DE3336099C2 - Feuerfester Kugelhahn - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen feuerfesten Kugelhahn
mit einem Gehäuse mit einem Zentralkanal,
mit einem zwischen einer Öffnungs- und einer Schließ­ stellung im Zentralkanal drehbaren Kugelküken mit einem Hauptdurchtrittskanal,
mit zwei im Zentralkanal auf beiden Seiten des Kugelkü­ kens in Umfangsrichtung verlaufenden und radial nach innen gerichteten Schultern,
mit zwei im Zentralkanal auf beiden Seiten des Kugelkü­ kens axial angeordneten zusammengesetzten Sitzanordnungen zur arbeitsmitteldichten Anlage an dem Kugelküken,
mit einem Verstärkungsring mit einer Zentralöffnung,
mit einem mit dem Verstärkungsring in Anlage befindli­ chen Sitzring, der sich in Richtung auf diesen und von die­ sem weg elastisch verbiegen kann, der weiter eine Zentralöff­ nung und eine dem Kugelküken zugekehrte und an diesem in dichter Anlage anliegende Oberfläche aufweist, und
mit einem Sitzglied mit einer Scheibe mit einer Zentral­ öffnung, die zwischen dem Sitzring und einer zugeordneten Schulter angeordnet ist.

Auf dem Gebiet der Hähne hat der Ausdruck "feuerfest" die Be­ deutung erlangt, einen Hahn zu bezeichnen, der, wenn er ei­ nem Brand ausgesetzt wird, bestimmten festgelegten Bedingun­ gen entspricht. Siehe hierzu Arant, Fire-Safe Valves - An Overview, Proceedings, 36. Annual Symposium über Instrumenta­ tion for the Process Industries (Texas A Universität, 1981). Unglücklicherweise wurden von verschiedenen Organisa­ tionen verschiedene Arten von Bedingungen herausgegeben, und die Hahnindustrie hat sich noch nicht auf einen einheitli­ chen Standard festgelegt. Grundsätzlich läßt sich jedoch sa­ gen, daß gemäß einem Standard (American Petroleum Institute 607) ein Hahn als "feuerfest" anerkannt werden kann, wenn er im geschlossenen Zustand bei einer Gehäusetemperatur von min­ destens 600°C mindestens zehn Minuten dicht bleibt. Hähne mit Konstruktionsmerkmalen, mit denen sie bei einem Brand ei­ ner Leckage widerstehen, aber diesem Standard nicht entspre­ chen können, werden im allgemeinen "feuerbeständig" genannt.

Es gibt zahlreiche Kugelhähne, denen die Eigenschaft "feuer­ fest" zugesprochen wird. Bekannt ist ein feuerfester Kugel­ hahn der eingangs genannten Gattung (GB-PS 1 424 573).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Feuerfestigkeit des bekannten Kugelhahnes noch weiter zu steigern und einen Kugelhahn mit einem Sitz zu schaffen, der bei Temperaturbe­ aufschlagung verbesserte Abdichteigenschaften sicherstellt.

Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich nach der Erfindung bei einem Kugelhahn der eingangs genannten Gattung dadurch, daß das Sitzglied eine Scheibenfeder aufweist und auf minde­ stens der dem Kugelküken zugewandten Seite mit einer kohlen­ stoffhaltigen Beschichtung versehen ist. Diese Beschichtung erfolgt mit einem expandierten, kohlenstoffhaltigen Materi­ al, wie es von der Union Carbide Corporation unter dem Waren­ zeichen GRAFOIL vertrieben wird. Hierbei handelt es sich um ein flexibles Band aus Graphit mit Eigenschaften ähnlich de­ nen von pyrolitischem Graphit. Dieses expandierte, kohlen­ stoffhaltige Material wirkt wärmeisolierend bis zu Temperatu­ ren von 3650°C. Durch die federnde Ausbildung des Sitzglie­ des infolge der Scheibenfeder werden durch Wärme hervorgeru­ fene Verformungen ausgeglichen. Die kohlenstoffhaltige Be­ schichtung wirkt dabei wärmeisolierend.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfinderischen Grundgedan­ kens bilden den Gegenstand von Unteransprüchen.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist:

Fig. 1 ein Längsschnitt durch einen Kugelhahn gemäß der be­ vorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab ein Querschnitt durch die strömungsabwärtige Sitzringanordnung vor dem Zusam­ menbau des Hahnes und mit zur besseren Darstellung weggelassenem Kugelküken,

Fig. 3 in vergrößertem Maßstab ein Querschnitt durch diese Sitzringanordnung von Fig. 1, aber bei unter der Ein­ wirkung von erhöhten Arbeitsmitteldrücken geschlosse­ nem Hahn,

Fig. 4 ein Querschnitt ähnlich Fig. 3, aber nach dem Auftre­ ten von Brand und Hitze am Hahn, so daß der weiche Kunststoffsitzring begonnen hat, nach außen wegzu­ fließen,

Fig. 5 ein Querschnitt ähnlich Fig. 4, wobei aber das Kugel­ küken mit dem sekundären Sitz in Anlage liegt,

Fig. 6 ein Querschnitt ähnlich den Fig. 4 und 5, wobei aber der weiche Kunststoffsitzring vollständig zer­ stört ist,

