Wo Ventile zum Einsatz kommen: Überall!

08. November 2017 Geschrieben von Greg Johnson

Ventile sind heute fast überall zu finden: in unseren Häusern, unter der Straße, in Gewerbegebäuden und an Tausenden von Stellen in Kraft- und Wasserwerken, Papierfabriken, Raffinerien, Chemiewerken und anderen Industrie- und Infrastrukturanlagen.
Die Ventilindustrie ist breit aufgestellt und umfasst Segmente von der Wasserversorgung über die Kernenergie bis hin zur Öl- und Gasförderung. Jede dieser Endverbraucherbranchen verwendet grundlegende Ventiltypen. Konstruktion und Materialien unterscheiden sich jedoch oft stark. Hier eine Auswahl:

WASSERWERKE
In der Wasserversorgung sind die Drücke fast immer relativ niedrig und die Temperaturen angenehm. Diese beiden Anwendungsmerkmale ermöglichen eine Reihe von Ventilkonstruktionen, die bei anspruchsvolleren Geräten wie Hochtemperatur-Dampfventilen nicht zu finden sind. Die Umgebungstemperatur der Wasserversorgung ermöglicht den Einsatz von Elastomeren und Gummidichtungen, die sonst nicht geeignet sind. Diese weichen Materialien ermöglichen die Ausstattung von Wasserventilen mit tropfendichter Abdichtung.

Ein weiterer Aspekt bei Wasserversorgungsventilen ist die Wahl des Baumaterials. Guss- und Sphäroguss werden häufig in Wassersystemen verwendet, insbesondere bei Leitungen mit großem Außendurchmesser. Sehr kleine Leitungen lassen sich gut mit Ventilmaterialien aus Bronze handhaben.

Die Drücke, denen die meisten Wasserwerkventile ausgesetzt sind, liegen in der Regel deutlich unter 200 psi. Das bedeutet, dass dickwandigere Hochdruckausführungen nicht erforderlich sind. Dennoch gibt es Fälle, in denen Wasserventile für höhere Drücke bis zu etwa 300 psi ausgelegt sind. Diese Anwendungen finden sich meist an langen Aquädukten in der Nähe der Druckquelle. Manchmal findet man Hochdruckwasserventile auch an den druckreichsten Stellen eines hohen Staudamms.

Die American Water Works Association (AWWA) hat Spezifikationen für viele verschiedene Arten von Ventilen und Antrieben herausgegeben, die in Wasserwerken zum Einsatz kommen.

ABWASSER
Die Kehrseite des Trinkwassers, das in eine Anlage oder ein Gebäude gelangt, ist das Abwasser. Diese Leitungen sammeln alle flüssigen und festen Abfälle und leiten sie zu einer Kläranlage. Diese Kläranlagen verfügen über zahlreiche Niederdruckrohre und Ventile, die ihre „schmutzige Arbeit“ verrichten. Die Anforderungen an Abwasserventile sind oft deutlich geringer als die an die Trinkwasserversorgung. Eisenschieber und Rückschlagventile sind für diese Art der Versorgung die gängigste Wahl. Standardventile für diese Versorgung werden gemäß den AWWA-Spezifikationen gebaut.

Energiewirtschaft
Der Großteil des in den USA erzeugten Stroms wird in Dampfkraftwerken mit fossilen Brennstoffen und Hochgeschwindigkeitsturbinen erzeugt. Öffnet man die Abdeckung eines modernen Kraftwerks, fällt der Blick auf Hochdruck- und Hochtemperatur-Rohrleitungssysteme. Diese Hauptleitungen sind die wichtigsten im Dampfkrafterzeugungsprozess.

Absperrschieber sind nach wie vor die erste Wahl für Ein- und Ausschaltvorgänge in Kraftwerken, obwohl auch spezielle Y-förmige Kugelhähne zum Einsatz kommen. Leistungsstarke Kugelhähne für kritische Anwendungen erfreuen sich bei Kraftwerksplanern zunehmender Beliebtheit und erobern die einst von Linearventilen dominierte Welt.

