DE4431815A1 - Dichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Dichtungen und insbesondere Metall­ dichtungen der sogenannten niederbelasteten, selbstbetä­ tigten, stationären Art, zur Bildung von leckfreien Ab­ dichtungen zwischen gegenüberliegenden, üblicherweise ebe­ nen, parallelen Oberflächen. Die Erfindung findet eine hervorragende Anwendung beim Abdichten von schwimmenden Ventilsitzen unter besonderer Bezugnahme auf Dichtungen von Absperr- oder Schieberventilen.

Herkömmliche Schwimmsitze von Absperrventilen sind mit se­ paraten Dichtungselementen abgedichtet, die üblicherweise aus Elastomermaterialien oder Metalldichtungen zur Feuer­ sicherheit bestehen.

Solche Dichtungen müssen für ein zufriedenstellendes Ab­ dichten zwischen dem Ventilkörper bzw. Ventilschieber und dem Ventilgehäuse sorgen. Sie müssen auch eine ausreichen­ de Elastizität oder Verformbarkeit aufweisen und die Bewe­ gung des Ventilsitzes gegen den Ventilkörper unterstützen, und dabei sicherstellen, daß ein perfektes Abdichten unter Druck, der vom Außendurchmesser oder von außen aufgebracht wird, aufrechterhalten wird, und daß ein einwandfreies Abdichten unter Fluiddruck, der vom Innendurchmesser oder von innen aufgebracht wird, aufrechterhalten bleibt.

Während selbstbetätigte Metalldichtringe, wie zum Beispiel in GB-A-2239496 und 2259121 dargestellt, für ein überra­ gendes Abdichten sorgen, sind Probleme in der Praxis vor­ handen und die Verwendung eines separaten Dichtringes ist immer unpraktisch.

Unsere GB-A-2239496 (8928648.8) beschreibt selbstbetätigte Metalldichtungen, die für ein zuverlässiges Abdichten ge­ gen ein Fluid bei einem sehr hohen Druck sorgen können und einen metallischen Abdichtungsring aufweisen, der einen ungefähr C-förmigen Querschnitt hat, wobei aber der äußer­ ste Bereich durch eine größere Materialdicke als innere Schenkelbereiche verstärkt ist, die bei Verwendung mit den abzudichtenden Oberflächen in Eingriff stehen. Die erhöhte Materialdicke in dem radial äußersten Bereich und die re­ sultierende erhöhte Ringfestigkeit (hoop strength) wider­ stehen einer Expansion oder Änderung der Form der Dichtung im Betrieb, wohingegen die geringere Dicke innerer Berei­ che mit den flexiblen Schenkeln, die die abzudichtenden Oberflächen berühren, für eine ausreichende Flexibilität sorgt. Eine relative Bewegung der Dichtung und abgedichte­ ter Oberflächen wird deshalb reduziert oder vermieden, so daß die Dichtung einem Fressen und Rauhwerden nicht ausge­ setzt ist, aber die zum Zusammendrücken der Dichtung er­ forderliche Last ist nicht wesentlich erhöht, und die Dichtung bleibt ausreichend flexibel, um sich einer schlechten Ausrichtung und mangelnder Parallelität der ab­ zudichtenden Oberflächen anzupassen.

Die GB-A-2259121 bezieht sich auf einen weiter verbesser­ ten hohlen Metallabdichtungsring, der in Situationen ver­ wendbar ist, bei denen ein außergewöhnlich hoher Druck ab­ zudichten ist und/oder eine Tendenz zur Separation der Flansche oder anderer abzudichtender Oberflächen wegen des extrem hohen Druckes besteht. Hierbei weisen die radial innersten freien Enden der Schenkelbereiche axial auswärts vorstehende Ränder auf, die die maximale axiale Ausdehnung des Ringes in seinem entspannten Zustand bestimmen; und die Schenkelbereiche weisen bevorzugterweise radial außen­ liegend zu den Vorsprüngen Bereiche reduzierter axialer Dicke auf, die Punkte bevorzugten Biegens der inneren En­ den der Schenkelbereiche bei axialem Zusammendrücken dar­ stellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Dichtung zu schaffen, die die genannten Nachteile vermei­ det.

