DE69118804T2 - Gefederte Packungsstopfbuchse - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Ventilkonstruktionen, die zur Durchflußregelung von Fluiden verwendet werden, und speziell ein verbessertes Dichtungssystem als bewegliche Last, das insbe-sondere nützlich ist, wenn das Fluid toxisch oder letal ist.
• Es ist erwünscht, den Austritt von Fluid aus einem Ventil, das in das Fluidrohrleitungssystem eingebaut ist, zu verhindem oder möglichst weitgehend zu verringern. Das gilt besonders, wenn das Betriebsfluid entweder toxisch oder letal ist, sowie auf vielen anderen Gebieten, wo es erwünscht ist, die Zeiträume zwischen wartungsbedingten Abschaltungen zum Beseitigen von etwa im System auftretenden Undichtigkeitsproblemen zu verlängern.
• Die deutsche Patentschrift DE-B-3 937 316 zeigt ein Fluidventil, das einen langgestreckten Ventilschaft hat, der von einer Dichtung bzw. Dichtung umgeben ist. Die Dichtung wird von einer Belastungseinrichtung gegen den Schaft ge-drängt, um den Austritt von Fluid den Ventilschaft herum zu verhindem. Eine Hülsen- bzw. Manschetteneinrich-tung ist zwischen der Belastungseinrichtung und dem Ventil-schaft angeordnet.
• Derzeit im Gebrauch befindliche Fluidventile verwen-den beispielsweise ein oder mehr Dichtungsringe, die axial um den Schaft des Fluidventils herum und in Reibeingriff damit angebracht sind. Es wurden positive Belastungsein-richtungen vorgeschlagen, die eine positive Belastung auf die Dichtungselemente aufbringen, um den Ventuschaft in der Dichtung zentriert zu halten, wobei versucht wird, den Austritt von Flüssigkeit entlang dem Ventilschaft zu verhindem.
• Beispielsweise sind Dichtungsringelemente aus Tetrafluorethylen- bzw. TFE-Material allgemein im Gebrauch. TFE hat einen wärmeausdehnungskoeffizienten, der ungefähr zehnmal so groß wie der von Metall ist. Im Normalbetrieb eines Fluidventils und in dessen bestimmungsgemäßer Normalumgebung hat das Dichtungsmaterial die Tendenz, aufgrund der Tempera-turwechselbeanspruchung und der Ventilbewegungen sich aus-zudehnen und sich zusammenzuziehen. Schraubenfedem sind heute im Gebrauch, um auf das Dichtungsmaterial eine positive oder bewegliche Last aufzubringen. Bei manchen Dichtungskon-figurationen sind Tellerfedem um jede Dichtungshülse herum angeordnet, wobei versucht wird, eine gleichförmige kon-zentrische Belastung der Dichtungselemente durch die Teller-fedem zu erzielen, und zwar gewöhnlich durch einen Dich-tungspacker. Es ist schwierig, bei dieser Konfiguration eine gleichförmige Belastung zu erzielen, weil dies von einem gleichmäßigen Anziehen der Dichtungsbolzen um den Ventilschaft herum abhängt.
• Ein weiterer Versuch, eine gleichmäßige Belastung auf die Ventilschaftdichtung aufzubringen, besteht in der Verwendung einer Schraubenfeder, die um den Ventilschaft herum kon-zentrisch angebracht ist, um auf das Dichtungselement eine Belastung aufzubringen. Charakteristisch ist dabei der Innendurchmesser der Schraubenfeder absichtlich größer als der Durchmesser des Ventilschafts ausgelegt, um zu verhin-dem, daß die Schraubenfeder bei der Betätigung des Ven-tilschafts daran hängenbleibt. Diese räumliche Trennung zwischen der Schraubenfeder und dem Ventilschaft kann jedoch dazu führen, daß die Feder eine unerwünschte Seiten- bzw. Querbelastung auf die Dichtungselemente aufbringt und dadurch eine Bewegung der Dichtungsringelemente weg von dem Ventil-schaft verursacht, was zum Austritt von Flüssigkeit aus dem Ventil führt. Ein solcher Austritt ist selbstverständlich höchst unerwünscht, wenn die Betriebsflüssigkeit entweder toxisch oder letal ist, und das resultiert somit in Abschal-tungen zu wartungszwecken, um das Problem zu beseitigen. Eine unerwünschte Querbelastung bei solchen Schraubenfeder-konfigurationen kann auch durch die Ungleichförmigkeit der geformten Enden der Schraubenfeder hervorgerufen werden, was zu einem ungleichmäßigen Belastungskontakt mit der Dichtung führt.
