DE3152977T1

DE3152977T1 - Schmelzstopfen fuer feuersicheres ventil

Info

Publication number: DE3152977T1
Application number: DE19813152977
Authority: DE
Inventors: John Houston Texas Benson; Richard G. Stroud Furley; Maurice H. Woodchester Struod Nightingale
Original assignee: Smith International Inc
Current assignee: Smith International Inc
Priority date: 1981-09-14
Filing date: 1981-09-14
Publication date: 1983-09-08
Also published as: AU7642681A; GB8506952D0; NL8120363A; GB2153493A; GB2153493B; EP0088077A1; EP0088077B1; GB2115530B; WO1983001100A1; EP0088077A4; GB2115530A; JPS58501475A

Description

Schmelzstopfen für feuersicheres Ventil Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Ventile, insbesondere Absperrventile mit durchgehender Leitung und nicht steigendem Stößel, die unter Bedingungen von Feuer extremer Wärme standhalten ohne externe oder durchgehende Leckverluste oder Druckblockierung.

Stand der Technik

Feuer ist immer eine Gefahr für den Öl- und Gasbetrieb gewesen, und es ist von größter Dichtigkeit, daß Ausrüstungen unter solchen Bedingungen ihre Funktion aufrechterhalten. Ventile gehören zu den Ausrüstungsgegenständen, die Feuerumständen ausgesetzt werden und müssen den Anforderungen des American Petroleum Institute "API Recommended Practice Fire Test for Valves", bezeichnet als API RP6f, 2. Auflage, Dezember I98O entsprechen. Zusammenfassend gehört _zu jenen Anforderungen, daß unter Bedingungen eines Feuers am stromaufwärts liegenden Ende ein Druck von 3750 psi (258,6 bar) . und nach dem Abkühlen ein Druck am stromaufwärtsliegenden Ende von 5000 psi (3^5 bar) aufrechterhalten wird sowie die Möglichkeit, das Ventil, nachdem es sich abgekühlt hat, gegen den vollen Nenndruck zu betätigen.

Bei einem herkömmlichen Absperrventil mit durchgehender Leitung und nicht steigendem Stößel hat der Ventilkörper einen Strömungsweg, durch den die Fluide der Rohrleitung strömen, und eine Kammer, die den Strömungsweg im Innern des Ventilkörpers schneidet. Im Innern der Kammer ist ein Schieber über den Strömungsweg hin- und herbewegbar angebracht, wobei z.B. in der oberen Stellung eine Strömungsöffnung im Schieber mit dem Strömungsweg ausgerichtet ist, damit die Fluide der Leitung durch das Ventil strömen können, während der

Schieber in der unteren Stellung die Strömung durch den Strömungsweg blockiert. Der Schieber wird im Innern der Ventilkammer durch eine mechanische Einrichtung hin- und herbewegt, z.B. durch ein Handrad, welches auf einem mit dem Schieber verbundenen Schaft angebracht ist, wodurch der Schieber veranlaßt wird, sich zum Öffnen und Schließen des Ventils quer über den Strömungsweg zu bewegen. Die Schaftöffnung der Ventilkammer ist von einer Haube abgeschlossen. Eine Schaftpackung liefert eine Abdichtung zwischen dem Schaft und der Haube.

Unter Feuerbedingungen wird ein derartiges herkömmliches Absperrventil von Flammen umschlossen, die das Ventil auf Temperaturen von bis zu HQO⁰C erhitzen können. Eine so extreme Wärme verursacht 1.) daß die Ventildichtungen sich verschlechtern und 2.) daß die Ventilfluide verdampfen. Der Verlust an Abdichtung bewirkt externe und durchgehende Leckverluste. Durch die Verdampfung der eingeschlossenen Ventilfluide werden gefährlich hohe Drücke im Innern der Ventilkammer erzeugt.

Die folgenden Patente werden als zum Stand der Technik gehörige Patente genannt, die schmelzbare Beilagscheiben in Ventilen oder ähnlichen Geräten offenbart haben: US-PS 2 6^7 721 (Volpin), US-PS h 082 105 (Allen), US-PS Λ 2l4 600 (Williams, Jr. et al.) und US-PS k 2^-5 66l (McGee). Das Volpin-Patent 2 647 721 offenbart einen an einer Ventilschaftdichtung anliegenden Schmelzring, der so angeordnet ist, daß er unter erhöhten Temperaturen unter Schaffung einer Abdichtung zwischen dem Ventilkörper und dem Schaft schmilzt. Das Alien-Patent k 082 105 offenbart ein Ventil mit Ringelementen, die mittels Lot in verzerrter Stellung gehalten sind. Wenn das Ventil ausreichend starker Wärme ausgesetzt wird, schmilzt das Lot und die Ringelemente entspannen sich und nehmen eine solche Stellung ein, daß ihre Innenkanten sich in dem Ventilschaft festhaken und eine Sekundär-

dichtung bilden. Im Williams-Patent k 214 6OO stützt eine schmelzbare Beilagscheibe in einer Ventilhaube ein Lager ab, welches den Ventilschaft und eine entsprechende Haubenschulter außer Eingriff hält. Wird die schmelzbare Beilagscheibe Feuer ausgesetzt, so schmilzt sie und läuft aus dem Ventilkörper heraus. Beim Schmelzen der schmelzbaren Beilagscheibe wird das Lager nicht mehr langer abgestützt, so daß Schaft und Haubenschulter in eine abdichtende Metall-Metall-Beruh-

