DE2457230C3 - Hahn zum Absperren und Steuern von Hochtemperatur-Strömungsmedien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hahn zum Absperren und Steuern von Hochtemperatur-Strömungsmedien, bei dem mindestens an der einen Seite des Kükens ein gegen dieses auch während der Drehbewegung mit großer Kraft gepreßter Sitzring angeordnet ist und eine der beiden relativ zueinander beweglichen Sitzflächen eine Schicht aus einer Hartmetallegierung aufweist Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf den Kugelhahn, bei dem die sphärisch gestaltete Außenfläche des Kükens normalerweise an zwei Sitzringen zur Anlage kommt, die beidseitig der Rotationsachse vorgesehen sind und schaienförmige Dichtflächen aufweisen, die der sphärischen Gestalt des Kükens entsprechen.

Ein altes Problem solcher Hähne ist die Gefahr, daß sich die Sitzflächen in die Oberfläche des Kükens einfressen.

Dieses Problem tritt besonders bei hohen Betriebstemperaturen auf, die beispielsweise, wenn das abzusperrende Medium überhitzter Dampf ist bis auf 400°C und mehr ansteigen können. Bisher ist kein nichtmetallisches Dichtungsmaterial bekannt, das die in diesem Zusammenhang auftretenden Spannungen und Kräfte aufnehmen kann. Konventioneller Kohlenstoffstahl oder Stahllegierungen sind ungeeignet, da die Härte solcher Stähle bei heute üblicherweise auftretender Dampftemperaturen schnell abnimmt. Die einzige bekannte Lösung des Problems lag bisher darin, die Dichtflächen von Sitz und Küken aus Stellit, einer Kobalt Chrom-Metallegierung herzustellen, die den Dichtflächen in diesem Temperaturbereich eine außergewöhnliche Härte von mehr als 350 Hb verleiht, aber noch die Möglichkeit gibt, die Dichtflächen bezüglich ihrer geometrischen Form und Oberflächenstruktur durch unterschiedliche Schleifverfahren extrem genau fein zu bearbeiten.

Es ist praktisch nicht möglich, genau festzustellen, warum in den Dichtungen von Hochtemperaturhähnen solche Anfressungen auftreten. Da eine größere Anzahl von Schwierigkeiten verursachenden Faktoren zusammenwirken, kann man theoretisch keine Grenzwerte festlegen, bei denen bei einer vorgegebenen Hahnkonstruktion Anfressungen auftreten. Vielmehr müssen diese Faktoren empirisch erfaßt werden.

Bei Kugelhähnen ist dieses Problem noch besonders kompliziert, da zwischen dem Küken und den Dichtringen ein relativ hoher spezifischer Flächendruck erzeugt wird, den der maximale Arbeitsdruck des Hahnes und auch das Erfordernis bestimmt, das den Hahn in dem gesamten fraglichen Druckbereich vollständig abdichten muß. Es ist noch zu beachten, daß dieser Flächendruck, anders als bei anderen Ventilarten, ständig zwischen den Dichtflächen, und zwar selbst beim Öffnen und Schließen des Hahnes, einwirkt wenn die Dichtflächen eine relative drehende Gleitbewegung ausführen. Im Falle von zwei Dichtflächen, die bei Temperaturen von 400° bis 500° C arbeitsfähig sein sollen, bewirkt die besondere Konstruktion dieses Hahnes, daß das Risiko des Fressens ganz besonders groß wird. Die Erfahrung zeigte, daß bei Herstellung beider Dichtflächen aus der vorerwähnten Hartmetallegierung Stellit das Ventil bis zur Unbrauchbarkeit beschädigt wird. Aus diesem Grunde hat man bisher Kugelhähne nicht für Hochtemperaturanwendungen benutzt

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Hahnes der einleitend genannten Art, bei dem das Risiko des Fressens nicht nur innerhalb normaler Anwendungsbereiche ausgeschaltet wird, sondern mit dem auch in einem oberen Temperaturbereich gearbeitet werden kann, den man bisher wegen des vorerwähnten Fressens auslassen mußte. Es handelt sich also vor allem um die Verminderung der vorerwähnten Freßtendenzen und die Vergrößerung der kritischen Werte von Kugelhähnen u. dgl. in Bezug auf Dampftemperaturen und hohe Drücke, welche die Anwendung solcher Hähne in mit überhitztem Dampf arbeitenden Systemen stark behindert oder unmöglich gemacht hat In diesem Zusammenhang ist es erwünscht, daß man die erfindungsgemäße Dichtanordnung bei einem Kugelhahn, der innerhalb heutiger Arbeitsbereiche ausgiebig getestet wurde, anbringen kann, so daß sich Kugelhähne in gleicher Grundkonstruktion sowohl im neuen Arbeitsbereich als auch in den bisher üblichen Arbeitsbereichen weiterverwenden lassen.

Diese Aufgabe wird bei Hähnen der einleitend genannten Art dadurch gelöst, daß die andere der beiden Sitzflächen mit einer mechanisch nachbearbeiteten, metallisch reinen Molybdän-Auflageschicht versehen ist

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend pnhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kugelhahn mit doppeltem Ventilsitz und
F i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1.

