-
Federbelastetes Überdruckventil mit Schnappwirkung Die Erfindung betrifft
ein federbelastetes Überdruckventil mit Schnappwirkung, mit einem Ventilschließkörper
und mit Mitteln zur Vorspannung des Schließkörpers in Richtung auf einen Ventilsitz.
-
Beim Bohren von Erdlöchern wird Bohrschlamm innerhalb des Bohrloches
umgewälzt, um die Bohrschneide zu schmieren, die Bohrspäne aus dem Bohrloch zu entfernen
und einen ausreichenden hydrostatischen Druck aufrechtzuerhalten, der den Austritt
von Öl, Gas oder anderer Flüssigkeit verhindert, wenn im Verlauf der Bohrung ein
unter Druck stehendes Lager einer solchen Flüssigkeit angeschnitten werden sollte.
In. der Bohrschlammleitung ist ein Überdruckventil vorgesehen. Dieses Überdruckventil
liegt auf der Druckseite der Pumpe und hat das Auftreten unzulässig hoher Drücke
zu verhindern.
-
Es sind zu diesem Zweck Überdruckventile bekannt, die mit einem Abscherbolzen
ausgerüstet sind, welche dann, wenn überhöhte Drücke in der Bohrschlammleitung auftreten,
abgeschert werden und eine Öffnung des Ventils zulassen. Diese Überdruckventile
haben den Nachteil, daß ein neuer Abscherbolzen jeweils dann installiert werden
muß, wenn das Überdruckventil einen Überdruckausgleich herbeigeführt hat. Ein weiterer
Nachteil liegt darin, daß die Lebensdauer dieser Ventile infolge der Abnutzung durch
den Bohrschlamm kurz ist, denn die Ventilteile werden durch den mit hoher Geschwindigkeit
fließenden Bohrschlamm starker Erosion ausgesetzt.
-
Ferner ist ein Überdruckventil bekannt, dessen Öffnung durch den Druck
in seinem Einlaß erst dann erfolgt, wenn die durch den Einlaßdruck hervorgerufene
Öffnungskraft die ihr entgegenwirkende Schließkraft einer Feder merklich übersteigt.
Das Ventil öffnet sich dann schlagartig. Die Größe des Einlaßdruckes, bei dem sich
das Ventil öffnet, ist aber nicht einstellbar, sondern durch die Bemessung der die
Schließkraft ausübenden Feder festgelegt. Es handelt sich dabei um eine Tellerfeder,
die umspringen kann.
-
Bei einer besonderen Ausführungsform dieses genannten Ventils ist
die die Schließkraft ausübende Feder einstellbar. Dieses Ventil arbeitet aber mit
Faltenbälgen, die durch die Gesamtkonstruktion des Ventils dadurch bedingt sind,
daß ein vom Einlaßdruck beaufschlagtes Stellglied für einen Riegel den Verschlußteil
des Ventils umgibt.
-
Das erfindungsgemäße Überdruckventil eingangs genannter Art ist demgegenüber
gekennzeichnet durch einen Hauptkolben, der durch den Druck im Eimaß des Ventils
bewegbar ist, um den Schließkörper gegen seine Vorspannung von dem Ventilsitz zu
heben, durch ein Sperrglied zur Blockierung des Hauptkolbens, das den Hauptkolben
hindert, den Schließkörper von dem Ventilsitz zu heben, und durch ein Steuerglied
für das Sperrglied, das auf den Druck im Einlaß anspricht und das Sperrglied lösen
kann, so daß es den Hauptkolben freigibt, wenn der Druck im Einlaß auf eine vorgegebene
Höhe ansteigt, die wesentlich größer ist als diejenige, die erforderlich ist, um
den Schließkörper von dem Ventilsitz gegen die Vorspannung seiner Schließfeder anzuheben.
-
Bei der erfindungsgemäßen Ventilkonstruktion liegt das vom Einlaßdruck
heaufschlagte Stellglied für den Riegel im Innern des Hauptkolbens. Dadurch ist
eine sehr einfache Abdichtung möglich.