• Es ist somit erwünscht, ein verbessertes Dichtungssystem mit beweglicher Last anzugeben, das auf die Ventilschaftdichtung eine gleichmäßige Belastung aufbringen und diese gleichmä-ßige Dichtungsbelastung während der Hubbewegungen des Ventils und der Temperaturwechselbeanspruchung im thermischen Be-trieb aufrechterhalten kann. Außerdem ist es erwünscht, ein kompaktes Dichtungssystem mit beweglicher Last anzugeben, um die physische Ventilgröße herabzusetzen. Ferner ist es erwünscht, ein Dichtungssystem mit beweglicher Last anzuge-ben, bei den eine Sichtanzeige des Zustands, in dem die Kompression des Dichtungselements optimal ist, ermöglicht wird. Das gewährleistet, daß eine gleichmäßige Belastung der Ventilschaftdichtung erreicht worden ist.
• Gemäß der Erfindung wird ein Fluidventil bereitge-stellt, wie es in den Ansprüchen definiert ist. Eine Ven-tilführungshülse ist auf dem Ventilschaft gleitbar ange-bracht und weist eine innere Auskleidung auf, die mit dem Ventilschaft in Gleitkontakt ist. Bei der bevorzugten Aus-führungsform der Erfindung ist eine Tellerfeder gleitbar auf der Führungshülse angebracht. Der Außendurchmeesser der Füh-rungshülse ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Tellerfeder, so daß die Tellerfeder gleitbar auf der Führungshülse wirksam sein kann. Ein Dichtungsflansch ist in Kontakt mit einem Ende der Tellerfedem, so daß durch Justieren der Dichtungsmuttern auf den Dichtungsbolzen die Tellerfedem zusammengedrückt werden, so daß auf die Dichtungsringelemente eine Last aufgebracht wird.
• Die Führungshülse wirkt als Buchse auf dem Ventilschaft, um alle Quer- bzw. Seitenbelastungen von den Tellerfedem zu absorbieren. Daher bringen die Tellerfedem auf die Ventilschaftdichtung eine gleichmäßige Federbelastung auf, die den Ventilschaft innerhalb des Dichtungselements zentriert hält und somit jeglichen Flüssigkeitsaustritt verhindert. Die Erfindung erlaubt auch das Auftreten von Dimensionsänderun-gen in der Stopfbüchse und der Dichtung unter thermischer wechselbeanspruchung, während gleichzeitig weiterhin eine gleichmäßige konzentrische Federbelastung auf der Ventilschaftdichtung aufrechterhalten wird. Durch die Anwendung der Erfindung werden eine verlängerte Standzeit des Dichtungselements und verminderter Wartungsbedarf der Ventilteile erzielt.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Dichtungspacker ein einheitliches Element mit einer Packerbasis an einem Ende angrenzend an Dichtungsringelemente und einer langgestreckten Packerführungshülse am anderen Ende. Tellerfedem sind auf der Packerführungshülse gleitbar angebracht, bis sie die Packerbasis berühren, und die Bau-gruppe ist von einem Dichtungsflansch mit erweiterter Öff-nung, die den Ventilschaft umgibt, abgeschlossen. Es wird bevorzugt, daß der Dichtungspacker eine Auskleidung auf-weist, die aus TFE oder aus kohlenstoffgesteiftem TFE gebil-det und mit dem Dichtungspacker verbunden ist. Die Aus-kleidung wirkt als eine Buchse auf dem Ventilschaft, um alle Querbelastungen von dem Steuerventilelement oder den Tellerfedem zu absorbieren und so den Schaft zentriert zu halten und einen Fluidaustsritt zu verhindem.
