(12) PATENT (19) NO (11) 331339 (13) B1 NORGE (1) Int Cl. E21B 33/03 (06.01) F16J 1/08 (06.01) Patentstyret (21) Søknadsnr 093178 (86) Int.inng.dag og søknadsnr (22) Inng.dag 09.. (8) Videreføringsdag (24) Løpedag 09.. () Prioritet (41) Alm.tilgj 11.04.26 (4) Meddelt 11.11.28 (73) Innehaver Aker Subsea AS, Postboks 94, 132 LYSAKER, Norge (72) Oppfinner André Smith, Jarenveien 9, 3400 LIER, Norge Birger Amrén, Oskars väg 4, SE-43933 ONSALA, Sverige Tanel Telliskivi, Konnerudgt. A - 86, 44 DRAMMEN, Norge (74) Fullmektig Protector Intellectual Property Consultants AS, Oscarsgate, 032 OSLO, Norge (4) Benevnelse Metall-tetning (6) Anførte publikasjoner US 63678 B1, US 63678 B1, US 79366 B2 (7) Sammendrag I samsvar med oppfinnelsen er det tilveiebrakt en metall-tilmetall tetningssammenstilling (1). Sammenstillingen omfatter en indre sirkulær tetningsflate (21a) og en ytre motstående sirkulær tetningsflate (21b) anordnet i et ringrom (211), hvorved nevnte tetningsflater definerer et innsnevret ringromstverrsnitt i forhold til en tilstøtende del av ringrommet. Tetningssammenstillingen omfatter videre en tetningsring (3) med et tverrsnitt som fremviser to ben (a. b). Benene er innrettet til å bli elastisk bøyet og presset mot hverandre når tetningsringen (3) blir presset inn i nevnte innsnevrete tverrsnitt fra nevnte tilstøtende del av ringrommet. Tetningsringen (3) fremviser videre tetningsringstetningsflater (9a, 9b) på en respektiv ytre endedel av hvert av benene (a, b), som er innrettet til å tette mot nevnte indre og ytre sirkulære tetningsflater (21a, 21b). I samsvar med oppfinnelsen omfatter tetningsringen en hovedmetalldel (217) som er av et metall med den samme eller høyere hardhetsgraden som metallet i nevnte motstående indre og ytre sirkulære tetningsflater (21a, 21b). Videre omfatter nevnte tetningsringstetningsflater (9a, 9b) et tetningsringsflatemetall (2a, 2b) som er av et mykere metall enn metallet i den indre og ytre sirkulære tetningsflaten (21a, 21b) og metallet i hovedmetalldelen (217).
-1- Patentbeskrivelse av 2.juli Ref: P3713NO00-KM Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en metall-til-metall tetningssammenstilling for tetting mellom sirkulære elementer til en havbunnsbrønnsammenstilling. Bakgrunn Innen området havbunnsbrønner er kravet til trykkområder til brønnsammenstillingene kontinuerlig økende. Dette fører til korresponderende økende tekniske krav til tetningssammenstillingene som blir anvendt i slike brønner. 1 Metall-til-metall tetninger har blitt brukt i lang tid med forskjellige utforminger. Én av utfordringene ved slike tetninger er at metallet brukt i tetningen kan utsettes for spenning over strekkgrensen til materialet i tetningen. Når et trykk blir fjernet fra tetningen kan det således ha endret sin form, og vil kanskje ikke være i stand til å fungere riktig ved den neste eller en senere eksponering mot høyt trykk. Man ønsker således å benytte et tetningselement hvis form ikke blir permanent forandret etter eksponering mot høyt trykk. Videre, en standard eller en forutsetning er at metallet i tetningselementet, så som en tetningsring, ofte er bløtere enn metallet i den motstående tetningsflaten. Med andre ord bør metallet i den delen som er enkel å erstatte være mykere enn metallet i den andre. Metallet bør også være tilstrekkelig mykt til å gjøre at det beveger seg til kontaktposisjon mot den motstående tetningsflaten for å tilveiebringe en tett tetning. 2 Disse to formålene står således i en viss grad i motsetning til hverandre. Patentsøknad GB 2 217 79 fremviser et V-formet tetningselement med et tverrsnitt som viser to tetningsben. De to benene kan bli presset mot en motstående tetningsflate med to sekundære ben som kan bli presset mellom nevnte tetningsben på en kileaktig måte. Patentpublikasjon US,044,672 beskriver en annen metall-til-metall tetning med et sirkulært tetningselement som har et tverrsnitt med to ben som danner