Fig. 7 eine Aufsicht im wesentlichen in Blickrichtung der Linie 7-7 in Fig. 1, wobei aber ein Teil des Gehäu­ ses zur Darstellung der Bolzenbefestigung weggebro­ chen ist,

Fig. 8 in vergrößertem Maßstab ein Querschnitt einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 in vergrößertem Maßstab ein Querschnitt einer Sitz­ ringanordnung in einer noch anderen alternativen Aus­ führungsform der Erfindung,

Fig. 10 in vergrößertem Maßstab eine perspektivische Darstel­ lung der Sitzringanordnung nach Fig. 9 nach einer teilweisen Zerstörung infolge eines Brandes und nach einer zur besseren Darstellung vorgenommenen Loslö­ sung vom Hahn und,

Fig. 11 in vergrößertem Maßstab eine perspektivische Darstel­ lung der Sitzringanordnung nach Fig. 1 nach einer teilweisen Zerstörung infolge eines Brandes und nach einer zur besseren Darstellung vorgenommenen Loslö­ sung vom Hahn.

Mit Bezug auf die Fig. 1 und 7 sei dargelegt, daß diese einen Kugelhahn A mit einem allgemein mit 10 bezeichneten Ge­ häuse mit einem Hauptabschnitt 12 und zwei sich gegenüberlie­ genden Anschlüssen 14 und 16 darstellen. Die Sitzringanord­ nungen B und das Kugelküken C sind in dem Hauptgehäuseab­ schnitt 12 untergebracht. Das Kugelküken läßt sich mit einer mit 18 bezeichneten Anordnung aus einem Schaft und einem Handgriff drehen. Das Kugelküken C enthält einen Hauptdurch­ trittskanal 15, der bei offenem Hahn das Arbeitsmittel vom Einlaß zum Auslaß leitet. Ein zweiter Kanal 17 läuft in dem Kugelküken C senkrecht zum Hauptdurchtrittskanal 15 und zeigt bei geschlossenem Hahn zum Hahneinlaß, um das im Hahn vorhandene Arbeitsmittel und den Arbeitsmitteldruck bei ge­ schlossenem Hahn zum Einlaß abzuleiten.

Das Gehäuse 10 weist einen im allgemeinen zylinderförmigen Zentralkanal 20 auf, der in seinem Durchmesser nur geringfü­ gig über dem des Kugelkükens C liegt. Beide Anschlüsse 14, 16 sind lösbar mit dem Hauptabschnitt 12 verbunden. Hierzu dienen mehrere in Längsrichtung verlaufende Zugbolzen 22. Sie liegen in Bohrungen 24 der beiden Anschlüsse 14 und 16 und werden im Hauptabschnitt 12 (Fig. 7) im Paßsitz aufgenom­ men. Die Anschlüsse 14, 16 können auch noch mit Innengewinde 26, 28 oder irgendwelchen anderen geeigneten Merkmalen verse­ hen werden, um den Hahn an eine zugehörige Arbeitsmittelanla­ ge oder ein Rohrsystem anzuschließen.

Die dargestellte und aus einem Schaft und einem Betätigungs­ handgriff bestehende Anordnung 18 enthält einen Schaft 30 mit einem unteren Ende 32, das gemäß der Darstellung so ge­ staltet ist, daß es gleitend in einer Nute 34 im oberen Ende des Kugelkükens C aufgenommen wird. Diese Anordnung ermög­ licht eine Drehung des Kugelkükens zwischen der Schließ- und der Öffnungsstellung des Hahnes, während es sich gleichzei­ tig axial etwas in dem Zentralkanal 20 verschieben kann, wenn sich der Hahn in Schließstellung befindet und das Ar­ beitsmittel auf es einwirkt.

Durch eine Öffnung 36 im Hauptabschnitt 12 verläuft der Schaft 30 nach außen. Für höhere Temperaturen geeignete Stop­ fringe 38, 40, 42 liegen in der Öffnung 36 und dichten die Öffnung 36 und den Schaft 30 ab. Gemäß der Darstellung liegt ein unterer Stopfring 42 auf einem in der Öffnung 36 ausge­ bildeten, nach innen verlaufenden Flansch 44. Eine für erhöh­ te Temperaturen geeignete Druckscheibe 46 ist unter dem Flansch 44 angeordnet und auf diesem mit einer nach außen verlaufenden Schulter oder einem Flansch 48 angeklemmt, der am unteren Ende des Schaftes 30 ausgebildet ist. Durch eine Stopfbuchsenpackung 50 und eine Stopfbuchsenmutter 52 wird der Schaft 30 in seiner Lage gehalten. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 wird bei Anziehen der Mutter 52 eine Druckkraft auf die Stopfringe 38, 40, 42 ausgeübt und damit eine radia­ le Ausdehnung in eine arbeitsmitteldichte Anlage am Schaft 30 bewirkt.

Ein Handgriff 54 ist lösbar am Schaft 30 befestigt. Hierzu dient eine Mutter 56. Eine Schlüsselfläche 58 ist auf der Au­ ßenseite des Schaftes 30 ausgebildet. Die Stellung des Hand­ griffes und damit die Stellung des Kugelkükens C wird von herabhängenden und vom Handgriff 54 getragenen Anschlägen 62, 64 begrenzt. Diese Anschläge gelangen am Hauptabschnitt 12 in Anlage und bilden damit in der vollen Öffnungs- und vollen Schließstellung feste Anschläge für den Hahn.

