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Title:
ACCOMMODATING DEVICE FOR SENSORS IN HIGH-PRESSURE APPLICATIONS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/034552
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device for connecting a sensor (30), which has a conical sealing cone (31) and an external thread (32) in front of the sealing cone (31), to a high-pressure component (10), comprising a bore (11) and a connecting line (15) in the high-pressure component (10), the bore (11) having an internal thread (12) and the end face (13) of the bore being connected to the connecting line (15) by means of a conical sealing cone (14), and also comprising a hollow pressure screw (20) having an external thread (21), which is designed to mesh with the internal thread (12) of the bore (11), characterized in that the pressure screw (20) has an internal thread (22), which is designed to mesh with the external thread (32) of the sensor (30). The external thread (21) and the internal thread (22) of the pressure screw (20) have opposite directions, such that the sealing cones (31, 14) of the sensor (30) and of the end face (13) of the bore (11) can be pressed against one another in a sealing manner by screwing the pressure screw (20) into the bore (11) of the high-pressure component (10).

Inventors:
REBER ULRICH (DE)
HAHN HARALD (DE)
RAUE FRANK (DE)
MUELLER THOMAS (DE)
Application Number:
EP2012/067225
Publication Date:
March 14, 2013
Filing Date:
September 04, 2012
Export Citation:
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Assignee:
BASF SE (DE)
REBER ULRICH (DE)
HAHN HARALD (DE)
RAUE FRANK (DE)
MUELLER THOMAS (DE)
International Classes:
F16L23/00; F16L41/00; F16L41/14; G01L19/00
Domestic Patent References:
WO2005054734A22005-06-16
Foreign References:
DE3821826A11989-01-26
US2679411A1954-05-25
DE1273282B1968-07-18
DE19751138C11998-11-19
EP0344576A21989-12-06
CH696501A52007-07-13
US2679411A1954-05-25
DE1273282B1968-07-18
DE19751138C11998-11-19
Attorney, Agent or Firm:
BASF SE (DE)
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Claims:
Patentansprüche

Vorrichtung zum Anschluss eines Sensors (30), der einen konischen Dichtkegel (31 ) sowie ein Außengewinde (32) vor dem Dichtkegel (31 ) aufweist, an ein Hochdruckbauteil (10), umfassend eine Bohrung (1 1 ) und eine Anschlussleitung (15) in dem Hochdruckbauteil (10), wobei die Bohrung (1 1 ) ein Innengewinde (12) aufweist und die Stirnfläche (13) der Bohrung über einen konischen Dichtkegel (14) mit der Anschlussleitung (15) verbunden ist, weiterhin umfassend eine hohle Druckschraube (20) mit einem Außengewinde (21 ), das zum Eingriff in das Innengewinde (12) der Bohrung (1 1 ) ausgestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckschraube (20) ein Innengewinde (22) aufweist, das zum Eingriff in das Außengewinde (32) des Sensors (30) ausgestaltet ist, wobei Außengewinde (21 ) und Innengewinde (22) der Druckschraube (20) gegenläufig sind, sodass durch Einschrauben der Druckschraube in die Bohrung des Hochdruckbauteils die Dichtkegel (31 , 14) von Sensor und Stirnfläche der Bohrung dichtend aufeinander pressbar sind.

Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , wobei das Außengewinde (21 ) der Druckschraube (20) als Rechtsgewinde und das Innengewinde (22) der Druckschraube als Linksgewinde ausgestaltet sind.

Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Konuswinkel des Dichtkegels (31 ) des Sensors (30) von 75° bis 81 °, insbesondere 78° beträgt, und der Konuswinkel des Dichtkegels (14) in der Stirnfläche (13) der Bohrung (1 1 ) um 1 ° bis 3°, insbesondere um 2° größer ist als der Konuswinkel des Dichtkegels (31 ) des Sensors (30).

Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei es sich bei dem Hochdruckbauteil (10) um einen Sammler, Verteiler oder Linsenanschluss einer Hochdruckleitung handelt.

Verwendung der Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem chemischen Herstellungsprozess, in dem in der Anschlussleitung (15) ein Druck von 325 bis 3600 bar herrscht.

6. Verwendung der Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem chemischen Herstellungsprozess, wobei es sich bei dem Sensor (30) um einen Messaufnehmer für Druck oder Temperatur handelt.