rung bewegt werden können. US-PS k 2h$ 66l (McGee) offenbart eine auf Wärme ansprechende Rücksitzanordnung für eine Ventilbetätigungsvorrichtung. Ein oberes Xager ist oberhalb durch eine schmelzbare, ringförmige Scheibe abgestützt, wobei Auslaßöffnungen vorgesehen sind, die das Entweichen des geschmolzenen Werkstoffs ermöglichen. Die primäre Packung liegt zwischen den Lagern und einer Schulter, die eine Metall-Metall-Dichtung bildet, wenn die ringförmige Scheibe schmilzt.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gehört zu dem feuersicheren Ventil eine Druckentlastungsöffnung, die eine Verbindung von dem Raum zwischen den Segmenten des Schiebers und der stromaufwärts liegenden Seite des Strömungsweges herstellt. Ein Wärmeverstärkerstopfen mit schmelzbarer Mitte ist am Ausgang der Öffnung und außerhalb des Ventils vorgesehen, um eine Fluidströmung durch die Öffnung zu blockieren. Beim Erhitzen des Ventils schmilzt die schmelzbare Mitte, was die Druckentlastungsöffnung gegenüber einer Fluidströmung öffnet und einen Ausgleich zwischen dem Ventilinnendruck und dem Druck am stromaufwärts liegenden Ende ermöglicht. Hierdurch wird die Möglichkeit ausgeschaltet, daß sich der Druck zu einem gefährlich hohen Niveau ansammelt. Bei alternativen Ausführungs-

beispielen ist das schmelzbare Element gegenüber unmittelbarer Berührung mit den Leitungsfluiden durch ein Kolbenglied abgeschirmt, welches beim Schmelzen des schmelzbaren Elements in der Bohrung weiter nach unten gleitet, um die Druckentlastungsöffnung aufzumachen. Das Kolbenglied ist auch mit elastomeren O-Ringen versehen, die₍ wenn sie der Umgebung hoher Temperatur ausgesetzt werden, sich auflösen und folglich eine zusätzliche Durehlaßeinrichtung für die eingesperrten Leitungsfluide bilden, die zur Druckentlastungsöffnung entweichen können.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des Ventils gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine horizontale Schnittansicht längs der Linie 2-2 in Fig. IV

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Fig. 2;

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht ähnlich Fig. 3» die ein alternatives Ausführungsbeispiel des in Fig. 3 gezeigten Schmelzstopfens zeigte

Fig. 5 eine Ansicht ähnlich Fig. 4, die noch ein anderes alternatives Ausführungsbeispiel des Wärmeverstärkergliedes gemäß der Erfindung zeigt.

Beste Ausführungsform der Erfindung

Diejenigen Elemente des hier zu beschreibenden Ventils, die beim normalen Betrieb benutzt werden, sind im einzelnen in verschiedenen anderen Patenten der Smith International, Inc., beschrieben, z.B. in US-PS 2 657 898 (Volpin), auf die Bezug genommen werden kann. Hier werden nur diejenigen Einzelhei-

(ρ

ten des Ventils beschrieben, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nötig sind.

Zunächst sei auf Fig. 1 verwiesen, die ein Absperrventil mit durchgehender Leitung und nicht steigendim Stößel zeigt, welches einen Ventilkörper bzw, ein Gehäuse 10'aufweist, das entgegengesetzte StrömungsÖffnungen 12, 14 hat, die einen Strömungsweg 16 bilden, durch den Leitungsfluide strömen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Ventilkörper aus einem Stahlblock herausgearbeitet; aber es können für manche Anwendungsfälle auch geeignete Guß- oder Schmiedestücke nützlich sein. Die Strömungsöffnung 12 ist, wie gezeigt:, das stromaufwärts liegende bzw. Einlaßende des Ventils und die Strömungsöffnung 14 das stromabwärts liegende oder Auslaßende. Die inneren Enden der Strömungsöffnungen 12, 14 sind mit koaxialen Ansenkungen 18 bzw. 20 versehen, die die Strömungsöffnungen 12, 14- umschreiben.

Der Strömungsweg 16 wird im Innern des Gehäuses 10 insgesamt unter rechtem Winkel von einer Schieberkammer 22 geschnitten. Die Schieberkammer 22 und die Ansenkungen 18, 2 0 der Strömungsöffnungen vsind zur Aufnahme eines Paares entgegengesetzter Sitze 24, 26 geeignet. Jeder Sitz 24, 26 hat eine nach außen weisende Oberfläche, die im wesentlichen komplementär zur Gestalt der Ansenkungen 18, 20 und der Schieberkammer 22 geformt ist. Die Glieder 24, 26 haben eine Einengung bzw. eine Nabe 28, 30» die von jeder Ansenkung 18 bzw. 2 0 aufgenommen ist. Jeder Sitz 24, 26 ist mit einer Queröffnung versehen, die sich koaxial und fluchtend mit den Strömungsöffnungen 12, 14 und dem Strömungsweg 16 erstreckt und insgesamt den gleichen Durchmesser hat. Die nach innen weisende Oberfläche jedes Sitzgliedes 24, 26 ist so geformt, daß sie in Gleiteingriff mit der äußeren Anlagefläche eines Schie bersegmentes 32 oder 34 zusammenwirkt, wie nachfolgend noch beschrieben wird.

Da die Sitze 24, 26 und ihr Zubehör von identischem Aufbau

und symmetrisch an entgegengesetzten Seiten der Schieberkammer 22 angeordnet sind, ist die Beschreibung des einen für den anderen anwendbar.