-
Ein erfindungsgemäßes Ventil eignet sich insbesondere als Überdruckventil
für Bohrschlammleitungen an Erdbohrgeräten. Es kehrt selbsttätig in seine Ruhelage
zurück, wenn nach Auftreten eines zeitlich begrenzten Überdruckes der Normaldruck
wiederhergestellt ist. Es ist einstellbar, so daß es auf verschiedene Drücke ansprechen
kann. Bei Wirksamwerden des Überdruckventils treten die empfindlichen Ventilteile
rasch aus dem Bereich der mit hoher Geschwindigkeit fließenden erodierenden Flüssigkeit
aus. Sowohl in Öffnungsstellung als auch in Schließ-
Stellung sind
die beweglichen Ventilteile durch Schnappwirkung feststellbar, so daß ein Flattern
des Ventils nicht möglich ist.
-
In einer Ausbildungsform der Erfindung ist das Überdruckventil dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens ein weiteres mit einer Feder belastetes Sperrglied
innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und in eine Ausnehmung eingreift, die innerhalb
des Hauptkolbens vorgesehen ist, um den Hauptkolben in der Ofenstellung des Ventils
zu halten, bis der Druck im Eimaß unter eine vorgegebene dritte Höhe gefallen ist,
die zwischen der erstgenannten und der zweitgenannten vorgegebenen Höhe liegt. Vorkehrungen,
um ein Ventil in Ofenstellung festzuhalten bzw. dann schließen zu lassen, wenn der
Einlaßdruck merklich abgesunken ist, sind an sich bekannt.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventil in seiner
geschlossenen Stellung, F i g. 2 einen entsprechenden Längsschnitt - durch das geöffnete
Ventil, F i g. 3 einen Längsschnitt durch eine abgeänderte Ausführungsform wieder
in der geschlossenen Stellung, F i g. 4 einen Schnitt durch das Ventil der F i g.
3 in der offenen Stellung.
-
Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte Ventil umfaßt ein rohrförmiges
Gehäuse 11, zusammengesetzt aus einem oberen Gehäuseteil 12 und einem unteren Gehäutetei114;
die beiden Gehäuseteile sind durch eine Schraubverbindung 16 miteinander verbunden.
Die lichte Weite des oberen Gehäuseteiles 12 ist in einem oberen Abschnitt 18 etwas
größer als in einem unteren Abschnitt 20 dieses Gehäuseteiles; die beiden Abschnitte
gehen durch eine nach oben weisende Schulter 22 ineinander über. Eine Ringnut 24
ist in die Wandung des Abschnittes 18 eingeschnitten, und zwar in der Nähe,
aber etwas über der Schulter 22. Die untere Begrenzungsfläche 26 der Ringnut 24
liegt in einer zur Längsachse normalen Ebene, während die obere Begrenzungswand
28 nach oben und innen hin konvergiert. Der Zweck der Ringnut 24 und ihrer
besonderen Formgebung wird noch im einzelnen angegeben werden.
-
Der untere Gehäuseteil 14 besitzt in einem oberen Abschnitt 30 eine
große lichte Weite. An diesen Abschnitt schließt sich über eine Schulter 31 ein
Abschnitt 32 mit geringerer lichter Weite an. Der untere Abschnitt 32 ist der Auslaß
des Ventils. Eine seitliche Bohrung 34 durchsetzt diesen oberen Abschnitt 30, die
den Einlaß des Ventils bildet.
