DE69503654T2

DE69503654T2 - Rückschlagventil für hochdruck abrasiven schlamm

Info

Publication number: DE69503654T2
Application number: DE69503654T
Authority: DE
Inventors: Mark Saint Paul Mn 55133-3427 Serafin
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1994-11-14
Filing date: 1995-10-02
Publication date: 1999-01-28
Anticipated expiration: 2015-10-03
Also published as: WO1996015399A1; JPH10508930A; EP0792427B1; EP0792427A1; DE69503654D1; US5482077A; KR970707412A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Ventile. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Rückschlagventile zur Verwendung in Verbindung mit abrasivem Schlamm, wie prinzipiell aus US-A-5 241 986 bekannt.
Rückschlagventilausbildungen, die in der standardmäßigen "T"-Form ausgebildet sind, wobei der Einlaß und der Auslaß an entgegengesetzten Enden des Endblocks des Verstärkungskolbenzylinders angeordnet sind, unterliegen zyklischen Belastungen und Ermüdungseinwirkungen, die sich aus dem vollen Umfang der während jedes Hubs des Verstärkungskolbens aufgebrachten Belastung ergeben. Bei jedem Kolbenhub trifft der bewegbare Rückschlagventilkolben den Ventilsitz mit erheblicher Kraft, woraus sich eine Verschlechterung der gemeinsamen Sitzflächen ergibt. Um das Auftreten eines Ventilversagens zu eliminieren oder dessen Häufigkeit zu verringern, weisen bekannte Ventilausbildungen Merkmale wie leicht reparierbare oder leicht austauschbare Ventilkolben und Ventilsitzflächen auf, wie in US-A-4 371 001 beschrieben. Darüber hinaus verringern einige bekannte Rückschlagventilformen das Ausmaß der zyklischen Belastungen durch koaxiales Anordnen der Ventile oder durch Befestigen der Ventilanordnung im Ende des Verstärkungszylinders, wie in US-A-4 026 322, US-A-4 412 792 und US-A-4 862 911 beschrieben. Diese Rückschlagventile sind zur ausschließlichen Verwendung mit Lösungen aus reinem Wasser und Polymer vorgesehen.
Eine Anzahl von Wasserstrahlpumpensystemen ist mit eiem absoluten Vorfiltrationsvorgang versehen, der in der Lage ist, Partikel, die kleiner als 5 Mikron sind, zu entfernen, wodurch sichergestellt ist, daß die Rückschlagventile auf keine großen Partikel treffen. US-A-4 908 154 offenbart die Notwendigkeit des Vorsehens zweier Vorfiltrationsstufen, um sicherzustellen, daß große Partikel nicht in Kontakt mit dem Verarbeitungssystem gelangen.
Im Handel erhältliche Rückschlagventilformen sind nicht immer geeignet, in einer abrasiven Schlamm enthaltenden Umgebung mit Betriebsdrücken von bis zu 287300 N/m² (60000 psi) und mit produktionsunterstützenden Durchsatzraten (höher als 0,5 gpm) zu arbeiten, da diese Ventile primär für eine Wasser/Polymer-Umgebung vorgesehen sind. Die Fehlerursache bekannter Ventile ist meist eine Erosion der Kugel und der entsprechenden Sitzfläche, die durch die Unfähigkeit des Ventils fest am Sitz anzuliegen, da sich Pigmentpartikel zwischen der Kugel und dem Sitz ablagern.
Ventilsitzausbildungen mit einer Abschrägung auf der Innenseite des Sitzes, mit oder ohne eine elastomere O-Ringdichtung, ermöglichen ein schnelleres Ansammeln von Partikeln zwischen der Kugel und dem Sitz, woraus sich eine Zunahme der Häufigkeit der erosionsbedingten Ausfälle ergibt. Elastomere O-Ringdichtungen; die in bekannten Ventilformen zur Verbesserung des Sitzes verwendet werden, versagen aufgrund des direkten Auftreffens der abrasiven Strömung, oder aufgrund der Unfähigkeit des Elastomers, der Lösemittelabsorption/-dekompression zu widerstehen, die in einer Hochdruckumgebung auftritt.
