WO1988006694A1 - Pipe-fracture safety valve - Google Patents

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Dusko MARAVIC^´
Milic^´ NOVAKOVIC^´
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MARAVIC^´, Monika
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    • F16L55/00—Devices or appurtenances for use in, or in connection with, pipes or pipe systems
    • F16L55/10—Means for stopping flow from or in pipes or hoses
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    • F16K17/20—Excess-flow valves
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    • F16L55/10—Means for stopping flow from or in pipes or hoses
    • F16L55/1022—Fluid cut-off devices automatically actuated

Definitions

  • This invention belongs to the field of wireline transportation, pneumatic and hydraulic systems.
  • the effects of a pipe break can e.g. in the form of an apartment flood, road damage, a standstill of a procedural operating process, a failure of a hydraulic device.
  • the consequential damage can often take on unmanageable proportions.
  • This new invention is to protect many different pipeline, pneumatic, and hydraulic systems from pipe breakage damage. There are no limits to the application of the new safety valve, so that the physical state of the working medium, the system pressure and temperature as well as the size and material of the valve play a subordinate role.
  • the main task of this invention is therefore, on the one hand, to disentangle the working medium from the system and on the other hand to prevent the inevitable consequential damage.
  • the pipe rupture safety valve consists of a valve housing (1), valve housing cover (2), plate (3), adjusting nut (4), spring (5) and seals (6), (7), (14) and (15).
  • the valve housing (1) is designed in such a way that a high flow rate - practically a measure of the pressure loss due to friction and eddy formation that results when a valve flows through - is achieved. Together with the area of the nominal diameter of the valve, very favorable valve characteristics, called k v values, are formed. According to the definition, the k v value is the flow rate in m 3 / h of the medium at 5 - 30 ° C that flows through the valve with a pressure drop of 1 bar.
  • This valve has a very high k v value.
  • valve housing cover (2) which is firmly connected to the valve housing (1) by means of several screws and a seal (14) placed between them, is designed so that the valve plate (3) is accommodated in its lower, wider part.
  • the hole in the middle part of the valve housing cover (2) guides it. The stem of the valve disc (3) can thus be guided precisely.
  • the pressure regulator consists of a spring (5) and an adjusting nut (4).
  • the two parts are housed in the upper part of the valve housing cover (2).
  • the connection between the adjusting nut (4) and the valve housing cover (2) is made by the thread.
  • Seal (7) represents an O-ring. This seals against the sleeve seal (6), which consists of a material with a very low coefficient of friction.
  • Seal (15) is also made of a seat sealing material (e.g. NBR [Perbunan]). Your task is to achieve the absolute seal between the valve plate (3) and the valve seat.
  • a seat sealing material e.g. NBR [Perbunan]
  • the valve works in the following way: The incoming medium passes the supply line (8) on the valve housing (1) and via the deflection chamber (9) it reaches the plate chamber (10).
  • the spring characteristic is chosen so that the spring has a slightly smaller force than the force exerted by the pressure in the compensation chamber (12) on the projected plate shaft surface.
  • the critical value can only be expected where the lines are violently broken.
  • the counterforce is eliminated since the pressure in the compensation chamber (12) is promptly reduced, and the spring force causes the valve to close.
  • This closing process will take place without delay and without causing a hydraulic shock.
  • the closing damping which enables the special design of the valve plate and the cover. It is achieved in that the valve plate has a somewhat smaller diameter than the bore of the valve housing cover in the lower part. If you want to shorten / extend the closing time, larger / smaller valve disc diameters should be aimed for. Another way to control them is s. Fig. 4, given by the special design of the valve plate.
  • the determination of the closing speed is defined by the number of holes.
  • Bore (11) serves firstly to find the line break more quickly and easily and secondly, if closing has been caused, to allow the valve to open automatically by exceeding the maximum permitted flow rate. This is achieved in that the Tapping point is closed, whereby the pressures in the plate chamber (10) and the compensation chamber (12) equalize and the counterforce overcomes the spring force and allows the valve plate (3) to move upwards - opening -. With gaseous, toxic and extremely hot / cold media, holes (11) and (47) are not required. The absence of bore (47) can be replaced by bypasses (37) if it is a pipe rupture safety valve with a larger nominal diameter. In the case of smaller nominal diameters, the lever (16), shown in FIG 3, is used to open the valve manually.

