JPH0246815B2

JPH0246815B2 -

Info

Publication number: JPH0246815B2
Application number: JP59030462A
Authority: JP
Inventors: Chaarusu Adameku Furanku
Original assignee: GUREI TSUURU CO
Current assignee: GUREI TSUURU CO
Priority date: 1983-02-24
Filing date: 1984-02-22
Publication date: 1990-10-17
Also published as: JPS59159465A; DE3477246D1; NO840615L; US4477093A; EP0117417A1; DK91984D0; AU557836B2; GB8404016D0; CA1324173C; GB2135741B; AU2489384A; DK91984A; GB2135741A; EP0117417B1

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景本発明は面間の接続を果す手段に係るものであ
り、更に具体的にいえば油井またはガス井坑口
（ウエルヘツド）およびバルブ設備に存在する面
と面との間に耐火性接続および密封を確立する手
段に係るものである。

油井の坑口では極端に厳しい稼動条件にあるこ
とは以前から認識されている。どのように厳しい
稼動条件かと云うと、たとえば高低温にさらされ
ること、硫黄化合物を含んだガスが存在するこ
と、高速の流体が流れること、反覆加圧にさらさ
れること、熱衝撃にさらされること及び／又は振
動、曲げ応力、圧縮、引張り又はこれらの力の組
合せにさらされることがあげられる。このような
稼動条件の坑口に使用するに適した、すなわち上
述の苛酷な稼動条件に耐え得る設備を提供する努
力として従来、金属間接触シールを坑口に用いる
設備に採用していた。このような金属間接触シー
ルを選択したのは前述の苛酷な環境と経済性とを
考慮した結果である。この目的に用いるため実際
に選択された金属間接触シールには各種のものが
ある。たとえばジエイ・デイ・ワツト等へ1956年
10月16日付与された米国特許第2766999号および
アール・イー・ラサームへ1980年７月29日に付与
された米国特許第4214763号を挙げることができ
る。これらの米国特許には坑口に用いる設備に用
いるに適した金属間接触シールが開示されてい
る。

坑口に用いるよう設計された設備の初期の金属
間接触シールはそのような使用における苛酷な条
件、すなわち上述の条件に耐え得ることは一般に
証明されているところであるが、このような金属
間接触シールは耐火性であることを意図されては
いない。すなわち、これらの金属間接触シールの
設計に関する限り、坑口での火災発生により生ず
る熱膨脹および収縮の過程において密封性を維持
することは求められていなかつた。坑口設備に用
いる密封接続部の設計での考慮事項として耐火性
が挙げられるようになつたのはごく最近のことで
ある。更に、この耐火性ということは単に考慮事
項という状態ではなくて、今後の金属間接触シー
ルが満足しなければならない設計上の要件である
というところまできているのである。

さて、耐火性ウエルヘツド設備の構成要件を例
示すると次のとおりである。すなわち、少なくと
も5000psig（350Kg／cm²ｇ）および10000psig（700
Kg／cm²ｇ）の作業圧力の設備に関する限り、API
（アメリカ石油協会）のRP6F改訂版に具体的に
示されている要件を挙げることができる。これに
記載されているように、5000psigの作業圧力設備
は次の試験基準を満足しなければならない。すな
わち、壁から１インチ（2.5センチ）のフランジ
温度は1100℃（2000゜F）；３時間半内の安定温度
は650℃（1200゜F）；全試験期間中の高試験圧力は
3750psi（260Kg／cm²）；全試験期間中の低試験圧力
は500psi（35Kg／cm²）；試験媒体は水；安定温度に
おける保持時間は１時間；油でのバルブ逆座試験
圧力は100psi（７Kg／cm²）；ガスでのバルブ逆座試
験圧力は500psi；許容漏洩は外部漏洩零；そして
熱焼後ステムアセンブリを交換したバルブの機能
試験では一度開、外部漏洩零となつている。
10000psigの作業圧力設備について満足しなけれ
ばならない試験基準は次の通りである。壁から１
インチのフランジ温度は1100℃（2000゜F）；３時
間半の安定温度は650℃（1200゜F）；全試験期間中
の高試験圧力は7500psi（53Kg／cm²）；全試験期間
中の低試験圧力は500psi；試験媒体は水；安定温
度における保持時間は１時間；油でのバルブ逆座
試験圧力は100psi；ガスでのバルブ逆座試験圧力
は500psi；許容漏洩は外部漏洩零；そして熱焼後
ステムアセンブリを交換したバルブの機能試験で
は一度開、外部漏洩零となつている。

