DE3614408C2 - Ventilsitzring - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Ventile zum Absperren und/oder Regeln von Durchflüssen strömender Stoffe. Insbesondere bezieht sich die Erfin­ dung auf auswechselbare Ventilsitzringe und deren Befestigung im Zwischenboden von Ventilen.

Auswechselbare Ventilsitzringe sind üblich, weil diese Teile i. a. hö­ herer Verschleißbeanspruchung ausgesetzt sind und deshalb periodisch ersetzt werden müssen. Diese Ventilsitzringe müssen auf Dauer dicht im Zwischenboden des Ventils sitzen und zu gegebener Zeit leicht ge­ löst werden können. Es ist bekannt, zu diesem Zwecke die Befestigung mittels Differentialgewinde vorzunehmen (DE-PS 28 30 607).

Bei der bekannten Ventilsitzanordnung erfolgt die eigentliche Abdich­ tung zwischen dem Ventilsitzring und dem Gehäuse durch das Zwischen­ legen eines Dichtungsringes, der plastisch verformt wird. Die Dicht­ flächen sind dabei flach. Es besteht dabei der Nachteil, daß nach je­ dem Lösen des Ventilsitzringes der plastisch verformte Dichtungsring durch einen neuen ersetzt werden muß. Erfahrungsgemäß ist oft ein sol­ cher Dichtungsring bei der Montage gerade nicht greifbar, so daß der verbrauchte Dichtungsring wieder eingebaut wird und zu Leckagen führt, die kaum erkannt werden, jedoch das Ventilgehäuse auswaschen. Der zu­ sätzliche Dichtungsring muß wesentlich weicher sein als die Werkstof­ fe des Sitzringes und des Ventilgehäuses. Deshalb hat er i. a. ein an­ deres Elektrodenpotential und bildet mit den anderen metallischen Ven­ tilteilen galvanische Elemente, die zu örtlichen Korrosionen führen. Die Montage der bekannten Ventilsitzanordnung ist sehr umständlich. In Kernkraftwerken macht sich der damit verbundene Zeitaufwand dadurch ne­ gativ bemerkbar, daß die Strahlenbelastung des Personals hoch ist. Die bekannte Ventilsitzanordnung benötigt zwei Einschraub-Spezialwerkzeuge, nämlich eins für den Ventilsitzring und eins für den Differentialgewin­ dering. Anfangs müssen bei der Montage beide ineinandersteckenden Werk­ zeuge gemeinsam bis zu einer vorbestimmten Position gedreht werden. Dann muß das innere Werkzeug den Ventilsitzring festhalten, damit mit dem äu­ ßeren Werkzeug die Verspannung erfolgen kann.

Bei einer weiteren bekannten Ventilsitzanordnung wird der auswechselbare Sitzkörper durch eine geschlitzte Befestigungsmutter dadurch verspannt, daß die Stirnfläche des Bundes des Sitzkörpers und die Gegenfläche der Befestigungsmutter die Form eines Kegelstumpfmantels haben, wodurch ein Lockern der Befestigungsmutter verhindert werden soll (CH 230 123).

Ein Vermeiden des Lockerns der Befestigungsmutter bewirkt jedoch noch kein Vermeiden des Lockerns des Sitzkörpers; dazu ist noch die Auswahl von Werkstoffen mit unterschiedlichen Ausdehnungs­ koeffzienten erforderlich. Zwecks Demontage des Sitzkörpers hat dieser ein besonderes Gewinde passend zum Gegengewinde eines rohrförmigen Schlüssels, der nach der Entfernung der geschlitzten Befestigungsmutter aufgeschraubt werden kann, um den Sitzkörper zu demontieren. Dies ist notwendig, wenn der Sitzkörper eine kegelige Paßfläche hat, jedoch sehr zeitraubend und umständlich. Die beiden vorhandenen Gewinde, nämlich das Innengewinde im Ventilkörper und das Außengewinde des Sitzkörpers stellen kein Differentialgewinde dar, denn sie werden jeweils einzeln während des Betriebs von der Befestigungsmutter und bei der Demontage vom Rohrschlüssel benötigt.

