metallrullar som förs samman för att pressa pà tyget. Rullarna är konfigurerade för att innehålla en mängd av den elastomeriska blandningen, vilken tvingas in i tygbanan under tryck. Metallrullarna är också uppvärmda för att uppmjuka det elastomeriska materialet och där- igenom förbättra dess penetrering in i tyget. 2002 -~U7~- 24 13:10 g: “x$th\älls\lšâ7\p2ä7fll960 .G00 10 15 20 25 30 35 518 527 15 Det totala antal polymeriska tygark som används och som är impregnerade eller mättade med det elastomeriska materialet är beroende av den önskade uppbyggnadstjock- leken för tätningens del av sammansatt material. Om ett långt tygark impregneras, delas arket och staplas delarna på varandra för att bygga upp en önskad tätningstjocklek.

Alternativt kan ett antal kortare ark impregneras, vilka därefter staplas pà varandra. Det exakta antal ark som staplas till bildande av önskad tätningstjocklek är be- roende av sådana faktorer som typ av och tjocklek hos det särskilda polymeriska tyg som används, liksom den sär- skilda tätningskonstruktionen. Exempelvis kan i en ut- föringsform tätningen vara konstruerad uteslutande av det sammansatta tätningsmaterialet, i vilket fall den önskade tjockleken pá det sammansatta materialet för tätningen skulle vara approximativt den radiella tjockleken hos tätningen i sig. I en annan utföringsform kan emellertid tätningen vara konstruerad så att den har endast en del utformad av det sammansatta materialet, i vilket fall den önskade tjockleken hos det sammansatta materialet för tätningen skulle vara approximativt lika med den radiella tjockleken av den utpekade sammansatta delen.

I fallet då tätningen är utformad helt och hållet av det sammansatta materialet staplas de impregnerarde tyg- arken till en önskad radialtjocklek hos tätningen samt lindas till en cylinder som har en inre diameter och en yttre diameter grovt räknat överensstämmande med vad som gäller för den slutliga tätningsringen. De axiella än- darna av arken skärs sä att tätningsringen har en axiell tjocklek grovt lika med den hos den slutliga tätnings- ringen. De skurna ändarna sys samman till bildande av en sluten slinga. De sydda arken, som nu grovt sett har for- men av tätningsringen, placeras i en kompressionsform och formen uppvärms för att samtidigt forma tätningen och härda eller vulkanisera den elastomeriska blandningen.

Tvärbindning av det elastomeriska materialet under härd- ningen formar en tätningskonstruktion uppbyggd av poly- v L) C) N L.) 4 w ß H U w L.) E M S W 3 :1SÉ>1997Ép297'l960.dOC 10 15 20 25 30 35 518 527 16 meriskt tyg som är starkt inneslutet i och bundet till det elastomeriska mediumet.

I fallet då endast en del av tätningen, t.ex. en dynamisk tätningsyta längs tätningens inre diameter, formas av det sammansatta materialet, staplas de poly- meriska arken och lindas till àstadkommande av den ap- proximativa radiella tjockleken hos den önskade dynamiska tätningsytan. De axiella ändarna pà de staplade arken skärs till den approximativa axiella tjockleken hos tät- ningsringen, och de skurna ändarna sys till bildande av en sluten slinga. De sydda arken, som nu grovt sett har formen av den dynamiska tätningsytan, placeras i en del av formen som formar den dynamiska tätningsytan, dvs kring en inre diameter i formen. Ohärdat elastomeriskt material inmatas i den återstående delen av formen, t.ex. mellan de staplade arken och formens yttre diameter, och formen upphettas och trycksätts för att samtidigt forma tätningen och härda eller vulkanisera sàväl den elasto- meriska blandningen som impregnerar tyget och det till- förda elastomeriska materialet. Under härdningsprocessen undergár den elastomeriska blandningen i det polymeriska tyget tvärbindningsreaktioner med sig själv för att "snärja" det polymeriska tyget inne i det elastomeriska mediet, och det tillfogade elastomeriska materialet undergár tvärbindningsreaktioner med sig själv.

Det är önskvärt att det elastomeriska materialet som tillförs för bildande av den icke sammansatta delen av tätningskonstruktionen är detsamma som eller är kemiskt kompatibelt med, den elastomeriska blandning som används för att impregnera det polymeriska tyget, så att under härdningsprocessen den elastomeriska blandningen och det elatomeriska materialet undergár tvärbindningsreaktioner med varandra till bildande av en tätning innefattande sà- väl sammansatt som icke sammansatt material, vilka mate- rial är homogent bundna till varandra.