-2- Patentbeskrivelse av 2.juli Ref: P3713NO00-KM en V-form. Hvert ben fremviser en tetningsflate som blir presset mot motstående tetningsflater til elementer til en havbunnsbrønnsammenstilling. Patentpublikasjon US,174,376 beskriver også en tetningssammenstilling med et metalltetningselement med et U-formet tverrsnitt. Videre viser patentpublikasjon US 7,9,366 enda en utførelsesform av en metall-til-metall tetning. Her blir en H-formet tetningsring (eller alternativt to V- former anordnet mot hverandre) presset mot motstående tetningsflater av et kileelement som blir presset inn i rommet mellom benene til tetningsringen. I tillegg nevner beskrivelsen muligheten for å anordne et lag av et mykere metall på siden av tetningsringen for å tette mot eventuelle skraper eller riper i den motstående tetningsflaten. 1 Patentpublikasjon US 63678 B1 beskriver en metalltetning med et tverrsnitt som fremviser to ben, der det til utsiden av benene er festet et bånd av mykere metall enn hva resten av tetningen består av, for kontakt med en motsåtende tetningsflate. Som kort nevnt ovenfor, med kontinuerlig økende trykkområder må tetningene konstrueres tilsvarende. Både behovet for et mykt metall til tetningselementet, i forhold til den motstående tetningsflaten, samt behovet for et tetningselement hvis form ikke blir permanent endret, må imøtekommes. 2 Oppfinnelsen I samsvar med oppfinnelsen er det tilveiebrakt en metall-til-metall tetningssammenstilling. Sammenstillingen omfatter en indre sirkulær tetningsflate og en ytre motstående sirkulær tetningsflate anordnet i et ringrom, hvorved nevnte tetningsflater definerer et innsnevret ringromstverrsnitt i forhold til en tilstøtende del av ringrommet. Tetningssammenstillingen omfatter videre en tetningsring med et tverrsnitt som fremviser to ben. Benene er innrettet til å bli elastisk bøyet og presset mot hverandre når tetningsringen blir presset inn i nevnte innsnevrete tverrsnitt fra nevnte tilstøtende del av ringrommet. Tetningsringen fremviser videre tetningsringstetningsflater på en respektiv ytre endedel av
-3- Patentbeskrivelse av 2.juli Ref: P3713NO00-KM hvert av benene, som er innrettet til å tette mot nevnte indre og ytre sirkulære tetningsflater. I samsvar med oppfinnelsen omfatter tetningsringen en hovedmetalldel som er av et metall med den samme eller høyere hardhetsgraden som metallet i nevnte motstående indre og ytre sirkulære tetningsflater. Videre omfatter nevnte tetningsringstetningsflater et tetningsringsflatemetall som er av et mykere metall enn metallet i den indre og ytre sirkulære tetningsflaten og metallet i hovedmetalldelen. Tetningsringen omfatter videre en andre del omfattende nevnte tetningsringsflatemetall, hvilken andre del strekker seg kontinuerlig mellom nevnte tetningsringsflater på de respektive benene. Dette er fordelaktig for å bibeholde det mykere tetningsringsflatemetallet på plass under bruk. 1 2 Oppfinnelsen tilveiebringer således en tetningsring som kan benyttes under forhold med høyt trykk uten risiko for permanent endring av dens form. Det mykere tetningsringsflatemetallet gjør det unødvendig å tilveiebringe et innlegg i de sirkulære tetningsflatene til ringrommet som er mykere enn det til hovedmetalldelen til tetningsringen. Kostbar fabrikkering av de store enhetene, så som en produksjonsrørhenger og stinger, mot hvilke tetningssammenstillingen er innrettet til å tette, blir således unngått fordi et spesielt innlegg av et hardt materiale ikke behøver å bli tilveiebrakt. Videre kan den andre delen fordelaktig strekke seg langs hovedmetalldelen i området mellom benene. Det er også foretrukket om tetningsringen kan ha en side som vender mot trykket og den andre delen kan strekke seg langs hovedmetalldelen på siden som vender mot trykket. Trykket vil da bidra til å holde den andre delen på plass på tetningsringen. Dette vil bli ytterligere beskrevet med henvisning til et utførelseseksempel nedenfor. De to benene til hovedmetalldelen kan videre fremvise en del som strekker seg fra deres utgangspunkt, med en tverrsnittstykkelse som avtar kontinuerlig i retning mot deres ender. Dette resulterer i en sterk kraftabsorberende karakteristikk av benene, noe som gjør dem i stand til å motstå høyt trykk uten å bli permanent deformert. I denne delen vil den ikke være noen punkter med store spenningstopper i materialet. Med kontinuerlig avtagende er det ment at den ikke har noen parallelle deler. Som det vil fremgå av den detaljerte