Eine weitere bekannte Ventilsitzanordnung hat einen einschraubbaren Sitzkörper mit zwei Sitzflächen und einer verbundenen Lochdrossel. Beim Einschrauben des Sitzkörpers ins Gehäuse wird die Plan­ fläche oberhalb des Gewindes drehend angepreßt, was bekanntlich durch Riefenbildung diese Fläche undicht macht und deshalb nicht fachmännisch ist. Besondere Details für eine einfache Demontage des Ventilsitzes sind nicht vorhanden. (US 3,971,415).

Es ist die Aufgabe der Erfindung die Nachteile der vorbekannten Konstruktionen zu vermeiden.

Die Lösung besteht darin, daß die Dichtfläche des Ventilsitzringes und dessen Aufnahme im Zwischenboden des Ventilgehäuses konisch sind und durch Differentialgewinde an der Drosselbuchse ohne Drehung des Ventilsitzringes ineinandergepreßt werden, wodurch die geschilderten Mängel vermieden werden. Ferner sollen die in der als Drosselbuchse ausgebildeten Differential­ gewindebuchse entstehenden Reaktionskräfte die Verspannung verstärken.

Durch ein Forschungsprogramm Reaktorsicherheit (Förderungsvorhaben BMFT RS 207, Kennwort: Co-freie Werkstoffe) ist bekannt, daß die für Ventilsitzringe in Frage kommenden metallischen Werkstoffe schon bei geringen Normalkräften um 5,6 N/mm² hohe Haftreibungszahlen nahe 1,00 haben. Wenn wie üblich die Sitzflächen mit Schleifmittel geläppt worden sind, sind die Adhäsionskräfte sehr hoch. Es genügt deshalb, durch einen kurzen Schlag auf den Ventilsitzring diesen gegen Verdre­ hen zu sichern, um dann mit einem einzigen einfachen Werkzeug den Dif­ ferentialgewindering zum Verspannen weiterzudrehen. So ist die Montage ohne zusätzlichen Dichtungsring und ohne doppeltes Spezialwerkzeug sehr schnell möglich.

Durch Habig, Verschleiß und Härte von Werkstoffen, München Wien 1980, ist bekannt, daß die Haftreibungszahl den Zustand bestimmt, bei dem die Verformung der Rauhigkeitshügel der Oberflächen eben noch ela­ stisch ist. Die wahre Kontaktfläche wird solange vergrößert, bis der Betrag des statischen Reibungskoeffizienten erreicht ist. Die Dicht­ wirkung erreicht somit bei der Haftreibungszahl ihr Maximum. Bei den üblichen metallischen Werkstoffen für Ventilsitzringe fällt teils die Haftreibungszahl bei höheren Pressungen wieder ab. Auch gibt es Werk­ stoffe, die infolge Stickstoff-Gehaltes niedrige Haftreibungszahlen haben. Der Bereich zwischen 0,25 und 0,40 mit den Reibungswinkeln von 14° bis 23° gewährleistet danach optimale Dichtwirkung ohne plasti­ sche Verformung der Dichtflächen.

Die aufeinander gepreßten Flächen sind nicht allein den Normalspannun­ gen ausgesetzt, sondern auch Schubspannungen entsprechende der Querzahl (reziproke Poisson'sche Zahl). Es finden in Querrichtung entsprechende Dehnungen statt. Gleitbewegungen der Kontaktflächen werden offenbar ver­ mieden, wenn die Querzahl größer als die Neigung der Flächen bleibt. Bei Metallen liegt die Querzahl zwischen 1/3 und 1/4, so daß Neigungs­ winkel zwischen 14° und 18,5° größtmögliche Sicherheit gegen Verschleiß bieten. Das Optimum liegt bei der Querzahl 3/10 mit Neigungswinkel 16,7°.

Bei Ventilsitzringen aus Materialien mit niedrigen Haftreibungszahlen läßt sich in an sich bekannter Weise die Haftreibungszahl der Ober­ flächen durch Überzüge aus weichen Metallen wie Kadmium, Kupfer oder Silber auf Grund deren Adhäsionsverstärkung erhöhen.