-
Ein ringförmiger Ventilsitz 40 ist in eine Gewindebohrung 42 des oberen
Abschnittes 30 eingeschraubt. Dieser ringförmige Ventilsitz 40 umgibt das
obere Ende des unteren, als Ausfluß dienenden Abschnitt 32 und befindet sich unterhalb
der als Zufluß dienenden Bohrung 34. Der Ventilsitz liegt auf der ringförmigen Schulter
31 auf. Der Ventilsitz 40 ist von einem Metallring 44 gebildet, in den ein
Dichtkörper 46 aus elastischem Werkstoff eingelassen ist, der an seinem oberen Ende
kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Ein Hauptkolben 50 ist in dem oberen Gehäuseteil
12 gleitend verschiebbar. Er setzt sich zusammen aus einem Flanschkörper 52 und
einem unteren Fortsatz 54 von verringertem Durchmesser, der in dem unteren Abschnitt
20 des Gehäuseteils 12 geführt ist. Der Flanschkörper 52 und sein
unterer Fortsatz 54 gehen ineinander über eine nach unten weisende Schulter 56 über,
welche an der nach oben weisenden Schulter 22 in dem Gehäuseteil 12 anzuliegen kommt
und damit die Abwärtsbewegung des Kolbens begrenzt. An der Außenseite des unteren
Fortsatzes 54 des Kolbens sind Dichtungsringe 58 angebracht, welche eine Abdichtung
zwischen dem Kolben und der Wand des Abschnittes 20 bewirken.
-
Das untere Ende des Hauptkolbens 50 weist eine zylindrische Verlängerung
60 auf. Ein Ventilkörper 62 ist auf der zylindrischen Verlängerung 60 gleitend
verschiebbar und wird durch eine Schraubenmutter 64 gehalten, die auf ein Gewinde
66 am Ende der Verlängerung 60 aufgedreht ist.
-
An der Innenfläche des Ventilkörpers 62 sind Ringnuten 63 für die
Aufnahme von Dichtungsringen 65 untergebracht. Diese dichten zwischen dem Ventilkörper
62 und der zylindrischen Verlängerung 60 des Kolbens 50 ab.
An dem Ventilkörper 62 ist eine nach unten konvergierende Fläche 68 angeformt,
welche gegen die Kegelstumpffläche des Ventilsitzes 40
drückt, wenn der Kolben
50 in dem Gehäuse seine unterste Lage einnimmt. Das untere Ende des Kolbens
50 weist eine Vielzahl von Sackbohrungen 70
auf, die auf einem Kreis
um die Längsachse des Ventils verteilt sind. Eine Feder 72 in jeder dieser
Bohrungen 70 stützt sich gegen den Hauptkolben 50, um diesen elastisch auf den Ventilsitz
40 zu pressen.
-
Am oberen Ende des Kolbens 50 ist ein Fortsatz 80 angebracht,
dessen Durchmesser gegenüber dem Flanschkörper 52 des Kolbens vermindert ist. Eine
Schraubenfeder 82 umgibt den Fortsatz 80 und stützt sich mit ihrem
unteren Ende gegen die obere Abschlußfläche des Flanschkörpers 52 des Kolbens
50
und mit ihrem oberen Ende gegen die Unterseite einer Kappe 84, die auf
das obere Ende des Gehäuses 12 aufgeschraubt ist. Die Feder 82 drückt den Kolben
50 nach unten, um den Ventilkörper 62 im Eingriff mit dem Ventilsitz
zu halten.
-
Da der Ventilkörper 62 an den Kolben 50 befestigt ist
und mit diesem bewegt wird, wird der Kolben 50 im folgenden Hauptkolben genannt.
-
Eine axiale Bohrung 90 großen Durchmessers in dem Kolbenfortsatz
80 und dem Flanschkörper 52 des Hauptkolbens 50 geht über eine nach unten konvergierende
Übergangsfläche 92 in eine Axialbohrung 94 verminderten Durchmessers im unteren
Kolbenfortsatz 54 über. Die Axialbohrung 94 endet kurz über dem unteren Ende
des Kolbenfortsatzes 54 und steht mit dessen äußeren Umfang durch eine Vielzahl
von Radialbohrungen 96 in Verbindung. Ein kleiner Steuerkolben 100 ist innerhalb
des Hauptkolbens 50 verschiebbar. Der Steuerkolben 100 setzt sich
zusammen aus einem Kopf 102, welcher in der Bohrung 90 gleitend verschiebbar
ist, und einem Hals 104, welcher in der Bohrung 94 gleitend verschiebbar ist. Dichtungsringe
105 am Hals des Steuerkolbens 100 dichten zwischen diesem und der Bohrung
94. Der Kopf und der Hals des Steuerkolbens 100 gehen über eine nach
unten konvergierende Nockenfläche 106 ineinander über.