Unter weiterem Bezug auf Fig. 1 sei ausgeführt, daß zwei Sitzringanordnungen B vorgesehen sind. Gemäß der Darstellung werden die Sitzringanordnungen B durch Klemmung in ihrer La­ ge auf den beiden Seiten des Kugelkükens C gehalten. Die Sitzringanordnungen B sind in im wesentlichen gleichen Ab­ ständen von und auf den sich diametral gegenüberliegenden Seiten der Drehachse des Kugelkükens C angeordnet und enthal­ ten zentrale Öffnungen 66, 68. Die Sitzringanordnungen B wer­ den durch Schultern 70, 72 gehalten, die an den Stirnseiten 74, 76 der Anschlüsse 14, 16 ausgebildet sind. Die Begren­ zung der Einwärtsbewegung der Sitzringanordnungen B ergibt sich mit zwei Schultern 78, 80. Diese sind an den inneren Stirnseiten von im Zentralkanal 20 nach innen verlaufenden Ausnehmungen ausgebildet.

Eine Abdichtung ist weiter noch zwischen dem Hauptabschnitt 12 und den Anschlüssen 14, 16 ausgebildet. Hierbei handelt es sich um Dichtringe 82, 84. Sie werden in Ausnehmungen 86 bzw. 88 aufgenommen. Jeder Dichtring liegt am Außenumfang ei­ nes Teiles der zugehörigen Sitzringanordnung B an. Die Sitz­ ringe werden vorzugsweise aus einem verformbaren, federnden, wärmebeständigen und thermisch stabilen Werkstoff herge­ stellt, wie zum Beispiel aus einem Verbundstoff aus expan­ diertem kohlenstoffhaltigen Material und einem Drahtgewebe. Damit werden die Probleme einer Sublimation und eines Verkoh­ lens vermieden. Diese Probleme könnten auftreten, wenn eine konventionelle, aus einem thermoplastischen Werkstoff beste­ hende O-Ringdichtung Feuer oder allgemein erhöhten Temperatu­ ren ausgesetzt wird. In der bevorzugten Ausführungsform wird Grafoil (ein eingetragenes Warenzeichen der Union Carbide Corporation) mit Vorteil als verformbarer und wärmebeständi­ ger Werkstoff verwandt. Auch Asbest oder keramische Verbund­ stoffe können verwendet werden. Wenn der Hauptabschnitt 12 des Hahnes und die beiden an dessen Enden angeordneten An­ schlüsse 14, 16 bei einer Erwärmung und Abkühlung während und nach einem Brand expandieren und sich wieder zusammenzie­ hen, bilden die Dichtringe 82, 84 eine zufriedenstellende Ab­ dichtung zwischen dem Hauptabschnitt und den Anschlüssen.

Unter Bezug auf die Fig. 2 bis 6 und 11 werden nun die speziellen Einzelheiten der Sitzringanordnungen B beschrie­ ben. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der neben dem Anschluß 14 befindlichen stromabwärtigen Sitzringanordnung vor dem Zu­ sammenbau des Hahnes. Das Kugelküken C ist zum Erleichtern des Verständnisses und zur besseren Würdigung der Konstruk­ tion der Sitzringanordnung weggelassen. Fig. 3 zeigt eine An­ sicht der Sitzringanordnung von Fig. 2 beim Aufbau des Hah­ nes und mit sich unter der Einwirkung des erhöhten Arbeits­ mitteldruckes in Schließstellung befindendem Kugelküken. Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen die Sitzringanordnung B an aufein­ anderfolgenden Stufen nach dem Auftreten eines Brandes. Fig. 4 zeigt einen aus einem weichen Kunststoff bestehenden primä­ ren Sitzring, der unter der Einwirkung von Hitze zu fließen begonnen hat und durch die Hahnöffnung hinaus extrudiert. Fig. 5 zeigt den Hahn nach einer Berührung des Kugelkükens mit dem sekundären Sitz. Fig. 6 zeigt den Hahn, nachdem der aus einem weichen Kunststoff bestehende primäre Sitzring vollständig zerstört wurde und durch das Hahngehäuse hin­ durch extrudiert oder verdampft ist. Fig. 11 zeigt die Sitz­ ringanordnung B nach einer teilweisen Zerstörung dadurch, daß der Hahn nur auf einer Seite einem Feuer oder Strahlungs­ hitze ausgesetzt wurde. Die Linien 3-3, 4-4, 5-5 und 6-6 in Fig. 11 entsprechen den in den Fig. 3, 4, 5 und 6 gezeigten Querschnitten der Sitzringanordnung B.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 2 und 3 bestehen die Sitzringanordnungen B vorzugsweise aus drei Bauteilen, das heißt einem Stützring 100, einem primären Sitzring 102 aus einem weichen Kunststoff und einem Sitzglied 104 aus einem verformbaren, in Hitze nicht fließenden Sitzring. Der Stütz­ ring 100 weist eine ringförmige Gestalt mit einer zentralen Öffnung auf und besteht aus einem steifen Material, wie zum Beispiel Stahl oder einem anderen geeigneten Metall. Eine er­ ste in Umfangsrichtung kontinuierliche Stirnseite 106 des Ringes zeigt auf die zugehörige Schulter 70 des Anschlusses 14. Eine zweite kontinuierliche Stirnseite 108 zeigt auf die Schulter 78 des Zentralkanals 20 und liegt an dieser an, um damit eine vordere oder Ruhelage für den Stützring 20 posi­ tiv auszubilden. Eine dritte kontinuierliche Oberfläche 110 zeigt im allgemeinen auf das Kugelküken C. Sie ist aber so bemessen, daß sie in einem Abstand von diesem liegt und da­ mit jedes Aneinanderanliegen oder eine Störung vermieden wird und damit auch eine Verformung und Verschiebung des zu­ gehörigen primären Sitzringes 102 zwischen der dritten Ober­ fläche 110 des Stützringes 100 und dem Kugelküken C verhin­ dert wird. Der Außenumfang 112 des Stützringes 100 liegt dicht an der Seitenwand des Zentralkanals 20. Der Außenum­ fang 112 und die zweite Stirnseite 108 können alternativ ei­ nen Flansch oder eine Stufe enthalten, die so geformt und be­ messen ist, daß sie an der Schulter 78 anliegt, um Teile des Stützringes 100 axial weiter nach innen in den Zentralkanal 20 zu verlängern, wo die Gesamtabmessungen des Hahnes dies erfordern könnten.