7. Verwendung der Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei es sich bei dem Herstellungsprozess um eine Hochdruck-Polymerisation handelt, insbesondere zur Herstellung von Polyethylen niedriger Dichte (LDPE).

Description:
Aufnahmevorrichtung für Sensoren bei Hochdruckanwendungen

Beschreibung Die vorliegende Anmeldung schließt durch Verweis die am 7. September 201 1 eingereichte vorläufige US-Anmeldung 61/531 ,659 ein.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anschluss eines Sensors, der einen konischen Dichtkegel sowie ein Außengewinde vor dem Dichtkegel aufweist, an ein Hoch- druckbauteil, umfassend eine Bohrung und eine Anschlussleitung in dem Hochdruckbauteil, wobei die Bohrung ein Innengewinde aufweist und die Stirnfläche der Bohrung über einen konischen Dichtkegel mit der Anschlussleitung verbunden ist, weiterhin umfassend eine hohle Druckschraube mit einem Außengewinde, das zum Eingriff in das Innengewinde der Bohrung ausgestaltet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung der Vorrichtung in einem che- mischen Herstellungsprozess unter hohem Druck.

Gattungsgemäße Vorrichtungen für den Einsatz im Hochdruckbereich sind seit geraumer Zeit bekannt, beispielsweise zum Anschluss eines Hochdruckrohres an ein Hochdruckbauteil oder zur Verbindung von Hochdruckleitungen. So wird in der US-Patentschrift 2,679,41 1 eine Vor- richtung offenbart, mit der ein Hochdruckrohr, dessen Ende als konischer Dichtkegel ausgestaltet ist, dichtend mit einem Hochdruckbauteil verbunden werden kann, wobei das Hochdruckbauteil über eine Bohrung mit einem Innengewinde und einem konischen Dichtkegel in der Stirnfläche der Bohrung verfügt. Das Hochdruckrohr weist ein Außengewinde auf, auf das eine Druckhülse aufgeschraubt ist. Eine hohle Druckschraube mit einem Außengewinde und einer umlau- fenden Schulter auf ihrer Innenfläche wird über das Hochdruckrohr geschoben und in das Innengewinde der Bohrung geschraubt. Die dichtende Verbindung kommt dadurch zustande, dass die Schulter der Druckschraube die Druckhülse in Richtung der Stirnseite der Bohrung drückt, bis die Konusflächen der Dichtkegel von Hochdruckrohr und Hochdruckbauteil hinreichend aufeinander gepresst sind.

Eine ähnliche Vorrichtung zum Anschluss eines Hochdruckrohres an ein Hochdruckbauteil wird in der deutschen Auslegeschrift DE 1 273 282 A1 beschrieben. Auch dort wird die dichtende Verbindung durch das Zusammenwirken einer hohlen Druckschraube (dort Stopfbüchsenmutter genannt) mit einer Druckhülse (dort Hülse bzw. Manschette genannt) bewirkt. Das gleiche Prin- zip wird in der Patentschrift DE 197 51 138 C1 angewandt, um dichtende Verbindungen bei einem Winkelstück zur Umlenkung eines Hochdruckrohres herzustellen.

Sämtlichen bekannten gattungsgemäßen Vorrichtungen ist gemein, dass zum Erreichen einer für die Abdichtung hinreichenden Anpresskraft eine hohle Druckschraube mit einer Druckhülse zusammenwirkt, wobei die Druckhülse auf dem Ende des Hochdruckrohres befestigt ist, und die Druckschraube als Überwurfmutter in eine Bohrung des Hochdruckbauteils geschraubt wird. Neben der Verbindung von Hochdruckrohren mit anderen Hochdruckbauteilen wird diese Art von Vorrichtung auch eingesetzt, um stab- oder rohrförmige Sensoren an Hochdruckbauteilen dichtend zu befestigen, beispielsweise an Linsenanschlüssen zwischen zwei Hochdruckleitungen. Aufgrund konstruktiver Gegebenheiten ist bei derartigen Anwendungen häufig der Bau- räum begrenzt, in dem Sensor und Druckschraube untergebracht werden müssen. Die oben erläuterte etablierte Verbindungstechnik stößt dabei an Grenzen im Hinblick auf die maximal zulässigen Außendurchmesser von Sensor und Druckschraube. Bei vorgegebenem maximalem Außendurchmesser der Druckschraube ergibt sich aufgrund von Festigkeitsberechnungen in Abhängigkeit der verwendeten Materialien und des Druckbereichs im Hochdruckbauteil ein ma- ximal zulässiger Außendurchmesser für den Sensor. Sensoren mit größerem Außendurchmesser, die für manche Anwendungen wünschenswert sind, können mit der bislang bekannten Verbindungstechnik in einem solchen Fall nicht eingesetzt werden.