抗口火災に際して遭遇する高温は種々の問題を
惹起する。中でも、坑口火災にさらされた材料の
急激な加熱と放冷、火災にさらされた材料の膨脹
と収縮及び／又は火災にさらされた材料の特性の
喪失に関連する問題がある。しかしここでは分類
を容易にするため上述の諸問題を基本的に２つの
カテゴリーに分けることとする。すなわち、火災
にさらされたときの坑口設備の材料の構造的特性
に関係する問題と、坑口設備が火災をこうむつた
とき坑口設備の接続と密封を維持できる能力に関
係する問題とである。

坑口設備の材料の構造的特性のことを先ず採り
上げると、このような材料を耐火性とするため、
すなわち、火災後も5000psigと10000psigの作業
圧力設備に対する前述の試験基準を満足できるよ
うにするため、坑口火災にさらされたときの材料
の引張り強度の喪失を何等かの方法で補償するの
である。第１に、APIの改訂RP6Fが、5000psig
の作業圧力設備が耐えることができなければなら
ない圧力限界に25パーセントの低下を許容してい
る事実がある。第２に、問題の設備の圧力容器壁
を大きめのものとしておく。このようにAPIの改
訂RP6Fが許容している25パーセント低下を考慮
に入れれば、坑口設備の圧力容器の壁を大きめに
するということで、坑口設備が高温にさらされた
ときに生じる引張り強度の喪失を実質的に補償す
ることができる。

すなわち坑口ハウジングとバルブハウジングと
はそれらの壁を大きめにすると、APIタイプ11の
鋼を用いてもこれらのハウジングは実際的な引張
り強度範囲内にとゞまる。それ故、この種の設備
のため特別の鋼等を使用する必要はなくなる。し
かし云うまでもなく、5000psigの作業圧力設備の
カテゴリーに入る型式の坑口およびバルブの寸法
を小さくすることのできる新しいコスト安の高強
度合金を材料研究の分野で将来つくり出されるこ
とがないということではない。

次に坑口設備に使用される接続と密封性につい
て述べる。既に述べた理由で金属間接触シールを
用いて接続と密封とを果すことが必須である。し
かしそのような金属間接触シールが高温でも十分
な引張り強度を呈するようにするには、強度の高
い材料を上張り又はシールリング材料として使用
しなければならないという見方がされていた。今
日知られているエラストマは、坑口火災が発生し
たとき坑口設備がさらされる条件下では満足すべ
きものではないことが知られている。このような
用途にかなり適している非金属材料としては、当
業界で「グラホイル」（graphoil）と称する材料
がある。

耐火性の坑口およびバルブ設備を開発するに
は、すなわち耐火性の主要要件に関する限りAPI
の改訂RP6Fに具体的に定められている要件規定
を満足する坑口およびバルブ設備を開発するに
は、高温で密封性を維持できるシールを形成する
改良された密封技術を開発することが必要であ
る。更に具体的にいえば、坑口設備に存在する管
状シールと環状シールとの両方に適用でき、そし
て坑口火災時に設備が被る温度範囲で密封性を維
持できるようにする改良された高温密封技術を開
発する必要がある。このような高温密封技術を開
発するためには次のことを扱う必要がある。すな
わち、材料の熱特性および冶金特性、組み合う部
分の間に生じる相対的移動、そしてシールが耐え
ねばならないすべり動作である。

従来からこのような高温密封技術の開発が試み
られてきていた。当初その焦点は次のことにあつ
た。すなわち最初の考えは、耐火性接続に関する
限りクランプ接続が、質量があるので有利である
ということであつた。それで、耐火設計された坑
口およびバルブ設備に使用するに好適な唯一の接
続手段はクランプ接続であろうという印象がもた
れていた。このためかなりの時間と努力とが、高
温において密封性を維持する適当なクランプ接続
の開発に費やされた。然しながら、このようにし
て改良されたクランプはその質量は坑口およびバ
ルブ設備の熱交換特性にとつて有害であるという
ことが分つたばかりでなく、ねじりたわみと永久
ひずみとについて手に負えないことも分つた。こ
のことがクランプ接続を保持装置として依存した
密封維持を妨げていたのである。