Bei weiterem Bezug auf die Fig. 2 und 3 erkennt man, daß der Sitzring 102 eine zentrale Öffnung 118 aufweist, die kleiner als die Zentralöffnung des Stützringes 100 ist. Der Sitzring besteht vorzugsweise aus weichem Kunststoff und läßt sich allgemein in Richtung auf den Stützring 100 und von diesem weg biegen. Der Sitzring 102 ist so gestaltet, daß er auf das Kugelküken C eine federartige mechanische Ela­ stizität ausübt. Eine erste Oberfläche 120 zeigt im allgemei­ nen auf die zugehörige Schulter 70 des Anschlusses 14. Die zweite Oberfläche 122 des Sitzringes zeigt auf den Stützring 100 und liegt an dessen Stirnseite 106 an und stützt diese ab. Die dritte Oberfläche des Sitzringes bzw. die am Kugelkü­ ken C anliegende Oberfläche 124 zeigt in Richtung auf das Ku­ gelküken C und liegt mit diesem in druckmitteldichter Anla­ ge. Eine Lippe 126 verläuft am Außenumfang 128 von der er­ sten Oberfläche 120 des Sitzringes axial nach außen. Die Lip­ pe 126 verläuft vorzugsweise kontinuierlich um den Sitzring und ist so angeordnet, daß ihre radiale Innenseite im allge­ meinen dem Außendurchmesser des Sitzgliedes 104 entspricht. Die Lippe 126 ist weiter an ihrer radial am weitesten außen liegenden Fläche abgeschrägt und leicht über die radialen Au­ ßenkanten des Sitzringes übergerollt. Obwohl es nicht erfor­ derlich ist, hält diese Anordnung das primäre und das Sitz­ glied als eine Untereinheit in vorteilhafter Weise zusammen. Vorzugsweise wird der Sitzring 102 aus einem weichen federn­ den Kunststoff, wie zum Beispiel Teflon, Polyäthylen oder dergleichen, hergestellt. Auch andere Arten von Werkstoffen, wie zum Beispiel Acetalharze und dergleichen, oder sogar wei­ che Metalle und keramische Verbundstoffe können verwendet werden.

In dem primären Sitzring 102 ist ein Stauring 130 enthalten. Vorzugsweise wird dieser in einer Ringnut 132 des Sitzringes 102 aufgenommen. Der Stauring 130 kann auch vollständig im Sitzring 102 eingeschlossen oder alternativ vollständig ohne den Sitzring sein, so daß zum Beispiel eine axial gerichtete Lippe des Sitzgliedes 104 am Innendurchmesser des primären Sitzringes 102 in Richtung auf das Kugelküken C verläuft. Vorzugsweise liegt der Stauring 130 jedoch allgemein radial in der Mitte des Sitzringes 102 zwischen dem zugehörigen Sitzglied 104 und dem Kugelküken C. In dieser bevorzugten An­ ordnung wird der Stauring 130 vor einer Beaufschlagung durch die gleichen Gefährdungen der Abnutzung und der Beschädigung isoliert, die das weiche primäre Sitzglied 102 im Normalbe­ trieb beeinträchtigen. Der Stauring wird aus einem thermisch stabilen, in Hitze nicht fließenden Material, vorzugsweise einem Verbundstoff aus Grafoil und einem Drahtgewebe herge­ stellt, ähnlich wie bei den Dichtringen 82, 84. Vorzugsweise können auch allein Grafoil selbst, ein Drahtgewebe, ein kera­ mischer Stoff oder sogar Metall verwendet werden.