-4- Patentbeskrivelse av 2.juli Ref: P3713NO00-KM beskrivelsen av en eksempelutførelse nedenfor kan den imidlertid omfatte en variasjon av helningen mellom den indre og ytre tverrsnittsflaten til et ben eller til og med et sprang i tykkelse. En fagmann vil forstå at med et slikt tverrsnitt av benene kan tykkelsen til benet bli tilpasset kraftmomentet som kan forventes ved de respektive stedene på benet når tetningsringen er i tetningsstillingen og med en kraft som virker på det på grunn av fluidtrykk. Den nevnte delen med kontinuerlig avtagende tverrsnittstykkelse fra utgangspunktet til benene strekker seg fortrinnsvis fra nevnte utgangspunkt til et punkt hvor benene fremviser metallet til den andre delen på hver side av benet. Dette er illustrert i de medfølgende tegningene som vil bli beskrevet nedenfor. 1 I en tetningsstilling vil ett eller begge benene til hovedmetalldelen fortrinnsvis fremvise en del av benet som er uten kontakt til en flate til nevnte ringrom. Dette er, i det minste delvis, et resultat av en kort entringsdistanse. En kort entringsdistanse for tetningsringen inn i tetningsstillingen reduserer slitasje og risikoen for riper på tetningsflatene. Utførelseseksempel I det følgende vil et foretrukket utførelseseksempel bli beskrevet med henvisning til de medfølgende figurene, i hvilke 2 Fig. 1 er et tverrsnittsriss av en del av en brønnsammenstilling, omfattende en tetningssammenstilling i samsvar med oppfinnelsen; Fig. 2 er et tverrsnittsriss av en kjent tetningssammenstilling; og Fig. 3 er et tverrsnittsriss av en tetningssammenstilling i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 1 viser en havbunns brønnsammenstilling 1. Den har et brønnhode 3 inn i hvilket det er plassert en produksjonsrørhenger. Inn i en boring til produksjonsrørhengeren strekker det seg en stingersammenstilling 7. Stingersammenstillingen 7 strekker seg også inn i en boring til røret (spool) til et ventiltrelegeme 9 ved sin øvre ende. I posisjonene A og B er stingersammenstillingen 7 tettet til nevnte boringer med en tetningssammenstilling i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. En slik tetningssammenstilling er vist i Fig. 3.
-- Patentbeskrivelse av 2.juli Ref: P3713NO00-KM Fig. 2 viser en tetningssammenstilling 1 fra den kjente teknikk. Sammenstillingen har en tetningsring 3 omfattende to ben a og b. Tetningsringen 3 blir holdt på plass med en holdemutter 7 med en utstrekning inn i rommet mellom benene a, b til tetningsringen 3. 1 Tetningsringen 3 er anordnet i en ringromsboring 111 mellom produksjonsrørhengeren og stingersammenstillingen 7. Med orienteringen vist i Fig. 2 blir tetningsringen 3 beveget inn i tetningsstillingen med en nedoverrettet bevegelse. Under denne bevegelsen blir tetningsringen 3 beveget fra en del av ringromsboringen 111 med et større radielt rom, til et innsnevret rom i tetningsstillingen. Under nevnte bevegelse glir benet b forbi en skrå spenningsflate 113. I den viste tetningsstillingen har benene a, b følgelig blitt presset mot hverandre. Dette sikrer en spenning av benene a, b mot de indre og ytre sirkulære tetningsflatene. Ved endedelene til de to benene a, b er det anordnet tetningsringstetningsflater 9a, 9b. I en tetningsstilling, som vist i Fig. 2, støter tetningsringstetningsflatene 9a, 9b mot motstående sirkulære tetningsflater til stingersammenstillingen 7 og produksjonsrørhengeren, henholdsvis. 2 Karakteriserende ved denne tetningssammenstillingen fra kjent teknikk bør en merke seg bevegelsesdistansen til tetningsringflatene 9a, 9b fra den skrå spenningsflaten 113 til den viste tetningsstillingen. Denne bevegelsesdistansen blir utført når benene er spent utover og kan resultere i unødvendig slitasje av tetningsringstetningsflatene 9a, 9b. Dette kan unngås, som vil fremgå av utførelsesformen til en tetningssammenstilling i samsvar med oppfinnelsen (Fig. 3), ved å anordne den skrå spenningsflaten nærmere den indre og ytre tetningsflaten 11a, 11b til ringromsboringen. Med en tetningsring 3 som vist i Fig. 2 kan dette imidlertid resultere i permanent endring av formen til tetningsringbenene a, b. Et tilstrekkelig høyt trykk ved den nedre siden til tetningsringen 3 (med hensyn til Fig. 2) vil gjøre at benene a, b buer seg utover. Når trykket avtar eller forsvinner kan spenningen til benene a, b så bevege tetningsringflatene 9a, 9b ut av kontakt med de