Der Beginn der Erosion der Rückschlagventilsitzflächen kann geringfügig verzögert werden, indem harte Keramikmaterialien verwendet werden, beispielsweise teilweise stabilisiertes Zirkonium als Teil der Sitzfläche. Dieser Ansatz ist jedoch nicht ausreichend widerstandsfähig gegen Erosion, da die gleiche Art von Erosionsmuster, die bei Sitzen aus weicherem Metallmaterial auftritt, letztlich auch bei dem Keramiksitz auftreten würde. Das Ventil in US-A-5 110 463 weist eine harte keramische Sitzfläche au.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kolben-Rückschlagventil zur Verwendung in Systemen zu schaffen, die abrasives Material fördern, wobei das Rückschlagventil verhältnismäßig hohen Drücken über eine lange Zeitwiderstehen kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Kolben-Rückschlagventil gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die Erfindung schafft ein Kolben-Rückschlagventil, das zum Betrieb bei Drücken bis zu 287300 N/m² (60000 psi) und zum Arbeiten in einer abrasiven Schlamm enthaltenden Umgebung ausgebildet ist, in der die Partikelgröße der Schlämme vom Submikronbereich bis zu Größen reicht, die über denjenigen liegen, die von einem 60-mesh Sieb und bei einem Durchsatz von mehr als 1,5 gpm aufgefangen werden. Dieses Ventil ist in der Lage, über längere Zeiträume von mehr als 100 Stunden zu arbeiten, und kann mit Schlämmen und Dispersionen arbeiten, die erheblich mit Metall und keramischen Verschleißprodukten verschmutzt sind.
Das Ventil weist einen Ventilkörper und einen an dem ventilkörper angebrachten Ventilsitz auf. Der Ventilsitz hat ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Durchgangsbohrung. Der Ventilsitz ist zinnenartig geformt und besteht aus Materialien, die derart gewählt sind, daß sie einem Auftreffen der abrasiven Partikel bei hohen Drücken und über lange Zeiträume widerstehen können. In der Durchgangsbohrung des ventilsitzes bewegt sich ein Kolben, der einen Kopf aufweist, welcher im geschlossenen Zustand des Ventils das erste Ende des Ventilsitzes berührt. Eine O-Ringdichtung ist am ersten Ende des Ventilsitzes angebracht und weist eine Breite auf, die wenigstens 50% des Durchmessers der Durchgangsbohrung beträgt. Die Breite der O-Ringdichtung kann zwischen 60% und 70% des Durchmessers der Durchgangsbohrung betragen, wobei der Durchmesser der Durchgangsbohrung zwischen 0,62 cm und 1,25 cm und die Breite der O-Ringdichtung zwischen 3,8 cm und 5,1 cm betragen kann. Ferner kann das erste Ende des Ventilsitzes eine O-Ringdichtungsnut zur Aufnahme der O-Ringdichtung aufweisen. Im ersten Ende des Ventilsitzes kann ferner eine zweite O-Ringdichtung in einer umfangsmäßigen O-Ringdichtungsnut angeordnet sein.
Der Ventilkörper kann an einer Stopfbuchsenmutter angebracht sein, welche das Ventil mit einem Rohrsystem verbindet. Ferner wird das Ventil durch eine Feder in die Schließstellung vorgespannt.
Die Erfindung wird im folgenden näher unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 - eine Querschnittsdarstellung eines Teils des erfindungsgemäßen Kolben- Rückschlagventils,
Fig. 2 - eine Querschnittsdarstellung eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kolben-Rückschlagventils,
Fig. 3 - eine Draufsicht auf das Ventil von Fig. 2,
Fig. 4 - eine Seitenansicht des Kolbens des Ventils von Fig. 2 und
Fig. 5 - eine Draufsicht auf den Kolben von Fig. 4.