Ein Schieber 36 zwischen den Sitzen bildet ein VersehluS-glied zum wahlweisen Absperren und Öffnen der Verbindung zwischen der stromaufwärts und der stromabwärts liegenden Strömungsöffnung 12, 14. Der Schieber 36 ist vorzugsweise als Paar zusammenpassender Schiebersegmente 32, 3^ aufgebaut, die zwischen den Sitzen 24, 26 innerhalb der Schieberkammer 22 zur Hin- und Herbewegung über den Strömungsweg angebracht sind. Die Schiebersegmente 32, 3^ des Schiebers 36 sind in der Nähe ihrer oberen Enden mit einem Verschlußbereich versehen, der die Fluidströmung durch den Strömungsweg 16 verhindern kann, wenn der Schieber in geschlossene Stellung abgesenkt ist, wie in Fig. 1 gezeigt. Dichtungsmaterial zum Herstellen einer Abdichtung zwischen den Sitznaben 28, 30 und den Ansenkungen 18, 20 sowie zwischen den Schiebersegmenten 32, 3^ ^und den Sitzen 24, 26 wird in einer allgemein bekannten Art aus einem Vorratsbehälter 37p geliefert, wie z.B. in US-PS 2 657 898 (Volpin) gezeigt.

Das obere Ende der Schieberkammer 22 innerhalb des Gehäuses 10 ist von einer Wand verschlossen, die eine insgesamt mit Bezugszeichen 40 gekennzeichnete Haube und eine Kaubenkappe 42 aufweist. Das Gehäuse 10 hat eine Ansenkung 48, die im wesentlichen die ganze Haube 40 aufnimmt. Die Haube 40 ist um ihr unteres Ende herum mit einem ringförmigen Bolzenflansch 50 zum Verbinden der Haube 40 mit dem oberen Ende des Gehäuses 10 beispielsweise mittels Bolzen 52 versehen. Die Haube 40 hat' eine nach oben vorstehende, mit Gewinde versehene Nabe 54 zum Eingriff mit dem Gewinde am unteren Abschnitt der Kappe 42.

Der Schieber 36 ist zwischen den Sitzen 24, 26 mittels einer Spindel 60 und einer Spindelmutter 62 hin- und herbewegbar

Λ-

angebracht. Die Mutter 62 steht in Schraubgewindeeingriff mit dem Außengewinde 64 auf der Spindel 6 O und ist an der Oberseite der Schieb er segmente 32, 3^- durch den zusammenwirkenden Eingriff des T-förmigen unteren Endes 66 in eine Ausnehmung 68 befestigt. Beim Drehen der SpÜHlli 6ö wird die Spindelmutter 62 mit dem Schieber J6 innerhalb der Schieberkammer 22 angehoben oder abgesenkt, um das Ventil zu öffnen oder zu schließen. Die Schiebersegmente 32, 3^ bilden eine Innenkammer 7 0 für die Aufnahme der Spindel 60, wenn der Schieber 36 in geöffnete Stellung angehoben wird.

Die Haube 40 hat eine Axialbohrung 56 zur Aufnahme der Spindel 60. Die Spindel 60 hat einen Rücksitzflansch 72, der oberhalb des Außengewindes 64 radial von der Spindel 60 vorsteht, mit der er einstückig ausgebildet ist. Der Rücksitzflansch 72 hat eine nach oben weisende, abgerundete, ringförmige Schulter 7^ und dieser benachbart oberhalb des Rücksitzes eine Nut 76.

Die Axialbohrung 56 hat eine Ansenkung 78» die so weit ist, daß sie dem Rücksitzflansch 72 Raum läßt, und eine größere Ansenkung 80 zur Aufnahme einer Anschlaghülse 82, die auf der Spindel 60 oberhalb der Mutter 62 sitzt. Die Ansenkung 78 endet an ihrem oberen Ende in einer inneren, nach unten weisenden, abgefasten Schulter bzw. einem Rücksitz 84,

Das obere Ende der Spindel 60 oberhalb des Rücksitzflansches erstreckt sich durch eine in der Haube aufgenommene Stopfbüchse 88. Die Stopfbüchse enthält eine Packung 90, die als Dichtung um die Spindel 6 0 dient.

Ein Packungsanpaßring 92 ist in die Stopfbüchse oberhalb der Packung eingesetzt und mit einem Flansch 9^ versehen, der in der Ansenkung 45 der Haubenkappe 42 aufgenommen und zwischen dem Boden der Ansenkung 45 und dem oberen Ende der Nabe 54 der Haube befestigt ist. Lager 96 und eine Lagerhülse 98 sind auf der Spindel oberhalb des Packungsanpaßringes

92 in einer Bohrung 44 der Haubenkappe 42 angebracht. Das obere Ende der Spindel ist mit Abflachungen 102 oder anderen zweckmäßigen Mitteln versehen, mit denen ein Handrad, ein Schraubenschlüssel oder eine andere Ventilbetätigungsvorrichtung in Eingriff gebracht werden kann.

Es ist eine Einrichtung vorgesehen, um eine Verbindung zwischen der inneren Ventilkammer 22 und der stromaufwärts liegenden Strömungsöffnung 12 des Ventils herzustellen. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht diese aus einer Bohrung 108, die sich von der Ventilkammer 22 durch das Ventilgehäuse 10 zur Außenseite des Ventils erstreckt, und einem Durchlaß 11*4-, der sich aus der Nähe des äußeren Eingangs der Bohrung 108 durch das Ventilgehäuse 10 zur stromabwärts liegenden Strömungsöffnung 12 erstreckt. Die Bohrung 108 hat eine Ansenkung 107, die sich vom äußeren Eingang der Bohrung 108 in das Ventilgehäuse 10 erstreckt. Ein auf Wärme ansprechendes Wärmeverstärkerglied 1C4 ist in die Ansenkung 107 eingesetzt und in Schraubgewindeeingriff bei 106 in einer Bohrung 108 aufgenommen. Ein Teil des Wärmeverstärkergliedes 104 erstreckt sich über die Außenwand des Ventilkörpers 10 hinaus und ist durch Schweißen, beispielsweise bei 111 befestigt. Durch das Schweißen ist eine leckdichte Sicherung um das Glied 104 sichergestellt. Das Glied 104 besteht vorzugsweise aus einem guten Wärmeleiter, wie Stahl.

