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Die
Erfindung betrifft einen Kugelhahn und ein Kugelküken, insbesondere
für den
Einsatz in Gas- und/oder Ölleitungssystemen.
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Bei
einem Kugelhahn handelt es sich im Allgemeinen um einen Absperrhahn,
bei dem eine durchbohrte Kugel als Schließelement dient. Kugelhähne dienen
zum Absperren und Öffnen
von Medienströmen.
Man unterscheidet Kugelhähne
mit vollem Durchgang oder reduziertem Durchgang. Bei einem vollen
Durchgang hat die Bohrung in der Kugel die volle Nennweite der angeschlossenen
Rohrleitung. Kugelhähne
als Absperrhähne
zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine durchgehende Bohrung besitzen
und so in Offenstellung dem Medium den Durchfluss ermöglichen.
Wird der Kugelhahn um 90 Grad gedreht, so wird der Durchfluss unterbrochen. Die
Bohrung liegt dann quer zur Fließrichtung eines Medienstroms
und das Dichtungssystem des Kugelhahns verhindert den Durchfluss
des Mediums.
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Ein
Vorteil der Verwendung eines Kugelhahns als Absperrhahn ist die
hohe Dichtkraft, die durch die Haftung zwischen der Kugeloberfläche und dem
Material des Kugelsitzes entsteht.
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Bei
Leitungssystemen werden Kugelhähne als
Absperrhahn eingesetzt. Um Rückflüsse in derartigen
Leitungssystemen zu verhindern, werden im Allgemeinen Rückschlagventile
vor oder hinter dem Kugelhahn in das Leitungssystem eingebaut. Bei derartigen
Leitungssystemen kann es notwendig werden, die Fließrichtung
des Mediums zu ändern. Dies
kann beispielsweise verfahrenstechnische Gründe haben.
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Bei
einer Änderung
der Fließrichtung
des Medienstroms in einer Leitung muss gegebenenfalls das Rückschlagventil
ausgebaut und in entgegengesetzter Richtung wieder eingebaut werden.
Insbesondere wenn sich gefährliche
Stoffe in dem Leitungssystem befinden, sind umfangreiche Sicherheitsmaßnahmen
für den
Ausbau und den Wiedereinbau der Rückschlagventile nötig. Beispielsweise müssen Leitungen
abgesperrt, entleert und gegebenenfalls mit speziellen Medien gespült werden,
um einen gefahrlosen Ausbau und Wiedereinbau der Rückschlagventile
zu gewährleisten.
Häufig
ist auch ein vorheriges Drucklosmachen bzw. Entlasten der Leitung
nötig.
Derartige Verfahren verursachen Stillstandzeiten in dem Leitungssystem.
Sowohl diese Stillstandzeiten als auch der aufwendige Ausbau und Wiedereinbau
verursachen erhebliche Kosten. Zudem sind durch den Ausbau und Wiedereinbau
Personen und Umwelt möglicherweise
durch den Austritt von gefährlichen
Stoffen gefährdet.
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Um
ein schnelleres Umschalten der Fließrichtung in einem Leitungssystem
zu gewährleisten, wird
beispielsweise eine Umgehung bzw. ein Beipass der Anordnung vorgesehen,
die Kugelhähne,
Rückschlagventile
und Leitungsabschnitte umfasst. Diese Umgehung weist dann eine weitere
Leitung mit weiteren Kugelhähnen
und Rückschlagventilen
auf. In diesem Fall muss also eine zusätzliche Leitung mit Kugelhahn
und Rückschlagventil
verwendet werden. Dieser wird im Allgemeinen parallel zur vorhandenen Leitung
angeordnet. Die Umgehung bzw. der Beipass verursacht erhöhten Wartungsaufwand
und Platzbedarf und auch erhöhte
Installationskosten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist somit, die genannten Nachteile zumindest
teilweise zu lösen.
Insbesondere soll eine Vorrichtung vorgesehen werden, die auf einfache
Weise ein Absperren und eine Umkehrung der Fließrichtung eines Mediums in
einem Leitungssystem unterstützt.
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Die
Aufgabe wird durch einen Kugelhahn gemäß Anspruch 1 und durch ein
Kugelküken
gemäß Anspruch
8 gelöst.