Die Metallurgie ist für Ventile in der Energietechnik von entscheidender Bedeutung, insbesondere für Ventile im überkritischen oder ultra-überkritischen Druck- und Temperaturbereich. In modernen Kraftwerken kommen häufig F91, F92, C12A sowie verschiedene Inconel- und Edelstahllegierungen zum Einsatz. Die Druckklassen umfassen 1500, 2500 und in einigen Fällen 4500. Die modulierende Natur von Spitzenlastkraftwerken (die nur bei Bedarf betrieben werden) stellt zudem eine enorme Belastung für Ventile und Rohrleitungen dar und erfordert robuste Konstruktionen, um die extreme Kombination aus Zyklen, Temperatur und Druck zu bewältigen.
Zusätzlich zu den Hauptdampfventilen sind Kraftwerke mit Nebenleitungen ausgestattet, die mit unzähligen Schieber-, Absperr-, Rückschlag-, Drossel- und Kugelhähnen bestückt sind.

Kernkraftwerke arbeiten nach dem gleichen Prinzip: Dampf/Hochgeschwindigkeitsturbine. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der Dampf in einem Kernkraftwerk durch die Wärme aus der Kernspaltung erzeugt wird. Ventile in Kernkraftwerken ähneln ihren fossilbetriebenen Pendants, abgesehen von ihrer Herkunft und der zusätzlichen Anforderung absoluter Zuverlässigkeit. Kernkraftwerksventile werden nach extrem hohen Standards gefertigt, wobei die Qualifizierungs- und Prüfdokumentation Hunderte von Seiten umfasst.

ÖL- UND GASPRODUKTION
Öl- und Gasquellen sowie Produktionsanlagen benötigen häufig Ventile, darunter auch viele Hochleistungsventile. Obwohl Ölfontänen, die Hunderte von Metern in die Luft schießen, heutzutage unwahrscheinlich sind, veranschaulicht das Bild den potenziellen Druck von unterirdischem Öl und Gas. Aus diesem Grund werden Bohrlochköpfe oder Weihnachtsbäume am oberen Ende der langen Rohrleitung eines Bohrlochs angebracht. Diese Baugruppen mit ihrer Kombination aus Ventilen und Spezialarmaturen sind für Drücke von über 10.000 psi ausgelegt. Während diese extrem hohen Drücke heutzutage bei Bohrlöchern an Land nur noch selten anzutreffen sind, treten sie bei tiefen Offshore-Bohrungen häufig auf.

Die Konstruktion von Bohrlochkopfausrüstung wird durch API-Spezifikationen wie 6A (Spezifikation für Bohrlochkopf- und Weihnachtsbaumausrüstung) geregelt. Die in 6A beschriebenen Ventile sind für extrem hohe Drücke, aber moderate Temperaturen ausgelegt. Die meisten Weihnachtsbäume enthalten Absperrschieber und spezielle Kugelventile, sogenannte Drosseln. Die Drosseln dienen zur Regulierung des Durchflusses aus dem Bohrloch.

Neben den Bohrlochköpfen selbst gibt es auf Öl- und Gasfeldern zahlreiche Nebenanlagen. Prozessanlagen zur Vorbehandlung des Öls oder Gases erfordern eine Reihe von Ventilen. Diese Ventile bestehen in der Regel aus Kohlenstoffstahl und sind für niedrigere Klassen ausgelegt.

Gelegentlich ist im Rohölstrom eine hochkorrosive Flüssigkeit – Schwefelwasserstoff – vorhanden. Dieses Material, auch Sauergas genannt, kann tödlich sein. Um die Herausforderungen von Sauergas zu meistern, müssen spezielle Materialien oder Materialverarbeitungsverfahren gemäß der NACE International-Spezifikation MR0175 eingesetzt werden.