Eine erfindungsgemäße Lösung weist die Merkmale des An­ spruches 1 auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Er­ findung ist ein Sitzteil eines Absperrventils oder Schie­ berventils, insbesondere ein schwimmender Sitz, mit einem einstückigen elastischen Dichtelement zum Abdichten gegen den Ventilkörper oder das Ventilgehäuse versehen.

Eine solche Anordnung ist ökonomischer als das Abdichten des Ventilsitzes mittels einer separaten Dichtung und dem technisch überlegen.

In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der Erfindung hat sich herausgestellt, daß Dichtungsprofile ähnlich zu denen der oben beschriebenen Dichtungen für eine extrem zufriedenstellende Abdichtung in anderem Zusammenhang, in besonderen Ventilsitzen, durch die Verwendung eines im we­ sentlichen einer Hälfte des Querschnitts des oben be­ schriebenen Dichtungsringes entsprechenden Dichtungsele­ mentes sorgen können.

So kann ein abzudichtender Körper, insbesondere ein Schwimmsitz eines Absperrventils, mit einem integrierten elastischen Dichtelement, zum Beispiel in Ringform, verse­ hen sein, das im Querschnitt einen elastischen Schenkel aufweist, der an einem Ende einstückig mit dem Rest des abzudichtenden Körpers ausgebildet ist und der über seine Länge beabstandet vom Rest des abzudichtenden Körpers an­ geordnet ist. Der Schenkel hat ein vorzugsweise gewölbtes Profil zumindest an seiner äußeren Oberfläche und ist aus­ gebildet, um in eine passende Abdichtungsoberfläche unter Druck, der ungefähr quer zur Länge bzw. Längserstreckung des Schenkels ausgeübt wird, einzugreifen, oder sich unter dem Druck an die Berührungsabdichtungsfläche anzulegen.

Vorzugsweise weist das freie Ende des Schenkels einen aus­ wärts vorstehenden Rand oder Lippe auf, der oder die ange­ ordnet ist, um bei Verwendung die Berührungsab­ dichtungsoberfläche zu berühren.

In einer Ausführungsform der Dichtung, die die Erfindung verkörpert, hat der Schenkel eine konvergente äußere Ober­ fläche, zum Beispiel in der Art eines Kreis- oder anderen Bogens, wohingegen das innere Profil des Schenkel­ querschnitts eine Oberfläche aufweist, die im entspannten Zustand im wesentlichen parallel zu der äußeren Oberfläche und mit dem Hauptkörper des abzudichtenden Teils über einen glatt ineinander übergehenden teilkreisförmigen oder anderen Bogen verbunden ist.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nur als Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeich­ nung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines Ab­ sperrventilsitzes;

Fig. 2a die Dichtung des schwimmenden Ventilsitzes in einem größeren Maßstab;

Fig. 2b typische Abmessungen des Dichtungsprofils; und

Fig. 3 einen schwimmenden Absperrventilsitz mit symmetrischem Dichtungsprofil.

