DE68917331T2 - Hochdruckventil mit flexiblem Sitz. - Google Patents

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
• Die Erfindung betrifft Fluidventile und spezielle Fluidabdichtvorrichtungen in Fluidventilen, um eine zuverlässige Absperrung von Hochdruckfluid zu erreichen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• In vielen Anwendungsfällen wie etwa in Kraftwerken benötigen Hochtemperatur-Kesselspeisewassersysteme Fluidventile mit zuverlässigen Fluiddichtungskomponenten (d. h. Ventileinstellung), um über lange Zeiträume eine dichte Fluidabsperrung zu erreichen. Spezielle Probleme treten in solchen Umgebungen aufgrund der hohen Drücke und der hohen Temperaturen auf, die zwischen ca. 121 ºC und ca. 232 ºC (ca. 250 ºF und ca. 450 ºF) liegen können.
• Derzeit verfügbare Ventile für solche Umgebungen enthalten kompliziert geformte Ventileinstellungskomponenten, die in der Herstellung teuer und zeitaufwendig und beim Austausch im normalen Ventilwartungsbetrieb teuer sind. Typischerweise verwenden Fluidventile Metall-Metall-Sitzdichtflächen für alle allgemeinen Anwendungen in einem großen Bereich von Druckabfällen und Temperaturen sowie Metall-TFE-Sitzdichtflächen (TFE = Tetrafluorethylen) für strengere Absperrbedingungen. Ein Beispiel einer solchen Standard- und fakultativen Sitzdichtfläche ist in einem Ventilkörper mit ES-Konstruktion von Fisher Controls International, Inc., verfügbar. Dieses handelsübliche Fluidventil umfaßt eine Ventileinstellung mit einem Ventilstopfen, der an einem Dichtring aus Tetrafluorethylen (TFE) anliegt, der in einem metallischen Dichtringgehäuse angeordnet und in seiner Lage von einer metallischen Festlegescheibe gehalten ist. Eine solche Konfiguration ist zwar unter den meisten Bedingungen akzeptabel, es ist aber erwünscht, ein Fluidventil mit verbesserten Ventileinstellkomponenten anzugeben, das unter strengen Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen zuverlässig einsetzbar ist.
• US-A-3 809 362 beschreibt eine verbesserte Ventileinstellung zur Verwendung als Hochdruck-Fluidventil, wobei ein verformbarer Kunststoffeinsatz-Sitzring an einem Sitzringgehäuse angebracht und in seiner Lage von einem Sitzring-Festlegeelement gehalten ist. Das Sitzring-Festlegeelement hat eine Serie von nach innen und nach außen geformten Flächen, die entgegengesetzten, gleichartig geformten Sitzringgehäuseflächen zugewandt sind, und der verformbare Kunststoffsitzring hat eine gleichartige Serie von Flächen und liegt zwischen dem Festlegeelement und dem Gehäuse. Bei geschlossenem Ventil drückt der Ventilstopfen den verformbaren Sitzring zusammen, um den Ring über die Fließgrenze hinaus zu beanspruchen und ihn zu veranlassen, wie eine Flüssigkeit zu wirken, um dem Sitzring eine Formänderung und Verlagerung zu ermöglichen, um so eine hydrostatische Kunststoff-Metall- Abdichtung herzustellen.
• US-A-3 027 911 zeigt ein Sicherheits-Entlastungsventil mit einem Ventilstopfen mit einer nach außen verlaufenden Stopfensitzfläche, einem verformbaren elastischen Dichtring und einem Dichtringgehäuse, das in Axialrichtung in einer Reihe mit dem Ventilstopfen angeordnet ist, wobei das Dichtringgehäuse einen ringförmigen Hohlraum zur Aufnahme der verformbaren elastischen Dichtung hat und der Hohlraum aus einem flexiblen Metallsitz gebildet ist, der eine flexible Metallippe hat, die von dem Sitzringgehäuse vorspringt. Der elastische Dichtring ist in der Anordnung aus beweglichem Stopfen/Stopfenführung angeordnet. Bei geschlossenem Ventil berührt die flexible Metallippe die Ventilsitzfläche, und der Sitz biegt die flexible Metallippe nach innen, um zu bewirken, daß der elastische Dichtring nach außen fließt und mit der Ventilsitzfläche in Kontakt gelangt, um eine plastische Kompressionsdichtung zu bilden. Bei diesem Ventil müssen der Stopfen und die Stopfenführung in Gewindeeingriff sein und ordnungsgemäß justiert sein, um den ringförmigen Dichtring beispielsweise zu der in Fig. 3 gezeigten Gestalt zu verformen.