-
Innerhalb der Bohrung 90 ist eine Schraubenfeder 110 untergebracht,
die sich einerseits gegen die obere Abschlußfläche des Steuerkolbens 100, um diesen
in seiner unteren Lage gegenüber dem Hauptkolben 50 zu halten, andererseits gegen
die nach unten gerichtete Stirnfläche einer Stopfbüchse 112, die in einen
Gewindering 114 eingeschraubt ist, abstützt; der Gewindering
seinerseits
ist in das obere Ende des Hauptkolbenfortsatzes 80 eingeschraubt. Ein Rundstab 116
reicht durch die Stopfbüchse 112 hindurch und weist eine seitliche Längsnut 118
auf, die mit einer Feder 120 an der Innenseite der Stopfbüchse 112 im Eingriff steht,
so daß sich die Stopfbüchse 112 bei Verdrehung des Rundstabes mitdreht und in den
Ring je nach Drehrichtung weiter hinein- oder weiter herausgeschraubt wird, wobei
sich die Vorspannung der Schraubenfeder 110 ändert.
-
Das obere Ende des Rundstabes 116 ist durch eine Öffnung der Kappe
84 hindurchgeführt und in dieser verdrehbar. Zwischen der Kappe 84 und dem Rundstab
116 ist eine Schraubverbindung 122 vorgesehen, so daß die aus der Kappe vorstehende
Länge des Rundstabes ein Maß für die Vorspannung der Schraubenfeder 110 darstellt.
Zur Anzeige des öffnungsdruckes kann darauf auch eine Skala angebracht werden.
-
Eine Vielzahl von Radialbohrungen 130 sind in dem Flanschkörper
52 des Hauptkolbens 50 eingelassen, und zwar an solcher Stelle, daß sie mit der
Ringnut 24 an der Innenseite des Gehäuses 12 fluchten, wenn der Hauptkolben 50 seine
unterste Stellung einnimmt. In jeder der Bohrungen 130 ist ist ein Sperrglied untergebracht,
bestehend aus zwei Walzen 132, die durch ein Verbindungsglied 134 in Abstand voneinander
gehalten werden. Die Länge des Verbindungsgliedes 134 ist so bemessen, daß entweder
die eine Walze über den Flanschkörper 52 nach außen vorsteht oder die andere Walze
über die Bohrung 90 nach innen. In der in F i g. 1 dargestellten Schließstellung
des Ventils hält der Steuerl---lben 100 den Sprengkörper in seiner radial
äußeren Stellung, in der die radial äußere Walze in die Ringnut 24 eingreift
und somit den Hauptkolben 50 in seiner untersten Stellung sperrt.
-
Ein zweites Gesperre 139 ist vorgesehen, um den Hauptkolben 50 in
seiner oberen Stellung zu halten. Zu diesem Gesperre gehört eine Ringnut 140 im
unteren Fortsatz 54 des Hauptkolbens 50. Die Ringnut 140 wird von einer unteren
zur Achse des Ventils normalen Fläche 142 und einer nach oben divergierenden Fläche
144 gebildet. An dem Gehäuse 12 ist ein seitlicher Rohransatz 150 angebracht, welcher
eine radial verschiebbare Stange 152 aufnimmt, die an ihrem inneren Ende eine Walze
154 trägt. Eine Feder 156 drückt auf das äußere Ende der Stange 152 und stützt sich
andererseits gegen einen Schraubstopfen 158, der in den Ansatz 150 eingeschraubt
ist. Wenn der Hauptkolben 50 in seine obere Stellung tritt, d. h. geöffnet wird,
drückt die Feder 156 die Walze 154 in die Ringnut 140.
-
Wenn in der vorstehenden Beschreibung von unten und oben die Rede
ist, so beziehen sich diese Ausdrücke nur auf die figürliche Darstellung. Sie sollen
keineswegs zum Ausdruck bringen, daß die überdruckventile gemäß der Erfindung stets
die in den Figuren dargestellte Lage einnehmen müssen. Die Federkräfte sind so groß,
daß die Gewichte der einzelnen Teile vernachlässigbar sind und deshalb die Ventile
in jeder Lage verwendet werden können.