Den färdigställda lagringstappstätningen placeras pà plats i borrkronan med den statiska tätningsytan placerad 2002 '13- : 11.0 g: \_sthïansï11897ïp2971 960 .cioc 10 15 20 25 30 35 518 527 17 i kontakt med en intilliggande konyta och med den dyna- miska tätningsytan placerad invid en lagringsyta pä lag- ringstappen.

Med hänvisning till fig. 3 är en första utförings- form av en lagringstappstätning 50, som är konstruerad i enlighet med principerna för föreliggande uppfinning, ut- formad uteslutande av det sammansatta tätningsmaterialet 52 som innefattar polymeriskt tyg impregnerat med det elastomeriska materialet och har smörjtillsatsen likfor- migt fördelad i det elastomeriska materialet. Även om tätningen som illustreras i fig. 3 är konfigurerad i form av en O-ring, som har en symmetrisk tvärsektion innefat- tande en cylindrisk dynamisk tätningsyta kring en inre diameter och en cylindrisk statisk yta kring en yttre diameter, torde det inses att tätningar konstruerade i enlighet med principerna för föreliggande uppfinning och utformade uteslutande av det sammansatta materialet kan konfigureras på annat sätt än vad som illustreras, t.ex. med ett högt kvotförhàllande, dvs med en axiell tjocklek som är mindre än dess radiella tjocklek, eller med andra symmetriska eller asymmetriska tvärsektionsgeometrier.

Med hänvisning till fig. 4 är en tätning 54 enligt en andra utföringsform utformad med en del av tätnings- kroppen 56, som innefattar en statisk tätningsyta 58 längs en yttre diameter hos tätningskroppen, utformad av ett elastomeriskt material 60, och med en annan del av tätningskroppen 56, innefattande en dynamisk tätningsyta 62 längs en inre diameter hos tätningskroppen, utformad av det sammansatta tätningsmaterialet 64 enligt förelig- gande uppfinning. En fördel med tätningen enligt den andra utföringsformen, vilken är utformad av såväl sam- mansatt som icke-sammansatt material, är att varje tät- ningsyta kan skräddarsys för att ge egenskaper vad gäller förslitningsbeständighet, elasticitet, friktionsmotstànd, hållbarhet och stabilitet vid hög temperatur, vilka är bäst lämpade att möta driftförhàllandena vid de olika samverkande ställena på borrkronan. Exempelvis gäller att 2362 -- 07 -24 13:10 g: *=\.<;tšx'\az1s“=\1997ëp297l960 .doo 10 15 20 25 30 35 518 527 18 användande av det sammansatta materialet för bildande av den dynamiska tätningsytan ger egenskaper i form av för- bättrad förslitningsbeständighet, och hållbarhet och stabilitet vid hög temperatur där det friktionsbeständighet krävs som mest, dvs vid den roterande ytan hos lagringen, och användande av det icke sammansatta elastomeriska materialet för bildande av den statiska tätningsytan ger önskad grad av deformation och friktion som krävs för att aktivera tätningen och förhindra den statiska tätnings- ytan att röra sig mot en angränsande konyta. Även om tätningen enligt den andra utföringsformen illustreras med en dynamisk tätningsyta utformad av det sammansatta materialet, torde det inses att det samman- satta materialet kan användas för att forma en godtycklig del av tätningen, där förbättrade egenskaper vad avser förslitningsbeständighet, motståndskraft mot friktion och liknande önskas. Det torde dessutom inses att även om tätningen enligt den andra utföringsformen är illustrerad med en konfiguration i form av en O-ring, andra symmet- riska eller asymmetriska tvärsektionsgeometrier för tät- ningen förutses ligga inom ramen för uppfinningen.

