NO176289B - Manuelt eller pneumatisk betjenbar höytrykkslukkeventil - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en lukkeventil som er bestemt for blant annet å kunne stenge eller åpne for sirkulasjon av fluid såsom vann, olje, gass etc. under relativt høyt trykk, i størrelses-orden 7«IO<7> Pa, gjerne i laboratorier og i forbindelser mellom rør og rørledninger. Lukkeventilen er tett og fleksibel og vil kunne betjenes både manuelt og via pneumatikk.

Man kjenner allerede flere slike høytrykkslukkeventiler, av disse skal nevnes: Pneumatisk betjente ventiler som benytter lineære, enkel tvi rkende aktuatorer og lukker ved hjelp av en ventilnål, manuelle ventiler med dreibart ventillegeme, manuelle kvartom-løpsventiler med sfæriske ventillegemer, høytrykkselektroventiler, og ventiler med motorisert ventillegemebetjening.

Samtlige av de kjente ventiler har imidlertid betydelige ulemper: - De pneumatisk betjente er gjerne lite fleksible, fluidtettheten reduseres relativt raskt, ofte på grunn av at det ikke er mulig å finne en tilstrekkelig god trykkfjær for ventilnålen, slik at fluidtettheten også opprettholdes selv om trykket blir høyt i de kretser som ventilen skal betjene, - de manuelle ventiler med dreibart ventillegeme kan oftest ha god funksjonsdyktighet, men de er ikke egnet for automatisk drift, videre slites de også relativt fort, i avhengighet av hvilket trykk eller hvilken kraft operatøren bruker mot ventilnålen, - ventiler med haner eller sfæriske ventillegemer har ofte en skjøt som endrer seg med tiden, særlig når et stort trykk er til stede og spesielt også hvis ventilen skal gjennomløpes av et korrosivt fluid såsom et petroleumsprodukt, dessuten er ventiler av denne type relativt begrenset når det gjelder trykk, - elektroventiler av kjent type er også begrenset med hensyn til trykk og dessuten kan de av sikkerhetsgrunner ikke alltid benyttes i petroleumslaboratorier eller raffineringsanlegg, siden bruk av elektrisitet for styring av ventiler er pålagt restrik-sj oner, - ventiler med motorisert drift av lukkemekanismen eller ventillegemet krever en relativt komplisert styring med tilførsel av elektrisk strøm, dessuten er responstiden relativt lang, og - endelig har samtlige av disse nevnte ventiltyper ulempen

ved enten å være utelukkende manuelt betjenbare eller bare automat-iske.

Særlig er det ventiler som lukkes ved innskruing som er lite egnet for automatisk styring eller drift. I slike vil ventilnålen være utsatt for tilfeldig belastning og ha større risiko for å bli slitt eller ødelegges ved at operatøren ikke alltid er skånsom nok ved innskruingen. En følge av dette er igjen at en manuell dreieventil må suppleres med en ytterligere ventil i de tilfeller hvor hovedventilen skulle ødelegges, og dette innebærer naturligvis tidstap og at den komplette ventilsammenstilling både blir mer kostbar og større i omfang.

Fra den kjente teknikk skal nevnes patentskriftet US 3 503 586 som viser og beskriver en ventil som bare kan betjenes manuelt ved hjelp av en knapp. Samvirket mellom knappen og ventilnålen er utformet ved at knappen har ettergivende tunger med fremspring som passer inn i et spor, og i sin samvirkende stilling har knappen innvendige ribber som passer inn i en avsmalnet del av ventilnålen. Monteringen av en slik knapp er vanskelig siden den må skyves inn i ventilen med stor kraft, og dette medfører at tungene kan brekke eller deformeres. Videre må man ha riktig orientering av knappen i forhold til dreieaksen slik at de langs-gående ribber får presist samvirke med sporene i den avsmalnede del, ellers ville ikke knappen komme riktig på plass og både ribber og spor ville tidlig kunne slites ned eller deformeres allerede ved monteringen.

En annen ulempe er at når knappen først er ført inn på plass er det ikke lenger mulig å trekke den ut igjen. Selv i en utførelse hvor knappen kan demonteres kan ikke dette gjøres uten at man bruker stor kraft og fremdeles ikke uten risiko for deformasjon eller brekkasje av tungene.