-
Bei Verwendung des vorstehend beschriebenen Ventils 10 ist dessen
Öffnung 34 an die abzusichernde Hochdruckleitung, beispielsweise an die Bohrschlammleitung
eines Erdbohrgerätes, angeschlossen. Die Ventilausflußöffnung 32 ist beispielsweise
mit einer Bohrschlammgrube verbunden. Die Ventilteile befinden sich bei geschlossenem
Ventil in den Stellungen gemäß F i g. 1, d. h., der Ventilkörper 62 liegt dicht
auf dem Ventilsatz 40 auf. Wenn der Druck in der Bohrschlammleitung ansteigt, so
wirkt er auf die schmale Stufe des Hauptkolbens 50 unterhalb der Dichtungsringe
58 ein und versucht ihn. in dem Gehäuse 11 nach oben zu verschieben. Der Ventilkolben
50 wird jedoch in seiner unteren Stellung durch die' Sperrwalzen 132 gehalten, die
in die 'Ringmit 24 des Ventilgehäuses eingreifen.
-
Der Hochdruckgelangt durch die Radialbohrungen 96 auch in die Bohrung
94 und übt eine nach oben gerichtete Kraft auf den Steuerkolben IM aus. Wenn
der Druck in der angeschlossenen Bohrschlammleitung hoch genug wird, um den Steuerkolben
100 gegen den Druck der Feder 110 anzuheben, -so werden die Sperrwalzen 132 freigegeben
und können sich nach innen verschieben. Der auf den Hauptkolben 50 wirkende Druck
läßt dann diesen Kolben in die in F i g. 2 dargestellte Stellungen nach oben schnappen,
und die Sperr-Rolle 154 rastet nunmehr in die Ringnut 140 ein, um den Hauptkolben
in dieser oberen öffenen Stellung zu halten. Die Flüssigkeit aus der Bohrschlammleig
kann nunmehr nach der Ausflußöffnung 32 :fließen.
-
Wenn der Druck der durch die Öffnung 34 fließenden Flüssigkeit so
weit absinkt, daß er zusammen mit der durch die Sperrwalzen 154 in Richtung nach
oben auf den Hauptkolben ausgeübten Kraft nicht mehr ausreicht, um die nach unten
wirkende Kraft der Feder 82 zu überwinden, Iäßt diese Feder den Hauptkolben 50 wieder
nach unten schnappen, bis die Schulter 56 auf die Schulter 22 des Gehäuses aufschlägt.
Die Feder 110 drückt dann den Steuerkolben 100 ebenfalls wieder nach unten,
und die Nockenfläche 106 schiebt die Sperrwalzen 132 radial nach außen, so
daß sie wieder in .die Ringnut 24 treten.
-
Der Hauptkolben 50 hat ein kleines Spiel gegenüber dem Ventilsitz
40; der Ventilkörper 62 ist an dem Hauptkolben aufgehängt und wird durch die Feder
72 in dichtender Berührung mit dem Ventilsitz 40 gehalten. Dieses Spiel des Hauptkolbens
50 und die federnde Aufhängung des Ventilköpers 62 kompensiert etwaige Abnutzung
der Ventilteile 62 und 46 durch die reibende Berührung der Flüssigkeit.
-
Festzuhalten ist, daß der Rundstab 116 mit dem Hauptkolben
50 nicht nach oben geht, viehmehr gleitet die Stopfbüchse 112 über den Rundstab
so lange hinweg, bis der Hauptkolben durch Anschlag an einen Gummipuffer 160 an
der Unterseite der Kappe 84 abgebremst wird.
-
Der Druck, bei welchem das Ventil 10 öffnet, ist direkt proportional
der Vorspannung der Feder 110,
da dieser Druck zunächst den Steuerkolben 100
gegen diese Federkraft nach oben zu verschieben hat. Deshalb kann das Ventil
10 verstellt werden, so daß es bei verschiedenen Drücken in der Bohrschlammleitung
anspricht. Die Verstellung erfolgt einfach dadurch, daß der Rundstab 116 und mit
ihm die Stopfbüchse 112 gedreht wird, und zwar in dem Sinn, daß die Stopfbüchse
nach oben wandert und die Vorspannung der Feder 110 verringert wird oder, umgekehrt,
daß die Vorspannung vergrößert wird.
