DE102014017453A1

DE102014017453A1 - Ventilvorrichtung, Verwendung einer solchen Ventilvorrichtung und zugehörige Dichteinrichtung

Info

Publication number: DE102014017453A1
Application number: DE102014017453.0A
Authority: DE
Inventors: Helmut Hiss; Markus Strupp
Original assignee: Hydac Accessories GmbH
Current assignee: Hydac Accessories GmbH
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2016-06-02
Also published as: US20160146357A1; US9939070B2

Abstract

Eine Ventilvorrichtung, insbesondere in Form eines Kugelhahnes (1), mit einem in einem Ventilgehäuse (2) bewegbar geführten Sperrorgan (3), das mittels einer Betätigungseinrichtung (4) von einer mindestens zwei Anschlussstellen (5) im Ventilgehäuse (2) über eine Fluidführung (6) miteinander verbindenden Durchgangsstellung in eine diese Verbindung unterbrechende Sperrstellung und umgekehrt bringbar ist, und mit einer Dichteinrichtung mit mindestens einem Dichtring, der mit seiner Mittenöffnung die Fluidführung (6) umfasst und entlang mindestens eines Dichtspaltes abdichtet, ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Dichtring der Dichteinrichtung in seinem Ringverlauf eine diesen unterbrechende Ringöffnung derart aufweist, dass der Dichtring von einer Ausgangsform in eine davon abweichende Einbauform gelangt, bei der er mit einer vorgebbaren Vorspannung mit erhöhter Dichtkraftwirkung den zuordenbaren Dichtspalt abdichtet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung, insbesondere in Form eines Kugelhahnes, mit einem in einem Ventilgehäuse bewegbar geführten Sperrorgan, das mittels einer Betätigungseinrichtung von einer mindestens zwei Anschlussstellen im Ventilgehäuse über eine Fluidführung miteinander verbindenden Durchgangsstellung in eine diese Verbindung unterbrechende Sperrstellung und umgekehrt bringbar ist, und mit einer Dichteinrichtung mit mindestens einem Dichtring, der mit seiner Mittenöffnung die Fluidführung umfasst und entlang mindestens eines Dichtspaltes abdichtet. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Verwendung einer solchen Ventilvorrichtung und eine Dichteinrichtung als Bestand- oder Ersatzteil für solche Ventilvorrichtungen.
Eine dahingehend gattungsgemäße Ventilvorrichtung ist aus der EP 2 336 614 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Lösung ist der jeweilige Dichtring als Teil der Dichteinrichtung in einer Aufnahmenut eines hülsenförmigen Schieberteils aufgenommen, wobei das Schieberteil unter der Einwirkung eines Energiespeichers in Form einer gewellten Federringanordnung mit einer vorgebbaren Anlagekraft gegen das Sperrorgan in Form eines mittels einer Kugelspindel betätigbaren Kugelkörpers angelegt ist, und das entlang von eine Führung bildenden Ventilgehäuseteilen unter Begrenzung des Dichtspaltes axial verfahrbar geführt ist. Das hülsenförmige Schieberteil ist zweifach vorhanden und der jeweiligen Anschlussstelle des Ventilgehäuses zugeordnet auf gegenüberliegenden Seiten des Sperrorgans angeordnet.
Bei der bekannten Lösung ist der jeweilige Dichtring aus einem geschlossenen O-Dichtring aus Elastomermaterial gebildet, der unter Vorspannung in der jeweils zuordenbaren Aufnahmenut des hülsenförmigen Schieberteils aufgenommen als Bestandteil der Gesamt-Dichteinrichtung sich sowohl am Nutgrund der Aufnahmenut, als auch unter Abdichtung des genannten Dichtspaltes an den die Führung für das jeweilige Schieberteil bildenden Ventilgehäuseteilen abstützt. Die bekannte Ventilvorrichtungslösung hat sich in der Praxis bestens bewährt und wird auch für Hochdruckanwendungen verwendet. Des Weiteren stellt es in der Regel keine Schwierigkeit dar, verschlissene O-Dichtringe gegen Neu-Dichtringe im Bedarfsfall zu tauschen. Die bekannte Lösung findet jedoch dort ihre Grenzen, wo etwaig auftretende Leckagen durch Versagen der Dichteinrichtung die Ausgangsbasis für verheerende Brände und Explosionen auf Öl- und Gasplattformen sein können, wobei der letzte größere Unfall der Deep Water Horizon im Golf von Mexiko einer breiten Öffentlichkeit bekannt wurde.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine auch für Hochdruckanwendungen konzipierbare Ventilvorrichtung mit ihren Komponenten, wie der Dichteinrichtung, dahingehend weiter zu verbessern, dass diese auch im Brandfall weiterhin, zumindest aber über einen längeren Einsatzzeitraum, voll funktionsfähig bleibt und demgemäß die Ventilvorrichtung für die Verwendung in Risikobereichen nutzbar macht, wie sie regelmäßig auf Öl- und Erdgasplattformen gegeben sind.
Eine dahingehende Aufgabe löst eine Ventilvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, wobei eine erfindungsgemäße Verwendungsmöglichkeit dieser Ventilvorrichtung im Anspruch 17 aufgezeigt ist nebst einer zugehörigen Dichteinrichtung gemäß der Lehre des Patentanspruchs 18, die die vorstehend geschilderten Erfordernisse im Rahmen ihres Einsatzes bei der beschriebenen Ventilvorrichtung gleichfalls sicherstellt.