• Es ist erwünscht, ein Fluidventil anzugeben, das eine Ventileinstellung hat, die unter Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen zuverlässig arbeitet. Es ist ferner erwünscht, eine solche Ventileinstellung vorzusehen, die einfacher und billiger als derzeit verfügbare Einheiten herstellbar ist und die bei normalen Ventilwartungsarbeiten einfacher und leichter gewartet werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Durch die Erfindung wird ein Fluidventil gemäß der Definition in den Ansprüchen angegeben. Das Ventil umfaßt einen Ventilstopfen mit einer nach außen verlaufenden Stopfensitzfläche, einem verformbaren Dichtring aus elastischem Material, einem Dichtringgehäuse mit einem flexiblen Metallsitz, um den verformbaren Dichtring zu halten, und einer metallischen Dichtungshalterung, die den flexiblen Metallsitz und die Dichtung umgibt. Die Dichtungshalterung hat ein dem Dichtring eng angepaßtes Profil, um den Dichtring dicht in seiner Lage zu halten, so daß, wenn der Ventilstopfen schließt und mit dem flexiblen Metallsitz in Eingriff gelangt, ein Bereich des Metallsitzes nach radial außen gebogen wird, um die verformbare Dichtung nach innen in Anlage an den Ventilstopfen zu pressen. Eine nach außen gerichtete Bewegung der Dichtung während des Biegens des formsteifen Metallsitzes wird durch das engpassende Profil der metallischen Dichtungshalterung verhindert.
• Diese Ventileinstellung ist fähig, eine hermetische Dichtung bei der Montage zu ergeben, ohne daß irgendeine Justierung erforderlich ist. Die Dichtung entspannt, wenn der Ventilstopfen geöffnet wird, und wird nach innen in Anlage an den Ventilstopfen gepreßt, um eine hermetische Dichtung um den Umfang des Ventilstopfens herum zu bilden, wenn der Ventilstopfen den flexiblen Metallsitz berührt. Die Kunststoffdichtung besteht bevorzugt aus kohlenstoffaserverstärktem TFE, was wiederholte Schließvorgänge des Ventils bei Temperaturen bis zu 232 ºC (450 ºF) erlaubt.
• Ein wesentliches vorteilhaftes Merkmal der Erfindung ist, daß das Fluidventil und speziell die Ventileinstellungskomponenten einfach hergestellt und montiert und bei der Wartung leicht ausgewechselt werden können. Insbesondere wird bei der Montage der Ventileinstellung die verformbare Kunststoffdichtung einfach in den flexiblen Metallsitz eingesetzt, und die Dichtungshalterung wird in ihrer Position angebracht, um sowohl die Dichtung als auch den flexiblen Metallsitz zu umgeben, ohne daß eine Justierung der Positionen der Komponenten stattfindet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Die Erfindung ergibt sich am besten unter Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Elemente in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind; die Zeichnungen zeigen in:
• Fig. 1 eine Explosionsansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Satzes von Ventileinstellungskomponenten für ein Fluidventil gemäß den Prinzipien der Erfindung; und
• Fig. 2 eine Teilschnittansicht eines Ventils mit den montierten Ventileinstellungskomponenten gemäß Fig. 1.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Fig. 1 zeigt einen Satz von Ventileinstellungskomponenten 10 für ein Hochdruck-Fluidventil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Ein Ventilstopfen 12 hat eine nach außen verlaufende Stopfensitzfläche 14. Ein Dichtringgehäuse 16 hat einen flexiblen Metallsitz 18 an einem axialen Ende des Gehäuses zur Aufnahme einer verformbaren Dichtung 20, die aus einem elastischen Material wie einem Elastomer, Kautschuk, Kunstharzpolymer usw. besteht. Für Hochdruckanwendungen wird bevorzugt, daß die Dichtung 20 aus TFE oder einem anderen Kunstharzpolymermaterial besteht.
• Der flexible Metallsitz weist eine Ausnehmung 22 auf, die zwischen einer äußeren, in Axialrichtung verlaufenden Wand 24 und einer inneren, in Axialrichtung verlaufenden Wand 26 geformt und definiert ist. Die Wand 26 hat einen Ansatzbereich, der über die Ausnehmung 22 und die äußere Wand 24 hinaus verläuft und in einem dünnen Lippenbereichsende 28 endet. Die Wand 26 und das Lippenbereichsende 28 sind so geformt, daß bei Sitzkontakt mit der Ventilstopfensitzfläche 14, wie Fig. 2 zeigt, der Lippenbereich nach außen gebogen wird. Es wird bevorzugt, daß das Lippenbereichsende einen kleinen Radius hat, um eine Bogenfläche 29 zu definieren, die mit der Ventilstopfensitzfläche 14 in Kontakt ist.