Das Wärmeverstärkerglied 10*+ hat eine koaxiale Längsbohrung 110, die sich vom inneren Ende des Gliedes 104 zu dessen äußerem Ende erstreckt. Auch wenn sich die Bohrung 110 in demjenigen Bereich des Gliedes 104 erstreckt, der aus dem Ventilgehäuse 10 hfäj?au©ragt, reicht die Bohrung 110 nicht vollkommen durch das Glied 104, sondern endet kurz bevor sie aus dem Außenende des Gliedes 104 austritt. Das Glied 104 hat auch eine erweiterte Ringnut 115 um seinen Mittelbereich, die sich mit dem Durchlaß 114 schneidet. Die Nut 115 ist erweitert, um eine Ausrichtung mit dem Durchlaß 114 nach dem Ein-

bau des Gliedes IQk in die Bohrung 108 und in die Ansenkung ICf? zu gewährleisten. Ein sich durch das Glied 1O^ erstreckender Kanal 112 verbindet den Boden der Bohrung 110 mit der Ringnut 115» um zwischen diesen eine Fluidverbindung herzustellen. Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt» fcSiih der Kanal 112 durch Bohren eines Lochs parallel zur Bohrung 108 im Glied 1C4 und anschließendes Bohren von zwei Querlöchern geschaffen sein, von denen eines mit der Bohrung 110 und das andere mit der Nut 115 die Verbindung herstellt. Wie Fig. zeigt, wird zum Schließen der durch das Bohren entstandenen Öffnungen 120 und 122 Schweißmetall benutzt*

In Fig. 3 ist erkennbar, daß der Boden der Längsbohrung mit Gewinde versehen ist", um einen Kolben oder Stopfen 116 in Gewindeeingriff aufzunehmen. Der Stopfen 116 hat eine trichterförmige Öffnung 117» die sich in Längsrichtung durch den Stopfen erstreckt und zur Aufnahme von Schmelzmaterial 118 dient. Der Boden der Bohrung 110 des Stopfens 116 ist so angeordnet, daß nach dem Einsatz des Gliedes ICA- in den Ventilkörper der schmelzbare Bereich 118 außerhalb des Ventilkörpers 10 liegt und auch die Fluidströmung durch die Bohrung 110 in den Kanal 112 blockiert.

Es ist verständlich, daß hohe Temperaturen zu einer Verdampfung interner Ventilfluide innerhalb der Ventilkammer 22 führen können. Wenn sich das Ventil in geschlossener Stellung befindet, wie in Fig. 1 gezeigt, wird durch verdampfende Ventilfluide der Druck zwischen den Schiebersegmenten 32» J>k stark erhöht und diese veranlaßt, mit den Sitzen 2h_t 26 abdichtend zusammenzuwirken. Dadurch können die Ventilfluide aus dem Innern nicht zwischen den Schiebersegmenten und den Sitzen oder zwischen den Sitzen und dem Ventilkörper verdrängt werden. Ein solcher Druckaufbau führt zu der Gefahr einer Überlastung der Kaubenverbölzung und anderer Bauelemente des Ventils.

Bei der erfindungsgemäßen Ventilkonstruktion schmilzt je-

λλ

-TA-

doch das schmelzbare Glied 118, da es außerhalb des Ventilgehäuses 10 angeordnet ist, ehe es zu einer gefährlichen Ansammlung eines Ventilinnendrucks kommen kann, und Ventilfluid aus dem Innern kann durch die stromaufwärts liegende Strömungsöffnung 12 entweichen, wodurch der Ventilinnendruck und der Druck am stromaufwärts liegenden Ende ausgeglichen wird. Die möglicherweise zerstörerischen hohen Dampfdrücke werden dadurch abgelassen und neutralisiert. Das Schmelzglied 118 ist vorzugsweise in demjenigen Bereich des Gliedes 10^, der sich über die Außenseite des Ventilkörpers erstreckt, so daß für den Fall, daß das Ventil von hoher Temperatur umgeben ist, das Schmelzglied ohne weiteres bis zu seinem Schmelzpunkt erhitzt wird. .:■

Es sei nunmehr auf Fig. 4 verwiesen, die ein alternatives, auf Wärme ansprechendes Wärmeverstärkerglied 2 O^ und einen Kolben bzw. ein Stopfenelement 216 zeigt. Der alternative Wärmeverstärker 20*4- und Stopfen 216 ist, wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergibt, besonders nützlich zum Einsatz bei saurem naßem Erdgas, da das Schmelzelement 218 gegenüber dem Bohrungsfluid bzw. Dämpfen geschützt ist. Diejenigen Bauelemente, die Fig. 4 mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 3 gemeinsam hat, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Das Wärmeverstärkerglied 2C& ähnelt dem Glied 1 O^ gemäß Fig. 2 und 3 insofern, als das Glied 2Φ- eine koaxiale Längsbohrung 210, eine erweiterte Ringnut 215 und einen Kanal 212 hat. Allerdings hat die Bohrung 210 eine äußere Ansenkung 222 und eine innere Ansenkung 217» von denen die innere Ansenkung 217 einen größeren Durchmesser hat als die äußere Ansenkung 222, Die äußere Ansenkung 222 ist in demjenigen Bereich, des Gliedes 204 angeordnet, der aus dem Ventilgehäuse 10 vorsteht. Der Kanal 212 ähnelt dem Kanal 112, außer daß das Querloch, welches eine Verbindung mit der Bohrung 210 herstellt, mit der äußeren Ansenkung 222 in Verbindung steht. Bohrlöcher für den Kanal 112 sind wiederum mit Schweißmate-

rial bei 22 0, 221 gefüllt.