Da die Werkstoffe für Ventilsitzringe überwiegend aus korrosionsbe­ ständigen Legierungen bestehen, wobei eine Legierungskomponente durch Passivierung einen Schutzüberzug ausbildet, läßt sich durch Passivie­ rung mittels entsprechenden Säuren gezielt eine besonders dichte Schutzschicht an der Dichtfläche des Ventilsitzringes erzeugen, die ein Fressen der Dichtflächen vermeidet und die Trennwirkung wie ein Schmierfilm hat.

Die Differentialgewindebuchse kann zweckmäßig als Drosselstufe des Ventils ausgebildet sein und entweder Drosselbohrungen oder Schlitze oder Drosselnuten zur Veränderung des Strömungsquerschnittes haben. Die Strömungskräfte müssen dann so wirken, daß sie die Verspannung verstärken.

Die Differentialgewindebuchse kann in diesem Falle so lang sein, daß sie als dem eigentlichen Ventilkörper herausragt. Die Werkzeuge zum Spannen des Differentialgewindes haben dann ungehinderten Zugang.

Die Zeichnung zeigt die erfindungsgemäße Anordnung. In dem Ventilge­ häuse 1 steckt der auswechselbare Ventilsitzring 2. Die Differential­ gewindebuchse 3 hat ein grobes Außengewinde 3a, mit dem es im Ventil­ körper 1 steckt, und ein feines Innengewinde 3b, in welchem das ent­ sprechende Außengewinde des Ventilsitzringes 2 eingeschraubt ist. Die Gehäusesitzfläche 4 nimmt den Ventilsitzring 2 mit der Sitzfläche 5 auf. In der linken Zeichnungshälfte ist die Differentialgewindebuchse 3 als Lochdrosselbuchse mit den Löchern 8 dargestellt, während sie in der rechten Zeichnungshälfte mit Drosselkanälen 6 dargestellt ist. Die obere Stirnfläche der Differentialgewindebuchse 3 hat die Nuten oder Nocken 7. Der Ventilkolben 9 bildet mit der Differentialgewinde­ buchse 3 die regelbare Entspannungsstufe des Ventils, die jede belie­ bige Ventilcharakteristik erzeugen kann.

Claims (9)

1. Anordnung zur dichtenden Befestigung eines auswechselbaren Ventilsitzringes im Zwischenboden eines Ventilgehäuses mittels eines Differentialgewindes, dadurch gekennzeichnet, daß das Differentialgewinde auf einer als Lochdrosselbuchse ausgebildeten Differentialgewindebuchse (3) angeordnet ist und daß die Dichtflächen (4, 5) zwischen Ventilsitzring (2) und Gehäuse (1) konisch sind.

2. Anordnung zur dichtenden Befestigung eines auswechselbaren Ventilsitzringes im Zwischenboden eines Ventilgehäuses mittels eines Differentialgewindes, dadurch gekennzeichnet, daß das Differentialgewinde auf der Differentialgewindebuchse (3) angeordnet ist, die Drosselkanäle (6) hat, die so angeordnet sind, daß deren miteinander zusammenwirkenden Reaktionskräfte der Drosselströmung die Differentialgewindebuchse (3) in Spannungsrichtung beanspruchen, sowie die Dichtflächen (4, 5) zwischen Ventilsitzring (2) und Gehäuse (1) konisch sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Dichtflächen (4, 5) gleich der oder kleiner als die Haftreibungszahl der Materialpaarung der Oberflächen der Dichtflächen (4, 5) ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querzahl des Materials der Oberfläche der Dichtfläche (4) gleich oder größer als die Neigung der Dichtfläche (4) ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Dichtflächen (4, 5) mit adhäsionsverstärkendem Überzug aus weichen Metallen wie Kadmium, Kupfer oder Silber versehen ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche zumindest einer der Dichtflächen (4, 5) passiviert ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialgewindebuchse (3) Nuten oder Nocken (7) zum Ansetzen eines Spannwerkzeuges hat.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der Dicht­ flächen (4, 5) zwischen 14° und 18,5° liegt.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der Dichtflächen (4, 5) 16,7° beträgt.