Es stellte sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zum Anschluss eines Sensors an ein Hochdruck- bauteil bereitzustellen, die den Einsatzbereich von Sensoren in Hochdruckanwendungen erweitert, wobei die guten Dichteigenschaften bekannter Techniken erhalten bleiben sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 4 angege- ben. Die Verwendung von erfindungsgemäßen Vorrichtungen in einem chemischen Herstel- lungsprozess unter Hochdruck ist Gegenstand der Ansprüche 5 bis 7.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist geeignet, einen Sensor, der einen konischen Dichtkegel sowie ein Außengewinde vor dem Dichtkegel aufweist, dichtend an ein Hochdruckbauteil anzu- schließen. Der Dichtkegel kann ein sich verjüngendes Ende des Sensors bilden, ähnlich einem Hochdruckrohr, wie es aus dem oben zitierten Stand der Technik bekannt ist. Der Dichtkegel kann jedoch auch eine konische Verjüngung als Übergang zwischen zwei Abschnitten des Sensors mit unterschiedlichen Durchmessern bilden. Das Außengewinde ist in diesem Fall an dem Abschnitt mit dem größeren Durchmesser angebracht. Ein derartiger Sensor wird weiter unten anhand eines Beispiels näher erläutert.

Die Erfindung lässt sich vorteilhaft auf unterschiedliche Arten von Hochdruckbauteilen anwenden. Unter einem Hochdruckbauteil wird im Folgenden ein Bauteil verstanden, bei dem im Inneren Drücke von mehr als 100 bar herrschen können. Besonders vorteilhaft lässt sich die Erfin- dung anwenden auf Hochdruckbauteile, bei denen im Betrieb im Inneren ein Druck von 325 bar bis 3600 bar herrscht. Beispiele sind Sammler und Verteiler von Hochdruckleitungen oder Linsenanschlüsse zwischen Hochdruckleitungen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Bohrung und eine Anschlussleitung in dem Hochdruckbauteil, wobei die Bohrung ein Innengewinde aufweist und die Stirnfläche der Bohrung über einen konischen Dichtkegel mit der Anschlussleitung verbunden ist. Im angeschlossenen Zustand steht der Sensor mit der Anschlussleitung in Verbindung, um über die An- Schlussleitung eine Messgröße in dem Hochdruckbauteil zu erfassen, beispielsweise Druck oder Temperatur.

Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine hohle Druckschraube mit einem Außengewinde, das zum Eingriff in das Innengewinde der Bohrung ausgestaltet ist. Erfindungsgemäß weist die Druckschraube zudem ein Innengewinde auf, das zum Eingriff in das Außengewinde des Sensors ausgestaltet ist, wobei Außengewinde und Innengewinde der Druckschraube gegenläufig sind, sodass durch Einschrauben der Druckschraube in die Bohrung des Hochdruckbauteils die Dichtkegel von Sensor und Stirnfläche der Bohrung dichtend aufeinander pressbar sind.