Fig. 1 zeigt schematisch in axialem Querschnitt einen Teil eines Absperrventilgehäuses 3 mit einer Durchflußöff­ nung 1, durch die ein Fluid normalerweise in Richtung des Pfeils 20 fließt. Das Ventil kann zum Beispiel verwendet werden, um den Fluß in einer Erdgas- oder Ölpipeline zu steuern. Auf der Einlaßseite des Ventils erweitert sich die Durchflußöffnung 1 durch eine rechtwinklige oder rechteckige Ausnehmung 5 oder Sitztasche, innerhalb derer ein schwimmender Ventilsitz 7 aus Metall untergebracht ist, der die Einlaßseite des Ventilschiebers 2 abdichtet. Das Absperrventilgehäuse weist innen eine Ausnehmung 6 auf, in der der Ventilschieber 2 untergebracht ist. Der Ventilschieber 2 ist rechtwinklig zur Flußrichtung 20 bzw. quer zur Hauptachse 22 des Ventils zum Absperren und Öffnen bewegbar. Auf der Auslaßseite des Ventilschiebers ist ein weiterer Ventilsitz 4 vorgesehen. Dies ist ein fester Ventilsitz, der durch eine einstückige Abdichtungs- und Haltelippe 8 oder durch einen Abschnittsdichtring mit C-förmigem Querschnitt, die oder der in einer in der Peripherie des festen Ventilsitzes 4 ausgebildeten rechtwinkligen oder rechteckigen Ausnehmung angeordnet ist, gehalten und abgedichtet ist, wobei die Lippe oder der Ring zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilgehäuse radial und axial wirken.

Der Einlaßventilsitz 7 ist ein schwimmender Ventilsitz mit einer auf der Einlaßseite eingebauten Dichtung 10, was die vorliegende Erfindung verkörpert. Dies ist in einem größe­ ren Maßstab in den Fig. 2a und 2b dargestellt.

Die Ausnehmung 5 hat eine ebene Oberfläche 12 senkrecht zu der Achse des Ventils. Die Dichtung 10 weist einen elasti­ schen Schenkel 9 auf, der einstückig mit dem Sitz 7 am Hochdruckende des letzteren und am radialen inneren Ende des Schenkels ausgebildet ist. Der Schenkel ist durch ei­ nen Zwischenraum 14 von einer quer verlaufenden Oberfläche 18 des Ventilsitzes 7 beabstandet, die parallel zu der Oberfläche 12 der Ventilsitztasche 5 angeordnet ist.

Das geförderte Fluid kann Zugang zu dem Zwischenraum 14 haben, und in diesem Fall wirkt der Druck dieses Fluids auf die Rückseite des Dichtungsschenkels 9 in Richtung der Berührungsfläche 12. Der Schenkel 9 hat ein kreisförmig gewölbtes äußeres Profil 11, so daß die äußere Oberfläche des Schenkels konvex in Richtung zur Berührungsfläche 12 ist.

Die innere Oberfläche des Dichtungsquerschnitts wird durch eine zu der Oberfläche 11 parallele (konzentrische) Ober­ fläche 21 gebildet, die in die Oberfläche 18 durch eine Oberfläche 23 übergeht bzw. eingepaßt ist.

Die axiale Dicke des Metalls des Schenkels 9 steigt zuneh­ mend vom Scheitel 16 des gewölbten Profils zu dem radial innersten Bereich an, wo sie in dem Hauptkörper des Ven­ tilsitzes aufgeht. Dies sorgt für eine gute Ringfestig­ keit, ohne die Flexibilität des Schenkels 9 zu reduzieren.

Das äußere Ende des Schenkels weist einen axial auswärts gerichteten Rand oder Lippe 31 auf.

Der Rand 31 hat eine konvexe Oberfläche 25, die der Berüh­ rungsfläche 12 axial zugekehrt ist.

In Fig. 2 ist zu erkennen, daß der Oberflächenbereich 25 des Schenkels über die einlaßseitige Oberfläche 15 des Hauptkörpers des Ventilsitzes 7 axial vorsteht. Bei Ver­ wendung unter axialem Druck berührt die Oberfläche 25 die feste Berührungsfläche 12 des Ventilkörpers, und der Schenkel 9 biegt sich, so daß er aufgrund seiner eigenen Elastizität einen Abdichtungsdruck gegen die Oberfläche 12 ausübt.

Die axial zugekehrte Oberfläche 25 der Lippe 31 steht axial weiter über die Oberfläche 15 als der gewölbte Ober­ flächenbereich 16 vor, so daß, wenn der Ventilsitz axial zusammengedrückt wird, die Randoberfläche 25 die Berüh­ rungsfläche 12 zuerst berührt.

