Aufrufe
vor 9 Monaten

Verfahrenstechnik 6/2015

Verfahrenstechnik 6/2015

Arne Gastberg Bei der

Arne Gastberg Bei der Auswahl federbelasteter Sicherheitsventile spielt insbesondere die Kenntnis und Berücksichtigung der individuellen Einsatzbedingungen eine wesentliche Rolle für die zuverlässige Funktion. Hierbei steht im Zuge der Ressourcenoptimierung eine sichere Arbeitsweise der Anlagenkomponenten auch unter Ausnutzung bis hin zu physikalischen Grenzen immer stärker im Fokus des Anlagenbetreibers. Individuelle Anpassung Betriebsverhalten von Sicherheitsventilen mit konstantem Fremdgegendruck Bei der Auslegung eines Sicherheitsventils muss neben den üblichen Parametern zur Dimensionierung auch die Existenz eines Gegendruckes beachtet werden. In dem vorliegenden Bericht soll dabei die Funktion eines Sicherheitsventils dargestellt werden, wenn ein konstanter Fremdgegendruck in der Abblaseleitung vorhanden ist und damit gegen die Öffnungsrichtung des Sicherheitsventils wirkt. Das federbelastete Sicherheitsventil ist das Ventil, das automatisch ohne Unterstützung durch eine andere Energie als die des jeweiligen Mediums eine Menge des Mediums ausfließen lässt, sodass die Überschreitung eines vorbestimmten Drucks verhindert wird. Es wird so ausgelegt, dass es schließt und weiteres Austreten des Mediums verhindert, nachdem wieder normale Arbeitsbedingungen hergestellt sind. [2, S. 4] Dadurch hat es als letzte Sicherung in der technischen Anlage eine besondere Aufgabe, die absolut störungsfrei erfüllt werden muss. Wesentlich für die Funktion sind die sorgfältige Auslegung des Anlagenplaners und Autor: Dipl.-Ing. (FH) Arne Gastberg, ARI-Armaturen Albert Richter GmbH & Co. KG, Schloß Holte-Stukenbrock die fachgerechte Ausführung der gesamten Anlageninstallation. Im Sicherheitsventil selber ist es wichtig, dass die Feder(n) und der Kegel (Abschlusskörper) bei ihrer Arbeit (Hub) nicht gestört werden. Sollte dieser Zustand eintreten und der erforderliche Hub eingeschränkt, behindert oder blockiert sein, könnte dies zu einem verzögerten Ansprechen, Flattern, geringerer Leistung oder generell einer Funktion außerhalb der nach den Regelwerken zulässigen Grenzen geben. Die Sicherheit der Gesamtanlage wäre in diesem Fall nicht mehr gewährleistet. Sicherheitsventile, die nach den europäischen oder amerikanischen Regelwerken zugelassen sind, unterliegen einer strengen Normierung und Bauteilüberwachung. Die von der Firma Ari-Armaturen hergestellten Sicherheitsventile sind unter anderem nach DIN EN ISO 4126 [5] und ASME VIII Div. 1 [7] zugelassen. Hintergrundinformationen Die Kräftebilanz eines federbelasteten Sicherheitsventils lässt sich unter Berücksichtigung der Gleichung [8, S. G28] vereinfacht ausdrücken als F Druck < F Federkraft Sicherheitsventil geschlossen (2) F Druck > F Federkraft Sicherheitsventil offen (3) Dies bedeutet, wenn der Druck (und damit die Kraft unter dem Kegel) im Druckbehälter größer wird als die Kraft, die den Kegel auf den Sitz (Düse) drückt, öffnet das Ventil. Hierbei unterscheidet man im Wesentlichen zwei verschiedene Arten von Ansprechen: schlagartig (schnelles Öffnen) oder nahezu stetig (aber nicht unbedingt lineares Öffnen) [2, S. 4]. Während das Betriebsverhalten von federbelasteten Sicherheitsventilen mit einem sich aufbauenden Eigengegendruck schon im Rahmen von [1] ausführlich untersucht worden ist, soll es bei den folgenden Untersuchungen um das Betriebsverhalten bei vorgegebenem konstantem Fremdgegendruck und einer Einstellung nach Kalt-Einstelldruck (CDTP, Cold-Differential-Test-Pressure) gehen. Hierbei sind im Wesentlichen zwei Fragestellungen zu beantworten, die den Planer und Anlagenbetreiber interessieren: n Welchen Einfluss hat die Existenz von konstantem Fremdgegendruck auf die Auslegung eines federbelasteten Sicherheitsventils? n Wie wirkt sich ein vorhandener konstanter Fremdgegendruck auf die Funktion 36 VERFAHRENSTECHNIK 6/2015