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Somit
wird ein Kugelhahn mit einem Gehäuse,
einem Kugelküken,
das drehbar in dem Gehäuse gelagert
ist, einer ersten Durchflussrichtung und einer zweiten Durchflussrichtung
vorgesehen, die der ersten Durchflussrichtung entgegengesetzt ist.
Dabei kann der Kugelhahn in Abhängigkeit
von einer Drehposition des Kugelkükens wenigstens die folgenden Zustände annehmen:
Der Kugelhahn ist in der ersten Durchflussrichtung durchströmbar und
in der zweiten Durchflussrichtung gesperrt; der Kugelhahn ist in
der zweiten Durchflussrichtung durchströmbar und in der ersten Durchflussrichtung
gesperrt; und der Kugelhahn ist sowohl in der ersten Durchflussrichtung
als auch in der zweiten Durchflussrichtung gesperrt.
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Mit
einem derartigen Kugelhahn lässt
sich weiterhin die Absperrwirkung eines Absperrhahns erzielen. Durch
die Sperrung einer Durchflussrichtung können unerwünschte Rückflüsse gegen die Fließrichtung
eines Mediums vermieden werden. Bei einer Änderung der Fließrichtung
des Mediums kann die Sperrwirkung durch ein Drehen des Kugelkükens in entgegengesetzter
Durchflussrichtung erreicht werden. Demnach lässt sich die Fließrichtung
des Mediums umdrehen. Ein vorheriges Drucklosmachen eines Leitungsabschnitts
vor der Umstellung zwischen den Zuständen des Kugelhahns kann entfallen.
Derartige Kugelhähne
sind insbesondere für
Medien, wie Gase, insbesondere Erdgas, Sauergas und/oder kohlenwasserstoffhaltige
Gase oder Öle
geeignet.
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Das
Kugelküken
kann beispielsweise die Form einer Kugel oder eines Zylinders oder
einer anderen Form, mit der die genannten Wirkungen erzielt werden
können,
haben. Im Allgemeinen verbindet ein Kugelhahn einen ersten Leitungsabschnitt
mit einem zweiten Leitungsabschnitt. Die erste Durchflussrichtung
beschreibt dann die Flussrichtung eines Mediums, das von dem ersten
Leitungsabschnitt durch den Kugelhahn zu dem zweiten Leitungsabschnitt fließt. Die
zweite Durchflussrichtung ist entgegengesetzt und beschreibt daher
die Flussrichtung eines Mediums von dem zweiten Leitungsabschnitt
durch den Kugelhahn zu dem ersten Leitungsabschnitt. Das Kugelküken weist
im Allgemeinen eine Bohrung bzw. einen Durchgang auf, durch das
ein Medium strömen
kann.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist innerhalb des Kugelkükens eine Rückschlagventileinrichtung
ausgebildet. Bevorzugt weist das Kugelküken eine Bohrung auf, in der
ein Rückschlagventil
angeordnet ist. Ein solches Rückschlagventil
lässt das
Medium in einer Durchflussrichtung durch das Kugelküken bzw.
durch den Kugelhahn fließen,
sperrt aber unerwünschte
Rückflüsse gegen
diese Durchflussrichtung. Das Kugelküken ist beispielsweise über eine
Armatur drehbar. Eine Drehung um etwa 90 Grad des Kugelkükens unterbricht
den Materialstrom durch das Kugelküken und dichtet einen ersten
Leitungsabschnitt gegenüber
einem zweiten Leitungsabschnitt ab. Hierfür sind gegebenenfalls weitere
Dichtungselemente, wie beispielsweise Dichtringe, angeordnet. Wird
das Kugelküken um
weitere 90 Grad, also insgesamt um 180 Grad, gedreht, so wird auch
das Rückschlagventil
um 180 Grad gedreht und mit ihm die Rückschlagventilwirkung, was
bedeutet, dass sich die Fließrichtung
des Mediums umdrehen lässt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung weist das Kugelküken einen Durchgang mit einer
ersten Öffnung
und einer zweiten Öffnung
auf, wobei in den Durchgang eine Rückschlagventileinrichtung ausgebildet
ist, die ein Verschlusselement zum Verschließen der zweiten Öffnung und
ein Federelement, das das Verschlusselement zur zweiten Öffnung drückt, aufweist.