上述のことが認識された結果として、スタツド
つきクランプ接続の開発が行なわれた。しかしな
がら、クランプの追加された質量の熱伝達特性が
好ましくないということからクランプそれ自体を
放棄することとなつたのである。坑口ハウジング
を包囲する面の不規則性を少なくすればよりよい
熱伝達が実現できるのでこの決定がなされた。す
なわち坑口およびバルブ設備を耐火性としようと
するのにクランプ接続を用いるべきでないという
結論がでたのである。

所要のシール接触力と接続安定性を保つことの
できる強いフランジ接続がそれ以来開発されてき
た。さく井作業中に使用するハブプロフイルに強
いフランジ接続を形成するのが実際的である。

叙上要するに、解析および試験結果からの結論
として、APIタイプ11の材料は坑口ハウジング、
バルブ本体そしてボンネツトの内圧のかゝる部材
の形成に使用するのに適しているといえる。更
に、そのような材料からバルブ本体や坑口ハウジ
ングとをつくることは実際的であるとみられてい
る。すなわち、この目的のためそのような材料を
使用しても非現実的なものとなる程に設備が巨大
化するということにはならない。然しながら他方
で認識されなければならないことは、APIタイプ
11の材料は密封には適していないということであ
る。従つて坑口ハウジングとバルブ設備ハウジン
グ内に高強度のシールリングとを挿置することが
重要である。更に、この強度の高い材料のシール
リングは密封に必要な荷重力に耐えるだけの大き
さと完全性とを有するものでなければならない。
更に、シールリングに使用される材料は高温での
強度について両立するものを必ず選択しなければ
ならず、そして重要なのは熱伝導性について両立
するものを選択しなければならないことである。
すなわち、これらの密封区域に使用するため選択
された材料は熱膨脹と収縮、腐蝕性、溶接性そし
て耐擦過性の観点から両立することが非常に重要
である。然しながら、前述の規準が満足されてい
てもなお高温シールをつくる必要があり、この高
温シールはその材料の問題とは別にその形状につ
いて坑口火災中経験される高温にさらされる坑口
およびバルブ設備に使用するに好適なものが要求
される。すなわち、坑口およびバルブ設備に使用
されるシールはたとえ坑口およびバルブ設備が火
災に巻き込まれた際にも密封性を維持することが
できるように形状設計がなされていることが必要
である。

特に、種々のシール要求を満足させる目的で使
用に適したものとする設計に従つてシールをつく
ることが必要である。更に、そのように設計され
たシールは多様な用途に、例えばチユービングハ
ンガー、環状シール、ボンネツトシールそしてフ
ランジシールに使用できるような種々の形にでき
ることが望ましい。

従つて本発明の目的は坑口およびバルブ設備に
使用するに適した新しい改良された接続構造すな
わちシールを提供することにある。

本発明の別の目的は、坑口およびバルブ設備に
使用したとき坑口火災時の条件に耐えることので
きる接続構造を提供することにある。

本発明の別の目的は、坑口火災発生時の高温に
おいてさえも十分な強度を呈する接続構造を提供
することにある。

本発明の別の目的は、坑口火災発生時の高温に
おいてさえもその密封性を維持することのできる
接続構造を提供することにある。

本発明の更に別の目的は坑口火災発生時の条件
の下でさえも信頼できる実効的な作用を保証する
比較的廉価であり、そして使用し易いＴ字形シー
ルリングの形態の接続構造を提供することにあ
る。

発明の要約すなわち本発明は、一側に形成された一対の平
らな唇状部と前記一側に形成されたリブとを有す
る連続シールリングと、前記一対の平らな唇状部
の一方の形と補形的な形の第１の組合せ密封面を
有する第１の部材と、前記一対の平らな唇状部の
他方の形を補形的な形の第２の組合せ密封面を有
する第２の部材とを備え、前記一対の唇状部の
各々は前記連続シールリングの一側から僅かに外
方へ突出しており、両唇状部は同じ面内にあり、
前記リブは前記一対の唇状部の間から外方に突出
しており、前記第１の組合せ密封面と補形的な形
状の唇状部は前記の第１の組合せ密封面と密封係
合して位置し、前記第２の組合せ密封面と補形的
な形状の唇状部は前記第２の組合せ密封面と密封
係合して位置することを特徴とする、組合せ密封
面の間で耐火性接続および密封を果たす接続構造
にある。