US 4 149 699 gjelder også en manuelt betjenbar ventil og har stort sett samme ulempe som de som er nevnt ovenfor, både generelt og spesielt for US 3 503 586. Videre er ventilens håndtak utført i ett med ventilakselen og beveger seg aksialt sammen med denne og det tilspissede ventilelement som tilsvarer ventilnålen når innskruingen finner sted.

US 4 180 237 gjelder et hydraulisk ventilsystem hvis ventil bare kan betjenes ved hjelp av hydraulikkfluid og ikke manuelt. Den manuelle bevegelse av en betjeningsstang har bare som hensikt å innstille lukkestillingen av ventilens pakning mot dens ventilsete, og åpning og lukking av ventilen utføres ved kombinert virkning av en fjær og det hydrauliske trykk som utøves i et kammer. Virkningen er utelukkende aksial og dreier ikke ventilens ventil-stang rundt på samme måte som en dreibar ventilnål. Det er heller ingen mekanisk forbindelse mellom dette systems hovedsylinder og dets hydrauliske ventil.

Med dette som bakgrunn har den foreliggende oppfinnelse som mål å unngå alle de ulemper som er nevnt her og som hører til teknikkens stilling, derfor foreslås en nåleventil for fluid under trykk og av den type som omfatter et ventilsete med en innløpsåpning og en utløpsåpning, hvilke åpninger står i innbyrdes forbindelse via en kanal og forbi en seteflate, og en dreibar ventilnål med et sylindrisk parti med utvendige gjenger og en spiss utformet komplementært i forhold til seteflaten for å kunne lukke kanalen forbi denne, idet ventilnålen opptas i en aksial kanal som dannes av boringer inne i ventilsetet ved at den utvendig gjengede sylindriske del ved lukkingen av kanalen skrus inn i ventilsetet ved gjensidig inngrep mellom den sylindriske del og innvendige gjenger, hvorved ventilnålen kan skrus inn aksialt til en lukkestilling hvor forbindelsen mellom innløpsåpningen og utløpsåpningen er avstengt ved at spissen blir liggende an mot seteflaten, eller ut til en åpen stilling hvor innløpsåpningen og utløpsåpningen er i forbindelse med hverandre ved at spissen er tilbaketrukket i forhold til seteflaten.

Oppfinnelsens nåleventil er særlig kjennetegnet ved at ventilnålen i sin normalt øvre ende, motsatt spissen er forbundet med en dreiearm som kan dreies i en aktuator i den ene eller andre retning, enten automatisk under påvirkning av et styrefluid i væske-eller gassform for drift av aktuatoren, eller manuelt ved hjelp av et håndtak som er festet til dreiearmens ende motsatt den ende som er forbundet med ventilnålen.

Dreieaktuatoren kan være i form av en vrimotor med hydraulisk eller pneumatisk styring og samtidig utrustet med et håndtak som tillater manuell dreining.

I lukkestillingen er ventilens lukkeelement i form av ventilnålen ført frem til sin aksiale endestilling og avskjærer forbindelsen mellom innløpsåpningen og utløpsåpningen. Oppfinnelsens høytrykksnåleventil er fortrinnsvis slik at ventilnålen har et sylindrisk parti med utvendige gjenger og innrettet for å kunne skrus inn i de innvendige gjenger i en tilstramningsdel, og at ventilnålens spiss er innrettet for å lukke et ventilsete i en kanal som forbinder innløpsåpningen med utløps-åpningen .

Høytrykksventilen er videre særlig slik at ventilnålens øvre, ikke frie ende danner et forbindelseselement som er dreiefast forbundet med dreieaktuatorens dreiearm uten å være aksialt låst til denne, hvorved ventilnålen fritt kan beveges aksialt i forhold til dreiearmen.

Lukkeventilen er også fortrinnsvis slik at forbindelseselementet er koppformet og har en sylindrisk sidevegg med aksiale spalter anordnet diametralt motsatt og som endene av stoppbolt kan opptas i med en viss klaring, idet stoppboltene er ført radialt gjennom dreieaktuatorens dreiearms ende motsatt den ende som håndtaket er festet til og som normalt vender opp.