Das Sitzglied 104 bildet eine Untereinheit mit einer zentra­ len kegelstumpfförmigen Scheibenfeder 134, die zwischen der ersten Scheibe 136, die der zugehörigen Schulter 70 zuge­ kehrt ist, und der zweiten Scheibe 138, die dem primären Sitzring 102 zugekehrt ist, eingeklemmt ist. Die Scheiben 136, 138 bestehen vorzugsweise aus Grafoil und liegen im all­ gemeinen radial in der gleichen Ebene wie die Scheibenfeder 134. Die Scheiben 136, 138 können jedoch nur über einen Teil der Scheibenfeder verlaufen, so daß zum Beispiel die erste Scheibe 136 nahe am Außendurchmesser der Scheibenfeder 134 nur über einen Teil dieser Feder verläuft, und daß die zwei­ te Scheibe 138 nahe am Innendurchmesser der Scheibenfeder 134 nur über einen Teil dieser verläuft. Die letztere Ausfüh­ rungsform ist bei großen Kugelhähnen besonders wirtschaft­ lich und vorteilhaft.

Für ein besseres Erfassen der der Scheibenfeder 134 zugekehr­ ten ersten Scheibe 136 hat es sich als vorteilhaft herausge­ stellt, daß die Stirnseite 74 der Schulter 70 gerieft oder gerillt ist. Bei einem Beaufschlagen des Hahnes mit Feuer verhindert dieses verbesserte Erfassen ein Rutschen, Fließen oder Extrudieren der Scheibe und der Scheibenfeder. Es ist möglich, daß Grafoil bei hohen Temperaturen etwas fließfähig wird. Die geriefte oder gerillte Seite verhindert diesen Vor­ gang und erleichtert die arbeitsmittelfeste Abdichtung.

Der Durchmesser am Außenende des Sitzgliedes 104 ist so be­ messen, daß dieses in dem zylindrischen Hohlraum, der von der Innenwand der Lippe 126 des Sitzringes und der ersten Oberfläche 120 des Sitzringes gebildet wird, aufgenommen wird. Der Innendurchmesser des Sitzgliedes ist etwas größer als der Durchmesser der Öffnung 118 des Sitzringes 102. Da­ mit wird das Sitzglied 104 gegenüber der bei Normalbetrieb auftretenden Berührung mit dem Kugelküken C und dem System und der zugehörigen Gefährdung durch Abrieb und Beschädigung isoliert.

Die Scheibenfeder 134 wird so ausgewählt, daß ihre Kraft bei teilweiser Auslenkung ausreicht, den Sitzring 102 ständig auf das Kugelküken C zu drücken. Sie muß auch eine Verbie­ gung des Sitzringes 102 in Richtung auf einen flachen Zu­ stand ermöglichen, damit bei normalen Betriebsbedingungen ei­ ne Verschiebung des Kugelkükens C und dessen Anlage an der dritten Oberfläche 124 des Sitzringes möglich wird. Aus Fig. 3 erkennt man, daß eine arbeitsmittelfeste Abdichtung durch ein enges Einschließen des primären Sitzringes 102 zwischen dem Kugelküken C, dem Stützring 100, dem Hahnabschnitt 12 und der Schulter 70 des Anschlusses erreicht wird. Während normaler Betriebsbedingungen dient das Sitzglied 104 in er­ ster Linie dazu, den primären Sitzring 102 unter Vorspannung zu setzen und einzuschließen, ohne dabei eine sekundäre Ab­ dichtfunktion auszuüben.

Unter Bezug auf die Fig. 1, 2 und 3 sei ausgeführt, daß jede der Sitzringanordnungen B zum Zeitpunkt des Zusammen­ baus des Hahnes A so bewegt wird, daß jeder primäre Sitzring 102 vom anderen allgemein um seinen Außenumfang und in Rich­ tung auf das Sitzglied 104 weggebogen wird. Dies erfolgt im Anschluß an die Anlage zwischen der am Sitzring anliegenden Oberfläche 124 und dem Kugelküken C. Durch diesen Vorgang wird die zugehörige Scheibenfeder 134 leicht in Richtung auf einen flachen Zustand zusammengedrückt. Zusätzlich zu der Po­ sitionierung des Kugelkükens C wird mit dieser Ausbiegung der Feder eine Abdichtkraft zwischen den beiden Sitzringen und dem Kugelküken C an der an diesem anliegenden Oberfläche 124 unabhängig davon sichergestellt, wie niedrig der Druck in der Anlage sein mag. Der zweite Kanal 17 im Kugelküken C ist bei geschlossenem Hahn A dem Einlaß zugekehrt und stellt sicher, daß der Einlaßsitz nicht abdichtet. Jegliches im Zen­ trum des Hahnes vorhandene Arbeitsmittel kann sich bei einem Erhitzen oder Verdampfen frei ausdehnen und ohne Erhöhung des Druckes im Hahn durch den Kanal 17 austreten.

Betriebsweise

Unter Bezug auf die Fig. 4, 5, 6, 12 und 13 wird nun die Arbeitsweise der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungs­ form nach einer Zerstörung des primären Sitzes durch ein Feu­ er im einzelnen erörtert.

Fig. 4 zeigt, wie der weiche Sitzring 102 bis in einen stär­ ker fließfähigen Zustand erhitzt wurde und nun seinerseits durch die in dem Hahn herrschenden Druckkräfte durch die zen­ trale Öffnung 66 des Sitzgliedes 104 herausfließt oder her­ ausextrudiert wird. Bei einem Erweichen des Sitzringes 102 biegt sich die Scheibenfeder 134 des Sitzgliedes 104 durch und hält am Kugelküken C und an der Stirnseite 74 der Schul­ ter 70 eine arbeitsmittelfeste Abdichtung aufrecht.