Beim Einsatz tritt ein Zwischenraum X zwischen der Rück­ wand des Sitzes 7 und der Sitztasche auf, wenn ein Druck in der durch den Pfeil 20 in Fig. 1 angedeuteten pri­ mären Flußrichtung angelegt wird. Typischerweise ist die­ ser Zwischenraum in einem Bereich von 0,05 bis 0,34 mm (0,002 bis 0,013 Inch).

Wenn ein Druck in der entgegengesetzten Richtung angelegt wird (zum Beispiel während des Erprobens von Brunnen oder Quellen), verschwindet dieser Zwischenraum, das heißt das Maß X ist 0.

Der schwimmende Sitz hat zur zufriedenstellenden Funktion in beiden Zuständen blasenfest bis zu Drücken von 5000 oder 10 000 psi zu sein. Der dargestellte einstückige Sitz erfüllt diese Betriebsvoraussetzungen. Typische praktische Abmessungen sind in Fig. 2b dargestellt. Die ringförmige Endoberfläche 15 des Schwimmsitzes trägt die durch den Körper in Relation zu dem Ventilgehäuse aufgebrachte Last. Von Fig. 1 ist erkennbar, daß diese Oberfläche 15 der Be­ rührungsfläche 12 des Ventilgehäuses zugekehrt und zu die­ ser parallel ist. Die Schenkelrandoberfläche 25 drückt elastisch gegen die Oberfläche 12 und verursacht ein Bie­ gen des Schenkels 9 etwa am inneren Ende. Weil die Ober­ fläche 25 gekrümmt oder gewölbt ist (am besten in Fig. 2b dargestellt), kann sie für eine perfekte Abdichtung trotz möglicher Abrollung, die während der Kompression und De­ kompression, also dem Zusammendrücken und Entlasten, der Dichtung beim Einsatz auftreten kann, sorgen.

Im entspannten Zustand steht die Oberfläche 25 gegenüber der Oberfläche 15 um das Maß Y vor (Fig. 2a). Dieses Maß steuert das maximale Zusammendrücken der Dichtung. Es kann in Abhängigkeit von den Erfordernissen für eine bestimmte Anwendung gewählt werden.

Die radiale Dicke des Schenkels um sein Krümmungszentrum 27 (Fig. 2b) wird durch die Differenz zwischen den Radien der gewölbten Oberflächen 11 und 21 festgelegt. Diese Dicke und ihr Verhältnis zur radialen Erstreckung des Schenkels kann passend zu einer bestimmten Anwendung ge­ wählt werden.

Der konvexe Schenkel kann für eine perfekte Federkombina­ tion aufgrund seines Sicherungsringes und der Ringfestig­ keit sorgen, was in einer konstanten Abstützung des Sitzes gegen den Schieber resultiert.

Die dargestellte Konstruktion eines kombinierten Sitzes mit Dichtung für ein Absperrventil ist den rauhesten Be­ dingungen hoher Drücke und Korrosion, zum Beispiel in un­ terseeischen sauren Quellen, gewachsen. Die beschriebene Kombination von Dichtung und Sitz weist sehr hohe selbst­ betätigte bzw. selbstverstärkende Abdichtungseigenschaften auf.

Alternativ kann die Dichtung 10 ein Profil aufweisen, das aus einer Hälfte des Querschnittprofils eines Dichtungs­ ringes, wie in der GB-A-2239496 oder 2259121 beschrieben und illustriert, besteht.