Fortrinnsvis er oppfinnelsens høytrykksnåleventil slik at dreieaktuatoren har stoppelementer som begrenser bevegelsen mellom den åpne stilling og lukkestillingen, idet den maksimale vinkel for å dekke fullt åpen stilling og fullt lukkende lukkestilling kan være et kvart omløp (90°).

Når høytrykksnåleventilen installeres utføres en kalibrer-ing eller førsteinnstilling av dreieaktuatoren slik at det oppnås god tetning når ventilnålen er i sin lukkestilling, uten at nevne-verdig deformasjon finner sted og uten at det forutsettes nevne-verdig slitasje ved senere betjening. Deretter vil tilstramningsmomentet ved hver betjening være det samme.

Videre er det en fordel med oppfinnelsens ventil at den både kan betjenes automatisk og manuelt.

En særlig utførelses form av oppfinnelsen skal nå gjennomgås. Det vises til tegningene, idet fig. 1 viser et aksialsnitt gjennom en typisk høytrykksnåleventil ifølge oppfinnelsen, i lukket stilling, fig. 2 viser samme i åpen stilling, fig. 3 viser ventilens ventilsete og nålelegeme med de enkelte deler skilt fra hverandre i aksial retning, og fig. 4 viser et perspektivutsnitt av det forbindelseselement som er vist øverst på fig. 3, med den nederste ende av dreieaktuator- ens dreiearm i halvt innpasset stilling.

Nåleventilen omfatter et ventilhus 10 utformet som en sylinder 12 og lukket i begge ender av en bunn 16 og et lokk 14, idet lokket er festet til sylinderen med bolter 18. Bunnen har en aksial åpning 20 som et ventilsete 24 er festet i ved hjelp av bolter 22, selve ventilsetet 24 er best vist på fig. 3. Ventilsetet har en radial innløpsåpning 26 og en tilsvarende radial utløpsåpning 28, disse åpninger kan imidlertid ha omvendt funksjon, slik at innløpsåpningen er den som er vist som 28 på figuren, mens utløpsåpningen da blir den som er vist som 26. Åpningene er for-skjøvet aksialt i forhold til hverandre. Til innløpsåpningen er koplet et tilførselsrør 32 (eventuelt 34), og til utløpsåpningen er koplet et utløpsrør 34 (eventuelt 32). Disse rør er fluidtett forbundet under tilstramning og koplingen er indikert med en mutter 30. Åpningene munner ut i en aksial kanal som består av en nedre, trangere del 36, og en øvre, videre del 38, kanaldelene har samme lengdeakse. I overgangen mellom kanaldelene dannes en seteflate 40 for ventilsetet, dette er best vist på fig. 3.

Den øvre kanaldel 38 fortsetter oppover i en utvidet boring 42 og lenger oppe i en ytterligere utvidet boring 44, og boringene er innrettet for opptak av pakninger 46, 48, 50 og en tilstramningsdel 52 med utvendige gjenger 54 for å kunne skrus inn i boringen 44, idet denne har innvendige gjenger.

Når ventilsetet 24 er montert på plass danner tilstramningsdelen 52 og de sammenpressede pakninger 46, 48 og 50 en innvendig sammenhengende kanal som flukter med kanalen 36, 38. I denne sammensatte kanal opptas ventilens ventilnål 58, denne er best vist på fig. 3 og avsluttes nedad i en spiss 60 som er tilpasset anlegg i ventilsetet (med seteflaten 40).

Ventilnålen har lenger opp et sylindrisk, utvidet parti 62 med utvendige gjenger for å kunne skrus inn i tilstramningsdelen 52, idet denne har tilsvarende innvendige gjenger 56. Den øvre ende av ventilnålen er forbundet med et forbindelseselement 64 med skål- eller koppform og som har en sylindrisk sidevegg 66 som øverst er innskåret med aksiale spalter 68 på diametralt motsatte sider (fig. 4 viser de to nærmeste av fire slike spalter).