好ましい実施例の説明第１図を参照する。この図で符号１０は試験設
備を示す。この試験設備１０は石油又はガスの採
掘作業中と完成後も使用される坑口組立体の種々
の要素を模擬条件下で試験する目的で使用される
ものである。更に、この試験設備１０は、耐火性
についてアメリカ石油協会が改訂RP6Fに示す要
件を満足するものとして坑口およびバルブ設備用
の接続構造を評価する目的に使用するよう設計さ
れている。

第１図に示されているように構成した試験設備
１０は、符号１２，１４，１６で示している３つ
の接続構造すなわちシールの試験を同時に行なう
ことができる。このため、試験設備１０をチユー
ビングヘツドコンポーネント試験を模擬する目的
で使用できる。この試験は次の要素を検査する目
的で試験設備１０を利用して行なわれる。接続構
造すなわちシール１４を有するスタツド付フラン
ジ組立体、接続構造すなわちシール１２を有する
チユービングハンガー、そして接続構造すなわち
シール１６を有するチユービングハンガーであ
る。

試験設備１０に使用されるチユービングハンガ
ー組立体は、チユービングハンガーを適正位置に
ロツクするためにチユービングウエイトおよびホ
ールドダウンスクリユーを組付けた時に生じる条
件を模擬することができなければないない。試験
設備１０ではチユービングハンガーは第１図で符
号１８で示されている。チユービングハンガー１
８の底にねじ接続構造２０を設ける。このねじ接
続構造２０は、チユービングウエイトとホールド
ダウンスクリユーとがチユービングハンガーを適
正位置にロツクする上述の状態の代りとなつて作
用するよう設計されている。更に、ねじ接続構造
２０はチユービングヘツドハウジング２２内でチ
ユービングハンガー１８を安定化する。

第１図に示すように、チユービングハンガー１
８の中心には、試験設備１０内で必要な幾つかの
監視口又は圧力もしくは温度観察口の一つ又は一
つ以上の口がある。例えば、圧力口が第１図で符
号２４で示されている。試験設備１０の上方のフ
ランジ２６は普通チユービングボンネツトとして
つくられるブロツクバルブ組立体の底部を模擬し
ている。このように、試験設備１０は実際のチユ
ービング坑口組立体を正しく模擬している。

APIの改訂RP6Fの試験規準によれば、試験サ
イクルを行なうとき試験設備１０内のシール１
２，１４，１６のすべてに圧力がかけられる。シ
ール１２，１４，１６へ圧力をかけ、そしてこの
圧力を試験サイクル中保持することを保証する目
的で、前述の圧力口２４が試験設備１０内に配置
されているのである。万一漏洩が生じても、その
漏洩は第１図で符号２８により示されているよう
な口を通して監視される。このため、第１図を参
照すれば分るように、このような監視口が試験設
備１０内でシール１２，１４，１６の各々に隣接
して配設されている。第１図に符号３０により示
されているようにシール１２，１４，１６の各々
に隣接して熱電対を配置することにより試験設備
１０内のシール１２，１４，１６の動作を熱的に
監視する。試験サイクルの全期間中帯状記録紙式
記録計にすべての圧力と温度とを記録するのが好
ましい。更に、監視区域からの漏洩も回収し記録
するのが好ましい。