Med hänvisning till fig. 5 har en tätning 66 enligt en tredje utföringsform en tätningskropp 68 innefattande en statisk tätningsyta 70 formad av ett elastomeriskt material 72, en dynamisk tätningsyta 74 formad av det sammansatta materialet 76, samt med en asymmetrisk tvär- sektionsgeometri. Närmare bestämt innefattar tätningen enligt den tredje utföringsformen en dynamisk tätningsyta 74, som har större krökningsradie än den hos den statiska tätningsytan 70 i syfte att optimera tätningens funktion vid respektive intilliggande roterande och stationära yta. Detta är endast ett exempel på en tätning som är konstruerad med asymmetrisk tvärsektionstätningsgeometri och som är konstruerad av både det sammansatta materialet och ett icke sammansatt material. Sàsom diskuterats ovan är det önskvärt att det elastomeriska materialet som an- vänds för bildande av den statiska tätningsytan skall 2002-07-24 13:10 g:ïfišthlaïlsälfiåïïïp2â7l960A100 10 15 20 25 30 35 518 527 19 vara detsamma som eller vara kompatibelt med det elasto- meriska material som valts för bildande av det samman- satta materialet.

Med hänvisning till fig. 6 har en alternativ andra utföringsform 78 av tätningen en tätningskropp 80 inne- fattande en statisk tätningsyta 82 formad av ett elasto- meriskt material 84 och en dynamisk tätningsyta 86 formad av det sammansatta materialet 88 enligt föreliggande upp- finning, varjämte kroppen har en symmetrisk tvärsektions- geometri. Till skillnad fràn den andra utföringsform av tätningen som illustreras i fig. 4 innefattar tätningen enligt den alternativa andra utföringsformen en dynamisk tätningsyta 86 som är endast partiellt formad av det sam- mansatta materialet 88. En dylik alternativ utföringsform kan vara användbar i särskilda tillämpningar då man öns- kar förbättrad förslitningsbeständighet och hållbarhet och stabilitet vid hög temperatur samt en minskad frik- tionskoefficient endast längs en del av den dynamiska tätningsytan.

Med hänvisning till fig. 7 har en tätning 90 enligt en alternativ tredje utföringsform en tätningskropp 92 innefattande en statisk tätningsyta 94 formad av ett elastomeriskt material 96 och en dynamisk tätningsyta 98 formad av det sammansatta materialet 100 enligt förelig- gande uppfinning, varjämte kroppen har asymmetrisk tvär- sektionsgeometri. Till skillnad från den tredje ut- föringsform av en tätning som illustreras i fig. 5 har tätningen enligt den alternativa tredje utföringsformen en dynamisk tätningsyta 98 som är endast partiellt formad av det sammansatta materialet 100. Såsom tidigare disku- terats i samband med tätningen enligt den alternativa andra utföringsformen kan en tätning enligt en dylik alternativ tredje utföringsform vara användbar i sär- skilda tillämpningar där man önskar förbättrad förslit- ningsbeständighet och hållbarhet och stabilitet vid hög temperatur samt en minskad friktionskoefficient endast längs en del av den dynamiska tätningsytan. 2002 -- O7~ 24 LB : 10 g: \Sth\a:1.=3ïl997>“=,_p2971l960 . GOC 10 15 518 527 20 Ãven om begränsade utföringsformer av höga prestanda uppvisande lagringstappstätningar för borrkronor har be- skrivits och illustrerats häri, inser fackmannen att mànga modifikationer och variationer är möjliga. Även om lagringstappstätningen har beskrivits och illustrerats för användning i samband med bergborrkronor, torde det t.ex. inses att tätningar konstruerade i enlighet med principerna för föreliggande uppfinningar också kan användas tillsammans med andra kronor eller skär, såsom andra borrkronor, gruvbrytningskronor eller liknande. Det inses följaktligen att högprestandatätningar i enlighet med principerna för föreliggande uppfinning, inom ramen för efterföljande patentkrav, kan gestaltas pà annat sätt än vad som specifikt beskrivits häri. 2002 ---07~24 .13110 g: \.°šth\ašlsä=,lää7ïp297l960 .dOC

Claims (18)

10 15 20 25 30 518 527 .Zl PATENTKRAV (50, 54, 66, 78, 90) för an- innefattande en

1. Lagringstappstätning vändning i borrkrona med roterande kon, tätningskropp, varvid åtminstone en del av tätnings- kroppen är utformad av ett sammansatt material (52, 64, 74, 88), satta materialet innefattar ett elastomeriskt material k ä n n e t e c k n a d a v att det samman- och ett icke-elastomeriskt polymeriskt tygmaterial sam- manbundet med det elastomeriska materialet, varvid det sammansatta materialet med nämnda tygmaterial är placerat vid en dynamisk tätningsyta (62, 76, 86) så att en slit- yta med förbättrad slitbeständighet erhålls.