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Description

ROHRBRUCHSICHERHEITSVENTIL
Diese Erfindung gehört dem Gebiet der leitungsgebundenen Transport-, Pneumatik- und Hydrauliksysteme an.
Die praktischen Erfahrungen zeigen uns immer wieder, dass leider viel zu oft solche Systeme einen Schaden erleiden. Die meisten Schäden entstehen durch Rohrbrüche, die entweder durch natürliche Erscheinungen - wie z.B. Korrosion, Einfrieren, Schwingungen etc. - oder durch irgendeinen menschlichen Bedienungsfehler hervorgerufen werden.
Die Auswirkungen eines Rohrbruches können z.B. in Form einer Wohnungsüberschwemmung, einer Strassenbeschädigung, eines Stillstandes eines verfahrenstechnischen Betriebsprozesses, eines Ausfalls einer hydraulischen Vorrichtung eintreten. Die Folgeschäden können oft unüberschaubare Ausmasse annehmen.
Bis heute werden die Rohrbrüche mit Hilfe sehr aufwendiger und teurer Vorrichtungen hauptsächlich im Bereich Hydraulik und in Systemen, die mit explosiven und giftigen Medien arbeiten, eingesetzt. Man ist dabei auf Fremdenergiequellen - elektrischer Strom, Magnete etc. - angewiesen. Durch die komplexe Ausführung solcher Geräte, die den Rohrbruch zu bewältigen haben, wird ihre Zuverlässigkeit und Steuerung aufwendig.
Die Tendenz dieser neuen Erfindung ist, viele verschiedenartige, leitungsgebundene Transport-, Pneumatik- und Hydrauliksysteme vor den Rohrbruchschäden zu schützen. Dem neuen Sicherheitsventil werden hinsichtlich seiner Anwendung keine Grenzen gesetzt, so dass der Aggregatzustand des Arbeitsmediums, der Systemdruck und die -temperatur sowie die Grosse und das Material des Ventils eine untergeordnete Rolle spielen.
Die Hauptaufgabe dieser Erfindung liegt also darin, einerseits das Entweicnen des Arbeitsmediuirs aus dem System und andererseits den unausweichlichen Folgeschaden zu verhindern.
BESCHREIBUNG DER TECHNISCHEN LÖSUNG DER ERFINDUNG
Das Rohrbruchsicherheitsventil besteht aus Ventilgehäuse (1), Ventilgehäusedeckel (2), Teller (3), Einstellmutter (4), Feder (5) sowie Dichtungen (6), (7), (14) und (15).
Das Ventilgehäuse (1) ist so ausgeführt, dass eine hohe Durchflusszahl - praktisch ein Mass für den Druckverlust durch Reibung und Wirbelbildung, der sich beim Durchströmen eines Ventils ergibt - erzielt wird. Zusammen mit der Fläche der Nennweite des Ventils bilden sich sehr günstige Ventilkennwerte, kv-Wert genannt. Laut Definition ist der kv-Wert diejenige Durchflussmenge in m3/h des Mediums bei 5 - 30° C, die bei einem Druckverlust von 1 bar durch das Ventil fliesst.
Dieses Ventil besitzt einen sehr hohen kv-Wert.
Der Ventilgehäusedeckel (2), welcher mittels mehrerer Schrauben und dazwischen gesetzter Dichtung (14) mit dem Ventilgehäuse (1) fest verbunden ist, ist konstruktiv so gestaltet, dass in seinem unteren, breiteren Teil der Ventilteller (3) untergebracht ist. Seine Führung übernimmt die Bohrung, die sich im mittleren Teil des Ventilgehäusedeckels (2) befindet. Somit kann der Schaft des Ventiltellers (3) exakt geführt werden.
Der Druckregler besteht aus einer Feder (5) und einer Einstellmutter (4). Die beiden Teile sind im oberen Teil des Ventilgehäusedeckels (2) untergebracht. Die Verbindung zwischen der Einstellmutter (4) und des Ventilgehäusedeckels (2) erfolgt durch das Gewinde. Dichtung (7) stellt einen O-Ring dar. Dieser dichtet gegenüber Hülsendichtung (6), die aus einem Material mit sehr niedrigem Reibungskoeffizienten besteht, ab.
Dichtung (15) ist ebenfalls aus einem sitzdichtendem Material (z.B. NBR [Perbunan]). Ihre Aufgabe ist, die absolute Dichtung zwischen dem Ventilteller (3) und dem Ventilsitz zu erzielen.
Arbeitsprinzip