Sammenstillingen av ventilnålen 58 og f orbindelseselementet 64 kan dreies av en aktuator 70 med pneumatisk eller hydraulisk drift og som er festet til lokket 14 med festebolter 72 slik at aktuatorens 70 sentrale lengdeakse sammenfaller med ventilnålens.

Dreieaktuatoren styres av det aktuelle fluid under trykk, f .eks. trykkluft hvis aktuatoren er pneumatisk, og fluidet tilføres via et rør 74 som er festet koaksialt i forhold til en festedel 75 for en sylindrisk styredel som i to koaksiale trykkrom kan føre frem trykkluft med noe forskjellig trykk. Trykkrommene står i forbindelse med to koplinger 81 og 83 på dreieaktuatoren 70, via fleksible ledninger 77 og 79. Tilførsel av trykkluft til den ene eller andre av koplingene 81, 83 bevirker dreiebevegelse av dreieaktuatoren 70 mellom en vinkelstilling hvor nåleventilen er lukket og en vinkelstilling hvor denne er åpen. Aktiveringen skjer ved å tilføre fluid med høyere trykk til den ene eller den andre kopling.

Aktuatorens dreiearm 78 har i den ende som normalt vender nedover og som er tilpasset innføring i forbindelseselementet 64 en tverrboring som en stoppbolt 70 er ført inn i, slik det fremgår av fig. 4. Stoppboltens ender er innrettet for å føres inn i to motstående av spaltene 68, med en viss klaring. Den øvre ende av dreiearmen 78, på oversiden av nåleventilens lokk 14, er utrustet med et håndtak 82 slik at man også kan dreie dreiearmen for hånd.

Nå skal virkemåten for nåleventilen gjennomgås: fig. 1 viser ventilen i lukket stilling. Ventilnålen 58 er i anlegg mot setet 40 og lukker på denne måte kanalen 36, 38. Fluidet som føres inn gjennom tilførselsrøret 32 (eller 34) kan følgelig ikke føres videre til utløpsrøret 34 (eller 32).

Når ventilen monteres innstilles lukkestillingen ved å føre ventilnålen 58 for hånd til den nedre, lukkende stilling vist på fig. 1, deretter utføres forbindelsen mellom nålen og dreieaktuatorens dreiearm 78 ved hjelp av stoppbolten 80.

For å åpne ventilen må dreiearmen 78 dreies en viss vinkel, enten for hånd ved hjelp av håndtaket 82 eller automatisk ved hjelp av trykkluft, f.eks. via koplingen 81. I begge disse tilfeller fører dreiearmen 78 hele forbindelseselementet 64 med ventilnålen 58 rundt ved hjelp av stoppbolten 80. Dreieretningen er slik at det gjengede sylindriske parti 62 av ventilnålen skrur seg ut av tilstramningsdelen 52 og slik at sammenstillingen ventilnål 58 og forbindelseselement 64 forskyves oppover, hvilket er mulig ved at endene av stoppbolten 80 ligger i de aksiale spalter 68. Stør-relsen av dreiningen reguleres for ventilnålen 58 slik at denne føres tilstrekkelig opp fra setet 40 til at forbindelsen mellom innløpsåpningen og utløpsåpningen 26, åpnes. Ut fra lukkestillingen kan den åpne stilling av ventilen oppnås ved f .eks. å dreie dreie-

armen 78 tre kvartomløp.

For å lukke ventilen tilføres trykkluft ved høyere trykk til koplingen 83.

Ventilen er videre utrustet med en nærhetsdetektor 84 som er i stand til å registrere ventilens åpning og lukking. Detektoren er festet i bunnen 16 og kan være av kapasitiv type. Det er i det viste eksempel den aksiale posisjon av et hjelpestykke 86 som registreres, idet dette stykke bare kan beveges aksialt, dvs. i samme retning som nåleventilens lengdeakse.