• Durch das Einstellen der Dichtungsmuttern auf den Dichtungs-bolzen um den Ventilschaft herum wird der Dichtungsflansch gegen die bevorzugten Tellerfedem bewegt, um sie zusammen-zudrücken und auf die Dichtungspackerbasis eine Belastungs-kraft aufzubringen, wodurch wiederum die Dichtungsringele-mente in einer beweglich belasteten Dichtungskonfiguration um den Ventilschaft herum belastet werden.
• Es ist erwünscht, daß die Tellerfedem mit Kraft beaufschlagt werden, bis sie auf ca. 85 % ihrer vollständigen Kompression zusammengedrückt sind, um eine optimale Belastung der Dichtungselemente zu erreichen. Wenn der gewünschte Kompressionswert von 85 % für die optimale Belastung er-reicht ist, hat sich das obere Ende der Packerführungshülse in den erweiterten Bereich des Dichtungsflanschs, der den Ventilschaft umgibt, vorgeschoben, so daß das obere Ende der Führungshülse bündig mit dem oberen Ende des Dichtungs-flansches ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Er-findung ergibt sich dadurch also für den Bediener des Ven-tils eine Sichtanzeige eines Zustands, in dem die optimale oder richtige Kompression des Federpakets und damit eine richtige Belastung der Ventildichtung erreicht ist.
• Bei Verwendung der Erfindung wird nicht nur eine richtige Belastung erreicht, sondem es wird auch sichergestellt, daß sich der Ventilschaft während der Standzeit des Ventils in einem hermetischen Abdichtzustand befindet. Die mit der Erfindung erzielte zuverlässige Abdichtung ist besonders bei Fluidventilen nützlich, die unter Bedingungen im Einsatz sind, bei denen eine Emission von flüchtiger Fluid von Bedeutung ist, weil die Betriebsflüssigkeit entweder toxisch oder letal ist. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung auch unter herkömmlichen Betriebsbedingun-gen nützlich ist, bei denen längere Perioden zwischen wartungsbedingten Abschaltungen gewünscht werden.
• Das Verständnis der Erfindung ergibt sich am besten unter Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung von Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Elemente in den verschiedenen Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sind; die Zeichnungen zeigen in:
• Fig. 1 eine Perspektivansicht eines Dichtungspackers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
• Fig. 2 eine Schnittansicht eines Fluidventils mit einem Dichtungssystem mit beweglicher Last gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vor dem Bela-sten der Tellerfedem; und Fig. 3 eine Querschnittsansicht der Ventilkonstruktion von Fig. 2, wobei die Tellerfedem mit einem Kompressionswert von 85 % belastet sind.
• Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Fluidventil 10, das einen Ventilkörper mit einem Ventilaufsatz 14 hat, durch den sich ein Ventilschaft 16 erstreckt. Dichtungsmuttern 18 sind auf Dichtungsbolzen 20 geschraubt, um die Belastung der Dichtung innerhalb des Aufsatzes und um den Ventilschaft herum zu justieren.
• Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Doppeldochtungskonfiguration. Eine Dichtung 22 umgibt den Ventilschaft 16 und besteht aus einer Serie von Ringen des Typs, der gewöhnlich als V-Dichtung bezeichnet wird. Wie Fig. 2 zeigt, gibt es dabei eine obere und eine untere Dichtungsgruppe. Jede Gruppe enthält vier V-Ringe, und zwar einen obersten Aufnahme-Adapterring 22a; zwei identische Mittelringe 22b; und einen untersten Einsteck-Adapterring 22c. Die V-Dichtung 22 besteht aus TFE (Tetrafluorethylen - einem Kunstharzpolymer), und daher ist die Dichtung 22 im Handel als eine "TFE-Dichtung vom V-Typ" bekannt. Eine Dichtung, die auf geeignete Weise aus einem anderen Material oder aus anderen Kunstharzpolymeren geformt ist, kann ebenfalls ver-wendet werden.