• Die verformbare Dichtung 20 hat einen Bereich 30, der ausgebildet ist, um in die Ausnehmung 22 zu passen, einen äußeren Einstellbereich 32, der sich geringfügig über ein Ende 34 der äußeren Wand 24 hinauserstreckt; einen inneren Bereich 36, der sich geringfügig über das Lippenbereichsende 28 hinauserstreckt; und einen profilierten Bereich 40, der über die Ausnehmung 22 hinausragt und an das Lippenbereichsende 28 angrenzt.
• Eine formsteife metallische Dichtungshalterung 42 ist ausgebildet, um den flexiblen Metallsitz und die verformbare Dichtung zu umgeben. Insbesondere ist die Innenfläche 44 der Halterung der Kontur der Dichtringgehäusefläche 46 ähnlich geformt und eng daran angepaßt, und eine Bogenfläche 48 der Halterung ist ähnlich dem bogenförmigen Profil der Außenfläche 50 der verformbaren Dichtung geformt und eng daran angepaßt. Außerdem sind die eng aneinander angepaßten Profilflächen der Halterung, der Dichtung und des Gehäuses mit engen dimensionsmäßigen Toleranzen hergestellt, so daß zwischen diesen Komponenten eine relativ dichte Passung besteht.
• Aus Fig. 2 ist daher ersichtlich, daß, wenn die Dichtung 20 in dem flexiblen Metallsitz 18 angeordnet ist, die Dichtungshalterung die Dichtung mit eng angepaßter Kontur in ihrer Lage hält, wenn die Bodenfläche 52 der Dichtungshalterung in anliegendem Kontakt mit einem Steg 54 des Dichtringgehäuses ist. Falls gewünscht, kann ein O-Dichtring 56 als zusätzliche Dichtung zwischen der Halterung 42 und dem Gehäuse 16 vorgesehen sein.
• Im Betrieb wird beim Schließen des Ventils der Stopfen 12 in Richtung zu dem Dichtringgehäuse 16 bewegt, so daß die Stopfensitzfläche 14 in anliegenden Metall-Metall-Dichtkontakt mit der flexiblen Lippe 28 gelangt. Während sich der Ventilstopfen in Anlage an der Metallippe schließt, wird die Lippe umgebogen und preßt dadurch gegen die Dichtung 20. Aufgrund der engen Profilanpassung zwischen der Dichtungshalterung 42 und der Dichtung 20 kann sich die Dichtung 20 jedoch nicht nach außen bewegen und wird stattdessen nach innen in Anlage an die Ventilstopfensitzfläche 14 gepreßt. Das ergibt eine hermetische Dichtung um den Umfang des Ventilstopfens herum. Beim Öffnen des Ventils wird der Stopfen 12 von dem flexiblen Metallsitz wegbewegt, und die Dichtung entspannt sich.
• Die verformbare Dichtung 20 besteht bevorzugt aus kohlenstoffaserverstärktem TFE, um wiederholtes Schließen des Ventils bei Temperaturen bis zu 232 ºC (450 ºF) zu ermöglichen. Andere Kunststoff-Gütegrade können für andere Temperaturanforderungen und Fluide verwendet werden. Es versteht sich, daß die Erfindung zwar zur Verwendung bei Hochdruckventilen beschrieben wurde, bei denen die Ventileinstellung über lange Zeiträume eine dichte Absperrung herstellen muß, daß die Erfindung aber auch unter weniger strengen Anforderungen mit geringeren Druckunterschieden und niedrigeren Temperaturen wie für Gase oder Chemikalien verwendbar ist.
• Ferner wurde die Erfindung zwar zur Verwendung in einem Spindellängsschieberventil beschrieben, aber die Ventileinstellung selber kann auch bei einem Drehschieberventil verwendet werden. Beispielsweise könnte die Ventileinstellung gemäß der Erfindung zur Verwendung bei einem Drehschieberventil mit einer exzentrischen Welle ausgebildet sein, die einen Ventilstopfen in die Dichtung der Ventileinstellung drehen kann, anstatt wie bei einer normalen Kugelventilkonstruktion nur über die Ventilöffnung zu gleiten. Die Ventilstopfensitzfläche kann somit in einen flexiblen Metallsitz gedreht werden, der eine verformbare Dichtung enthält, die von einer umgebenden metallischen Dichtungshalterung fest in ihrer Lage gehalten wird. Ein kleiner Sitzbereich kann nach außen gebogen werden, um die verformbare Dichtung in Anlage an die Drehschiebersitzfläche zu pressen.
• Die vorstehende genaue Beschreibung dient nur dem besseren Verständnis und bedeutet keine Einschränkung, da Modifikationen für den Fachmann ersichtlich sind.