Die Oberfläche 25 sollte eine hohe Oberflächengüte und en­ ge Toleranzen, zum Beispiel durch spanende Bearbeitung und Läppen, aufweisen.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Rand des Schenkels am radial äußeren Ende der Dichtung. Alternativ kann er an der radial inneren Seite der Dichtung mit der Auflagerfläche 15 auf der radial äußeren Seite angeordnet sein. In einer weiteren anderen möglichen Anordnung, die in Fig. 3 dargestellt ist, hat ein schwimmender Absperr­ ventilsitz eine Dichtung mit einem symmetrischen Profil, das einen ersten Dichtungsschenkel 9a an seiner radial äu­ ßeren Seite, der dem Schenkel 9 der in den Fig. 1 bis 2b dargestellten Dichtung entspricht aber kürzer ist, und einen zweiten Dichtungsschenkel 9b mit einem ähnlichen Profil an seiner radial inneren Seite mit einer Auflager­ fläche 15 zwischen den beiden Schenkeln aufweist. Die in­ neren und äußeren Dichtungsschenkel können spiegelbildlich zueinander im Querschnitt sein oder sie können in einem oder mehreren Maßen differieren, wobei eine ähnliche Ge­ samtform zueinander beibehalten wird.

Die vorliegenden Dichtungen können zum Beispiel durch eine spanende Bearbeitung aus Vollmaterial, durch eine Kombina­ tion von spanender Bearbeitung und Walzen oder durch ein anfängliches Herstellen eines Schenkels 9 als Ring und ein anschließendes Anschweißen am Ventilsitz hergestellt werden.

Im Falle einer Dichtung in geschweißtem Aufbau kann der individuelle Ring durch spanende Bearbeitung aus einer Platte, durch Pressen oder in einer sonstigen praktischen Weise hergestellt werden.

Das Schweißen kann zum Beispiel durch TIG- oder Microplas­ ma-Schweißen ausgeführt werden, aber Elektronen­ strahl-Schweißen wird aufgrund seiner geringeren Wärmezu­ fuhr bevorzugt, so daß es möglich ist, ohne Schwierigkei­ ten Abschnitte mit einer Dicke (heel thickness) von bis zu 35 mm zu schweißen.

Besonders im Falle einer durch Elektronenstrahl-Schweißen hergestellten Dichtung kann es wünschenswert sein, die Dichtung nach dem Schweißen einer Hitzebehandlung zu un­ terwerfen, zum Beispiel durch Wiedererwärmen und Ab­ schrecken, vor einer nachfolgenden Altershärtung.

Erfindungsgemäße Dichtungen können aus jedem geeigneten Metall hergestellt werden. Hochnickelhaltige Legierungen sind besonders geeignet, zum Beispiel Nimonic (registrier­ tes Warenzeichen) und Inconel (registriertes Warenzei­ chen). Eine geeignete Legierung für saure Anwendungen ist Inconel 718.

Die Korrosionsbeständigkeit und die Federeigenschaften der Dichtung und folglich ihres Rückstellfaktors nach einem Zusammendrücken können durch Altershärten außerordentlich verbessert werden.

Die Dichtung kann vor Gebrauch mit einer Schutzschicht und/oder einer Beschichtung mit niedriger Reibung, zum Beispiel mit Blei, Silber, Gold, Nickel, PTFE oder einer Kombination aus Nickel oder einem anderen Metall mit PTFE, beschichtet werden. Die zuletzt angesprochene Kombination ist nützlich zur Reduzierung des Fressens während des Zu­ sammendrückens, wenn eine Inconel-Dichtung gegen ein Inconel-Ventilgehäuse gedrückt wird, oder allgemeiner wenn Nickellegierungsdichtungen in Verbindung mit Nickel ent­ haltenden oder beschichteten Flanschen verwendet werden.

Bei den dargestellten Ausführungsformen ist der Ventilsitz ringförmig und dementsprechend die Dichtung ringförmig ausgebildet. Jedoch ist die Erfindung auch auf Dichtungen mit einer anderen als der ringförmigen Konfiguration an­ wendbar, zum Beispiel auf geradlinige oder ovale Dichtun­ gen.