• Zwei Extrusionsschutz-Abstreifringe 24 sind an jedem Ende der Dichtung 22 angeordnet. Jeder Abstreifring besteht aus einem Verbundmaterial, bevorzugt einem aus organischen und/ oder anorganischen Hochtemperatur-Fasern mit einem elastome-ren Nitrilbindemittel, so daß der Durometer-Härtewert ca. 90 ±5 Shore-Härte "B" ist. Bevorzugt sollte das Material weder Asbest- noch Cellulosefasern enthalten. Beispielsweise kann auf die Extrusionsschutz-Abstreifringe verwiesen werden, die in der eigenen US-PS 4 886 241 beschrieben sind.
• Ein Hohlring 26 ist um den Ventilschaft herum und zwischen den beiden Dichtungsgruppen angeordnet. Wie bei der herkömm-lichen Verwendung von Hohlringen und Ventilen ist der Hohl-ring 26 außerdem ausgebildet, um in der Dichtungsbohrung 28 die Kommunikation zwischen dem Äußeren des Ventils durch ein Zutrittsloch 30 und Verbindungskanäle 32 zu ermöglichen. Das erlaubt die Einführung von Schmierfluid in die Dichtungsboh-rung und in die Nähe des Ventilschafts 16 und ermöglicht außerdem die Prüfung auf Undichtheit um den Ventilschaft herum oder die Ableitung einer solchen Undichtheit zu einem sicheren Ort. Es kann beispielsweise auf Fig. 3 Bezug ge-nommen werden, in der die Verbindung zwischen dem Zutritts-loch 30 und der Dichtungsbohrung 28 deutlich zu sehen ist, nachdem das Ventildichtungssystem richtig belastet worden ist; das wird nachstehend noch genauer beschrieben.
• Fig. 2 zeigt die Bauelemente des Ventils 10 mit einem als bewegliche Last dienenden Dichtungssystem 34 vor dem Anziehen der Dichtungsmuttern 18 auf Bolzen 20, um die optimale Kon-figuration der beweglichen Last zu erreichen, die in Fig. 3 gezeigt ist. Die bevorzugte Ausführungsform eines eine be-wegliche Last bildenden Dichtungssystems 34, wie sie in den Zeichnungen gezeigt ist, umfaßt einen Dichtungspacker 36 mit einer Packerbasis 38 am einen Ende, einer Packerführungs-hülse 40 am anderen Ende und einem Packerflansch 42 zwischen beiden. Der Packer 36 hat eine Auskleidung 44 aus kohlen-stoffgesteiftem TFE, die mit der innenseitigen Oberfläche des Dichtungspackers verbunden sein kann.
• Eine Serie von Tellerfedem 46 ist auf der Packerführungshülse 40 gleitbar angebracht, wobei sich ein Ende der Tellerfedem in Berührung mit dem Flansch 42 befindet und das andere Ende in seiner Position auf der Führungshülse 40 mit Hilfe eines O-Dichtrings 48 gehalten ist. Ein Dichtungsflansch 50 hat geeignete Öffnungen, durch die die Dichtungs-bolzen geführt werden können. Der Innendurchmesser des Dichtungsflanschs 50 weist einen Kontaktbereich 52 und eine zentrale Öffnung 54 auf.
• Der Kontaktbereich 52 des Dichtungsflanschs liegt mit einem Ende der Tellerfedem 46 in Kontakt. Die zentrale Öffnung 54 hat einen größeren Durchmesser als der Außendurchmesser der Packerführungshülse 40, so daß ein Ende der Führungshülse in das Innere des Dichtungsflanschs 50 eintreten und an dem oberen Ende des Ventils 10 leicht betrachtet werden kann, wie Fig. 3 zeigt. Das trägt zur Erzielung der gewünschten optimalen beweglichen Belastung der Ventilpackung für das Ventil bei, wie nachstehend beschrieben wird.