In das Gehäuse 1 des Kugelhahnes ragen von beiden Seiten zwei Anschlußstücke 2 hinein. In diesen Anschlußstücken sind Gewindeabschnitte 3 vorgesehen, die dem Einbau des Kugelhahnes diei.en. Zwischen den Gewindeabschnitten 3 liegt ein Durchflußkanal, dessen Querschnitt von Ringflanschen 4 und Ventilsitzen bestimmt wird, die im Inneren der Anschlußstücke 2 vorgesehen sind. Entsprechend der am häufigsten verwendeten Konstruktion von Kugelhähnen sind zwei Ventilsitze 5' und 5" vorgesehen, welche in konzentrischer Lage von Führungsflächen 6 gehalten werden. Die Führungsflächen 6 sind an Ringen vorgesehen, die in einander parallelen Ebenen liegen, die den Durchflußkanal rechtwinklig schneiden.
Der Mittelteil des Durchflußkanals nimmt ein Küken 7 auf, in dem sich eine kreisförmige Bohrung 8 befindet. Das Küken 7 ist über einen Vierkant oder eine ähnliche Drehmomente übertragende Kupplung 9 mit einem Betätigungszapfen 10 verbunden. Der Zapfen 10 ruht drehbar in einer am Ventilgehäuse 1 befestigten Kappe, welche eine Stopfbuchse oder eine ähnliche Abdichtung enthält Die Kappe 11 ist mit einem Anschlag 12 versehen, der zusammen mit einem drehfest mit dem Zapfen 10 verbundenen Betätigungsgriff 13 die

Einstellung des Zapfens und des Kükens festlegt In F i g. 1 ist der Kugelhahn geöffnet dargestellt Um den Kugelhahn zu schließen, verdreht man den Zapfen um 90°, so daß die Kükenbohrung 8 nicht mehr eine Verbindung zwischen den Anschlußstücken 2 herstellt Die geschlossene Stellung des Kugelhahnes ist in F i g. 2 mit gestrichelten Linien eingezeichnet.

Die Ventilsitze 5, die im Falle anderer zylindrischer oder konischer Hähne der Kükenwandform angepaßt sind, bestehen bei der dargestellten Ausführung-form aus einem .-Metallischen Sitzring 14, einer Packung 15, die in einem konischen Ringraum zwischen dem Sitzring und der Führungsfläche 6 liegt und bei für Dampf vorgesehenen Hähnen zweckmäßigerweise aus Asbest besteht, um einem Druckring 16, der axial verschieblich in dem Raum hinter der Packung 15 liegt Zwischen dem Druckring 16 und dem Ringflansch 4 des Gehäuses befindet sich neben jedem Ventilsitz eine Ringfeder 17 oder ein sonstiges elastisches Bauteil, das über den Druckring 16 eine Kraft überträgt, die sich gleichförmig über den Umfang des Ventilsitzes verteilt und zum Teil dafür sorgt, daß die Packung 15 zusammengedrückt wird, um Sickerverluste entlang der Führungsfläche 6 zu verhindern und den inneren Hohlraum 18 des Gehäuses zwischen den Dichtungen gegenüber den Anschlußstükken 2 abzudichten. Zum andern sorgt die Ringfeder auch noch dafür, daß die zusammenwirkenden Sitzflächen gegeneinandergedrückt werden.

Wie bei allen Hähnen ergibt sich auch hier zwischen allen Hauptbauteilen, von denen hier angenommen ist, daß sie aus Hartmetall bestehen, eine ständige flächige Anlage, die erfordert, daß die Sitzfläche 19 des Kükens 7 durch einen symmetrischen Rotationskörper, beispielsweise eine Kugel, definiert ist, wobei die Rotationsachse sich in Richtung des Betätigungszapfens 10 erstrecken muß. Um ein korrektes flächiges Anliegen zu erhalten, ist es erforderlich, daß die Sitzfläche 20¹ und 20" eines jeden Sitzringes 14 eine Form hat, die exakt mit der Form der Sitzfläche 19 des Kükens 7 übereinstimmt oder mit anderen Worten, daß die zwei Teile eines jeden Sitzflächenpaares entlang einer kontinuierlichen Linie oder Fläche aneinander zur Anlage kommen. Im Falle eines Kugelhahnes ergibt sich ditac flächige Beaufschlagung dadurch, daß die beiden Sitzflächen schalenförmig verlaufen und einem Kugelradius entsprechen, der gleich dem Kugelradius der Sitzfläche 19 ist. Ferner muß sichergestellt sein, daß die Mittelpunkte der Kugelflächen mindesters angenähert zusammenfallen.

Ein willkürlich gewähltes Flächenelement M der Sitzfläche 19 (F i g. 2), das bei der Drehung des Kükens die Sitzfläche 20 beaufschlagen kann, bewegt sich auf einem kreisförmigen Weg, der in einer senkrecht zur Drehachse stehenden Ebene X-X liegt und Quer über die Dichtfläche verläuft. Bei jedem Schließen und öffnen überstreicht das Flächenelement M in wechselnden Richtungen mit einem bestimmten Druck stets den gleichen Streifen N der Sitzfläche 20, während bei Beginn und/oder dem Ende des gleichen Bewegungszyklusses das gleiche Flächenelement ui.d der gleiche Streifen einander nicht mehr berühren.