Bei einer Ventilvorrichtung, welche die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist, ist gemäß dem kennzeichnenden Teil vorgesehen, dass zumindest ein Dichtring der Dichteinrichtung in seinem Ringverlauf eine diesen Verlauf unterbrechende Ringöffnung derart aufweist, dass der Dichtring von einer Ausgangsform in eine davon abweichende Einbauform gelangt, bei der er mit einer vorgebbaren Vorspannung mit erhöhter Dichtkraftwirkung den zuordenbaren Dichtspalt abdichtet.
Aufgrund der Unterbrechung des ansonsten geschlossenen Ringverlaufs über die vorzugsweise schlitzartig ausgestaltete Ringöffnung lässt sich in vorgebbaren Grenzen der Dichtring unter Vergrößern seines Innendurchmessers weiten, was jeweils seine unrunde Ausgangsform definiert, und wieder bei demgegenüber sich verkleinerndem Durchmesser in eine mögliche runde Einbauform so lange bis zu einer maximalen Endposition rückstellen, bei der unter Schließen der Ringöffnung die benachbarten Ringenden aneinanderstoßen. Sofern der Dichtring bevorzugt aus einem federelastischen Material, insbesondere aus einem hierfür geeigneten Metallwerkstoff, gebildet ist, erfolgt die Rückstellbewegung nach dem Weiten von selbst, was das Festlegen des Dichtringes innerhalb der Ventilvorrichtung im Bereich des abzudichtenden Dichtspaltes bei der Montage erleichtern hilft.
Es ist für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Ventilvorrichtungs- und damit in Verbindung stehender Abdichttechnik überraschend, dass er mit einem geschlitzten Dichtring, der eine unrunde Ausgangsform einnehmen kann, zu vergleichbar guten Dichtergebnissen gelangt wie mit der an sich geschlossenen O-Dichtringform, die, wie dargelegt, bevorzugt aus federelastischem Elastomermaterial gebildet ist und demgemäß in jeder Gestaltsform ihre einmal vorgegebene Rundheit grundsätzlich beizubehalten sucht. Ist der erfindungsgemäße Dichtring erst einmal mit seiner Einbauform in der Einbaulage innerhalb der Ventilvorrichtung mit ihren Wand- und Gehäuseteilen derart positioniert, dass er mit einer vorgebbaren Vorspannung und mithin mit erhöhter Dichtkraftwirkung den abzudichtenden Dichtspalt durchgreift und in Anlage kommt mit den den Dichtspalt mitbegrenzenden Wand- oder Gehäuseteilen, ist bereits eine hinreichend wirksame Abdichtung von innerhalb der Fluidführung geführten Medien gegenüber der Umgebung erreicht. Der Sinn der erfindungsgemäßen „fire-safe”-Ausführung ist der Erhalt der Funktion über eine gewisse Zeit, trotz externer Brandeinwirkung von außen; ob das durch die Ventilvorrichtung geführte Medium selbst brennbar ist oder nicht, ist insoweit nicht von primärer Bedeutung.
Diese Abdichtwirkung verbessert sich noch, wenn insbesondere im Hochtemperaturfall, der auch durch einen Brand gegeben sein kann, beispielsweise hervorgerufen durch innerhalb der Fluidführung geleitete, leicht entzündliche Medien, wie Methanol oder Methanhydrid, das grundsätzlich bei der Förderung von Erdgas sowie bei dessen Transport entsteht, der geschlitzte, vorzugsweise metallische Dichtring in Richtung seiner ursprünglichen Ausgangsform aufgeweitet wird und sich hierdurch die Dichtkraftwirkung noch weiter erhöht. Somit wird auch bei extremen Randbedingungen, wie sie durch einen Brandfall regelmäßig gegeben sind, nach wie vor unter Einhalten von einschlägigen Sicherheitsbestimmungen eine sichere funktionsfähige Abdichtung erreicht, die im Übrigen noch kostengünstig realisierbar und auch in der Wartung problemfrei ist.
Der unrunde Dichtringverlauf kann auch bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Ventilvorrichtung dadurch erreicht sein, dass der Dichtring in seiner Ausgangsform eine Steigung in der Art eines teilweisen Schraubenganges aufweist und dass der Dichtring später in seiner Einbauform innerhalb der Ventilvorrichtung in einer steigungsfreien Ebene liegt, mit einer dann in Axialrichtung gesehen vorhandenen Vorspannung, so dass grundsätzlich eine Abdichtung nicht nur in Umfangsrichtung des jeweiligen Dichtrings erreicht ist, sondern auch zusätzlich oder alternativ in einer axialen Einbaurichtung desselben.
In vorteilhafter Weise können die Ringöffnung begrenzende Ringenden des Dichtringes derart zueinander komplementär ausgebildete Verriegelungsteile aufweisen, dass zumindest in der Einbauform des Dichtringes sich die Ringenden gegenseitig verriegeln. Damit können die Ringenden zueinander ausgerichtet werden, so dass sowohl die geringfügig leckagebehaftete Ringöffnung möglichst klein ist, als auch der Übergang an einer Funktionsfläche des Dichtringes, insbesondere dessen dichtend anliegende Stirnfläche, gleichmäßig verlaufend ist.