• Nach dem Zusammenbau der Ventilkomponenten, wie in Fig. 2 gezeigt ist, werden die Dichtungsmuttern 18 auf den Bolzen 20, die den Ventilschaft 16 umgeben, angezogen, so daß der Dichtungsflansch 50 die Kraft der Dichtungsbolzen und -muttern auf die Tellerfedem 46 überträgt Die Tellerfedem 46 wer-den ihrerseits mit fortgesetztem Anziehen der Muttern 18 unter Kompression gesetzt, um so durch den Dichtungspacker 36 eine Last auf die Dichtungsringe 22 zu unterhalten. Es ist festgestellt worden, daß die optimale Belastung des Dichtungssystems 34 mit beweglicher Last gemäß der Erfindung erfolgt, wenn die Tellerfedem 46, ausgehend von ihrem unbelasteten Zustand gemäß Fig. 2, um ca. 85 % zusammen-gedrückt sind, wie in dem Zustand von Fig. 3 gezeigt ist. Der Bediener des Ventils kann sicher sein, daß die optimale Belastung erreicht ist, indem er das obere Ende des Ventils 10 einer Sichtprüfung unterzieht und die Dichtungsmuttern 18 weiter anzieht, bis der obere Rand 56 des Dichtungspackers 36 mit der oberen Oberfläche 58 des Dichtungsflanschs 50 bündig ist.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird also eine Sichtanzeige der richtigen Kompression des Federpakets ermöglicht. Ein Stopfbüchsenring 60 ist unter der zweiten Gruppe von Dichtungselementen 22 und am Ende der Dichtungsbohrung 28 angebracht.
• Der Dichtungspacker 36 mit der Auskleidung 44 sowie die Packerführungshülse 40 wirken als eine Manschette auf dem Schaft 16, um so alle Seiten- oder Querbelastungen von der Steuerventilsvorrichtung oder den Tellerfedem zu absorbieren und den Ventilschaft 16 dadurch in den Dichtungselementen 22 zentriert zu halten. Da ferner der Innendurchmesser der Tellerfedem im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der Führungshülse 40 ist, so daß die Tellerfedem an der äußeren Oberfläche der Führungshülse gleiten, wird auf den Flansch 42 an dem Dichtungspacker ein direkter linearer Druck aufgebracht, so daß der Dichtungspacker eine lineare Bewegung und eine lineare Dichtungsbelastung des Dichtungsmaterials 22 aufrechterhält Das Dichtungsmaterial wird daher einer gleichförmigen konzentrischen Federbelastung ausgesetzt, um so eine gleichförmige Dichtungsbeanspru-chung aufrechtzuerhalten und eine hermetische Abdichtung des Ventilschafts während Druck- und thermischen Wechselbean-spruchungen zu bewirken.
• Anstelle eines Dichtungspackers mit einstückig ausgebildeten Basis-, Flansch- und Führungshülsenbereichen könnte eine separate Führungshülse vorgesehen sein, die die Konfigura-tion der Führungshülse 40 hat, aber von dem Dichtungspacker separat ausgebildet ist. In diesem Fall hat der Dichtungs-packer 36 eine Basis 38 und einen Flansch 42, und die Füh-rungshülse 40 ist aus einem gesonderten Element, aber mit denselben Dimensionen ausgebildet, um eine gleitbare An-bringung von Tellerfedem 46 darauf zuzulassen. Auch können andere Formen eines konzentrischen Federelements verwendet werden. Alternativ kann anstelle von Tellerfedem 36 eine Schraubenfeder mit einem Innenring mit einer geeignet bemes-senen Führungshülse verwendet werden, an der die Schrauben-feder und der Innenring angebracht sein können. Der Durch-messer des Innenrings, der an der Schraubenfeder angebracht ist, sollte dabei dem Außendurchmesser der Führungshülse weitgehend entsprechen, so daß Querbelastungen von der Schraubenfeder von der Führungshülse absorbiert und der Dichtungspacker und der Ventilschaft in einem zentrierten Zustand gehalten werden können.