OFFSHORE-INDUSTRIE
Die Rohrleitungssysteme von Offshore-Ölplattformen und Produktionsanlagen enthalten eine Vielzahl von Ventilen unterschiedlicher Spezifikationen, um den vielfältigen Herausforderungen der Durchflussregelung gerecht zu werden. Diese Anlagen enthalten außerdem verschiedene Regelkreisläufe und Druckentlastungsvorrichtungen.

Das Herzstück von Ölförderanlagen ist das eigentliche Rohrleitungssystem zur Öl- oder Gasförderung. Obwohl nicht immer auf der Plattform selbst, nutzen viele Produktionsanlagen Rohre und Rohrleitungssysteme, die in unwirtlichen Tiefen von 3.000 Metern oder mehr betrieben werden. Diese Produktionsanlagen werden nach vielen anspruchsvollen Standards des American Petroleum Institute (API) gebaut und in mehreren API-Empfehlungen (Recommended Practices, RPs) referenziert.

Auf den meisten großen Ölplattformen werden zusätzliche Prozesse auf die aus der Bohrlochmündung kommende Rohflüssigkeit angewendet. Dazu gehören die Trennung von Wasser und Kohlenwasserstoffen sowie die Trennung von Gas und Flüssiggas vom Flüssigkeitsstrom. Diese Rohrleitungssysteme werden in der Regel nach den Rohrleitungsvorschriften B31.3 der American Society of Mechanical Engineers gebaut, wobei die Ventile gemäß API-Ventilspezifikationen wie API 594, API 600, API 602, API 608 und API 609 ausgelegt sind.

Einige dieser Systeme können auch API 6D-Schieber, Kugelhähne und Rückschlagventile enthalten. Da sich alle Rohrleitungen auf der Plattform oder dem Bohrschiff innerhalb der Anlage befinden, gelten die strengen Anforderungen für den Einsatz von API 6D-Ventilen für Rohrleitungen nicht. Obwohl in diesen Rohrleitungssystemen verschiedene Ventiltypen zum Einsatz kommen, ist der Kugelhahn der Ventiltyp der Wahl.

ROHRLEITUNGEN
Obwohl die meisten Pipelines nicht sichtbar sind, ist ihre Existenz meist deutlich erkennbar. Kleine Schilder mit der Aufschrift „Erdölpipeline“ weisen eindeutig auf unterirdische Transportleitungen hin. Diese Pipelines sind über ihre gesamte Länge mit zahlreichen wichtigen Ventilen ausgestattet. Notabsperrventile befinden sich in den durch Normen, Vorschriften und Gesetze vorgeschriebenen Abständen. Diese Ventile dienen dazu, einen Pipelineabschnitt im Falle eines Lecks oder einer erforderlichen Wartung abzusperren.

Entlang einer Pipelinetrasse gibt es außerdem Anlagen, an denen die Leitung aus dem Boden austritt und Zugang zur Leitung besteht. Diese Stationen beherbergen die Molch-Startausrüstung. Dabei handelt es sich um Vorrichtungen, die in die Rohrleitungen eingesetzt werden, um die Leitung zu inspizieren oder zu reinigen. Diese Molch-Startstationen enthalten in der Regel mehrere Ventile, entweder Schieber- oder Kugelhähne. Alle Ventile eines Pipelinesystems müssen über einen Volldurchgang (vollständige Öffnung) verfügen, um die Passage von Molchen zu ermöglichen.