Um im Hochtemperaturfall, der auch durch einen Brand gegeben sein kann, die Abdichtwirkung darüber hinausgehend zu verbessern, kann vorgesehen sein, dass der Dichtring eine Fläche aufweist, die zumindest einem Anteil eines innerhalb der Fluidführung variierenden Mediendruckes ausgesetzt ist, und dass der Dichtring mit seiner von der Fläche abgewandten Anlagefläche zumindest mittelbar am Ventilgehäuse sich derart abstützt, dass mit steigendem Mediendruck einander zugewandte Dichtflächen der zueinander komplementär ausgebildeten Verriegelungsteile stärker aneinander angedrückt sind. Ein schneller Anstieg des Mediendruckes, wie er beispielsweise bei der brandbedingten Erhitzung oder gar bei einer Explosion eines gasförmigen Mediums auftreten kann, führt somit sogar zu einer weiteren Verbesserung der Abdichtwirkung im Bereich des Dichtspaltes.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das jeweilige Verriegelungsteil das Ringende bildet und in Umfangsrichtung des Dichtringes gesehen derart eine Stufe ausbildet, dass in der Einbauform des Dichtringes die jeweilige Stufe vorzugsweise als Gleichbauteil zu der anderen Stufe seitenverkehrt unter Bildung einer Art Labyrinth in Anlage kommt. Dieses Labyrinth lenkt das durch die Ringöffnung fließende Leckagefluid mehrfach ab, so dass sich der Strömungswiderstand erhöht und damit die Dichtfunktion des Dichtringes im Bereich der Ringöffnung verbessert ist.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der jeweilige Dichtring in einer Aufnahmenut eines hülsenförmigen Schieberteils als Bestandteil der Dichteinrichtung aufgenommen ist, das unter der Einwirkung eines Energiespeichers, vorzugsweise in Form mindestens einer Tellerfeder, mit einer vorgebbaren Anlagekraft gegen das Sperrorgan angelegt und entlang von eine Führung bildenden Ventilgehäuseteilen unter Begrenzung des Dichtspaltes axial verfahrbar geführt ist. Diese Anlage des Schieberteils am Sperrorgan kann dabei auch über einen dünnen fluidischen Film erfolgen, der sich aus der Fluidführung ableitet, um dergestalt die Schmierung des betätigbaren Sperrorgans, regelmäßig in Form der Schließkugel, sicherzustellen. Dabei stellt die Anlagekraft eine gewisse Dichtheit am Sperrorgan auch bei thermisch und durch Verschleiß bedingten Längenänderungen der verschiedenen Bauteile der Ventilvorrichtung in diesem Bereich sicher.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der jeweilige Dichtring, der radial in seiner Umfangsrichtung in der Aufnahmenut des Schieberteils vorgespannt angeordnet ist, den Dichtspalt durchgreift und mit seiner radialen Vorspannung an der durch das Ventilgehäuse gebildeten Führung für das Schieberteil anliegt. Gemäß einer Weiterbildung hält der jeweilige radial vorgespannte Dichtring auf seiner Innenumfangsseite einen Abstand gegenüber dem Nutgrund der Aufnahmenut ein, so dass eine „überbestimmte” Aufnahme in der Einbaulage des Dichtringes in der Aufnahmenut über zu viele mögliche Anlagestellen, was die Abdichtwirkung beeinträchtigen könnte, vermieden ist.
Um die an sich schon gute Dichtwirkung an der jeweils geschlitzten Ringöffnung der Dichteinrichtung darüber hinausgehend zu verbessern, sind mehrere Dichtringe in axialer Hintereinanderanordnung am Außenumfang des Schieberteils angeordnet, wobei die Ringöffnungen benachbarter Dichtringe umfangsmäßig gegeneinander versetzt angeordnet sind. Hierdurch wird die freie Wegstrecke für etwaig auftretendes Leckagefluid erhöht, was die angestrebte Abdichtwirkung gleichfalls verbessert.
Ein besonders verschleißfester und thermisch beständiger Dichtring ist aus einem hochtemperaturfesten Material gebildet und besteht vorzugsweise aus einem nicht rostenden, hochwarmfesten Chrom-Stahl mit Molybdän-Zusatz.
Die Verwendung von benachbarten Dichtringen verschiedener Art stellt eine Dichtheit unter verschiedenen Randbedingungen, wie beispielsweise einer sich deutlich ändernden Temperatur, sicher. Damit ist es unter anderem möglich, neben einem aus Gründen des Brandschutzes besonders hochtemperaturfesten Dichtring einen weniger temperaturfesten, dafür aber einen demgegenüber in der Dichtwirkung verbesserten Dichtring, auch aus Elastomermaterial gebildet, anzuordnen. Demgemäß weist das Schieberteil neben der Aufnahme des jeweiligen Dichtringes der einen Art mindestens einen weiteren Dichtring einer anderen zweiten Art auf, der vorzugsweise mit mindestens einem Stützring zusammenwirkt, und dass der jeweils weitere zweite Dichtring und der jeweilige Stützring auf der vom Sperrorgan abgewandten Seite des Schieberteils liegen, um sie von der Einwirkung höherer Temperaturen, die ihre Dichtwirkung beeinträchtigen könnten, auszunehmen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der jeweilige Dichtring der anderen zweiten Art in einer zugeordneten weiteren Aufnahmenut im Schieberteil angeordnet und liegt in radialer Richtung gesehen abstandsfrei und mit einer vorgebbaren Vorspannung am Nutgrund dieser Aufnahmenut an und dichtet in Richtung der Führung gesehen den Dichtspalt insoweit auch nach innen ab.