Die Gegenläufigkeit von Außen- und Innengewinde der Druckschraube ermöglicht es, den Dichtkegel des Sensors ausschließlich axial auf den Dichtkegel in der Stirnfläche der Bohrung zu pressen. Bei einer Gleichläufigkeit müsste der Sensor gegenüber der Bohrung im Hochdruckbauteil verdreht werden, um einen ausreichenden Anpressdruck zu erzeugen, was eine Beschädigung der Dichtfläche zwischen den beiden Dichtkegeln zur Folge haben könnte. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird zunächst die Druckschraube auf das Außengewinde des Sensors geschraubt. Anschließend wird die Druckschraube in die Bohrung geschraubt, während der Sensor gegen ein Verdrehen gesichert wird, beispielsweise indem der Sensor an einem geeignet ausgebildeten Eingriff mit einem Schraubenschlüssel verdrehsicher gehalten wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind das Außengewinde der Druckschraube als Rechtsgewinde und das Innengewinde der Druckschraube als Linksgewinde ausgestaltet. Der Konuswinkel des Dichtkegels des Sensors beträgt vorzugsweise von 75° bis 81 °, insbesondere 78°. Der Konuswinkel des Dichtkegels in der Stirnfläche der Bohrung ist vorzugsweise um 1 ° bis 3°, insbesondere um 2° größer als der Konuswinkel des Dichtkegels des Sensors. Die Wahl der Konuswinkel in dem bevorzugten Bereich bewirkt, dass der Anteil der Radialkräfte auf den Sensor geringer ist als bei bekannten Lösungen mit kleineren Konuswinkeln. Insbesondere bei Sensoren, die empfindlich auf äußere Druckeinwirkungen reagieren, lässt sich durch diese konstruktive Maßnahme die Messgenauigkeit verbessern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich vorteilhaft einsetzen bei chemischen Herstellungsprozessen unter hohem Druck, insbesondere einem Druck in der Anschlussleitung von 325 bis 3600 bar. Besonders vorteilhaft lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung einsetzen bei Hochdruck-Polymerisationen in Rohrreaktoren, insbesondere zur Herstellung von Polyethylen niedriger Dichte („low density Polyethylene", LDPE). Bei derartigen Prozessen ist es üblich, Sensoren für die Aufnahme von Druck oder Temperatur an sogenannten Messlinsen anzubringen. Bei der Messlinse handelt es sich um ein scheibenförmiges Bauteil, das als Flanschver- bindung zwischen die Enden zweier Hochdruckleitungen verschraubt wird. Die Messlinse ist mit einer oder mehreren Bohrungen zur Aufnahme von Sensoren versehen. Aufgrund konstruktiver Gegebenheiten sind die Stärke der Messline und damit der Abstand zwischen den Enden der Rohrleitungen begrenzt. Aus Festigkeitsanforderungen und dem konkreten Druckbereich ergibt sich ein maximal zulässiger Außendurchmesser der Bohrung und somit auch der Druckschraube. Bei dem herkömmlichen Verfahren des Anschlusses von Sen- soren an die Messlinse als Hochdruckbauteil sind zwei Bauteile, nämlich Druckschraube und Druckhülse, erforderlich, die beide eine Mindestmaterialstärke aufweisen müssen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie mit nur einer Druckschraube auskommt, dabei die Anforderungen an die Abdichtung zuverlässig erfüllt und eine kompaktere Bauart des Anschlusses ermöglicht. Dadurch ist es nunmehr möglich, auch Sensoren mit einem größeren Außendurchmesser als bisher an Hochdruckbauteile anzuschließen.

Bei Ausführungsformen des Sensors, bei denen der Dichtkegel eine konische Verjüngung als Übergang zwischen zwei Abschnitten des Sensors mit unterschiedlichen Durchmessern bildet, erlaubt ein größerer Außendurchmesser des Sensors auch einen größeren Durchmesser des Abschnitts nach der konischen Verjüngung. Während im Stand der Technik für entsprechende Sensoren in Linsenanschlüssen von Hochdruckleitungen bislang Durchmesser von ca. 5 mm bekannt waren, ermöglicht die Erfindung nun den Einsatz von Sensoren mit einem entsprechenden Durchmesser von 10 mm und mehr. Das Spektrum der einsetzbaren Sensoren wird somit durch die Erfindung deutlich erweitert.