Somit ist das Kugelküken nur
von der zweiten Öffnung
zu der ersten Öffnung hin
durchströmbar.
Durch das Federelement schließt die
Rückschlagventileinrichtung
unterhalb einer bestimmten Druckdifferenz zwischen einem ersten
Leitungsabschnitt und einem zweiten Leitungsabschnitt, die jeweils
mit dem Kugelhahn verbunden sind, selbsttätig. Über die Auslegung des Federelements kann
zusätzlich
bestimmt werden, bei welcher Druckdifferenz das Rückschlagventil
schließt.
Bevorzugt ist das Federelement auswechselbar ausgebildet, so dass
Federelemente, die unterschiedliche Federkonstanten bzw. Federeigenschaften
aufweisen, eingesetzt werden können.
Somit können
unterschiedliche Wirkungen des Rückschlagventils
erreicht werden. Beispielsweise kann mit einer veränderten
Stärke des
Federelements die Druckdifferenz eingestellt werden, die zur Öffnung der
Rückschlagventileinrichtung
nötig ist.
Eine derartige Ausgestaltung ist auch geeignet, um große Durchflussmengen
zu ermöglichen,
wie sie beispielsweise bei Gas-Pipeline-Systemen oder Öl-Pipeline-Systemen
vorherrschen. Durch eine entsprechende Bearbeitung der durchgehenden Bohrung
des Kugelkükens
lässt sich
jeder Kugelhahn auch nachträglich
mit einer Rückschlagventileinrichtung
ausrüsten.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist der Kugelhahn für Gasleitungen
und/oder Ölleitungen
verwendbar. Solche Leitungen können
beispielsweise einen Durchmesser von 25,4 cm bis 142,24 cm (10 bis
56 Zoll) haben. In solchen Gasleitungen herrschen beispielsweise
Drücke
zwischen 1 und 400 bar (PN1 bis PN400). Derartige Kugelhähne sind
insbesondere für
Medien wie Gase, insbesondere Erdgas, Sauergas und/oder kohlenwasserstoffhaltige
Gase, oder Öle
geeignet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung weist das Kugelküken gegenüber dem Gehäuse und/oder gegenüber einem
ersten Leitungsabschnitt und einem zweiten Leitungsabschnitt, eine Metall-auf-Metall-Dichtung
auf.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung bestehen das Verschlusselement sowie
eine Verschlusskante an der zweiten Öffnung aus Metall. Somit wird
eine Metall-auf-Metall-Dichtung
zwischen dem Verschlusselement und der ersten Öffnung erreicht. Im geschlossenen
Zustand bestimmt die Berührkante
bzw. Berührfläche zwischen
dem Verschlusselement und der ersten Öffnung die Verschlusskante.
Dichtungen aus anderen Werkstoffen, insbesondere aus Gummi, können sich
bei dem Kontakt mit Gas, insbesondere kohlenwasserstoffhaltigen
Gasen, auflösen.
Durch die Verwendung von Metall-auf-Metall-Dichtungen wird insbesondere
bei Gasen ein Auflösen
bzw. ein Verschleißen
der Dichtungen vermieden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung bestehen das Verschlusselement sowie
die Verschlusskante an der zweiten Öffnung aus einem Edelstahl,
insbesondere um den Werkstoff mit der Nr. 1.4571. Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht das Federelement
aus einer Nickelbasislegierung, insbesondere aus INCONEL 718.
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Die
Erfindung betrifft ebenfalls ein Kugelküken zum Einsetzen in einen
erfindungsgemäßen Kugelhahn
mit einem Durchgang, der eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung aufweist,
und wobei in dem Durchgang eine Rückschlagventileinrichtung ausgebildet
ist. Ein derartiges Kugelküken
kann beispielsweise in einen Kugelhahn eingesetzt werden, um wenigstens
die folgenden Zustände
bewirken zu können:
Kugelhahn geschlossen in erster und zweiter Durchflussrichtung,
Kugelhahn geöffnet
in erster Durchflussrichtung und geschlossen in zweiter Durchflussrichtung,
Kugelhahn geschlossen in erster Durchflussrichtung und geöffnet in
zweiter Durchflussrichtung.