Die Ventileinrichtung kann verwechslungssicher unabhängig von der Einbaurichtung in das Ventilgehäuse eingebaut werden. Dazu ist die jeweilige Dichteinrichtung zumindest bestehend aus einem Dichtring und dem Schieberteil auf beiden Seiten des Sperrorgans gleichermaßen angeordnet, wobei das jeweilige Schieberteil eine zylindrische Mittenausnehmung aufweist, die Teil der Fluidführung ist, die auf beiden Seiten des Ventils in die Fluid-Anschlussstellen des Ventilgehäuses ausmündet.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird sogar im Brandfall für eine vorgegebene Zeitspanne eine Dichtheit selbst an den nach außen geführten bewegbaren Teilen, wie beispielsweise einer Betätigungswelle für das Sperrorgan, erreicht. Dazu ist vorgesehen, dass die Betätigungseinrichtung im Ventilgehäuse drehbar geführt gegenüber der Umgebung mittels eines Dichtringpaketes als weiterer Bestandteil der Dichteinrichtung abgedichtet ist, die mindestens einen Dichtring dritter Art aufweist, vorzugsweise aus einer Vielzahl koaxial zu der Betätigungsachse des Sperrorgans übereinander angeordneter Graphit-Ringe gebildet ist, die jeweils den Dichtring dritter Art bilden.
Um den Einsatz von in der Praxis bewährter Bauteile zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass das Ventilgehäuse zumindest teilweise aus einzelnen Flanschteilen in der Art eines Baukastens zusammengesetzt ist, von denen ein Teil als weiterer Bestandteil der Dichteinrichtung mittels Dichtringen einer vierten Art, vorrangig in Form von metallischen C-Dichtringen, das Innere des Ventilgehäuses gegenüber der Umgebung zusätzlich abdichten.
Gemäß Inhalt des Patentanspruchs 17 ist Gegenstand der Erfindung auch eine Verwendung einer Ventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 im Bereich von Öl- und Erdgasplattformen, wobei sie zumindest im Bereich der Dichteinrichtung mit Dichtringen der ersten und vorzugsweise der vierten Art brandsicher ausgebildet ist, vorzugsweise die Brandsicherheitsbestimmungen nach API607, API6FA und ISO 10497 einhält.
Um dem Umstand Rechnung zu tragen, dass Dichtringe einem Verschleiß unterliegen, betrifft die Erfindung nach Anspruch 18 auch eine Dichteinrichtung mit mindestens einem Dichtring der einen Art, der als Bestand- oder Ersatzteil für eine Ventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 dient, wobei er in seinem Ringverlauf eine diesen unterbrechende Ringöffnung derart aufweist, dass der Dichtring von einer Ausgangsform in eine davon abweichende Einbauform innerhalb der Ventilvorrichtung gelangt, bei der er mit einer vorgebbaren Vorspannung eine erhöhte Dichtkraftwirkung ausübt.
Nachstehend ist die Erfindung im Einzelnen anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die
1 eine perspektivische Darstellung einer Ventilvorrichtung in Form eines Kugelhahnes;
2 einen Längsschnitt des Kugelhahnes aus 1;
3 einen in Blickrichtung auf die 2 gesehen linken Detailausschnitt in vergrößerter Wiedergabe und in der Art einer Schnittdarstellung; sowie
4 eine perspektivische Ansicht eines Dichtringes für die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung in seiner Einbauform.
Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung ist in Form eines Kugelhahnes 1 ausgebildet. Der Kugelhahn 1 weist ein Ventilgehäuse 2 auf, das gemäß der Darstellung nach der 1 auf seiner Unterseite quaderförmig ausgebildet ist und auf seiner Oberseite zylindrisch. In dem Ventilgehäuse 2 ist bewegbar ein Sperrorgan 3 geführt, das als Ventilkugel ausgebildet ist, die man fachsprachlich auch mit Ventilküken bezeichnet. Das dahingehende Sperrorgan 3 ist mittels einer Betätigungseinrichtung 4 von einer mindestens zwei Anschlussstellen 5 im Ventilgehäuse 2 über eine Fluidführung 6 miteinander verbindenden Durchgangsstellung (vgl. 2 und 3) in eine diese Verbindung unterbrechende Sperrstellung (nicht dargestellt) und umgekehrt bringbar. Ferner weist die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung eine Dichteinrichtung mit mehreren Dichtsystemen auf, was im Folgenden noch näher erläutert werden wird.
Als steuerbares Sperrorgan 3 zum Absperren und Freigeben des Strömungsweges in Form der Fluidführung 6 ist im Ventilgehäuse 2 mit zur Fluidführung 6 senkrechter Längsachse 7 eine Kugelspindel 8 als Teil der Betätigungseinrichtung 4 drehbar gelagert und zwar über innerhalb des Ventilgehäuses angeordnete Lagerstellen 9. Der Kugelkörper, der als Sperrorgan 3 ausgebildeten Ventilkugel weist eine Durchflussbohrung 10 auf, die durch Drehen der Kugelspindel 8 auf die den Mediendurchgang respektive die Fluidführung 6 bildenden Bohrungen 11 im Gehäuse 2 ausrichtbar ist. Zum Schalten des Kugelhahnes 1 durch Drehen der Kugelspindel 8 befindet sich an einem oben liegenden Endabschnitt der Kugelspindel 8 ein zweiarmiger Schalthebel 12, der über ein Kupplungsstück mit dem oberen Fortsatz der Kugelspindel 8 in üblicher und daher nicht mehr näher beschriebenen Weise verbunden ist. Mit dem genannten Kupplungsstück ist wiederum eine Begrenzungsscheibe 13 verbunden, die an ihrem Umfang mit Anschlagstiften 14 zusammenwirkt, um die mögliche Drehbewegung der Kugelspindel 8 auf eine maximale Drehung von 90° zu begrenzen, wobei die Drehendstellungen der Kugelspindel 8 der jeweiligen Offen- oder Schließstellung des Sperrorgans 3 entsprechen.