-6- Patentbeskrivelse av 2.juli Ref: P3713NO00-KM motstående tetningsflatene 11a, 11b. Tetningssammenstillingen ville da ikke være i stand til å tette igjen ved den neste trykkøkningen. 1 Fig. 3 viser en foretrukket utførelsesform av en metall-til-metall tetningssammenstilling 1 i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. En tetningsring 3 er anordnet i en ringromsboring 1 mellom en produksjonsrørhenger og en stingersammenstilling 7. Tetningsringen 3 fremviser et tverrsnitt med to ben a, b. Ved endedelen til hvert av benene a, b er det anordnet tetningsringstetningsflater 9a, 9b. I samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er tetningsringstetningsflatene 9a, 9b forsynt med et tetningsringsflatemetall 2a, 2b, hvilket metall er mykere enn det til de ytre og indre sirkulære tetningsflatene 21a, 21b. I tillegg er tetningsringflatemetallet 2 også mykere enn det til en hovedmetalldel 217 til tetningsringen. Hovedmetalldelen 217 utgjør den hovedsakelige formen og styrken til tetningsringen 3. I denne foretrukne utførelsesformen av den foreliggende oppfinnelsen blir tetningsringsflatemetallet 2 strukket om endepunktene til de to benene a, b, og er strukket videre langs de innovervendte sidene til nevnte ben, til en kontinuerlig andre del 219 til tetningsringen 3. Dette spesielle utlegget av kontinuerlig andre del 219 bidrar til å hindre det myke tetningsringsflatemetallet 2a, 2b fra å falle av hovedmetalldelen 217. Ved bruk kan tetningsringen 3 således bli eksponert for store krefter uten risiko for at det myke materialet blir separert fra tetningsringen 3. 2 Den andre delen 219 med dette mykere metallet er fordelaktig anordnet på den siden av tetningsringen 3 som er innrettet til å vende mot et høyt trykk. (Det vil si den nedre siden av tetningsringen i Fig. 3). Et høyt trykk vil således presse den andre delen 219 mot hovedmetalldelen 217. Dersom det skulle finnes en sprekk mellom den andre delen 219 og hovedmetalldelen 217, vil trykket ikke være i stand til å entre inn i sprekken og separere delene. En holdemutter 7 bidrar til å holde tetningsringen 3 i den korrekte tetningsstillingen.
-7- Patentbeskrivelse av 2.juli Ref: P3713NO00-KM I utførelsesformen i samsvar med oppfinnelsen, vist i Fig. 3, er den skrå spenningsflaten 213 anordnet mye nærmere de indre og ytre sirkulære tetningsflatene 21a, 21b. Videre, en del av det ytre benet b har en spalte 221b til den motstående flaten til ringromsboringen 213. Siden tetningsringsflatemetallet 2a, 2b strekker seg radielt forbi hovedmetalldelen 217, er det også en liten spalte 221a mellom en del av det indre benet a og den indre flaten til ringromsboringen 211 (det vil si den motvendte flaten til stingersammenstillingen 7). 1 2 For å hindre benene a, b til tetningsringen 3 fra å bli bøyet til en permanent endret form under eksponering av et høyt trykk (nedenfra i Fig. 3), er hovedmetalldelen 217 til tetningsringen 3 fabrikkert i et relativt hardt metall. På grunn av det mykere tetningsflatemetallet 2a, 2b på tetningsringflatene 9a, 9b, kan hovedmetalldelen 217 være enda hardere enn metallet til de indre og ytre tetningsringsflatene 9a, 9b. En annen fordel ved formen til benene a, b er at mellom deres utgangspunkter (det vil si starten til benformen fra resten av tetningsringen 3) og et punkt lenger ute på benet a, b, fremviser de et kontinuerlig og jevnt avtagende tverrsnitt. I den viste utførelsesformen er dette punktet det punktet hvor tetningsringflatemetallet 2a, 2b strekker seg mot benutgangspunktet på den ytre flaten til hvert av benene a, b. Ved dette punktet er tverrsnittet fortsatt avtagende i retning mot endedelene til benene, men et trinn 223a, 223b er introdusert i hvilket endene til tverrsnittet til den andre delen er posisjonert. Følgelig, på grunn av dette trinnet eller søkket, kan det eksponerte grensesnittet mellom den andre delen 219 og hovedmetalldelen 217 bli laget uten noe betydelig trinn i de samlete ytre flatene til tetningsringen 3. Som et eksempel kan hovedmetalldelen 217 til tetningsringen 3 fortrinnsvis være laget av Inconel 718 (724 MPa). Metallet til tetningsringflatemetallet 2a, 2b, eller den andre delen 219, henholdsvis, kan fortrinnsvis være laget av Inconel 82 (241 MPa). Inconel er kjent for fagmannen og er et varemerke til Special Metals Corporation.