Gemäß der Darstellung in Fig. 5 hat sich das Kugelküken C im Hahn A axial in stromabwärtiger Richtung verschoben und drückt das Sitzglied 104 zusammen und schlägt am Stauring 130 an. Die zweite Scheibe 138, die zwischen der Scheibenfe­ der 134 und dem Sitzring 102 eingeklemmt ist, berührt das Ku­ gelküken C an ihrem radial am weitesten innen liegenden Ab­ schnitt und bewirkt eine druckmittelfeste Abdichtung. Da die zweite Scheibe 138 vorzugsweise aus einem hitzebeständigen verformbaren Werkstoff, wie zum Beispiel Grafoil, herge­ stellt ist, wird sich diese Scheibe an die Anlagefläche des Kugelkükens C anschmiegen und damit die Probleme der bisheri­ gen feuerfesten Kugelhahnkonstruktionen vermeiden, bei denen sekundäre Abdichtungen mit Kontakt Metall auf Metall vorhan­ den waren. Auf ähnliche Weise wird die erste Scheibe 136 des Sitzgliedes 104 zum Bewirken einer arbeitsmittelfesten Ab­ dichtung mit ihrem radial am weitesten außen liegenden Ab­ schnitt an der Schulter 70 an deren Stirnseite 74 anliegen. Die Verformbarkeit der Scheibe 136 läßt zu, daß sie sich an die Unregelmäßigkeiten der Fläche 74 und der äußeren radia­ len Kante der Scheibenfeder 134 anschmiegt.

Der Stauring 130 wirkt wie ein "Stau" oder ein Damm und verhin­ dert eine übermäßige Extrusion des erweichenden Kunststoffsitzes 102 zwischen dem Kugelküken C und dem sekundären Sitzglied 104 in die Hahnöffnung. Als eine praktische Angelegenheit sei er­ wähnt, daß ein Brand die Oberfläche eines feuerfesten Hahnes nicht immer gleichmäßig aufheizt, insbesondere wenn der Brand ein in der Nähe des Hahnes befindliches Strahlungsfeuer ist und die angrenzende Seite des Hahnes, aber nicht dessen abgelegene Seite aufheizt. Im Verlauf eines Feuers läßt es sich damit ver­ nünftigerweise voraussehen, daß sich der Kunststoff-Sitzring 102 wahrscheinlich nur in einem ersten Abschnitt an seinem Umfang erweichen wird, bevor er an anderen Stellen weich wird. Ohne den Stauring 130 wurde dieser erste Abschnitt unter der Einwirkung des im System herrschenden Druckes übermäßig in die Hahnöffnung hinein extrudieren und damit eine Verschiebung des Kugelkükens C radial oder seitlich senkrecht zum Zugang zu der Hahnöffnung zulassen. Wenn sich das Kugelküken C darauf in stromabwärtiger Richtung durch den erweichenden Kunststoff verschiebt und auf das sekundäre Sitzglied 104 auftrifft, kann das Küken zu weit nach einer Seite verschoben werden und dann das sekundäre Sitz­ glied 104 ungleichmäßig berühren und damit große Spalte und Leckwege freigeben, durch die der schmelzende Kunststoff und das Druckmittel durchtreten können. Es hat sich gezeigt, daß diese Leckwege und Spalte an Stellen auftreten, die allgemein um 90° vom Vektor der Richtung der radialen Verschiebung abgele­ gen sind. Der Punkt, der um 180° vom Vektor der radialen Ver­ schiebung abgelegen ist, hält durch Berührung mit dem übrigen Teil der primären Kunststoffsitzes 102 eine druckmittelfeste Ab­ dichtung ab. Das vorbeiströmende Arbeitsmittel kann dann den Kunststoffsitz 102 abkühlen und ein weiteres Schmelzen verhin­ dern. Ein auf diese Weise entwickeltes großes Leck kann damit ein großes Leck unabhängig davon bleiben, in welchem Ausmaß ein zusätzliches Feuer an den feuerfesten Hahn angelegt wird.

Ein zusätzlicher Mechanismus einer teilweisen Sitzzerstörung wird in Fig. 10 dargestellt. Es wird eine Sitzanordnung gezeigt, die keinen Stauring enthält und die einem Brand ausgesetzt wur­ de, der bewirkte, daß nur ein Teil 141 in die Hahnöffnung hin­ eingepreßt wurde. Da das Kugelküken das sekundäre Sitzglied 104 nicht berühren konnte, hat sich ein großer Leckweg 143 ergeben. Durch den im wesentlichen verbleibenden Abschnitt des primären Kunststoffsitzringes 102 wird das Kugelküken C an jeglicher ra­ dialer oder axialer Verschiebung in den hinausgepreßten Ab­ schnitt hinein gehindert. Die Kühlwirkung der schnell durchtre­ tenden Leckströmung kühlt den primären Kunststoff-Sitzring und verhindert trotz schwankender Intensität des Brandes eine weite­ re Zerstörung oder ein Hinauspressen.