Wie insbesondere die 2 zeigt, ist das Ventilgehäuse 2 mehrteilig aufgebaut und der quaderförmige Abschnitt ist aus einem inneren Ventilgehäuseteil 15 gebildet, an das sich nach außen hin weitere Gehäuseteile 16, 17 anschließen, die als Gleichbauteile konzipiert sind. Der obere zylindrische Teil des Ventilgehäuses 2 weist zwei konzentrisch zur Längsachse 7 zueinander angeordnete Gehäuseteile 19 und 20 auf, die einen topfförmigen Aufnahmekörper 21 als weiterem Gehäuseteil umfassen, an dem sich Lagerteile der Kugelspindel 8 über die Lagerstellen 9 abstützen können (nicht näher dargestellt). Ferner ist gemäß der Darstellung nach der 2 auf der Unterseite des Ventilgehäuses 2 in dieses ein Lagerdeckel 22 eingesetzt, der die Kugelspindel 8 nach unten hin abschließt und an der sich die Kugelspindel 8 abstützt.
In der den Mediendurchgang respektive die Fluidführung 6 bildenden Bohrungen 11 befindet sich an jedem an das kugelförmige Sperrorgan 3 angrenzenden Abschnitt eine Dichtschale in Form eines hülsenförmigen Schieberteils 23 mit an die Außenwölbung des kugelförmigen Sperrorgans 3 angepasstem stirnseitigem Dichtrand. Das jeweilige Schieberteil 23 ist längsverschiebbar oder verfahrbar im inneren Ventilgehäuseteil 15 geführt und ist auf seiner dem Sperrorgan 3 abgewandten Seite mittels eines Energiespeichers in Form eines Tellefederpaketes 24 mit einer vorgebbaren Vorspannkraft an das Sperrorgan 3 angelegt. Das jeweilige Tellerfederpaket 24 stützt sich dabei mit seinem einen freien Ende an der anderen Stirnseite des hülsenförmigen Schieberteils 23 ab und mit dem anderen Ende an einer freien Stirnseite des insoweit vorkragend ausgebildeten weiteren Gehäuseteils 16 des Ventilgehäuses 2. Wie insbesondere die 3 zeigt, sind außenumfangsseitig am hülsenförmigen Schieberteil 23 umlaufend geführte ringförmige Aufnahmenuten 25 eingebracht, die der Aufnahme von Dichtringen der Gesamt-Dichteinrichtung dienen. Die beiden paarweise hintereinander angeordneten Aufnahmenuten 25, die dem Sperrorgan 3 zugewandt sind, nehmen jeweils einen Dichtring 26 auf, der mit seiner Mittenöffnung 27 (vgl. 4) die Fluidführung 6 unter Zwischenschaltung des Schieberteils 23 umfasst und diese gegenüber der Umgebung des Ventilgehäuses 2 entlang eines Dichtspaltes 28 abdichtet, der zumindest teilweise durch den Außenumfang des hülsenförmigen Schieberteiles 23 gebildet ist sowie den dahingehend freigelassenen Innenumfang des inneren Ventilgehäuseteils 15. Wie des Weiteren die 4 zeigt, ist der dahingehende Dichtring 26 in seinem Ringverlauf mit einer diesen Verlauf unterbrechende Ringöffnung 29 versehen und zwar derart, dass der Dichtring 26 von einer Ausgangsform (nicht dargestellt) in eine davon abweichende Einbauform gemäß den Darstellungen in den Figuren gelangt, bei der er mit einer vorgebbaren Vorspannung mit erhöhter Dichtkraftwirkung den zuordenbaren Dichtspalt 28 abdichtet.
Die angesprochene Ringöffnung 29 des Dichtringes 26 in Umfangsrichtung des Ringverlaufes gesehen ist dabei in ihrer Ausgangsform größer als in ihrer gezeigten Einbauform, in der die Ringöffnung 29 durch den Ringverlauf ansonsten im Wesentlichen vollständig geschlossen ausgebildet ist. Ist der Dichtring 26 geweitet, ist dessen innere Querschnittsfläche 30, die die Mittenöffnung 27 definiert, gleichfalls größer als in der in den Figuren gezeigten geschlossenen Ringform. Insoweit ist also der Dichtring 26 in seiner Ausgangsform von seinem Ringverlauf her unrund und in seiner Einbauform rund ausgebildet. Bei einer alternativen, nicht näher dargestellten Ausführungsform würde auch die Möglichkeit bestehen, in Blickrichtung auf die 4 gesehen die beiden Ringenden 31 und 32 des Ringes 26 in axialer Richtung quer zur Umfangsrichtung des Dichtringes 26 auseinanderzuziehen, so dass eine Art Steigung für den Dichtringverlauf entsteht mit einer hieraus resultierenden Vorspannung, die es dem Dichtring 26 später ermöglicht in der Einbaulage auch in Axialrichtung parallel zur Fluidführung 6 eine Dichtkraft auf die Ventilgehäuseteile auszuüben. Werden entgegen dieser axialen Vorspannung die beiden Ringenden 31, 32 gemäß der Darstellung nach der 4 wieder gegeneinander verfügt, ist die angesprochene Steigung beseitigt und der Dichtring 26 liegt in seiner dargestellten Einbauform in einer steigungsfreien Ebene.