Das Ventil arbeitet auf folgende Art und Weise: Das ankommende Medium passiert die Zuleitung (8) am Ventilgehäuse (1) und über die Umlenkkammer (9) erreicht es die Tellerkammer (10). Die Feder (5) wird durch die Einstellmutter (4) belastet und übt Druck gemäss BILD 1 auf den Ventilteller (3) aus. Dieser ist bestrebt, eine Bewegung nach unten auszuüben, kann er aber nicht, da der aus der Richtung der Ableitung (13) und Ausgleichskammer (12) herwirkende Druck auf der unteren Seite des Ventiltellers (3) eine Gegenkraft ausübt. Sie ist grösser als die Federkraft, so dass beim Stillstand des zu transportierenden Mediums (v = 0) das Ventil geöffnet ist. Die Federcharakteristik wird so gewählt, dass die Feder eine geringfügig kleinere Kraft besitzt als die Kraft, die der Druck in der Ausgleichskammer (12) auf die projizierte Tellerschaft fläche ausübt. Das heisst mit anderen Worten, dass nur die Fläche des Tellerschaftes im Zusammenhang mit dem Druck in der Ausgleichskammer (12) entscheidend bei der Wahl der Feder ist. Alle anderen Wirkkräfte werden fast völlig eliminiert, weil der Druck ober- und unterhalb des Tellersitzes annähernd gleich gross ist. Obwohl die Strömung durch das Ventil dynamische Charakteristiken aufweist, dürfen die Kräftegleichgewichte als statisch betrachtet werden. Bei grösseren Massenstromdichten wird die Fliessgeschwindigkeit durch die Ausgleichskammer (12) grösser und damit der in ihr herrschende Druck kleiner. Durch die geringere Gegenkraft, die sich jetzt eingestellt hat, nimmt die Feder selbständig eine neue Gleichgewichtslage ein. Der Kolben ist um einen äquivalenten Betrag nach unten versenkt, wodurch die Feder ihre ursprüngliche Kraft verliert und sich einer neuen Gegenkraft anpasst. Dieses Gleichgewichtsspiel ist nur dann möglich, wenn die Änderungen der Strömungsverhältnisse unterhalb eines kritischen Wertes ablaufen. Dies ist bei fast allen technisch kontrollierbaren Fliessprozessεn der Fall. Nur dort, wo es zu Gewaltbrüchen der Leitungen kommt, ist das Erreichen des kritischen Wertes zu erwarten. In diesem Fall entfällt die Gegenkraft, da der Druck in der Ausgleichskammer (12) prompt abgebaut wtjrdß, und die Federkraft bewirkt das Schliessen des Ventils. Dieser Schliessprozess wird verzögerungsfrei und ohne einen hydraulischen Stoss zu verursachen erfolgen. Dafür sorgt die Schliessdämpfung, die die besondere Ausführung des Ventiltellers und der Deckel ermöglichen. Sie wird dadurch erreicht, dass der Ventilteller einen um einiges geringeren Durchmesser hat als die Bohrung des Ventilgehäusedeckels im unteren Teil. Will man die Schliesszeit verkürzen/verlängern, ist grösserer/kleinerer Ventiltellerdurchmesser anzustreben. Eine weitere Möglichkeit, sie zu kontrollieren ist, s. Fig. 4, durch die spezielle Ausführung des Ventiltellers gegeben. Die Bestimmung der Schliessgeschwindigkeit wird durch die Anzahl der Bohrungen definiert.
Unabhängig davon, welche der möglichen Massnahmen für die Schliesszeitbestimmung zu ergreifen sind, ist es wichtig darauf zu achten, dass ein völliges Verschliessen in den Ventilgehäusedeckel (2) zur Funktionsstörung führt.
Bohrung (11) dient erstens dazu, die Bruchstelle der Leitung schneller und leichter zu finden und zweitens, falls Schliessen verursacht wurde, durch Überschreiten der maximal erlaubten Durchflussmenge das automatische Öffnen des Ventils zu ermöglichen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Entnahmestelle zugemacht wird, wodurch sich die Drücke in Tellerkammer (10) und Ausgleichskammer (12) ausgleichen und die Gegenkraft die Federkraft bewältigt und die Bewegung des Ventiltellers (3) nach oben - Öffnen - ermöglicht. Bei gasförmigen, giftigen und extrem heissen/kalten Medien entfallen die Bohrungen (11) und (47). Die Abwesenheit von Bohrung (47) kann durch Bypasss (37) ersetzt werden, wenn es sich um Rohrbruchsicherheitsventile grösserer Nennweiten handelt. Bei kleineren Nennweiten wird mit Hilfe des Hebels (16), im BILD 3 dargestellt, das Ventil manuell geöffnet.
Wird eine höhere Leckagesicherheit verlangt, werden anstelle von O-Ringen (7) andere technische Lösungen herangezogen. Eine davon ist der Einbau eines Balges (17) zwischen dem Teller (3) und dem Ventilgehäusedeckel (2), dargestellt im BILD 5, bzw. bei grösseren Nennweiten zwischen dem Teller (21) und der Ventilgehäusedeckelplatte (44), dargestellt im BILD 6. Durch feste und dichtuήgssichere Verbindungen der Bälge (17) und (43), z.B. durch Löten, Kleben etc. erzielt, wird eine 100%ige Ventilabdichtung erreicht.