Der Stopfen 216 weist einen zylindrischen Körperteil 220 auf, der in der äußeren Ansenkung 222 der Bohrung 210 aufnehmbar ist, zwei O-Ringe 232, 234, die in Mhgnuten aufgenommen sind, welche sich um den Umfang des Körperteils 220 erstrecken, und eine zylindrische Kammer 228, die konzentrisch in dem nach außen weisenden Ende des Körperteils 22 0 angeordnet ist. Die innere Ansenkung 217 der Längsbohrung des Wärmeverstärkergliedes 2O²* hat an dem vom Ventilkörper am weitesten entfernten Ende ein Innengewinde 224, welches unmittelbar an die äußere Ansenkung 222 anstößt. Das Gewinde 224 dient zur Befestigung einer eine hohle Mitte aufweisenden Sicherungsschraube 226 in Schraubgewindeeingriff, um den Stopfen 216 innerhalb der äußeren Ansenkung 222 festzuhalten und den Austausch des Stopfens zu erleichtern, falls das nötig oder erwünscht ist.

Zwischen dem Stopfen 216 und dem Boden der Bohrung 210 ist ein Schmelzblock 218 innerhalb des entfernten Endbereichs der äußeren Ansenkung 222 eingesetzt. Der Schmelzblock 218 ist in seinem Aufbau und seiner Funktion dem anhand von Fig. 2 und 3 beschriebenen Schmelzelement 118 ähnlich, ist jedoch anders als das Element 118 nicht unmittelbar dem Bphrungsfluid, Gasen oder Dämpfen in den Absenkungen 217, 222 ausgesetzt. Deshalb ist dieses Ausführungsbeispiel von besonderem Vorteil in Umgebungen von saurem naßem Erdgas, da das Arbeitsmedium den Block 218 nicht korrodieren kann, ehe dieser seine Aufgabe als Hochtemperatur-Druckentlastung erfüllen kann.

Wenn er bis zu seinem Schmelzpunkt erhitzt wird, läuft der Schmelzblock 218 in die Kammern 228 und 230 aus und gibt dadurch den Endbereich der äußeren Ansenkung 222 frei. Der Ventilinnendruck, der mit dem Stopfen 216 durch die mittlere Öffnung der hohlen Sicherungsschraube 226 in Verbindung steht,

drückt auf den Kolben oder Stopfen 216 nach unten, bis dieser an einer von der äußeren Ansenkung 222 gebildeten Schulter 231 rückwärts zur Anlage kommt. In dieser Stellung mit Rückenanlage steht der Kanal 212 mit den Ansenkungen 217, 222 in Verbindung und ermöglicht folglich die Verdrängung innerer Ventilfluide aus der Ventilkammer 22 in die stromaufwärts liegende Strömungs öffnung 12, wie zuvor anhand des in Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiels beschrieben.

Zusätzlich zu dem .Schmelzblock 218 erlaubt auch ein O-Ring 232, dasü unter hohem Druck stehende Dämpfe unter erhöhten Temperaturbedingungen .entweichen können, weil das elastomere Material des O-Rings 232 sich bei dem Schmelzpunkt oder in der Nähe des Schmelzpunktes des Schmelzblocks 218 auflöst. Selbst wenn also der Stopfen 216 nicht in der Lage sein sollte, frei zu gleiten, können die in der inneren Ansenkung 217 eingefangenen Hochdruckdämpfe an dem zerstörten O-Ring 232 vorbei entweichen und folglich sicher in den Kanal 212 und damit in den Durchlaß Il4 abströmen.

Fig. 5 zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel des Wärmeverstärkergliedes, bei dem ein neues^auf Wärme ansprechendes Wärmeverstärkerglied JOk einen Stopfen 316 hat, , der ein Schmelzelement 3I8 enthält, welches davor geschützt ist, unmittelbar dem Bohrlochfluid oder -dämpfen ausgesetzt zu werden und, wenn es schmilzt, ganz ins Innere einer zylindrischen Kammer 328 des Stopfens 316 ausläuft. Diejenigen Bauelemente, die Fig. 5 mit dem in Fig. 1 bis 3 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel gemeinsam hat, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Das Wärmeverstärkerglied 304 ähnelt dem Glied 2Ok gemäß Fig. 4 insofern, als das Glied 30^ eine koaxiale Längsbohrung 310, eine erweiterte Ringnut 315 und einen Kanal 312 aufweist. Die Bohrung 310 hat einen Bodenabschnitt 3H» eine äußere Ansenkung 312 und eine innere Ansenkung 317. Die innere Ansenkung

31? hat einen größeren Durchmesser als die äußere Ansenkung 322. Der Bodenabschnitt 3ll ist indemjenigen Bereich des Gliedes 30^ angeordnet, der aus dem Ventilgehäuse 10 vorsteht. Die innere Ansenkung 317 ist der Bohrung l€Ü IUi Gehäuse 10 benachbart. Der Kanal 312 ähnelt dem Kanal 212, außer daß das Querloch, welches die Verbindung mit der äußeren Ansenkung 322 herstellt, mit dem Bodenabschnitt 311 der Bohrung 310 in Verbindung steht.

'Der Schmelzblock 318 ist ein insgesamt zylindrisch geformter Körper mit einem stangenartigen Vorsprung 319 an einem Ende und besteht aus einem schmelzbaren Werkstoff. Der Block 318 ist so bemessen, daß er im Bodenabschnitt 311 der Bohrung aufgenommen wird, wobei der Vorsprung 319 über die Kreuzung zwischen dem Kanal 312 und der Bohrung 310 hinausragt.