ACHEMA I KOMPONENTEN UND SYSTEME (Öffnungsdruckdifferenz, Schließdruckdifferenz), Leistung und Dichtheit des Sicherheitsventils aus, bzw. inwieweit beeinflusst eine Einstellung nach Kalt-Einstelldruck die Funktionscharakteristik des Sicherheitsventils? Bei der Definition des Gegendrucks unterscheidet man bei Sicherheitsventilen zwischen Eigengegendruck und Fremdgegendruck. Das Vorliegen eines Gegendruckes setzt dabei u. U. die Verwendung eines Metall-Faltenbalges voraus. Eigengegendruck ist der Überdruck in der Abblaseleitung des Sicherheitsventils, der sich beim Abblasen (Öffnen) aufbaut, er tritt demzufolge variabel auf. Fremdgegendruck ist der Überdruck, der bereits vor dem Abblasen des Sicherheitsventils in der Abblaseleitung vorherrscht. Er kann konstant oder variabel auftreten. Die Gleichungen (2) und (3) verändern sich bei Existenz eines Fremdgegendruckes wie folgt: F Druck < F Federkraft + F Fremdgegendruck Sicherheitsventil geschlossen (4) F Druck > F Federkraft + F Fremdgegendruck Sicherheitsventil offen (5) Beim geschlossenen Sicherheitsventil wirkt der Fremdgegendruck damit zusätzlich in Schließrichtung auf den Kegel gegen den Behälterdruck. F Ansprechdruck = F Federvorspannung + F Fremdgegendruck (6) Das bedeutet, bei der Einstellung der Druckfeder muss diese zusätzliche Kraft berücksichtigt und die Druckfeder dementsprechend schwächer vorgespannt werden [6, S. 17]. Da das Sicherheitsventil sonst bei einem zu hohen Druck, nämlich bei der Summe nach Gleichung (6), ansprechen würde. Einstellung nach CDTP Das beschriebene Vorgehen ist üblich bei der Auslegung und Einstellung von amerikanischen Sicherheitsventilen nach API/ ASME [6, S. 25] und wird als „Einstellung nach CDTP“ bezeichnet. F CDTP = F Federvorspannung - F Fremdgegendruck (7) Im europäischen Regelwerk DIN EN ISO 4126 [2, S. 5] erfolgt der Hinweis, dass der Kalt- Einstelldruck gegebenenfalls Korrekturen für Gegendruck und Temperatur beinhalten kann. Aber wie wirkt sich dieses Vorgehen auf das Betriebsverhalten des Sicherheitsventils aus? Hierzu wurden umfangreiche Messungen auf dem Leistungsprüfstand (Luft) gemacht. Der Gegendruck kann durch den Einbau eines Metall-Faltenbalges kompensiert werden. Für eine optimale Funktion sollte der mittlere Faltenbalg-Durchmesser möglichst gleich dem mittleren Sitzdurchmesser des Sicherheitsventils sein. Bei der Existenz eines variablen Fremdgegendruckes ist generell ein Faltenbalg erforderlich, da aufgrund der Variabilität von F Fremdgegendruck sich der Ansprechdruck ständig verändern würde. Der Leistungsprüfstand Für die Messungen auf dem Leistungsprüfstand (Luft) wurden folgende Sicherheitsventile verwendet: n Sicherheitsventil nach DIN EN ISO 4126, Figur 901 (Vollhub), PN16 DN25/40, d0 = 22,5 mm, Nennhub: 5,2 mm n Sicherheitsventil nach DIN EN ISO 4126, Figur 901 (Vollhub), PN16 DN32/50, d0 = 29,0 mm, Nennhub: 6,7 mm n Sicherheitsventil nach ASME Section VIII- Div. 1, Baureihe 970, ANSI 150 × 150, 1" x 2", Nennhub: 3,0 mm n Sicherheitsventil nach ASME Section VIII- Div. 1, Baureihe 970, ANSI 150 × 150, 1,5 x 3", Nennhub: 6,6 mm Jedes der vier Sicherheitsventile wurde jeweils auf die Ansprechdrücke [bar-ü] 3, 5, 9 und 12 eingestellt. Anschließend wurde in der Abblaseleitung ein konstanter Druck vorgegeben. Dieser wurde vor jeder Messung