Claims

Patentansprüche
1. Rohrbruchsicherheitsventil, dadurch gekennzeichnet, dass das unter Druck stehende strömende Medium (BILD 1) über die Zuleitung (8) und die Umlenkkammer (9) die Tellerkammer (10) erreicht, danach in die Ausgleichskammer (12) gelangt und eine der Feder (5) entgegengesetzte Kraft auf den im Gehäusedeckel (2) geführten freien Ventilteller (3) ausübt, solange Fliessprozess erhalten bleibt, und diese ihrerseits grösser als die Federkraft ist, wird der geöffnete Zustand des Ventils gewährleistet.
2. Rohrbruchsicherheitsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet , dass bei einem Rohrbruch der Druck in Ableitung (13) und Ausgleichskammer (12), welcher auf die Differenzfläche des Ventiltellers (3) wirkt, wesentlich unterhalb des Druckes in der Tellerkammer (10) absinkt und damit nicht die erforderliche Gegenkraft erzeugen kann, um mit der Federkraft im Gleichgewicht zu stehen, sondern diese weitaus kleiner als die Federkraft ist und dadurch das Schliessen des Ventils bewirkt.
3. Rohrbruchsicherheitsventil nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalisierung der Bruchstelle, durch die über die Öffnungen (11) - BILD 1 - oder Bypass (37) - BILD 2 - austretende Menge des Mediums gegeben wird.
4. Rohrbruchsicherheitsventil nach Ansprüchen 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass selbständiges Öffnen des Ventils möglich ist, solange Ablauf (13) geschlossen bleibt, und dadurch der Druckausgleich in den Kammern (9) und (12) über die Borhungen (11) - BILD 1 - oder Bypass (37)
- BILD 2 - möglich wird und die erzeugte Gegenkraft die Federkraft übersteigt und die Bewegung des Ventiltellers (3) von seinem Sitz in Richtung Feder hin verursacht und damit das öffnen des Ventils vollzieht.
5. Rohrbruchsicherheitsventil nach Ansprüchen 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei gasförmigen, aggressiven, explosiven und anderen wertvollen Medien bei kleinen Ausführungen manuelles Öffnen des Ventils mit Hilfe dεs Hebels (1 6 )
- BILD 3 - möglich ist, und bei grösseren Ausführungen über den Bypass (37) - BILD 2 -, der geschlossen gehalten wird und nur zwecks Öffnen betätigt wird, wodurch der Druckausgleich im Zulauf (32) und Ablauf (35) stattfindet und die Entstehung der Gegenkraft ermöglicht wird.
6. Rohrbruchsicherheitsventil nach Ansprüchen 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt der Feder (5) eine, dem Druckausgleich in Ausgleichskammer (12) entsprechende Kraft durch die auf den Veπtilteller (3) wirkende Gaskraft oder irgendeine andere Kraftquelle er setzt werden kann.
7. Rchrbruchsicherheitsventil nach Ansprüchen 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die 5chliesszeit des Ventils durch die Zufuhr des Mediums in den Raum, welcher der Ventilteller in seiner Schliessbewegung hinter sich bildet, bestimmt wird.
8. Rohrbruchsicherheitsventil nach Ansprüchen 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung des Ventils mit Hilfe der im Schaft des Ventiltellers (3) untergebrachte Dichtung (7) sowie mit zwischen dem Ventilgehäuse (1) und Ventilgehäusedeckel (2) eingesetzten Dichtung (14) - Fig. 1 -, bzw. bei grösseren Ausführungen, Fig. 2 , über die im Schaft des Ventiltellers (21) befindlichen Dichtung (29) und zwischen dem Ventildeckel (20) und Ventilgehäuse (19) untergebrachten Dichtung (30) erzielt wird.
9. Rohrbruchsicherheitsventil nach Ansprüchen 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung des Ventils mit Hilfe eines Balges (17), welcher auf der einen Seite mit dem Ventilgehäusedeckel (2) und auf der anderen Seite mit der oberen Seite des Ventiltellers (3) gasdicht verbunden ist, Fig. 5, bzw. eines Balges (43), welcher auf der einen Seite mit der Ventilgehäusedeckelplatte (44) und auf der anderen Seite mit der oberen Seite des Ventiltellers (21) gasdicht verbunden ist, erzielt wird, Fig. 6.
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