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Ausführungsbeispiele
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
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1 zeigt
eine Schnittansicht eines Kugelkükens
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
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2 zeigt
eine Schnittansicht eines Kugelhahns gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung mit einem Kugelküken
gemäß 1.
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1 zeigt
eine Schnittansicht eines Kugelkükens 1.
Das Kugelküken 1 weist
einen Körper 2 auf,
durch den ein Durchgang 3 mit einer ersten Öffnung 4 und
einer zweiten Öffnung 5 verläuft. Ein
Verschlusselement 6 wird von einer Feder 7 gegen
die zweite Öffnung 5 gedrückt und
liegt dort auf einer Verschlusskante 8 auf. Die Feder 7 wird
von einem Flansch 9 eines Führungselementes 10 befestigt. Das
Führungselement 10 dient
auch zur Führung
des Verschlusselements 6. Das Führungselement 10 ist so
angeordnet, dass sich das Verschlusselement 6 entlang einer
Mittelachse 11 des Durchgangs 3 bewegen kann.
Eine Stirnfläche 12 des
Führungselements 10 dient
als Anschlag für
das Verschlusselement 6. Das Führungselement 10 wird
von einem Abstandshalter 13, der sich an der zweiten Öffnung 5 des
Durchgangs 3 befindet, zentriert um die Mittelachse 11 des
Durchgangs 3 gehalten. Das Kugelküken 1 weist ferner
eine Vierkantbohrung 14 auf. Dieses dient beispielsweise
zur Aufnahme eines Vierkantschlüssels,
mit dem eine Drehung des Kugelkükens 1 um
eine Drehachse 15 erreicht werden kann.
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Der
Abstandshalter 13 ist mit einem Sicherungsring 16 versehen,
der aus einer Nickelbasislegierung (INCONEL 718) besteht. Das Führungselement 10,
das Verschlusselement 6, ein Sitzring 17 sowie
die Zylinderschrauben 18 bestehen aus einem Edelstahl.
Der Sicherungsring 16 und die Feder 7 bestehen
aus einer Nickelbasislegierung. Die Feder 7 drückt das
Verschlusselement 6 vor die zweite Öffnung 5 bzw. vor
den Sitzring 17, der sich an der zweiten Öffnung 5 befindet.
Die Berührfäche zwischen dem
Verschlusselement 6 und dem Sitzring 17 bilden die
Verschlusskante 8. Da sowohl das Verschlusselement 6 als
auch der Sitzring 17 aus einem Edelstahl besteht, liegt
eine Metall-auf-Metall-Dichtung
der zweiten Öffnung 5 vor.
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Um
das Ventil zu öffnen,
d. h. das Verschlusselement 6 in Richtung des Anschlages 19,
der sich an einer Stirnseite des Führungselements 10 befindet,
zu drücken,
muss der Druck an der zweiten Öffnung 5 größer sein
als der Druck an der ersten Öffnung 4.
Zudem muss diese Druckdifferenz groß genug sein, um den Druck
zu überwinden,
den die Feder 7 ausübt. Über die
Auslegung der Feder kann demnach bestimmt werden, bei welcher Druckdifferenz
sich die Rückschlagventileinrichtung öffnet. Die Metall-auf-Metall-Dichtung zwischen
dem Verschlusselement 6 und dem Sitzring 17 ist
beständig.
Insbesondere eine Verwendung von bei Kugelhähnen allgemein üblichen
Gummidichtungen würde
bei einem Medium wie Gas, insbesondere kohlenwasserstoffhaltige
Gase, und Öl seine
Beständigkeit
verlieren und sich gegebenenfalls sogar auflösen. Die Dichteigenschaft wäre dann
nach kurzer Zeit nicht mehr vorhanden. Dieses Problem wird durch
die Verwendung der Metall-auf-Metall-Dichtung gelöst.
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An
einer Stirnseite 20 ist das Verschlusselement 6 bogenförmig ausgebildet.
Die bogenförmige Ausbildung
dient dazu, um bei einem geöffneten
Ventil einen möglichst
wirbelfreien Durchfluss eines Mediums, wie Gas oder Öl, durch
den Durchgang 3 von der zweiten Öffnung 5 zu der ersten Öffnung 4 zu
ermöglichen.