Die Erfindung ist nicht auf Dichtungen beschränkt, die in einer axialen Richtung eines Ventils, einer Pipeline oder dergleichen wirken, sondern ist gleichwertig auf radial wirkende Dichtungen anwendbar. Obwohl das Abdichten von Schwimmsitzen von Absperrventilen eine besonders vorteil­ hafte Anwendung der Erfindung ist, kann sie zum Abdichten bei einer großen Vielfalt anderer Situationen und im all­ gemeinen für alle statischen Abdichtungen verwendet werden.

Das kombinierte Sitz- und Dichtungsteil kann mit seinem abdichtenden Schenkel wahlweise am Ventilgehäuse oder an einem bewegbaren Ventilkörper, wie am Ventilschieber, an­ liegend angeordnet sein. Gegebenenfalls kann das Teil auch auf beiden axialen Seiten jeweils eine abdichtende Schen­ kelanordnung aufweisen.

Zudem kann ein von innen wirkender Fluiddruck auch dahin­ gehend selbstbetätigend oder -verstärkend auf die Abdich­ tungseigenschaften wirken, daß der Druck auf die äußere gewölbte Oberfläche 11 des Schenkels 9 mit der Folge wirkt, daß sich die Wölbung unter einer Streckung des Schenkels radial nach außen verringert und dementsprechend der Rand 31 des Schenkels 9 fester gegen die Ausnehmung 5 gedrückt wird.

Generell gilt, daß ein auf die Außenseite der Wölbung des Schenkels wirkender Druck den Rand des Schenkels radial nach außen gegen eine hohlzylindrische Wandung der die Dichtung aufnehmenden Ausnehmung 5 drückt, und daß ein auf die Innenseite der Wölbung des Schenkels wirkender Druck (also vom Zwischenraum 14) die Randfläche 25 stärker axial gegen die Fläche 12 der Ausnehmung 5 drückt. So verstärkt sich in beiden Fällen die Abdichtwirkung.

Claims (11)

1. Sitzteil für ein Absperrventil, gekennzeichnet durch ein eingebautes, einstückiges, elastisches Dich­ tungselement, das zum Abdichten gegen ein Absperr­ ventilgehäuse oder einen Absperrventilkörper ange­ paßt ist.

2. Abzudichtender Körper, gekennzeichnet durch ein ein­ gebautes, einstückiges, elastisches Dichtungselement im Querschnitt mit einem elastischen Schenkel, der an einem Ende einstückig mit dem Rest des abzudich­ tenden Körpers ausgebildet ist und über seine Länge beabstandet zu dem Rest des abzudichtenden Körpers angeordnet ist, wobei der Schenkel so angeordnet und angepaßt ist, um einen elastischen Abdichtungskon­ takt zu einem weiteren Körper herzustellen.

3. Körper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schenkel zumindest auf seiner äußeren Oberfläche ein gewölbtes Profil aufweist.

4. Körper nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schenkel an seinem freien Ende einen auswärts vorstehenden Rand oder Lippe aufweist, der oder die so angeordnet und angepaßt ist, um eine Be­ rührungsabdichtungsoberfläche bei Verwendung zu be­ rühren.

5. Körper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im entspannten Zustand der vorspringende Rand oder die Lippe so angeordnet und angepaßt ist, um den er­ sten Abschnitt der Dichtung zu bilden, der die Be­ rührungsabdichtungsoberfläche des weiteren Körpers berührt.

6. Körper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auflager- oder Stoppoberfläche vorgesehen ist, die so angeordnet und angepaßt ist, um die Berüh­ rungsabdichtungsoberfläche später als der Schenkel zur Begrenzung der Deformation des Schenkels zu be­ rühren.

7. Körper nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß er die Form eines Ringes aufweist.

8. Körper nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schenkel so angeordnet ist, um axial zu wirken.

9. Körper nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß er ein Sitzteil für ein Absperr­ ventil aufweist.

10. Sitzteil für ein Absperrventil nach Anspruch 1 oder 9, gekennzeichnet durch einen schwimmenden Absperr­ ventilsitz.

11. Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schenkel so angeordnet ist, um radial zu wirken.