Oppfinnelsen har således foreslått en nåleventil som er meget pålitelig, siden lukkemekanismen både har god fluidtetning og repeterbar lukkefunksjon. Ved at tilstramningsmomentet kan innstilles på forhånd kan ventilnålen føres inn til effektiv lukking av ventilsetet og ventilens indre kanal uten at deformasjon eller unødvendig slitasje finner sted. Ventilen kan funksjonere ved høyere trykk, nemlig i størrelsesorden 70 MPa og kan aktiveres både manuelt og automatisk, og den kan dessuten ha en nærhetsdetektor som regi-strerer ventilens lukketilstand.

Claims (7)

1. Nåleventil for fluid under trykk, av den type som omfatter et ventilsete (24) med en innløpsåpning (26 eller 28) og en utløps-åpning (28 eller 26), hvilke åpninger står i innbyrdes forbindelse via en kanal (36, 38) og forbi en seteflate (40), og en dreibar ventilnål (58) med et sylindrisk parti (62) med utvendige gjenger og en spiss (60) utformet komplementært i forhold til seteflaten (40) for å kunne lukke kanalen (36, 38) forbi denne, idet ventilnålen (58) opptas i en aksial kanal som dannes av boringer (42, 44) inne i ventilsetet (24) ved at den utvendig gjengede sylindriske del (62) ved lukkingen av kanalen (36, 38) skrus inn i ventilsetet ved gjensidig inngrep mellom den sylindriske del (62) og innvendige gjenger (56), hvorved ventilnålen (58) kan skrus inn aksialt til en lukkestilling hvor forbindelsen mellom innløpsåpningen og utløps-åpningen er avstengt ved at spissen (60) blir liggende an mot seteflaten (40), eller ut til en åpen stilling hvor innløpsåpningen og utløpsåpningen er i forbindelse med hverandre ved at spissen er tilbaketrukket i forhold til seteflaten, KARAKTERISERT VED at ventilnålen (58) i sin normalt øvre ende, motsatt spissen (60) er forbundet med en dreiearm (78) som kan dreies i en aktuator (70) i den ene eller andre retning, enten automatisk under påvirkning av et styrefluid i væske- eller gassform for drift av aktuatoren, eller manuelt ved hjelp av et håndtak (82) som er festet til dreiearmens (78) ende motsatt den ende som er forbundet med ventilnålen (58).

2. Ventil ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at dreiearmen (78) er holdt aksialt ubevegelig, men dreibar for dreining sammen med ventilnålen (58) ved hjelp av en mekanisk forbindelse (68, 80) som tillater aksial bevegelse av ventilnålen i forhold til dreiearmen.

3. Ventil ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at ventilnålens (58) ende motsatt spissen (60) er utformet som et koppformet forbindelseselement (64) med en sylindrisk sidevegg (66) anordnet koaksialt i forhold til den og utrustet med diametralt motsatte aksiale spalter (68) for opptak med en viss klaring av endene av en stoppbolt (80) som er ført radialt gjennom dreiearmens første ende, idet denne første ende er den som er forbundet med ventilnålen, og idet de aksiale spalter (68) og stoppbolten (80) sammen utgjør den mekaniske forbindelse som tillater aksial bevegelse av ventilnålen i forhold til dreiearmen.

4. Ventil ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at aktuatoren (70) for å tillate dreining har stoppelementer som begrenser ventilnålens bevegelse mellom sin åpne stilling og lukkestillingen, idet begrensningen av bevegelsen er i form av en begrensning av ventilnålens dreiebevegelse, f.eks. 3/4 (270°) av et helt dreieomløp.

5. Ventil ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at kanalen som dannes av boringene (42, 44) omfatter en tetningsinnretning med pakninger (46, 48, 50) og en tilstramningsdel (52) for å presse disse sammen, og at de innvendige gjenger (56) for inngrep med de utvendige gjenger på det sylindriske parti (62) er utformet inne i tilstramningsdelen.

6. Ventil ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED en nærhetsdetektor (84) for registrering av ventilnålens stilling i området mellom fullt åpen og helt lukket stilling.

7. Ventil ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED at nærhetsdetek-toren (84), som kan være av kapasitiv type, er festet i bunnen (16) av ventilens omsluttende ventilhus (10) og innrettet for å registrere posisjonen i vertikal retning av et hjelpestykke (86) som følger ventilnålens (58) bevegelse i aksial retning.