更に第１図を参照する。スタツド３２とナツト
３４とは、シール１４と接触している試験設備１
０のフランジ２６、すなわちハウジングボンネツ
トを保持している。更に、同じスタツド３２とナ
ツト３４とはチユービングハンガー１８の密封区
域の頂部でシール１２のための保持力を与える。
従つて、シール１２，１４のいずれかに隣接して
いるハウジング２６の壁に生じる熱的活性成長が
あつてもそれはこれら２つのシール１２，１４の
一方又は両方により吸収されなければならない。
同様に、シール１６はチユービングハンガー１８
の動きと相互に作用する。シール１６はそれより
上のチユービングハンガーのシール１２と相互に
作用することにも注意すべきである。熱的活性か
ら生じる相互作用はシール１２，１４，１６のす
べての間で生じる。この相互作用は、耐火性にし
ようとする、すなわちAPIの改訂RP6Fに記載の
要件を満足することのできる坑口およびバルブ設
備の開発における重要な設計上の問題である。更
にこの相互作用は、例えば試験設備１０の場合に
なされているようにフランジつきシールをシステ
ム内に挿入するとき一層重要となる。

第１図の試験設備１０の説明を終るに当り、保
持リング３６はチユービングハンガー１８とチユ
ービングヘツドハウジング２２との間に挿置した
ものであることを付言する。又、この例では硬質
の上張り３８，４０，４２がシール１２，１４，
１６の各々と協働するよう組合されているが、必
ずしもこの上張りは必要ではない。試験設備１０
の最良実施例によればチユービングハンガー１
８、フランジ２６そしてナツト３４の材料はそれ
ぞれAISI−4140であるのが好ましい。更に、硬
質の上張り３８，４０，４２はインコネル６２５
（インターナシヨナルニツケル社の商品名）で形
成するのが好ましい。

第１図で符号１２により示され、そして本発明
の主題を構成している接続構造を更に詳細に第１
図および２図を参照して説明する。第１図を参照
すればよく理解できるように、接続構造すなわち
シール１２は、実際の坑口のチユービングハンガ
ーを模擬するチユービングハンガー１８（これら
チユービングハンガーを第１の部材と一般的に総
称するものとする）の組合せ密封面と、実際の、
ハウジングボンネツトまたはチユービングボンネ
ツトとして作られるブロツクバルブ組立体の底部
を模擬するフランジ２６（これらを第２の部材と
一般的に総称する）の組合せ密封面とＴ字形の密
封手段とで構成されている。第１図では上張り３
８が見えるが、これは必須ではない。

第２図を参照すればよく理解できるようにこの
Ｔ字形の密封手段４４は連続シールリングの形と
してある。従つてこれは実質的に円筒形である。
更に、この連続シールリング４４には一対の断面
形状が平らな唇状部４６，４８が設けられてお
り、これらの唇状部は連続シールリングの外面か
ら僅かに突出して形成されている。これら唇状部
４６，４８はどちらも同じ適当な寸法にしてあ
る。そのようにして、唇状部４６，４８は一つの
共通面を形成する、すなわち同じ面内に横たわつ
ている。

連続シールリング４４の説明を続ける。第２図
に示すようにこの連続シールリング４４には真直
ぐなリブ５０を設けてある。このリブ５０は平ら
な唇状部４６，４８と同じ側で外方に突出し、平
らな唇状部４６，４８が形成する面に垂直な面内
に延びる。更に、リブ５０は１対の唇状部４６，
４８の間で同じ距離に配置されている。

第１図を更に参照する。接続構造すなわちシー
ル１２がその密封位置を占めるとき、唇状部４
６，４８は前述の組合せ密封面に接触する。これ
らの組合せ密封面すなわちチユービングハンガー
１８の組合せ密封面とフランジ２６の組合せ密封
面はシールの唇状部４６，４８のように円筒形で
ありそして実質的に断面形状が平らでもある。換
言すれば、平らなシールの唇状部４６，４８が接
触するよう設計されている組合せ密封面の形状は
それぞれ平らなシールの唇状部４６，４８の形状
と補形的または相補的な形状である。

更に、接続構造、すなわちシール１２が密封位
置にあると、連続シールリング４４の外直径（す
なわち、平らな唇状部４６，４８の外面が限定し
ている直径）とこれら唇状部４６，４８が接触す
るよう設計されている組合せ密封面の内直径との
間のしまりばめによりシール１２の機械的荷重が
与えられる。