-
Die beweglichen Teile des Ventils 10, d. h. der Hauptkolben 50 und
seine zugehörigen Teile befinden sich außerhalb des Stromes der mit hoher Geschwindigkeit
strömenden Flüssigkeit, welche das
Ventil 10 bei Öffnung
durchsetzt; deshalb werden diese Teile durch den Strom dieser Flüssigkeit nicht
angegriffen. Der Ventilsitz 40, welcher unvermeidlich angegriffen wird, ist
leicht austauschbar, ohne daß die Einstellung der übrigen Ventilteile gestört werden
muß. Der Austausch erfolgt durch Abschrauben des oberen Gehäuseteils 12 des Gehäuses
11 von dem unteren Gehäuseteil 14. Sämtliche beweglichen Ventilteile bleiben dabei
innerhalb des Gehäuseteils 12 und werden mit diesem von dem Gehäuseteil
14 getrennt. Dabei wird nur der Ventilsitz 40 zugänglich, so daß er
aus dem Gehäuseteil 14
herausgeschraubt und ersetzt werden kann. Der Ventilkörper
62 ist ebenfalls der Flüssigkeit etwas ausgesetzt; wenn notwendig, so kann er ersetzt
werden, indem man die Schraubenmutter 64 abnimmt. Das Ventil 10 wird sodann wieder
zusammengesetzt, indem Gehäuseteil 12 und Gehäuseteil 14 zusammengeschraubt werden.
-
In der Ausführungsform der F i g. 3 und 4 sind die wesentlichen Teile
des Ventils dieselben wie in der Ausführungsform der F i g. 1 und 2. Gleiche Teile
haben die gleichen Bezugsziffern wie in F i g. 1 und 2. Der Hauptunterschied zwischen
der Ausführungsform der F i g. 3 und 4 und derjenigen der F i g. 1 und 2 liegt allein
in den dichtenden Teilen.
-
Ein Ventilsitzring 40 a ist in ein Gewinde 42 a einer Bohrung
30 a eingeschraubt. Die Bohrung 30 a befindet sich am oberen Ende
eines Ausflußkanals 32a unmittelbar neben und unter einem Zuflußkanal
34a; der Ventilsitzring 40a weist eine innere Bohrung 170 auf.
Der Hauptkolben 50 a besitzt ein nach unten verlängertes Ende
60a, welches in der Bohrung 170 des Ventilsitzringes 40a verschiebbar ist. Eine
Ringnut 172 ist in dem Mantel der Verlängerung 60 a des Hauptkolbens
50 a ausgebildet; sie nimmt einen Dichtungsring 174
auf, welcher eine Dichtung zwischen der Bohrung 170 und der Verlängerung
60 a des Hauptkolbens schafft, wenn der Hauptkolben in die Bohrung 170 eingreift.
-
Man erkennt daneben noch einen anderen konstruktiven Unterschied zwischen
der Ausführungsform der F i g. 3 und 4 und derjenigen der F i g. 1 und 2. In der
Ausführungsform der F i g. 3 und 4 kommt eine im Querschnitt sechskantige Stange
116 a zur Anwendung. Diese steht im Eingriff mit einer sechseckigen Durchbrechung
der Stopfbüchse 112a. Die sechseckige Stange und die sechseckige, diese Stange aufnehmende
Durchbrechung ersetzen hier die in der zuvor beschriebenen Ausführungsform angewandte
Federnutverbindung. An die Kappe 84a schließt sich hier eine Kammer 85 a
an, welche einen Gummidämpfer 160a aufnimmt. Die Sperrwalzen 132 a sind durch
Platten 134 a in Abstand voneinander gehalten. Der Hauptkolben
50 a wird in seiner oberen Stellung durch eine Vielzahl von Sperrgliedern
139a gehalten.