prozentual auf die Werte 0, 10, 20, 30, 50 und 70 % erhöht (konstanter Fremdgegendruck). Nach Gleichung (6) ergeben sich dann für z. B. 5 [bar-ü] die Gesamt-Ansprechdrücke 5, 5,5, 6, 6,5, 7,5 und 8,5. Durchführung Es wurde folgender Ablauf festgelegt: Das Sicherheitsventil wurde auf den genannten Ansprechdruck eingestellt. Anschließend wurde der konstante Fremdgegendruck jeweils prozentual erhöht und die Messwerte wie erläutert erfasst. Zur Reduzierung des Rüstaufwandes wurde auf eine Nachstellung des Ventils (Spannschraube) und damit die CDTP-Korrektur verzichtet. Zusätzlich wurde durch den Einsatz eines automatischen Regelventils in der Abblaseleitung der Fremdgegendruck auf den eingestellten Wert nahezu konstant gehalten. Der Einfluss des sich aufbauenden Eigengegendruckes war vernachlässigbar gering. Die Ergebnisse sind nach Gleichung (6) aufgetragen, der Ansprechdruck sollte der Summe aus F Federkraft + F Fremdgegendruck (Gesamt- Ansprechdruck) entsprechen. Es wurden pro Einstellung jeweils drei Messungen gemacht, der jeweilige Mittelwert ist Grundlage für die Abbildungen im Kapitel Ergebnisse. Zusammenfassung Die Ergebnisse der Messungen lassen folgendes erkennen: Das Sicherheitsventil spricht innerhalb der erlaubten Grenzen und damit trotz des vorhandenen konstanten Fremdgegendruckes und einer Einstellung nach (6) korrekt an, die generelle Auf diesem Leistungsprüfstand (Luft) wurden die umfangreichen Messungen gemacht Funktionscharakteristik beim Ansprechen wird nicht negativ beeinflusst. Das Ventil erreicht trotz des konstanten Fremdgegendruckes seinen vollen Hub. Bei der Ausführung ohne Metall-Faltenbalg erhöht sich die Öffnungsdruckdifferenz linear zum Gegendruckverhältnis, liegt jedoch im vorgeschriebenen Bereich, mit Metall-Faltenbalg liegt sie nahezu konstant trotz steigendem Gegendruckverhältnis. Ein konstanter Fremdgegendruck und eine daraus resultierende Einstellung nach (7) beeinflusst das Arbeitsverhalten des Sicherheitsventils insbesondere dahingehend, dass sich die Schließdruckdifferenz verändert (sie verringert sich linear zum Gegendruckverhältnis). Dies bedeutet, es besteht die Gefahr, dass das Sicherheitsventil bei zunehmendem Gegendruckverhältnis oder einem höheren Ansprechdruck nach dem Ansprechen nicht mehr zuverlässig schließt (setzt) und eine bleibende, „schleichende“ Leckage aufweist. Bei der Auslegung und Dimensionierung von Sicherheitsventilen mit konstantem Fremdgegendruck sind darum immer der konkrete Einsatzfall und die Betriebsbedingungen zu berücksichtigen. Hierzu ist der jeweilige Hersteller zu kontaktieren, um insbesondere die Einsatzgrenzen und die sich verändernden Betriebsparameter bei der Auswahl und Auslegung berücksichtigen zu können. Halle 8.0, Stand B45 www.ari-armaturen.com Literatur [1] E. Stork: „Gegendruckbeaufschlagte Sicherheitsventile“, Technische Überwachung, Bd. 47 (2006) Nr. 7/8 Juli/August, Springer VDI Verlag [2] DIN EN ISO 4126-1: 12.2013 [3] DIN EN ISO 4126-7: 12.2013 [4] AD 2000-A2 Merkblatt, korrigierte Fassung, 07.2013 [5] VdTÜV-Bauteilprüfblatt, Sicherheitsventil 663, 12.2014 [6] API 520 PT1-Sizing and Selection, 07.2014 [7] http://www.nationalboard.org [8] Tabellenbuch für Metalltechnik, 12. Auflage, Verlag Handwerk und Technik, Hamburg, 2007 VERFAHRENSTECHNIK 6/2015 37

Ausgabe