Gemäß der Darstellung in Fig. 5 verhindert der Stauring 130 den Strom des weichen und schmelzenden Kunststoffes unabhängig da­ von, wo zuerst eine Erweichung des Kunststoffes am Umfang des Sitzes auftrat. Der Stauring 130 ist in dem Sitzring 102 so an­ geordnet, daß nur ein schmaler ringförmiger Abschnitt 144 in die Hahnöffnung hineingepreßt werden kann. Der wesentliche Teil 146 des Sitzringes 102 wird durch den Stauring 130 an einem Hinaus­ fließen gehindert. Der verhältnismäßig schmale Abschnitt 144, der ausgedrückt werden kann, hat nur wenig Masse. Nach seinem Hinauspressen reicht die dann frei gewordene Fläche, in die sich das Kugelküken C dann verschieben könnte, nicht zur Bildung ei­ nes Leckweges aus. Es wird auch bevorzugt, daß der Stauring 130 so in dem Sitzring 102 angeordnet wird, daß das Kugelküken C den Stauring 130 gleichzeitig mit der Berührung des sekundären Sitz­ gliedes 104 berührt. Bei einer Zerstörung des primären Sitzglie­ des 102 kann der Stauring 130 dann zum Bilden einer sekundären Abdichtung beitragen.

Gemäß der Darstellung in Fig. 6 ist das primäre Sitzglied 102 vollständig zerstört, so daß der wesentliche Teil 146 (Fig. 5) des weichen Kunststoff-Sitzringes durch die Hahnöffnung hin­ durch verflüchtigt oder verdampft ist. Eine arbeitsmittelfeste Abdichtung verbleibt zwischen dem Kugelküken C und dem sekundä­ ren Sitzglied 104, während das Kugelküken mit dem radial am wei­ testen innen liegenden Abschnitt der zweiten Scheibe 138 in Be­ rührung verbleibt, die sich gemäß der Kükenoberfläche verformt. Die erste Scheibe 136 liegt in ähnlicher Weise an der Stirnwand 74 der Schulter an und hält die arbeitsmittelfeste Abdichtung zwischen dem sekundären Sitzglied 104 und der Schulter 70 auf­ recht. Zusätzlich ist es vorteilhaft, den Stauring 130 so zu be­ messen, daß er bei einer Zerstörung des primären Sitzgliedes und der sich daraus ergebenden stromabwärtigen Verschiebung des Kugelkükens mit diesem in Anlage gerät. Eine solche Anlage er­ leichtert eine weitere Arbeitsmittelabdichtung.

Aus Fig. 11 und entlang der Schnittlinie 6-6 kann man entneh­ men, daß das Kugelküken den Stauring 130 nach einer Zerstörung des primären Sitzgliedes berührt hat und daß er auch das sekun­ däre Sitzglied berührt hat und damit eine Arbeitsmittelabdich­ tung (Fig. 6) aufrecht erhält. Entlang der Schnittlinie 5-5 ist das Herausdrücken des wesentlichen Teiles des primären Sitz­ gliedes durch den Stauring 130 unterbunden und damit die Bildung des Leckweges in Fig. 10 verhindert worden.

Eine noch andere alternative Ausführungsform der Erfindung wird in Fig. 8 gezeigt. Dort werden gleiche Bauteile mit den glei­ chen Bezugszeichen mit einem doppelten Beistrich (′′) identifi­ ziert. Das sekundäre Sitzglied 104′′ besteht aus einer Scheiben­ feder 134′′ und einer Scheibe 156 aus einem hitzebeständigen, verformbaren Werkstoff, wie zum Beispiel Grafoil oder einem Ver­ bundstoff aus Grafoil und einem Drahtgewebe. Bei einer Zerstö­ rung des primären Sitzgliedes 102′′ in einem Brand schiebt sich das Kugelküken in Schließstellung unter dem Druck des Arbeits­ mittels gegen das sekundäre Sitzglied 104′′ vor und berührt die Scheibe 156 an deren radial am weitesten innen liegenden Ab­ schnitt und bildet eine arbeitsmittelfeste Abdichtung. Bei ei­ nem Weiterschreiten des Brandes glüht die Scheibenfeder 134′′ aus. Die erweichende Scheibenfeder, die durch das Küken unter Druck verformt wurde, paßt sich damit schneller der Oberfläche 74′′ der Stützschulter 70′′ an und bildet hinter der Feder eine verbesserte Abdichtung die besser ist als Metall-auf-Metall.

Fig. 9 zeigt eine noch andere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der gleiche Bauteile mit dem glei­ chen Bezugszeichen mit einem dreifachen Beistrich (′′′) identi­ fiziert werden. Diese Ausführungsform der Erfindung enthält eine Sitzanordnung mit einem Stützring 100′′′, einem primären Sitz­ glied oder Sitzring 102′′′, einem sekundären Sitzglied 104′′′ mit einer Scheibenfeder 134′′′, einer ersten planen Scheibe 136′′′ und einer zweiten planen Scheibe 138′′′. Die planen Scheiben 136′′′ und 138′′′ bestehen aus Grafoil oder einem anderen wärmebeständi­ gen verformbaren Werkstoff. Ein Stauring ist nicht vorhanden.