Claims (5)

1. Fluidventil, das folgendes aufweist: ein langgestrecktes Steuerventilelement (16), eine Dichtung (22) die um das langgestreckte Steuerventilelement (16) herum angebracht ist, um das Steuerventilelement (16) abzudichten, eine Belastungseinrichtung (46), um die Dichtung (22) zu belasten und abdichtend gegen das Steuerventilelement (16) zu drängen und so einen Fluidaustritt um das Steuerventilelement (16) herum zu verhindem, und eine Hülseneinrichtung (40), die zwischen der Belastungseinrichtung (46) und dem Ventilelement (16) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

Seitenlastabsorbierungseinrichtungen (40, 44) vorgesehen sind, die eine Führungshülse (40) in gleitbarem Befe-stigungskontakt mit dem Ventilelement (16) über eine nichtmetallene innere Auskleidung (44) aufweisen, die in der Führungshülse (40) zum gleitbaren Eingriff mit dem Ventilelement (16) angebracht ist, um alle Seiten-lastkräfte zu absorbieren;

die Belastungseinrichtung eine Federeinrichtung (46) aufweist, die an einer Außenfläche der Führungshülse (40) konzentrisch mit dem Ventilelement (16) angebracht ist, wobei die Federeinrichtung zum gleitbaren Eingriff mit der Außenfläche der Führungshülse ausgebildet ist, um eine konzentrische Positionierung der Feder (46) während eines gleitbaren Eingriffs aufrechtzuerhalten, so daß eine gleichmäßige konzentrische Federbelastung auf der Dichtung (22) aufrechterhalten wird.

2. Fluidventil nach Anspruch 1, wobei die nichtmetallene innere Auskleidung (44) aus kohlenstoffversteiftem TFE gebildet ist.

3. Fluidventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Federeinrichtung (46) Tellerfedem aufweist.

4. Fluidventil nach Anspruch 1, 2 oder 3, die fer-ner Einstelleinrichtungen (18, 20, 50) zum Einstellen der Höhe der Belastung der Dichtung (22) aufweist, die folgendes umfassen:

einen Dichtungsflansch (50), der die Führungshülse (40) umgibt und die Belastungseinrichtung (46) damit in eingreifendem Kontakt steht, und

eine Vielzahl von Dichtungs-Schraubbolzen (20) und Muttern (18), die den Dichtungsflansch (50) an dem Ventil (10) befestigen, so daß ein Einstellen der Dichtungs-Muttern (18) den Dichtungsflansch (50) gegen die Belastungseinrichtung (46) drängt, um die Dichtungsbelastung einzustellen, wobei die Führungshülse (40) ebenfalls gleitbar eingestellt und nicht über den Dichtungsflansch (50) hinaus nach außen freigelegt ist.

5. Fluidventil nach Anspruch 4, das ferner eine Sichtanzeigeeinrichtung (54, 56, 58) aufweist, um die eingestellte Position der Führungshülse (40) anzuzeigen, so daß angezeigt wird, wenn während der Einstellung der Dichtungsbelastung ein optimaler Belastungswert erreicht ist, wobei die Sichtanzeigeeinrichtung (54, 56, 58) eine zentrale Öffnung (54) in dem Dichtungsflansch (50) aufweist, die ausreicht, um den Durchtritt der Führungshülse (40) in das Innere des Dichtungsflansches (50) zuzulassen, so daß sie während der Justierung der Dichtungsbelastung beobachtbar ist, um dadurch festzustellen, daß der optimaler Belastungswert erreicht ist und beibehalten wird, wenn die Oberseite (56) der Führungshülse (40) mit der Oberseite (58) des Dichtungsflansches (50) bündig ist.