Bei dieser Beaufschlagung werden die sich gleitend gegeneinander bewegenden Oberflächen gegeneinander gedruckt und zwar zum Teil durch die Kraft der vorerwähnten Ringfeder 17, welche die Dichtkraft bei den geringsten auftretenden Arbeitsdrücken vergrößert und zum Teil durch eine Kraft, welche eine Funktion des momentan am Ventil auftretenden Druckabfalles ist Zusammengenommen liefern diese zwei äußeren Kräfte eine Oberflächenbelastung, die ihren Maximalwert hat, wenn sich die Dichtflächen bei ihrer Bewegung in der Nähe der Schließstellung befinden. Diese maximale Belastung führt zu einem spezifischen Sitzflächendruck, der wesentlich höher ist als der Druck des durchströmenden Mediums.

Es sei angenommen, daß dieser Sitzflächendruck gleichmäßig über die gesamte Sitzfläche 20 verteilt ist, vorausgesetzt, daß die zusammenwirkenden Flächen eines jeden Sitzflächenpaares bei der Herstellung eine Form erhielten, die ideal mit der zuvor festgelegten geometrischen Gestalt übereinstimmt und ferner, daß diese ideale Form auch bei der Betätigung des Kisgelhahnes aufrechterhalten werden kann.

Es versteht sich, daß die zuvor beschriebene Bewegungsgeometrie einer Kugelhahnverdichtung, deren Hauptbestandteile als starr angesehen werden können, bezüglich der mechanischen Festigkeit ganz wesentlich ungünstiger ist als bei anderen Ventilarten, bei denen der Ventilkörper sich winklig zum Ventilsitz hin und von ihm fortbewegt und bei denen unter hoher Oberflächenbelastung keine relative Gleitbewegung auftritt. Wenn man jetzt davon ausgeht daß das Oberflächenelement M in F i g. 2 ein Vorsprung ist, der von der idealen Kugelform abweicht, entsprechend einer in der Praxis möglichen geringfügigen Ovalverformung oder eines sonstigen leichten geometrischen Fehlers in der Außenfläche, ergibt sich ein Oberflächendruck, der verglichen mit dem Druck unter idealen Verhältnissen, erheblich erhöht ist, wenn das Oberflächenelement A-/sich relativ zum Streifen V der anderen Dichtfläche bewegt. Ein solcher Fehler in der Fläche kann in der Praxis den Sitzring 14 vom einen Rand zum anderen ankratzen, da die Fehlerstelle stets in gleicher Weise bewegt wird, wenn man den Kugelhahn betätigt Im schlimmsten Falle kann ein solcher örtlicher Vorsprung und eine Erhöhung des Flächendruckes dazu führen, daß die Dichtflächen aneinanderfressm.

Um Anfressungen oder Verschweißungen der Dichtungen zu vermeiden und Reibungskräfte zu vermindern, wird einer der zwei Bauteile 7 und 14 für die Sitzflächenpaare 19,20' und 19,20" des Kugelhahns mit einer Auflage 21 versehen, welche aus metallischem Molybdän von sehr großer Reinheit besteht. Das Molybdän wird vorzugsweise im Plasma-Sprühverfahren thermisch aufgebracht, indem man das Metall in geschmolzener und fein verteilter Form gegen das Basismaterial schleudert, so daß es dort anhaftet. Bei dem Basismaterial kann es sich um eine Stahllegierung handeln. Man kann das Molybdän auch durch Gas- oder Elektroschweißung aufbringen, vorausgesetzt, daß die Schicht homogen und dicht ist und gut dm Grundmaterial anhaftet. Ein solcher Belag erhält eine Härte von etwa 250 H_v.

Nach dem Aufbringen des Belages 21 auf den Dichtungsring oder die Dichtungsringe des Kugelhahnes, wird die Molybdänoberfläche fein abgearbeitet zu einer Oberflächengestalt, die den Erfordernissen für die Sitzflächen 20' und 20" entspricht. Die andere Sitzfläche, die mit der Molybdänauflage, d. h. der Sitzfläche 19 des Kükens 7 zusammenarbeitet, wurde bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in konventioneller Weise aus Stellit oder einem ähnlichen Material mit einer Härte von etwa 400 H_v hergestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Hahn zum Absperren und Steuern von Hochtemperatur-Strömungsmedien, bei dem mindestens an der einen Seite des Kükens ein gegen dieses auch während der Drehbewegung mit großer Kraft gepreßter Sitzring angeordnet ist und eine der beiden relativ zueinander beweglichen Sitzflächen eine Schicht aus einer Hartmetallegierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die andere der beiden Sitzflächen (19,20') mit einer mechanisch nachbearbeiteten, metallisch reinen Molybdän-Auflageschicht (21) versehen ist