8 1 2 Nye patentkrav av 2. juli. Ref: P3713NO00 KM Nye patentkrav 1. En metall-til-metall tetningssammenstilling (1) for en havbunnsbrønnsammenstilling, omfattende en indre sirkulær tetningsflate (21a) og en ytre, motstående sirkulær tetningsflate (21b) anordnet i et ringrom (211), hvorved nevnte tetningsflater definerer et innsnevret ringromstverrsnitt i forhold til en tilstøtende del av ringrommet, hvorved tetningssammenstillingen (1) ytterligere omfatter en tetningsring (3) med et tverrsnitt som fremviser to ben (a, b), hvilke ben er innrettet til å bli elastisk bøyet og presset mot hverandre når tetningsringen (3) blir presset inn i nevnte innsnevrete ringromstverrsnitt fra nevnte tilstøtende del av ringrommet, hvorved tetningsringen (3) fremviser tetningsring-tetningsflater (9a, 9b) på en respektiv ytre endedel til hver av nevnte ben (a, b), som er innrettet til å tette mot nevnte indre og ytre sirkulære tetningsflater (21a, 21b), hvorved - nevnte tetningsring (3) omfatter en hovedmetalldel (217) som er av et metall med samme eller høyere hardhetsgrad som metallet i nevnte motstående indre og ytre sirkulære tetningsflater (21a, 21b); og - nevnte tetningsring-tetningsflater (9a, 9b) omfatter et tetningsringsflatemetall (2a, 2b) som er av et mykere metall enn metallet i de indre og ytre sirkulære tetningsflatene (21a, 21b) og metallet i hovedmetalldelen (217), karakterisert ved at tetningsringen (3) omfatter en andre del (219) omfattende nevnte tetningsringflatemetall (2a, 2b), hvilken andre del (219) strekker seg kontinuerlig mellom nevnte tetningsring-tetningsflater (9a, 9b) på de respektive ben. 2. En metall-til-metall tetningssammenstilling i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at nevnte andre del (219) strekker seg langsmed nevnte hovedmetalldel (217), i området mellom benene (a, b). 3. En metall-til-metall tetningssammenstilling i samsvar med patentkrav 1 eller 2, karakterisert ved at tetningsringen (3) har en side som vender mot trykket og at den andre delen (219) strekker seg langs hovedmetalldelen (217) på nevnte side som vender mot trykket.
9 4. En metall-til-metall tetningssammenstilling i samsvar med hvilket som helst av de foregående patentkravene, karakterisert ved at de to benene (a, b) til hovedmetalldelen (217) fremviser en del som strekker seg fra deres utgangspunkt i retning mot deres ender, med kontinuerlig avtagende tverrsnittykkelse.. En metall-til-metall tetningssammenstilling i samsvar med patentkrav 4, karakterisert ved at nevnte del med kontinuerlig avtagende tverrsnittykkelse strekker seg til et punkt hvor benene (a, b) fremviser nevnte tetningsringflatemetall (2a, 2b) på den utovervendte siden av benene. 6. En metall-til-metall tetningssammenstilling i samsvar med et hvilket som helst av de foregående patentkravene, karakterisert ved at i en tetningsstilling fremviser ett eller begge av de to benene (a, b) til hovedmetalldelen (217) en del av et ben som er uten kontakt med en flate til nevnte ringrom (211).