Es wurden mehrere Kolben-Rückschlagventilformen entdeckt, die in der Lage sind, kontinuierlich bei Drücken bis zu 2873000 N/m² (60000 psi) über mehr als 100 Stunden in Produktionssystemen zu arbeiten. Diese Ventile können, außer mit Dispersionen, die magnetische Pigmente enthalten, in Verbindung mit zahlreichen verschiedenen Arten von abrasiven Dispersionen arbeiten. Wie in Fig. 1 dargestellt, überlappt bei einem Ausführungsbeispiel dieser Ventile 10 der Kolben 12 die axiale Innenseite des abgeschrägten Ventilsitzes 14, wobei die gesamte Durchgangsbohrung 16 im ventilsitz abgedeckt ist und sämtliche kritischen Sitz-Grenzflächen eliminiert sind, die ansonsten der Erosion durch abrasive Strahlen ausgesetzt wären. Die Metallzusammensetzung des Ventilsitzes und des Kolbens kann eine Hartmetallegierung wie Teledyne Vasco Max #350 sein, um Belastungsbrüche zu verringern, die in den Metallflächen aufgrund der wiederholten Einwirkung des Kolbens auf den Ventilsitz auftreten. Es können zwei O- Ringdichtungen aus Kunststoff verwendet werden, wobei eine O-Ringdichtung 18 dem Abdichten zwischen dem Kolben und dem Ventilsitz und die andere dem Abdichten zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilkörper dient.
Obwohl es in der Lage ist, abrasiven Schlämmen zu widerstehen, läßt dieses Rückschlagventil manchmal das Austreten des jeweiligen Produkts durch die Druckablaßöff nungen des Gehäusekörpers aufgrund der erheblichen Belastungsfluktuationen, die an der Eingangsanordnung bestehen. Die Belastungsfluktuationen führen zu ausreichendem Biegen des Ventilkörpers und der Stopfbuchsenmutter, um schließlich den Kontakt zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilkörper zu verringern: Die äußere Kunststoffdichtung dieses Ventils ist nicht für einen Ausgleich eines derart großen Kontaktverlusts ausgebildet.
Um dieses Problem zu korrigieren, wurde der Ventilsitz neu gebildet, indem die Abschrägung des Ventilsitzes und dem entsprechenden Bereich des Ventilgehäuses eliminiert und eine zinnenartige Form ausgebildet wurde. Dadurch wurde die Metallauf-Metall-Kontaktfläche zwischen dem Sitz und dem Gehäusekörper vergrößert. Nachfolgende Modifikationen der Abdichtung zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilkörper umfassen die Verwendung eines unähnlichen Metalls, beispielsweise Messing; als äußere periphere O-Ringdichtung und das Vorsehen einer Kerbe in der Vorderfläche der O-Ringdichtung. Die innere O-Ringdichtung, die sich zur Verbesserung der Dichtungseigenschaften in der ausgenommenen Nut befindet, kann aus Kunststoff, beispielsweise UHMW-Polyethylen bestehen.
Bei diesem Ventil setzen sich manchmal Metall- oder Keramikteilchen, welche Produkte von Stahl-Sandmühlen-Medien sind, zwischen der Kolbenstange und dem Ventilsitz fest. Diese verschlechterte Abdichtung auf der Innenseite des Ventilsitzes verhindert eine ordnungsgemäße Kolbenfunktion. Dieses Problem wird durch Verdoppelung des Mindestspiels zwischen der Kolbenstange und dem Ventilsitz von 0.0165 cm (0,0065 Inch) zu 0,038 cm (0,015 Inch) gelöst:
Ferner führt auch die Verarbeitung von pigmentierten Produkten, die eine gewisse Menge an metallischen oder keramischen Verschleißprodukten in der Dispersion mit sich führen, manchmal zu einer Verschlechterung der Abdichtung auf der Innenseite des Ventilsitzes. Dieses Verschleißprodukte entstehen sowohl aus inhärentem Verschleiß durch Sandmühlen-Medien, als auch durch interne Verschleißprodukte des Sandmühlen-Arbeitsvorgangs. Eine verschlechterte Abdichtung ergibt sich, wenn nichtextrudierbare Metall- oder Keramikteilchen sich in der Fläche der inneren O-Ringdichtung festsetzen, wodurch eine harte Brücke über die elastische O-Ringdichtung gebildet wird, und so eine Erosion der Ventildichfflächen ermöglicht wird. Um dies zu beheben, wird die Breite der inneren O-Ringdichtung (die Differenz zwischen dem Innen- und dem Außendurchmesser der O-Ringdichtung) um 25% vergrößert, un zwar von 0,125 cm auf 0,16 cm (0,05 Inch auf 0,063 Inch). Diese Vergrößerung der Breite der O- Ringdichtung verringert die Fehlerhäufigkeit des Rückschlagventils. Durch ein weiteres Verdreifachen der Breite der O-Ringdichtung auf eine Breite von 0,475 cm (0,187 Inch) wird der Sitz beinahe völlig ausfallsicher im Hinblick auf das Festsetzen von Metall- oder Keramikteilchen in der O-Ringdichtung. Dieses Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 2-5 dargestellt.