Der Stopfen 316 hat einen länglichen zylindrischen Körper 320 mit einem erweiterten zylindrischen Kopf 321 und einem erweiterten zylindrischen Boden 331. Innerhalb des Stopfens 316 ist eine zylindrische Bohrung oder Kammer 328 konzentrisch angeordnet, die sich durch den erweiterten Boden 331 und fast über die ganze Länge des Körpers 320 erstreckt. Der erweiterte Boden 331 ist im Bodenabschnitt 3II der Bohrung 310 gleitend aufgenommen, wobei die Kammer 328 den stangenartigen Vorsprung 319 des Blocks 3I8 beherbergt. Der Eingriff zwischen dem Block 3I8 und dem Stopfen 316 erfolgt an der Kreuzung zwischen der Bohrung 310 und dem Kanal 312. Der erweiterte Kopf 321 ist vom inneren Ende der äußeren Ansenkung 322 verschiebbar aufgenommen, wobei ein Teil des Kopfes 321 in die innere Ansenkung 317 vorsteht. Der Körperteil des Stopfens 316 zwischen dem Kopf 321 und dem Boden 331 schafft einen Ringraum 329 innerhalb der äußeren Ansenkung 322.

Zwei O-Ringe 332, 33^ sind in Ringnuten um den Umfang des Bodenteils 331 aufgenommen. Die 0-Ringe 332, 33^ bestehen aus einem elastomeren Werkstoff und sind so angeordnet, daß beide Ringe bei voll eingesetztem Stopfen 316 vor der Kreu-

zung zwischen der Bohrung 310 und dem Kanal 312 liegen.

Die innere Ansenkung 317 ist mit einem Innengewinde 324 versehen, welches dazu dient, eine Sicherungsschraube 326 mit hohler Mitte in Schraubgewindeeingriff innerhalb der inneren Ansenkung 317 festzuhalten, um den Stopfen 316 gegen den Schmelzblock 318 vorzuspannen und den Austausch des Stopfens zu erleichtern, falls nötig oder gewünscht. Die hohle Mitte der Sicherungsschraube 326 liegt einem Blindloch 348 gegenüber, welches konzentrisch im Innern des Kopfes 321 vorgesehen ist,, Das Blindloch 348 hat ein inneres Handhabegewinde 34c, welches die Handhabung des Stopfens Jl6 beim Einsetzen oder bei der Herausnahme erleichtert. Kanaldurchlasse 33^» 338 sind in das Blindloch 348 aus dem Innern des Hauptkörperteils 320 des Stopfens 316 gebohrt, um eine Fluidverbindung zwischen der inneren Ansenkung 317 und dem Ringraum 329 herzustellen.

Als weiteren Beitrag zum rascheren Anheben der Temperatur im Innern des Stopfens 316 auf den Schmelzpunkt des Stopfens 3I8 ist das Wärmeverstärkerglied 304 mit Wärmeleitrippen in Form von Ringnuten versehen, die in denjenigen Teil des Gliedes 304 eingeschnitten sind, der sich außerhalb des Ventilkörpers 10 erstreckt.

Bei hoher Temperatur schmilzt der Schmelzblock 3I8 und das geschmolzene Material fließt in die Kammer 328 des Stopfens 316 wenn der Ventilinnendruck auf den Stopfen 316 wirkt. Der Stopfen 316 wird im Gehäuse 10 unter dem Ventilinnendruck nach außen bewegt, bis die O-Ringe 332, 334 die Kreuzung zwischen der Bohrung 310 und dem Kanal 312 passieren, und in den Bodenabschnitt 3II der Bohrung 3IO, wo vorher der Schmelzblock 318 in festem Zustand aufgenommen war. Sobald die 0-Ringe 332, 334 diese Kreuzung passieren, werden innere Ventilfluide durch den Kanal 312 und den Durchlaß 114 in die stromaufwärts liegenden Strömungsöffnungen verdrängt.

Die O-Ringe 332, 3jHf stellen eine zusätzliche Hochtemperatur-Druckentlastungsvorrichtung dar, weil sich der elastomere Werkstoff zersetzt, wenn die Temperatur innerhalb des Wärmeverstärkergliedes 3O^ dasjenige Niveau erreicht, welches normalerweise den Block 318 zum Söhiß&ifc&fr brächte. Sollte also aus irgendeinem Grund der Stopfen 316 nicht in der Lage sein, sich frei zu bewegen, wenn der vom Block 318 eingenommene Raum freigegeben ist, so ermöglicht es auch die Zerstörung der elastomeren O-Ringe 332, 33^, daß in der Bohrung 310 enthaltene Kochdruckdämpfe entweichen und in den Kanal 312 abströmen können.

Die Schmelzelemente 118, 218 und 318 können aus einem beliebigen Werkstoff mit niedrigem Schmelzpunkt hergestellt sein, z.B. aus Legierungen aus bismuth, Antimon, Zinn, Blei oder Zink, von denen viele allgemein bekannt sind und hier nicht beschrieben zu werden brauchen. Diese Werkstoffe sollten von solcher Art sein, daß sie ihre Festigkeit bei normalen Betriebstemperaturen im wesentlichen beibehalten,; selbst unter Bedingungen, bei denen das Ventil der Sonne an Wüstenplätzen ausgesetzt sein mag. So schmilzt der schmelzbare Werkstoff vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen ca. 9C⁰C und ca. 30O⁰C. Eine,Blei-Wismuth-Legierung, die bei

C schmilzt, hat sich als geeignetes Material erwiesen. Ein derartiges Material wird von der Fa. Mining and Chemical Products Ltd. unter dem Namen "Cerro Base MCPl2^" vertrieben. Ein weiterer Werkstoff, der zufriedenstellend arbeitet, ist ein Weichlot, welches zu 95$5f° ^aus Zinn, 5,25% Antimon und 0,07^ Blei besteht und gute Festigkeitseigensehaften bis zu 200⁰C hat und bei 2^3°C vollständig flüssig ist.