Bei einer Zerstörung des Sitzringes 102′′′ in einem Brand wird sich das Kugelküken axial in stromabwärtiger Richtung verschie­ ben und an der zweiten planen Scheibe 138′′′ eine druckmittelfe­ ste Abdichtung bilden. Die erste plane Scheibe 136′′′ liegt an der gerieften Stirnwand 74′′′ der Stützschulter 70′′′ an und hält die Abdichtung aufrecht.

Claims (15)

1. Feuerfester Kugelhahn
mit einem Gehäuse mit einem Zentralkanal,
mit einem zwischen einer Öffnungs- und einer Schließ­ stellung im Zentralkanal drehbaren Kugelküken mit einem Hauptdurchtrittskanal,
mit zwei im Zentralkanal auf beiden Seiten des Kugel­ kükens in Umfangsrichtung verlaufenden und radial nach innen gerichteten Schultern,
mit zwei im Zentralkanal auf beiden Seiten des Kugel­ kükens axial angeordneten zusammengesetzten Sitzanordnun­ gen zur arbeitsmitteldichten Anlage an dem Kugelküken,
mit einem Verstärkungsring mit einer Zentralöffnung,
mit einem mit dem Verstärkungsring in Anlage befind­ lichen Sitzring, der sich in Richtung auf diesen und von diesem weg elastisch verbiegen kann, der weiter eine Zen­ tralöffnung und eine dem Kugelküken zugekehrte und an diesem in dichter Anlage anliegende Oberfläche aufweist, und
mit einem Sitzglied mit einer Scheibe mit einer Zen­ tralöffnung, die zwischen dem Sitzring und einer zugeord­ neten Schulter angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das Sitzglied (104) eine Scheibenfeder (134) aufweist und auf mindestens der dem Kugelküken (C) zugewandten Seite mit einer kohlenstoff­ haltigen Beschichtung versehen ist.

2. Kugelhahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelküken (C) und die beiden Sitzanordnungen (B) so bemessen sind, daß der Sitzring (102) und das Sitzglied (104) nach dem Zusammenbau derart gebogen wer­ den, daß der Sitzring (102) mit dem Kugelküken (C) in Be­ rührung gedrückt wird.

3. Kugelhahn nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sitzglied (104) eine erste und eine zweite Scheibe (136, 138) aufweist, die auf den beiden Seiten der Scheibenfeder (134) angeordnet sind.

4. Kugelhahn nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stauring (130) aus expandiertem kohlenstoffhaltigen Werkstoff an der zweiten Scheibe (138) und an dem Sitzring (102) anliegt.

5. Kugelhahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Beschädigung eines Sitzringes (102) infolge er­ höhter Temperaturen die zweite Scheibe (138) das Kugelkü­ ken (C) zwecks dichtender Anlage berührt.

6. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste Scheibe (136) die zugehörige der beiden Schultern (70) zwecks arbeitsmitteldichter An­ lage berührt.

7. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden radial nach innen verlaufen­ den Schultern (70) zwecks Anlage an dem Sitz­ glied (104) geriefte Oberflächen aufweisen.

8. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden radial nach innen verlaufen­ den Schultern (70) am Gehäuse (10) mit mehreren in die­ sem aufgenommenen Zugbolzen (22) befestigt sind.

9. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kugelküken (C) Einrichtungen zum Entlasten von infolge einer Erwärmung und Verdampfung des Arbeitsmittels bei einer Beaufschlagung des Kugelhah­ nes (A) mit erhöhten Temperaturen im Gehäuse (10) anstei­ genden Drücken enthält.

10. Kugelhahn nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungseinrichtung ein Entlüftungskanal (17) ist, der unter 90° zum Hauptdurchtrittskanal (15) ange­ ordnet ist und bei geschlossenem Kugelhahn (A) der Ar­ beitsmittel-Einlaßöffnung zugekehrt ist.

11. Kugelhahn nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Stauring (130) in mindestens einer der beiden zusammenge­ setzten Sitzringanordnungen (B) zum Verhindern eines Her­ ausdrückens des Sitzringes (102) bei einer Beaufschla­ gung des Kugelhahnes (A) mit erhöhten Temperaturen.

12. Kugelhahn nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stauring (130) in der einen Sitzanordnung (B) im Ab­ stand von der Zentralöffnung (118) des zugehörigen Sitz­ ringes (102) angeordnet ist, um zu vermeiden, daß er den normalen betrieblichen Abnutzungsgefährdungen des Kugel­ hahnes (A) ausgesetzt wird.

13. Kugelhahn nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stauring (130) in dem Sitzring (102) eingeschlossen ist.

14. Kugelhahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine ringförmige Scheibe aus expandiertem koh­ lenstoffhaltigen Werkstoff in mindestens einer der Sitz­ anordnungen (B) im Abstand von der Zentralöffnung (118) des zugehörigen Sitzringes (102) angeordnet ist, um zu vermeiden, daß sie den normalen betrieblichen Abnutzungs­ gefährdungen des Kugelhahnes (A) ausgesetzt wird.

15. Kugelhahn nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine ringförmige Scheibe aus expandiertem koh­ lenstoffhaltigen Werkstoff zwischen der Scheibenfeder (134) und einer zugehörigen der beiden radial nach innen verlaufenden Schultern (70, 72) angeordnet ist.