Auf diese Art kann der Durchfluss durch den Durchgang 3 bei
geöffnetem
Ventil vergrößert werden.
Die Stirnseite 20 des Verschlusselements 6 kann
insbesondere die Form eines Kugelabschnitts aufweisen. Um diesen
Kugelabschnitt kann bevorzugt ein kreisförmiger Flansch angeordnet sein,
der zur Dichtung des zweiten Eingangs 5 dient. Dieser Flansch 21 weist
eine schräge
Kante 22 auf, die als Auflagefläche auf dem Sitzring 17 dient.
Durch das jeweilige Ausmaß dieser
Schräge
kann die Auflagefläche
zwischen dem Flansch 21 und dem Sitzring 17 vergrößert werden
und somit die Dichteigenschaften verbessert werden.
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Der
Abstandshalter 13, das Führungselement 10,
die Feder 7, das Verschlusselement 6 und der Sitzring 17 bilden
zusammen eine Rückschlagventileinrichtung.
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2 zeigt
eine Schnittansicht eines Kugelhahns 50, der ein Kugelküken 1 gemäß 1 aufweist.
Der Kugelhahn 50 weist ein Gehäuse 51 auf. Das Gehäuse 51 und
das Kugelküken 1 sind
mit einem ersten Leitungsabschnitt 52 und einem zweiten Leitungsabschnitt 53 verbunden.
Eine Metall-auf-Metall-Dichtung 54 dichtet das drehbar
gelagerte Kugelküken 1 gegenüber dem
ersten Leitungsabschnitt 52 und dem zweiten Leitungsabschnitt 53 ab.
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Ein
Durchfluss mit einem Medium von dem ersten Leitungsabschnitt 52 zum
zweiten Leitungsabschnitt 53 wird durch das Rückschlagventil
verhindert. Ein Medienfluss in entgegengesetzter Richtung, d. h.
vom zweiten Leitungsabschnitt 53 zum ersten Leitungsabschnitt 52,
wird erst möglich,
wenn die Druckdifferenz zwischen dem Druck in dem zweiten Leitungsabschnitt 53 gegenüber dem
Druck in dem ersten Leitungsabschnitt 52 den Druck der
Feder 7 überwindet.
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Das
Kugelküken 1 kann über eine
Welle 55, an deren Spitze sich ein Vierkant 56 befindet,
der in die Vierkantbohrung 14 des Kugelküken 1 eingebracht
ist, um die Drehachse 15 gedreht werden. Eine Drehung um
plus 90 Grad bzw. minus 90 Grad würde eine Vollsperrung bewirken,
d. h. ein Medienfluss vom ersten Leitungsabschnitt 52 zum
zweiten Leitungsabschnitt 53 und umgekehrt ist unterbrochen.
Eine Drehung um weitere 90 Grad würde die Rückschlagventilwirkung in ihrer
Richtung umkehren, d. h. dass dann ein Durchfluss vom zweiten Leitungsabschnitt 53 zum
ersten Leitungsabschnitt 52 durch die Rückschlagventilwirkung verhindert
wird, wobei Durchfluss vom ersten Leitungsabschnitt 52 zum zweiten
Leitungsabschnitt 53 möglich
ist, wenn die Druckdifferenz zwischen dem ersten Leitungsabschnitt 52 und
dem zweiten Leitungsabschnitt 53 den Druck der Feder 7 überwindet.
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Somit
weist der dargestellte Kugelhahn 50 zumindest drei Zustände auf:
nämlich
eine Vollsperrung, einen Durchfluss in eine erste Fließrichtung 57 und
einen möglichen
Durchfluss in eine zweite Fließrichtung 58,
die der ersten Fließrichtung
entgegengesetzt ist. Zudem kann bei Zwischenstellungen, beispielsweise
bei einer Drehung zwischen 0 und 90 Grad, auch der gemeinsame Querschnitt
der ersten Öffnung 4 des
Kugelkükens 1 und
des ersten Leitungsabschnitts 52 sowie der gemeinsame Querschnitt
der zweiten Öffnung 5 des
Kugelkükens 1 und des
zweiten Leitungsabschnitts 53 durch ein Drehen im oben
genannten Winkelbereich kontinuierlich verringert werden, womit
auch die Durchflussmenge gesteuert werden kann.