Bei einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform lassen sich auch die radiale und axiale Vorspannung für den jeweiligen Dichtring 26 „überlappen”. Die Funktion des jeweiligen Dichtringes 26 ist aber in der Grundfunktion dergestalt, dass er in seiner in den 2 und 3 dargestellten Einbauform radial in seiner Umfangsrichtung in der zuordenbaren Aufnahmenut 25 des Schieberteiles 3 vorgespannt angeordnet ist und dabei mit dieser Vorspannung den angesprochenen Dichtspalt 28 durchgreift und dergestalt mit seiner radialen Vorspannung an der durch das innere Ventilgehäuseteil 15 als Teil des Ventilgehäuses 2 gebildeten Führung 33 für das Schieberteil 23 anliegt. Ferner ist, wie in der 3 andeutungsweise dargestellt, der jeweilige radial vorgespannte Dichtring 26 auf seiner Innenumfangsseite mit einem vorgebbaren Radialabstand gegenüber dem Nutgrund der Aufnahmenut 25 gehalten. Ferner sind zwei Dichtringe 26 in axialer Hintereinanderanordnung am Außenumfang des Schieberteils 23 angeordnet, wobei die Ringöffnungen 29 benachbarter Dichtringe 26 umfangsmäßig entlang des Schieberteils 23 gegeneinander versetzt angeordnet sind. Der jeweilige Dichtring 26 ist bevorzugt aus einem hochtemperaturfesten Material gebildet, vorzugsweise aus einem nicht rostenden, hochwarmfesten Chrom-Stahl mit Molybdän-Zusatz.
Wie des Weiteren die 4 zeigt, sind die die schlitzartige Ringöffnung 29 begrenzenden Ringenden 31, 32 des Dichtringes 26 derart zueinander komplementär ausgebildet, dass Verriegelungsteile gebildet sind, die zumindest in der in 4 gezeigten Einbauform des Dichtringes 26 die gegenseitige Verriegelung der Ringenden 31, 32 und damit das „Schließen” des Ringes ermöglichen. Dergestalt ist eine sichere, dichte Verriegelung der Ringenden 31 und 32 in Umfangsrichtung gegeben, soweit die beiden Ringenden 31, 32 aufeinander zugestellt werden, was ebenso für den Fall der Verschiebung in einer quer dazu verlaufenden axialen Richtung gilt. Der Dichtring 26 weist mindestens eine stirnseitige Abdichtfläche 34 auf, die zumindest teilweise einem innerhalb der Fluidführung 6 herrschenden und variierenden Mediendruck ausgesetzt ist, wobei der jeweilige Dichtring 26 mit seiner von dieser Fläche 34 abgewandten Rand-Anlagefläche 35 zumindest mittelbar am Ventilgehäuse 2 über das innere Ventilgehäuseteil 15 sich abstützt, und wobei mit einem steigenden Mediendruck einander zugewandte Dichtflächen im Bereich der zueinander komplementär ausgebildeten Verriegelungsteile über die Ringenden 31, 32 stärker aneinandergedrückt sind und dergestalt verlässlich die Abdichtung im Bereich der Ringöffnung 29 bewirken können. Um das dahingehende Verriegelungsteil zu erhalten, ist am jeweiligen Ringende 31, 32 eine Stufe ausgebildet, wobei in der Einbauform des Dichtringes 26 die jeweilige Stufe vorzugsweise als Gleichbauteil zu der anderen Stufe (s. 4) seitenverkehrt unter Bildung einer Art Labyrinth in Anlage kommt. Dergestalt entsteht eine Art Labyrinthdichtung mit erhöhter Dichtkraftwirkung im Bereich der freien Ringenden 31, 32, die die Öffnung 29 begrenzen.
Mit den angesprochenen Dichtringen 26 in der einen ersten Art ist ein hochtemperaturfestes Dichtsystem im Rahmen der Gesamt-Dichteinrichtung verwirklicht. Das Schieberteil 23 weist jedoch neben der Aufnahmemöglichkeit für den jeweiligen Dichtring 26 der einen ersten Art mindestens einen weiteren Dichtring 36 der zweiten Art auf, der vorzugweise mit mindestens einem Stützring 37 zusammenwirkt, wobei der jeweils weitere zweite Dichtring 36 und der jeweilige Stützring 37 auf der vom Sperrorgan 3 abgewandten Seite des Schieberteils 23 liegen. So ist der Dichtring 36 der zweiten Art regelmäßig aus einem Elastomermaterial gebildet, der zwar eine gute Abdichtung von Dichtspalten grundsätzlich ermöglicht; aber mit dem Nachteil der Temperaturempfindlichkeit einhergeht. Der Stützring 37 in Kombination mit dem Elastomer-O-Dichtring 36 ist zum Führen und Abdichten verfahrbarer Teile wie dem Schieberteil 23 hinreichend bekannt, so dass hier auf die Details nicht mehr näher eingegangen wird.
In Übereinstimmung mit der Dichtringanordnung 26 ist auch der jeweilige Dichtring 36 der zweiten Art in einer zugeordneten weiteren Aufnahmenut 25 im Schieberteil 23 angeordnet und dabei in radialer Richtung gesehen jedoch abstandsfrei und mit einer vorgebbaren Vorspannung sowohl am Nutgrund dieser Aufnahmenut 25 anliegend als auch in Richtung der Führung 33 gesehen und den Dichtspalt 28 abdichtend positioniert. Wie bereits erwähnt und insbesondere in der 2 dargestellt, ist die jeweilige Dichteinrichtung insoweit aus zwei Dichtsystemen gebildet mit mindestens einem steif ausgebildeten und geschlitzten Dichtring 26 und einem elastisch nachgiebigen und in sich geschlossenen O-Ring 36. Das insoweit aufgebaute Dichtsystem, konzeptionell bestehend aus zwei verschiedenen Arten von Dichtringen 26 und 36, ist auf beiden Seiten des Sperrorgans 3 angeordnet und die Mittenausnehmung 38 des jeweiligen hülsenförmigen Schiebeteils 23 ist Teil der Fluidführung 6, die auf beiden Seiten des Ventilgehäuses 2 in die Fluid-Anschlussstellen 5 ausmündet.