Die Erfindung ist hauptsächlich in Anwendung an einem Absperrventil beschrieben worden. Jedoch eignet sie sich auch zur Anwendung bei anderen Ventilen, z.B. Kegelventilen, insbesondere Kegelventilen mit geschlitztem Kern»

Viele Abwandlungen der Erfindung liegen für den Fachmann auf der Hand, so daß die Erfindung nicht durch das hier gezeigte und beschriebene spezielle Ausführungsbeispiel als begrenzt zu betrachten ist, sondern auch alle Abwandlungen innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche umfaßt.

Claims

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u.Z.: K 20237S/8ma 13. Mai 1983

SMITH INTERNATIONAL, INC.

P.O. Box 1860

Newport Beach
California, U.S.A.

Schmelzstopfen für feuersicheres Ventil

Ansprüche

.)Bei einem Ventil, welches einen Körper mit einer Kammer darin hat, die von stromaufwärts und stromabwärts liegenden öffnungen gekreuzt wird, und mit einem Verschlußglied in der Kammer, welches zum Absperren der Öffnungen gegenüber der Kammer geeignet ist, die Verbesserung, die einen Durchlaß, der die Kammer mit der stromaufwärts liegenden öffnung verbindet, und ein Wärmeverstärkerglied aufweist, welches den Durchlaß verschließt, wobei das Glied den Durchlaß öffnet, wenn das Ventil Feuer ausgesetzt ist.
2. Ventil nach Anspruch 1, bei dem das itfärmeverstärkerglied einen Teil hat, der sich außerhalb des Ventilkörpers erstreckt, und ein Teil des Durchlasses sich durch das Glied erstreckt, und ein auf λ'arme ansprechendes Element in dem äußeren Teil des Gliedes angeordnet ist.
3. Ventil nach Anspruch 2, bei dem der Durchlaßteil einen Elindlochabschnitt hat, der einen ersten Eohrüngsabschnitt, einen zweiten, endseitigen Blindlochabschnitt, und einen Anschlag zwischen dem ersten und zweiten Bohrungsabschnitt hat, das auf Wärme ansprechende Element in dem ersten Bohrungs-

abschnitt angeordnet ist und an dem Anschlag anliegt, das auf Wärme ansprechende Element ein Kolbenglied umfaßt, das Kolbenglied in dem ersten Bohrungsabschnitt angeordnet ist und mit dem auf Wärme ansprechenden Glied in Eingriff steht.
4, Ventil nach Anspruch 1, bei dem das auf Wärme ansprechende Glied ein schmelzbares Glied einschließt, welches bei einer vorherbestimmten Temperatur schmilzt.
5« Ventil nach Anspruch 1, bei dem das auf Wärme ansprechende Glied ein schmelzbares Glied einschließt, dessen Schmelzpunkt zwischen ca. 9O⁰C und ca. 300⁰C liegt.
6. Ventil nach Anspruch 1, bei dem das auf Wärme ansprechende Glied elastomere Dichtungen einschließt, die ihre Dichtungsfähigkeit verlieren und eine Fluidverbindung zwischen der Kammer und der stromaufwärts liegenden Öffnung bei einer vorherbestimmten Temperatur erlauben.
7. Ventil nach Anspruch 1, bei dem das auf Wärme ansprechende Glied elastomere Dichtungen einschließt, die ihre Dichtungsfähigkeit verlieren und eine Fluidverbindung zwischen der Kammer und der stromaufwärts liegenden Öffnung bei Temperaturen innerhalb des Elements von mehr als 22O⁰C erlauben.
8. Ventil nach Anspruch 3. bei dem das Kolbenglied eine zentrale Ansenkung an einem Ende hat.
9. Ventil nach Anspruch k, welches ferner Sicherungseinrichtungen zum Festhalten des Kolbengliedes einschließt.
10. Bei einem Ventil, welches einen Körper mit einer inneren Kammer hat, die von stromaufwärts und stromabwärts liegenden Öffnungen gekreuzt wird, und einem Verschlußglied in der Kammer, welches zum Absperren der Öffnungen gegenüber der Kammer geeignet ist, die Verbesserung, die

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einen Durchlaß durch den Ventilkörper, der die Kammer mit der stromaufwärts liegenden Öffnung verbindet; einen ersten Abschnitt innerhalb des Durchlasses; ein kolbenartiges Glied, welches innerhalb des ersten Abschnitts angeordnet ist und den Durchlaß absperrt; ein schmelzbares Abstandsglied, welches innerhalb des ersten Abschnitts angeordnet ist und am äußeren Ende des kolbenartigen Gliedes anliegt; und

eine Kammereinrichtung, die dem schmelzbaren Abstandsglied benachbart angeordnet ist, um das schmelzbare Abstandselement in geschmolzenem Zustand aufzunehmen, aufweist.
11. Bei einem Ventil, welches einen Körper mit einer Innenkammer hat, die von stromaufwärts und stromabwärts liegenden Öffnungen gekreuzt wird, und einem Verschlußglied in der Kammer, welches zum Absperren der Öffnungen gegenüber der Kammer geeignet ist, die Verbesserung, die einen Durchlaß, der die Kammer mit der stromaufwärts liegenden Öffnung verbindet;