Das Ventil 20 der Fig. 2 und 3 weist eine Stopfbuchsenmutter 22, die das Ventil mit einem Rohrsystem verbindet, einen an der Stopfbuchsenmutter 22 angebrachten Ventilkörper 24 und einen Ventilsitz 26 auf, der zwischen dem Ventilkörper 24 und der Stopfbuchsenmutter 22 angeordnet ist. Der Ventilkörper 24 weist einen zentralen Hohlraum 28 auf, der einen Teil des Fluidströmungsweges durch das Ventil 20 bildet. Der Ventilsitz 26 weist ein erstes Ende 30, ein gegenüberliegendes zweites Ende 32 mit einem Sitzansatz 34, und eine Durchgangsbohrung 36 auf. Das erste Ende 30 kann zinnenartig ausgebildet sein. Ein Stößel oder Kolben 38 ist in dem zentralen Hohlraum 28 des Ventilkörpers 24 und in der Durchgangsbohrung 36 des Ventilsitzes 26 angeordnet. Der Kolben 38 kann sich innerhalb des zentralen Hohlraums 28 und der Durchgangsbohrung 36 bewegen. Der Kolben 38 hat eine Stange 40, die zum größten Teil in der Durchgangsbohrung 36 angeordnet ist, und einen Kopf 42, der sich in dem zentralen Hohlraum 28 befindet. Der Kolbenkopf 42 berührt das erste Ende 30 des Ventilsitzes 26, wenn das Ventil 20 geschlossen ist. Der Kolbenkopf 42 weist Rillen 44 auf und die Kolbenstange 40 hat vier Schenkel 46, wie am besten in den Fig. 4 und 5 dargestellt, um im offenen Zustand des Ventils 20 eine Strömung vorbei an dem Kolben 38 zu ermöglichen. Mehr oder weniger Rillen und Schenkel können verwendet werden. Der Kolbenkopf 42 ist an der Oberseite offen, wodurch ein offener Zylinder 48 mit einem Ende 50 gebildet ist. Eine Schraubenfeder 52 ist in dem zentralen Hohlraum 28 des Ventilkörpers 24 angeordnet und sitzt passend in dem offenen Zylinder 48 des Kolbenkopfes 42. Die Schraubenfeder 52 drückt gegen die Endwand 54 des zentralen Hohlraums 28 und das Ende 50 des offenen Zylinders 48 des Kolbenkopfes 42.
Eine innere O-Ringdichtung 56 ist an dem ersten Ende 30 des ventilsitzes 26 angebracht und ist ausreichend breit, um das Festsetzen ausreichender Mengen von Metall- oder Keramikteilchen in der Oberfläche der O-Ringdichtung 56 zu verhindern, so daß diese keine harte Brücke über die elastische O-Ringdichtung bilden können, welche eine Erosion der Ventildichtflächen ermöglichen würde. Es hat sich gezeigt, daß eine Breite der O-Ringdichtung 56 von ungefähr wenigstens 50% des Durchmessers der Durchgangsbohrung 36 ausreichend breit ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der Durchgangsbohrung 0,174 cm (0,281 Inch) und die O-Ringdichtung ist 0,0475 cm (0,187 Inch) breit. Diese O-Ringdichtungsbreite beträgt 66% des Durchgangsbohrungsdurchmessers. Vorzugsweise weist das erste Ende 30 des Ventilsitzes 26 eine O-Ringdichtungsnut 58 auf, die die O-Ringdichtung 56 aufnimmt. Eine äußere periphere O-Ringdichtung 60 kann in dem Ventilkörper 24 an dem Außenumfangsrand des ersten Endes 30 des Ventilsitzes 26 angebracht sein. Diese O-Ringdichtung 60 kann in einer O-Ringdichtungsnut 62 aufgenommen sein, die im Außenumfang des Ventilsitzes 26 ausgebildet ist. Um den Ventilsitzansatz 34 am zweiten Ende 32 des Ventilsitzes 26 kann eine O-Ringdichtung 64 für den Sitzansatz vorgesehen sein. Diese O-Ringdichtung 64 dichtet zwischen dem Ventilsitz 26 und der Stopfbuchsenmuter 22 ab.