Pipelines benötigen außerdem Energie, um die Reibung zu reduzieren und Druck und Durchfluss aufrechtzuerhalten. Zum Einsatz kommen Kompressor- oder Pumpstationen, die wie kleine Anlagen ohne die hohen Cracktürme aussehen. Diese Stationen sind mit Dutzenden von Absperr-, Kugel- und Rückschlagventilen ausgestattet.
Die Rohrleitungen selbst werden gemäß verschiedenen Normen und Vorschriften konstruiert, während Rohrleitungsventile den API 6D-Rohrleitungsventilen entsprechen.
Es gibt auch kleinere Pipelines, die in Häuser und Gewerbegebäude führen. Diese Leitungen liefern Wasser und Gas und sind durch Absperrventile geschützt.
Große Gemeinden, insbesondere im Norden der USA, stellen Dampf für den Heizbedarf gewerblicher Kunden bereit. Diese Dampfversorgungsleitungen sind mit verschiedenen Ventilen zur Steuerung und Regelung der Dampfzufuhr ausgestattet. Obwohl es sich bei dem Medium um Dampf handelt, sind Druck und Temperatur niedriger als bei der Dampferzeugung in Kraftwerken. Dabei kommen verschiedene Ventiltypen zum Einsatz, wobei das bewährte Kükenventil nach wie vor eine beliebte Wahl ist.

RAFFINERIE UND PETROCHEMIE
Raffinerieventile stellen den größten Anteil industrieller Ventilnutzung dar als jedes andere Ventilsegment. In Raffinerien herrschen sowohl korrosive Flüssigkeiten als auch teilweise hohe Temperaturen.
Diese Faktoren bestimmen, wie Ventile gemäß API-Ventilkonstruktionsspezifikationen wie API 600 (Schieber), API 608 (Kugelhähne) und API 594 (Rückschlagventile) gebaut werden. Aufgrund der harten Beanspruchung vieler dieser Ventile ist oft eine zusätzliche Korrosionstoleranz erforderlich. Diese Toleranz wird durch größere Wandstärken erreicht, die in den API-Konstruktionsdokumenten festgelegt sind.

In einer typischen Großraffinerie ist nahezu jeder wichtige Ventiltyp in Hülle und Fülle zu finden. Der allgegenwärtige Absperrschieber ist nach wie vor der König mit der größten Verbreitung, doch Schwenkventile erobern einen immer größeren Marktanteil. Zu den Schwenkventilen, die sich in dieser Branche (die einst ebenfalls von linearen Produkten dominiert wurde) erfolgreich durchsetzen, gehören leistungsstarke dreifach exzentrische Absperrklappen und Kugelhähne mit Metallsitz.

Standardschieber, Absperrventile und Rückschlagventile sind noch immer in großer Zahl vorhanden und werden aufgrund ihrer robusten Konstruktion und der wirtschaftlichen Herstellung auch nicht so schnell verschwinden.
Die Druckwerte für Raffinerieventile reichen von Klasse 150 bis Klasse 1500, wobei Klasse 300 am beliebtesten ist.
Unlegierter Stahl, wie z. B. die Güten WCB (gegossen) und A-105 (geschmiedet), ist die am häufigsten verwendete Werkstoffgruppe für Ventile in Raffinerien. Viele Raffinerieprozesse stoßen an die oberen Temperaturgrenzen unlegierten Stahls, weshalb für diese Anwendungen hochtemperaturbeständige Legierungen verwendet werden. Die gängigsten sind Chrom-Molybdän-Stähle wie 1-1/4 % Cr, 2-1/4 % Cr, 5 % Cr und 9 % Cr. Auch rostfreie Stähle und nickelreiche Legierungen kommen in besonders anspruchsvollen Raffinationsprozessen zum Einsatz.

CHEMIKALIEN
Die chemische Industrie ist ein großer Anwender von Ventilen aller Art und Materialien. Von kleinen Batch-Anlagen bis hin zu den riesigen petrochemischen Komplexen an der Golfküste sind Ventile ein wichtiger Bestandteil chemischer Prozessrohrleitungssysteme.