2. Tätning enligt krav l, varvid tätningskroppen (56, 68, 80, 92) dynamiska tätningsytan har en statisk tätningsyta (58, 70, 82, 94).

3. Tätning enligt krav 2, varvid tätningskroppen har är i huvudsak ringformig och utöver den den dynamiska tätningsytan längs en inre tätningskropps- del och den statiska tätningsytan längs en yttre tät- ningskroppsdel.

4. Tätning enligt något av föregående krav, varvid det polymeriska tygmaterialet är valt från gruppen av po- lymeriska fibermaterial bestående av aromatiska polyami- ner, polybensimidasoler, poly-m-fenylenisoftalamid, poly- ester, bomull och kombinationer därav.

5. Tätning enligt något av föregående krav, varvid det sammansatta materialet innefattar upprepade skikt av tyget av polymeriskt material.

6. Tätning enligt något av föregående krav, varvid det sammansatta materialet innefattar i området av från omkring 10 till 90 volymprocent elastomeriskt material och i området av från omkring 10 till 90 volymprocent av det polymeriska tygmaterialet. 10 15 20 25 30 35 518 527 22

7. Tätning enligt nàgot av föregående krav, varvid det elastomeriska materialet inkluderar en eller flera smörjtillsatser fördelat däri.

8. Tätning enligt krav 7, varvid smörjtillsatsen är vald fràn gruppen bestående polymeriska material, grafit, hexagonal boronnitrid, molybdendisulfid och blandningar därav.

9. Tätning enligt krav 7 eller 8, varvid det elasto- meriska materialet innefattar i området av från omkring 5 till 20 volymprocent smörjtillsats.

10. Tätning enligt nàgot av föregående krav, varvid (60, 72, 84, 96) formad av ett elastomeriskt material, en resterande del av tätningen är ut- som är kemiskt kom- patibelt med det elastomeriska material som används till bildande av det sammansatta materialet.

11. ll. Tätning enligt nàgot av föregående krav, varvid den dynamiska tätningsytan har en krökningsradie som skiljer sig fràn en krökningsradie för den statiska tät- ningsytan.

12. Tätning enligt nàgot av föregående krav, varvid den dynamiska tätningsytan (74) har en krökningsradie som är större än en krökningsradie för den statiska tätnings- ytan (70).

13. Borrkrona med roterande kon för borrning i un- derjordiska formationer, innefattande en borrkronstomme (10) inkluderande àtminstone en lagringstapp (16) sträck- ande sig fràn en bendel hos borrkronan och försedd med en lagringsyta, en skärkon (ll) roterbart monterad pà lag- ringstappen och inkluderande en lagringsyta, en tryck- kompenserad fettreservoar (29) i förbindelse med nämnda lagringsytor, fett i fettreservoaren och invid lagrings- för kvarhàl- lande av fettet i lagringen, k ä n n e t e c k n a d ytorna, samt en lagringstappstätning (50) a v att lagringstätningen är utförd i enlighet med nàgot av föregående krav.

14. Förfarande för formande av en lagringstappstät- ning för användning i en borrkrona med roterande kon, in- 10 15 20 25 s 1 s 527 23 nefattande stegen att kombinera ett icke-elastomeriskt polymeriskt tygmaterial med ett elastomeriskt material till bildande av ett sammansatt material och att gjuta det sammansatta materialet till en önskad form och binda samman det polymeriska tygmaterialet och det elastome- riska materialet genom applicering av tillräckligt med värme och tryck.

15. Förfarande enligt krav 14, ytterligare innefat- tande steget att kombinera ytterligare elastomeriskt ma- terial med det sammansatta materialet till bildande av en tätningskropp innefattande både sammansatt och icke sam- mansatt material.

16. Förfarande enligt krav 15, varvid under nämnda kombineringssteg det elastomeriska material som används för att bilda det icke sammansatta materialet är kemiskt kompatibelt med det elastomeriska materialet ingående i det sammansatta materialet och varvid under nämnda gjut- ningssteg de elastomeriska materialen sammanbinds.

17. Förfarande enligt något av kraven 14-16, varvid under nämnda kombineringssteg upprepade skikt av tyget kombineras med det elastomeriska materialet till bildande av det sammansatta materialet.

18. Förfarande enligt något av kraven 14-17, varvid före nämnda kombineringssteg åtminstone en smörjtillsats sätts till det elastomeriska materialet.