Claims (9)

1. Fluidventil für Hochdruckanwendungen, das aufweist: einen Ventilstopfen (12) mit einer nach außen verlaufenden Stopfensitzfläche (14), einen verformbaren elastischen Dichtring (20) und ein Dichtringgehäuse (16), das in Axialrichtung in einer Reihe mit dem Ventilstopfen angeordnet ist, wobei das Dichtringgehäuse eine Ausnehmung (22) zur Aufnahme des verformbaren elastischen Dichtrings (20) hat und die Ausnehmung (22) in einem flexiblen Metallsitz (18) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

die Ausnehmung (22) des Dichtringgehäuses an einem axialen Ende des Dichtringgehäuses (16) angeordnet ist und der flexible Metallsitz (18) eine innere Wand (26) hat, die in Axialrichtung angrenzend an und über die Ausnehmung (22) hinaus vorspringt und in einem Lippenbereichsende (28) zum Sitzeingriffskontakt mit der Ventilstopfensitzfläche (14) endet;

die in Axialrichtung verlaufende innere Wand (26) und das Lippenbereichsende (28) dimensioniert sind, um bei Druckbeaufschlagung der Ventilstopfensitzfläche (14) während des Sitzeingriffskontakts derselben flexibel nach radial außen zu wirken;

der verformbare elastische Dichtring (20) ausgebildet 35 ist, um die Ausnehmung (22) auszufüllen, und einen Dichtungsbereich (40) aufweist, der profiliert ist, um angrenzend an das Lippenbereichsende (28) des flexiblen Metallsitzes (18) in Axialrichtung angeordnet zu sein;

eine formsteife metallische Dichtungshalterung (42) mit dem Ventilstopfen (l2) und dem Dichtringgehäuse (16) in Axialrichtung ausfluchtbar vorgesehen ist und den flexiblen Metallsitz (18) und den Dichtring (20) umgibt;

die formsteife metallische Dichtungshalterung (42) einen inneren Bereich (44) aufweist, der ein Oberflächenprofil (48) im wesentlichen gleich dem Oberflächenprofil (50) des profilierten Dichtungsbereichs (40) hat, um zu ermöglichen, daß der profilierte Dichtungsbereich (40) aufgrund der flexiblen, nach radial außen gerichteten Wirkung der inneren Wand (26) und des Lippenbereichsendes (28) während des Sitzeingriffs durch die Ventilstopfensitzfläche zusammenpressend nach innen gedrängt wird.

2. Fluidventil nach Anspruch 1, wobei der Innenbereich (44) der metallischen Dichtungshalterung und der profilierte Dichtungsbereich (40), die ein im wesentlichen gleiches Oberflächenprofil (48, 50) haben, außerdem mit engen dimensionsmäßigen Toleranzen geformt sind.

3. Fluidventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei der verformbare Dichtring (20) aus TFE oder einem anderen Kunstharzpolymermaterial geformt ist.

4. Fluidventil nach einem der Ansrüche 1-3, wobei der verformbare Dichtring (20) einen Innenrandbereich (36) aufweist, der über das Lippenbereichsende (28) der inneren Wand (26) hinausverläuft.

5. Fluidventil nach einem der Ansprüche 1-4, wobei der flexible Metallsitz (18) außerdem eine äußere, in Axialrichtung verlaufende Wand (24) gegenüber der inneren Wand (26) aufweist, um dazwischen die Ausnehmung (22) zu definieren.

6. Fluidventil nach Anspruch 5, wobei die innere Wand (26) über die äußere Wand (24) in Axialrichtung hinausverläuft.

7. Fluidventil nach einem der Ansprüche 5-6, wobei der verformbare Dichtring (20) einen Außenrandbereich (32) aufweist, der über die äußere Wand (24) hinausverläuft.

8. Fluidventil nach einem der Ansprüche 1-7, wobei das Lippenbereichsende (28) eine bogenförmige Fläche (29) zum Sitzeingriffskontakt mit der Ventilstopfensitzfläche (14) aufweist.

9. Fluidventil nach einem der Ansprüche 1-8, wobei der Innenbereich (44) der metallischen Dichtungshalterung und der profilierte Dichtungsbereich (40) mit aufeinander abgestimmten bogenförmigen Oberflächenprofilen (48, 50) geformt sind.