Claims

1. Kolben-Rückschlagventil zur Verwendung in einem System, das abrasive Materialien fördert, dessen Partikel Größen vom Submilcron-Bereich bis zu Größen aufweisen, die über denjenigen liegen, welche von einem 60-mesh Sieb und bei einem Durchsatz von mehr als 1, 5 gpm aufgefangen werden, und das in der Lage ist, bei Drücken bis zu 2873000 N/m² und über Zeiträume von mehr als 100 Stunden zu arbeiten,

mit:

einem Ventilkörper (24) mit einem mittigen Hohlraum (28), der einen Teil des Fluidströmungsweges durch das Ventil bildet,

einem Ventilsitz (14; 26), der an dem Ventilkörper (24) angebracht ist und ein erstes Ende (30), ein zweites Ende (32) und eine Durchgangsbohrung (36) aufweist,

einem in dem mittigen Hohlraum (28) des Ventilkörpers (24) und der Durchgangsbohrung (36) des Ventilsitzes (26) verschiebbaren Kolben (12; 38), der das erste Ende (30) des Ventilsitzes (14; 26) berührt, wenn das Ventil geschlossen ist, und

einer Einrichtung (52) zum Vorspannen des Ventils in die Schließstellung,

dadurch gekennzeichnet, daß

das erste Ende (30) des Ventilsitzes zinnenartig ausgebildet ist und aus Materialien besteht, die derart ausgewählt sind, daß sie dem Auftreffen von abrasiven Materialien mit Partikelgrößen vom Submikron-Bereich bis zu Größen widerstehen können, die über denjenigen liegen, welche von einem 60-mesh Sieb und bei einem Durchsatz von mehr als 1,5 gpm aufgefangen werden, und die in der Lage sind, bei Drücken bis zu 2873000 N/m² und über Zeiträume von mehr als 100 Stunden zu arbeiten, und

ein O-Ring (56) an dem ersten Ende (30) des Ventilsitzes (14; 26) angebracht ist, wobei die Breite des O-Rings (56) wenigstens 50% des Durchmessers der Durchgangsbohrung beträgt.

2. Ventil nach Anspruch 1, bei dem die Breite des O-Rings (56) zwischen 60% und 70% des Durchmessers der Durchgangsbohrung (30) beträgt, wobei der Durchmesser der Durchgangsbohrung (36) zwischen 0,62 cm und 1,25 cm beträgt, und wobei die Breite des O-Rings (56) zwischen 3,8 cm und 5,1 cm beträgt.

3. Ventil nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem das erste Ende (30) des Ventilsitzes (26) eine O-Ringnut (58) aufweist, die den O-Ring (56) aufnimmt.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1-3, ferner mit einem zweiten O-Ring (60), wobei das erste Ende (30) des Ventilsitzes (14; 26) eine umfangsmäßig verlaufende O-Ringnut (62) aufweist, die den zweiten O-Ring (60) aufnimmt.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1-4, ferner mit einer Stopfbuchsenmutter (22), welche das Ventil mit einem Rohrsystem verbindet, wobei der Ventilkörper an der Stopfbuchsenmutter (22) und der Ventilsitz (26) zwischen dem Ventilkörper (24) und der Stopfbuchsenmutter (22) angebracht ist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem der mittige Hohlraum (28) eine Endwand (54) aufweist, wobei der Kolben (12; 38) einen zum größten Teil in der Durchgangsbohrung (36) angeordneten Schaft (40) und einen in dem mittigen Hohlraum (28) angeordneten Kopf (42) aufweist, wobei der Kolbenkopf (42) mit Nuten (44) versehen ist und der Kolbenschaft (40) Stege (46) aufweist, um bei offenem Ventil eine Strömung an dem Kolben (38) vorbei zu ermöglichen, wobei der Kolbenkopf (42) an der Oberseite zur Bildung eines offenen Zylinders (48) mit einem Ende (50) offen ist, und bei dem die Vorspanneinrichtung eine Schraubenfeder (52) aufweist, die in dem offenen Zylinder (48) des Kolbenkopfes (42) angeordnet ist und gegen die Endwand (54) des mittigen Hohlraums (28) und das Ende des offenen Zylinders (48) des Kolbenkopfes (42) drückt.