Die Betätigungseinrichtung 4 mit Spindeltrieb 8 ist wie bereits erläutert im Ventilgehäuse 2 drehbar geführt und gegenüber der Umgebung mittels eines Dichtringpaketes 40 als weiterer System-Bestandteil der Dichteinrichtung abgedichtet, wobei mindestens ein Dichtring der dritten Art 42 vorgesehen ist, der koaxial zu der Betätigungsachse des Sperrorgans 3, die mit der Längsachse 7 des Kugelhahnes 1 zusammenfällt, im Ventilgehäuse 2 angeordnet ist. Vorzugsweise ist eine Vielzahl koaxial zu dieser Betätigungsachse des Sperrorgans übereinander angeordnete Graphitringe vorhanden, die jeweils den Dichtring 42 der dritten Art ausbilden. Die dahingehenden Dichtringe 42 sind in Übereinanderanordnung verpresst in dem topfförmigen Aufnahmekörper 21 als einem weiteren Ventilgehäuseteil aufgenommen, der stationär angeordnet im oberen Teil des Ventilgehäuses 2 integriert ist. In dem kugelartigen Sperrorgan 3 ist koaxial zur Längsachse 7 ein Druckausgleichskanal 43 vorhanden, der von der Durchflussbohrung 10 des Sperrorgans 3 ausgeht und im Rahmen des Spindeltriebs 8 in einen Ausgleichsraum 44 einmündet, der insoweit über einen Elastomerring 45 als weiterem Dichtmittel und dem darüber angeordneten Stützring in den Aufnahmeraum des Aufnahmekörpers 21 mit den Graphit-Dichtringen 42 ausmündet. Der Druckausgleichskanal 43 und der Druckausgleichsraum 44 dient dem teilweisen Druckausgleich am Anlaufbund des Spindeltriebes 8, um ein niedriges Schaltmoment unter Druck zu erzielen, wenn sich das Sperrorgan 3 in der Durchgangsstellung befindet.
Zusätzlich zu dieser Abdichtung ist vorgesehen, dass das aus einzelnen Flansch- und Gehäuseteilen 15, 16, 17 sowie 19, 20 und 21 zusammengesetzte Ventilgehäuse 2 in der Art eines Baukastens konzipiert ist, wobei ein Teil dieser Gehäuseteile, insbesondere die Teile 17 und 21 als weiterem Bestandteil eines weiteren Dicht-Systems vorrangig metallische C-Dichtringen einsetzen, die das Innere des Ventilgehäuses 2 gegenüber der Umgebung gleichfalls abdichten.
Die vorstehend beschriebene Ventilvorrichtung ist insbesondere geeignet für einen Einsatz im Bereich von Öl- und Erdgasplattformen. Dadurch dass sie zumindest im Bereich der Dichteinrichtung mit Dichtringen der ersten, der dritten und vorzugsweise der vierten Art brandsicher ausgebildet ist, lassen sich in einem weiten Rahmen vorgegebene Brandsicherheitsbestimmungen ohne Weiteres einhalten. Ferner ist die Ventilvorrichtung als Ganzes derart konzipiert, dass im Versagensfall ohne Weiteres ein Dichtring der ein oder anderen Art vor Ort ausgetauscht werden kann. Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung lässt sich aber auch beispielsweise bevorzugt im verfahrenstechnischen Bereich immer dort einsetzen, wo sie medienführend an Drittbaukomponenten angeschlossen ist, die leicht entzündliche Fluide jeder Art führen und steuern oder sich in einer leicht entzündlichen Umgebung befinden. Die vorstehend beschriebene Ventilvorrichtungslösung hat so keine Entsprechung im Stand der Technik.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2336614 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 10497 [0023]

Claims

Ventilvorrichtung, insbesondere in Form eines Kugelhahnes (1), mit einem in einem Ventilgehäuse (2) bewegbar geführten Sperrorgan (3), das mittels einer Betätigungseinrichtung (4) von einer mindestens zwei Anschlussstellen (5) im Ventilgehäuse (2) über eine Fluidführung (6) miteinander verbindenden Durchgangsstellung in eine diese Verbindung unterbrechende Sperrstellung und umgekehrt bringbar ist, und mit einer Dichteinrichtung mit mindestens einem Dichtring, der mit seiner Mittenöffnung (27) die Fluidführung (6) umfasst und entlang mindestens eines Dichtspaltes (28) abdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Dichtring (26) der Dichteinrichtung in seinem Ringverlauf eine diesen unterbrechende Ringöffnung (29) derart aufweist, dass der Dichtring (26) von einer Ausgangsform in eine davon abweichende Einbauform gelangt, bei der er mit einer vorgebbaren Vorspannung mit erhöhter Dichtkraftwirkung den zuordenbaren Dichtspalt (28) abdichtet.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringöffnung (29) des Dichtringes (26) in Umfangsrichtung des Ringverlaufes und/oder in einer quer dazu verlaufenden Axialrichtung gesehen in ihrer Ausgangsform größer ist als in ihrer Einbauform, in der die Ringöffnung (29) vorzugsweise vollständig geschlossen ist.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (26) in seiner Ausgangsform von seinem Ringverlauf her unrund ausgebildet ist und/oder eine Steigung aufweist, und dass der Dichtring (26) in seiner Einbauform rund ausgebildet ist bzw. in einer steigungsfreien Ebene liegt.
Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Ringöffnung (29) begrenzenden Ringenden (31, 32) des Dichtringes (26) derart zueinander komplementär ausgebildete Verriegelungsteile aufweisen, dass zumindest in der Einbauform des Dichtringes (26) sich die Ringenden (31, 32) gegenseitig verriegeln.
Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (26) eine Fläche (34) aufweist, die zumindest einem Anteil eines innerhalb der Fluidführung (6) variierenden Mediendruckes ausgesetzt ist, und dass der Dichtring (26) mit seiner von der Fläche (34) abgewandten Anlagefläche (35) zumindest mittelbar am Ventilgehäuse (2) sich derart abstützt, dass mit steigendem Mediendruck einander zugewandte Dichtflächen der zueinander komplementär ausgebildeten Verriegelungsteile stärker aneinander angedrückt sind.
Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Verriegelungsteil das Ringende (31, 32) bildet und in Umfangsrichtung des Dichtringes (26) gesehen derart eine Stufe ausbildet, dass in der Einbauform des Dichtringes (26) die jeweilige Stufe vorzugsweise als Gleichbauteil zu der anderen Stufe seitenverkehrt unter Bildung einer Art Labyrinth in Anlage kommt.
Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Dichtring (26) in einer Aufnahmenut (25) eines hülsenförmigen Schieberteils (23) als Bestandteil der Dichteinrichtung aufgenommen ist, das unter der Einwirkung eines Energiespeichers, vorzugsweise in Form mindestens einer Tellerfeder (24), mit einer vorgebbaren Anlagekraft gegen das Sperrorgan (3) angelegt und entlang von eine Führung (33) bildenden Ventilgehäuseteilen (15) unter Begrenzung des Dichtspaltes (28) axial verfahrbar geführt ist.
Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Dichtring (26), der radial in seiner Umfangsrichtung in der Aufnahmenut (25) des Schieberteils (23) vorgespannt angeordnet ist, den Dichtspalt (28) durchgreift und mit seiner radialen Vorspannung an der durch das Ventilgehäuse (2) gebildeten Führung (33) für das Schieberteil (23) anliegt.
Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige radial vorgespannte Dichtring (26) auf seiner Innenumfangsseite einen Abstand gegenüber dem Nutgrund der Aufnahmenut (25) einhält.
Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dichtringe (26) in axialer Hintereinanderanordnung am Außenumfang des Schieberteils (23) angeordnet sind, und dass die Ringöffnungen (29) benachbarter Dichtringe (26) umfangsmäßig gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Dichtring (26) aus einem hochtemperaturfesten Material gebildet ist, vorzugsweise aus einem nicht rostenden, hochwarmfesten Chrom-Stahl mit Molybdän-Zusatz besteht.
Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schieberteil (23) neben der Aufnahme des jeweiligen Dichtringes (26) der einen Art mindestens einen weiteren Dichtring (36) einer anderen zweiten Art aufweist, der vorzugsweise mit mindestens einem Stützring (37) zusammenwirkt, und dass der jeweils weitere zweite Dichtring (36) und der jeweilige Stützring (37) auf der vom Sperrorgan (3) abgewandten Seite des Schieberteils (23) liegen.
Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Dichtring (36) der anderen zweiten Art in einer zugeordneten weiteren Aufnahmenut (25) im Schieberteil (23) angeordnet ist und in radialer Richtung gesehen abstandsfrei und mit einer vorgebbaren Vorspannung am Nutgrund dieser Aufnahmenut (25) anliegt und in Richtung der Führung (33) gesehen den Dichtspalt (28) abdichtet.
Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Dichteinrichtung zumindest bestehend aus einem Dichtring (26; 36) und dem Schieberteil (23) auf beiden Seiten des Sperrorgans (3) angeordnet ist, und dass das jeweilige Schieberteil (23) eine Mittenausnehmung (38) aufweist, die Teil der Fluidführung (6) ist, die auf beiden Seiten des Ventilgehäuses (2) in die Fluid-Anschlussstellen (5) ausmündet.
Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung (4) im Ventilgehäuse (2) drehbar geführt gegenüber der Umgebung mittels eines Dichtringpaketes (40) als weiterer Bestandteil der Dichteinrichtung abgedichtet ist, die mindestens einen Dichtring (42) dritter Art aufweist, vorzugsweise aus einer Vielzahl koaxial zu der Betätigungsachse des Sperrorgans (3) übereinander angeordneter Graphit-Ringe gebildet ist, die jeweils den Dichtring (42) dritter Art bilden.
Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (2) zumindest teilweise aus einzelnen Gehäuse- oder Flanschteilen (15, 16, 17, 19, 20, 21) in der Art eines Baukastens zusammengesetzt ist, von denen ein Teil (16, 21) als weiterer Bestandteil der Dichteinrichtung mittels Dichtringen (46) einer vierten Art, vorrangig in Form von C-Dichtringen, das Innere des Ventilgehäuses (2) gegenüber der Umgebung zusätzlich abdichten.
Verwendung einer Ventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche im Bereich von Öl- und Erdgasplattformen, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest im Bereich der Dichteinrichtung mit Dichtringen der ersten (26), der dritten (42) und vorzugsweise der vierten (46) Art brandsicher ausgebildet ist, vorzugsweise die Brandsicherheitsbestimmungen nach AP1607, AP16FA und ISO 10497 einhält.
Dichteinrichtung mit mindestens einem Dichtring (26) der einen ersten Art, der als Bestand- oder Ersatzteil für eine Ventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 dient, dadurch gekennzeichnet, dass er in seinem Ringverlauf eine diesen unterbrechende Ringöffnung (29) derart aufweist, dass der Dichtring (26) von einer Ausgangsform in eine davon abweichende Einbauform innerhalb der Ventilvorrichtung gelangt, bei der er mit einer vorgebbaren Vorspannung eine erhöhte Dichtkraftwirkung ausübt.