ein Verschlußglied, welches eine Dichtung zum Absperren der Fluidverbindung durch den Durchlaß hat, wobei die Dichtung bei einer vorherbestimmten Temperatur versagt, um Leckverluste am Verschlußglied vorbei und durch den Durchlaß unter Bedingungen erhöhter Temperatur zu ermöglichen, aufweist.
12. Ventil nach Anspruch 11, bei dem die vorherbestimmte Temperatur zwischen 22 0⁰C und 32O⁰C liegt.
13. Ventil zum Verhindern hoher innerer Ventildrücke in einer Hochteroperaturumgebung, mit:

einem Gehäuse mit einer Kammer darin und einem hindurchgehenden Strömungsweg, der die Kammer schneidet; einem Verschlußglied, welches in der Kammer angeordnet ist, um den Strömungsweg gegenüber einer Fluidströmung zu ver-

schließen;

einem Durchlaß durch das Gehäuse, der sich von der Kammer zu dem Strömungsweg erstreckt; und

einer Einrichtung, die auf die Temperaturumgebung anspricht, um den Durchlaß bei normalen Temperaturen zu schließen und den Durchlaß zu öffnen, um innere Ventilfluide zu verdrängen, wenn das Ventil hohen Außentemperaturen ausgesetzt ist.
14. Ventil nach Anspruch 13, bei dem die Einrichtung ein in dem Durchlaß angeordnetes Material einschließt, welches sich bei normalen Temperaturen in festem Zustand befindet und sich bei vorherbestimmten hohen Temperaturen in flüssigem Zustand befindet.
15. Ventil nach Anspruch Ik, bei dem ein Teil des Durchlasses außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und das Material in diesem äußeren Teil angeordnet ist.
16. Ventil nach Anspruch Ik, welches ferner eine Einrichtung einschließt, die verhindert, daß das Material inneren Ventilfluiden ausgesetzt wird.
17. Ventil mit»

einem Gehäuse mit einer Kammer darin und einem sich hindurcherstreckenden Strömungsweg, der die Kammer kreuzt; einem Verschlußglied, welches in der Kammer angeordnet ist, um den Strömungsweg gegenüber Fluidströmung abzusperren; einem Durchlaß durch das Gehäuse, der sich von der Kammer zu dem Strömungsweg erstreckt;

einem in dem Durchlaß angeordneten Glied, durch das sich eine Bohrung erstreckt, die mit dem Durchlaß fluchtet, wobei das Glied einen Teil hat, der außerhalb des Gehäuses vorsteht 1 und

Material, welches in der Bohrung und in dem nach außen vorstehenden Teil angeordnet ist und eine Flüidströmung durch den Durchlaß verhindert, während es sich in festem Zustand

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befindet, und eine Fluidströmung durch den Durchlaß erlaubt, während es sich in flüssigem Zustand befindet.
18. Ventil nach Anspruch 1?, welches ferner einen Stopfen einschließt, der in der Bohrung zwischen iihi&l⁴ ersten Stellung, bei der die Fluidströmung durch die Bohrung blockiert ist, und einer zweiten Stellung, die die Fluidströmung durch die Bohrung erlaubt, verschiebbar angeordnet ist, wobei das Material, während es sich in festem Zustand befindet, verhindert, daß sich der Stopfen aus der ersten in die zweite Stellung bewegt, und es dem Stopfen erlaubt, sich aus der ersten in die zweite Stellung zu bewegen, während es sich in flüssigem Zustand befindet.
19. Ventil nach Anspruch 18, welches ferner eine Dichtung einschließt, um die Bohrung gegenüber Fluidströmung abzudichten, wobei sich die Dichtung bei vorherbestimmten hohen Temperaturen verschlechtert und die Fluidströmung ermöglicht.
20. Ventil nach Anspruch 17, bei dem das schmelzbare Material in flüssigem Zustand in die Bohrung fließt.
21. Ventil nach Anspruch 18, bei dem der Stopfen eine Kammer hat, und das schmelzbare Material in flüssigem Zustand in die Kammer fließt.
22. Ventil nach Anspruch 21, bei dem das schmelzbare Material einen Teil hat, der in die Kammer hineinragt, während sich das schmelzbare Material in festem Zustand befindet.
23. Ventil nach Anspruch 18, welches ferner eine Einrichtung zum Festhalten des Stopfens in der Bohrung einschließt.

2k. Ventil mit»

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einem Gehäuse mit einer Kammer darin und einem sich hindurcherstreckenden Strömungsweg, der die Kammer schneidet; einem Verschlußglied, welches in der Kammer angeordnet ist, um den Strömungsweg gegenüber Fluid-strömung abzusperren; einem Durchlaß durch das Gehäuse, der sich von der Kammer zu dem Strömungsweg erstreckt, wobei der Durchlaß eine Gehäusebohrung durch das Gehäuse einschließt, die sich von außerhalb desselben zu der Kammer erstreckt, und eine Öffnung durch einen Teil des Gehäuses, die sich von der Gehäusebohrung zu dem Strömungsweg erstreckt} einem Glied, welches in der Gehäusebohrung befestigt ist und einen Teil hat, der nach außen aus dem Gehäuse ragt, wobei das Glied ein Blindloch in Verbindung mit der Gehäusebohrung, eine Ringnut irr Verbindung mit der Öffnung und einen Kanal hat, der sich zwischen dem Blindloch und der Ringnut erstreckt, wobei der Kanal und das Blindloch sich in dem äußeren Teil des Gliedes kreuzen und die Gehäusebohrung, das Blindloch, der Kanal, die Nut und die Öffnung eine Fluidverbindung zwischen der Kammer und dem Strömungsweg herstellen; und

einem schmelzbaren Material, welches in dem Blindloch angeordnet ist und bei normalen Temperaturen die Fluidverbindung unterbindet und bei vorherbestimmten hohen Temperaturen die Fluidverbindung ermöglicht.