シールの唇状部４６，４８の質量に比べて大き
な真直ぐなリブ５０の質量、すなわちリブの高さ
と幅の積によりこのリブは２つの本質的な作用を
達成する。すなわち、リブ５０はシールの唇状部
４６，４８を安定させ、それと接触する組合せ密
封面が熱歪みをうけるときに唇状部を別々に、す
なわち相互に独立して作動させる。第２に、リブ
５０の質量が大きいため、リブ５０は密封区域へ
効果的に熱を伝達する。リブの安定性すなわちス
チフネスの維持が非常に重要であることは以上か
ら容易に理解されよう。このため、特にリブ５０
の外面が粗面又はぎざぎざをつけられているとき
平らなシール唇状部４６，４８に比してリブ５０
の寸法が大きいと摩擦拘束が高められて作用の安
定性を十分なものとする。

抗擦過材でシール唇状部４６，４８を被覆する
ことが必要である。これは熱サイクル中シール１
２は高い接触力を維持しなければならないからで
ある。このため、十分な熱伝達特性と1200゜F（650
℃）で高い擦過抵抗とを有する被覆材料、例えば
銀をこの目的に使用する。

接続構造シール１２は、このシール１２が接続
する部材が軸方向の運動をうけるという事実にも
かヽわらず、坑口火災の発生中に生じる高温で密
封性を維持するということが分つた。このことは
従来形式の金属間接触シールと対照的である。従
来形式の金属間接触シールでは、その表面が傾斜
しているため軸方向の運動により組合せ密封面が
分離し、それにより金属間接触シールの密封作用
が不能となる。

接続構造すなわちシール１２が接続する部材の
半径方向の運動は問題とならない。これらの部材
の材料の膨脹係数は同じであるように選ばれてい
るからである。従つて、半径方向の運動の量は僅
かであつてシール１２の唇状部４６，４８が組合
せ密封面に働かすばね力に打勝つことはないから
である。

本発明に従つて、坑口およびバルブ設備に使用
するのに適した新しい改良された接続構造すなわ
ちシールが提供されたのである。更に、本発明の
接続構造すなわちシールは坑口およびバルブ設備
に使用されると坑口火災発生時に生じる条件に耐
えることができる。更に、本発明による接続構造
すなわちシールは、坑口火災の発生時の高温にお
いてすら十分な引張り強度を呈する。更に、本発
明のシールは、耐火性の坑口およびバルブ設備に
使用するのに特に適している。又、本発明のシー
ルはＴ字形シールリングの形をとり、坑口および
バルブ設備において坑口火災時の条件にさらされ
ても密封性を維持することができる。更に、本発
明に従つてそのようなＴ字形シールリングの形態
をとる接続構造すなわちシールは廉価であり、使
用し易く、しかも坑口火災発生時の条件にさらさ
れても信頼できる有効なものである。なお、接続
構造１４は上述の接続構造１２と実質的に同じで
あり、接続構造１６は異なつた形状のものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による耐火性接続構造すなわ
ちシールをその作用状態すなわち密封状態でとり
つけた試験設備の略図、第２図は、本発明による
耐火性接続構造すなわちシールの一部を切断し、
拡大して示す斜視図である。１０……試験設備、１２，１４，１６……接続
構造またはシール、１８……チユービングハンガ
ー、２０……ねじ接続構造、２２……チユービン
グヘツドハウジング、２６……フランジ、３２…
…スタツド、３４……ナツト、３６……保持リン
グ、３８，４０，４２……上張り、４４……連続
シールリング、４６，４８……唇状部。

Claims

【特許請求の範囲】

１一側に形成された一対の平らな唇状部４６，
４８と前記一側に形成されたリブ５０とを有する
連続シールリング４４と、前記一対の平らな唇状
部の一方の形と補形的な形の第１の組合せ密封面
を有する第１の部材１８と、前記一対の平らな唇
状部の他方の形と補形的な形の第２の組合せ密封
面を有する第２の部材２６とを備え、前記一対の
唇状部の各々は前記連続シールリングの一側から
僅かに外方へ突出しており、両唇状部は同じ面内
にあり、前記リブは前記一対の唇状部の間から外
方に突出しており、前記第１の組合せ密封面と補
形的な形状の唇状部は前記の第１の組合せ密封面
と密封係合して位置し、前記第２の組合せ密封面
と補形的な形状の唇状部は前記第２の組合せ密封
面と密封係合して位置することを特徴とする、組
合せ密封面の間で耐火性接続および密封を果たす
接続構造。