Bei vorgegebenem Außendurchmesser des Sensors kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Bohrung in dem Hochdruckbauteil im Durchmesser geringer ausgeführt werden, was im Hinblick auf Festigkeitsbetrachtungen vorteilhaft ist. Anhand der Zeichnungen wird im Folgenden die Erfindung weiter erläutert, wobei die Zeichnungen als Prinzipdarstellungen zu verstehen sind. Sie stellen keine Beschränkung der Erfindung, beispielsweise im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Ausgestaltungsvarianten von Bauteilen dar. Es zeigen:

Fig. 1 Beispiel eines Sensors

Fig. 2 Ausschnitt eines Querschnitts durch ein Hochdruckbauteil

Fig. 3 Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckschraube

Fig. 4 Beispiel des Anschlusses von drei Sensoren an einem Linsenanschluss einer Hochdruckleitung

In Fig. 1 ist ein Beispiel eines stabförmigen Sensors 30 zur Druckmessung dargestellt. Der Sensor 30 umfasst zwei zylindrische Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern. Die beiden Abschnitte gehen über eine konische Verjüngung ineinander über, die auch als Dichtkegel 31 bezeichnet wird. Vor dem Dichtkegel 31 an dem Abschnitt mit dem größeren Durchmesser ist ein Außengewinde 32 vorhanden. Weitere Bauteile des Sensors wie Druckmittler und elektrischer Anschluss sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt eines Querschnitts durch ein Hochdruckbauteil 10. Von einer Außenfläche des Hochdruckbauteils 10 erstreckt sich eine Bohrung 1 1 in Richtung des Bauteilinneren. Die Bohrung 1 1 ist mit einem Innengewinde 12 versehen. Von der Stirnfläche 13 der Bohrung 1 1 aus führt eine Anschlussleitung 15 weiter ins Innere des Hochdruckbau- teils 10. Der Übergang von der Stirnfläche 13 der Bohrung in die Anschlussleitung 15 ist konus- förmig als Dichtkegel 14 ausgestaltet.

In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen hohlen Druckschraube 20 dargestellt, rechts als Ansicht und links als Längsschnitt durch die Zylinderachse. Der äußere obere Teil der Druckschraube ist als Außensechskant ausgebildet, während der untere Teil der Außenfläche mit einem Außengewinde 21 versehen ist. Der untere Teil der Innenfläche ist mit einem Innengewinde 22 versehen, das gegenläufig zu dem Außengewinde 21 ist. Der obere Teil der Innenfläche ist in diesem Beispiel als glatte Zylinderfläche ausgestaltet. Die Erfindung umfasst jedoch auch Ausführungsformen, bei der die gesamte Innenfläche mit einem Innengewinde 21 versehen ist.

Fig. 4 zeigt als Anwendungsbeispiel den Anschluss von drei Sensoren 30 an einen Linsenan- schluss einer Hochdruckleitung als Hochdruckbauteil. Auf der linken Seite von Fig. 4 ist eine Vorderansicht des Linsenanschlusses dargestellt, auf der rechten Seite eine Seitenansicht, wobei dort ein Sensor nicht abgebildet ist. Die Maße sind in der Einheit Millimeter angegeben. Der Linsenanschluss dient auch als Dichtelement zwischen zwei Hochdruckleitungen, zur Durchführung der Flanschschrauben sind über den Umfang verteilt acht Löcher vorgesehen. Unter Betriebsbedingungen strömt durch die Öffnung im Zentrum des Linsenanschlusses ein Fluid unter hohem Druck. Das Bauteil ist mit drei identisch ausgeführten erfindungsgemäßen Vorrichtungen zum Anschluss von Sensoren ausgestattet. Die Sensoren 30 entsprechen dem in Fig. 1 dargestellten Typus.

Von der Außenseite des Linsenanschluss erstrecken sich jeweils Bohrungen in Richtung des Zentrums. Die Bohrungen sind mit einem Innengewinde versehen. Die Stirnseiten der Bohrun- gen sind über Dichtkegel 14 mit Anschlussleitungen 15 verbunden, die bis zur Öffnung im Zentrum des Linsenschlusses führen. Jeweils ein Sensor 30 ist mit Hilfe einer Druckschraube 20 dicht mit dem Hochdruckbauteil verbunden. Um ein unbeabsichtigtes Lösen der Druckschrauben zu verhindern, sind Sicherungsbleche 40 um die Druckschrauben 20 angebracht und über Distanzhülsen 42 mit Schrauben 41 am Hochdruckbauteil befestigt. Die Sicherungsbleche ver- fügen über eine Aussparung, deren Formgebung der Außenkontur der Druckschrauben entspricht, im Beispiel eine Sechskant-Form. Zur Sicherung der Sensoren 30 gegen ein unbeabsichtigtes Lösen ist eine Kontermutter 23 aufgeschraubt.