Die meisten Anwendungen in chemischen Prozessen erfordern niedrigere Drücke als viele Raffinationsprozesse und die Stromerzeugung. Die gängigsten Druckklassen für Ventile und Rohrleitungen in Chemieanlagen sind die Klassen 150 und 300. Chemieanlagen waren auch der Haupttreiber für die Marktanteilsübernahme, die Kugelhähne in den letzten 40 Jahren von linearen Ventilen erkämpft haben. Der Kugelhahn mit elastischem Sitz und seiner leckagefreien Absperrung eignet sich perfekt für viele Anwendungen in Chemieanlagen. Auch die kompakte Größe des Kugelhahns ist ein beliebtes Merkmal.
In einigen Chemieanlagen und Prozessen werden Linearventile bevorzugt. In diesen Fällen sind die beliebten API 603-Ventile mit ihren dünneren Wänden und geringerem Gewicht meist die bevorzugten Schieber- oder Kugelhähne. Die Steuerung einiger Chemikalien lässt sich auch effektiv mit Membran- oder Quetschventilen realisieren.
Aufgrund der korrosiven Wirkung vieler Chemikalien und chemischer Herstellungsprozesse ist die Materialauswahl entscheidend. Das Standardmaterial ist austenitischer Edelstahl 316/316L. Dieses Material ist gut gegen Korrosion durch eine Vielzahl von teils schädlichen Flüssigkeiten geeignet.

Für einige anspruchsvollere korrosive Anwendungen ist ein höherer Schutz erforderlich. In diesen Situationen werden häufig andere Hochleistungssorten austenitischen Edelstahls wie 317, 347 und 321 gewählt. Weitere Legierungen, die gelegentlich zur Kontrolle chemischer Flüssigkeiten verwendet werden, sind Monel, Alloy 20, Inconel und 17-4 PH.

LNG- UND GASTRENNUNG
Sowohl die Produktion von Flüssigerdgas (LNG) als auch die zur Gastrennung erforderlichen Prozesse erfordern umfangreiche Rohrleitungen. Diese Anwendungen erfordern Ventile, die bei sehr niedrigen kryogenen Temperaturen arbeiten können. Die in den USA schnell wachsende LNG-Industrie ist ständig bestrebt, den Prozess der Gasverflüssigung zu modernisieren und zu verbessern. Zu diesem Zweck sind Rohrleitungen und Ventile deutlich größer geworden, und die Druckanforderungen sind gestiegen.

Diese Situation erfordert von den Ventilherstellern die Entwicklung von Konstruktionen, die strengere Anforderungen erfüllen. Kugelhähne und Absperrklappen mit Vierteldrehung sind im LNG-Einsatz beliebt, wobei Edelstahl 316 das gängigste Material ist. Die Druckobergrenze für die meisten LNG-Anwendungen liegt bei ANSI-Klasse 600. Obwohl Vierteldrehungsventile die gängigsten Ventiltypen sind, finden sich in den Anlagen auch Absperr-, Durchgangs- und Rückschlagventile.

Bei der Gastrennung wird Gas in seine einzelnen Grundbestandteile zerlegt. Luftzerlegungsverfahren liefern beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff, Helium und andere Spurengase. Aufgrund der sehr niedrigen Temperaturen des Prozesses werden viele kryogene Ventile benötigt.

Sowohl LNG- als auch Gastrennanlagen verfügen über Tieftemperaturventile, die unter diesen kryogenen Bedingungen funktionsfähig bleiben müssen. Dies bedeutet, dass das Ventilpackungssystem durch den Einsatz einer Gas- oder Kondensationssäule von der Tieftemperaturflüssigkeit abgehoben werden muss. Diese Gassäule verhindert, dass sich im Packungsbereich der Flüssigkeit ein Eisball bildet, der das Drehen oder Anheben des Ventilschafts verhindern würde.

Gewerbegebäude
Wir sind von Gewerbegebäuden umgeben, aber wenn wir bei deren Bau nicht genau aufpassen, haben wir kaum eine Ahnung von der Vielzahl der Flüssigkeitsadern, die sich in ihren Mauern aus Mauerwerk, Glas und Metall verbergen.

Ein gemeinsamer Nenner in praktisch jedem Gebäude ist Wasser. Alle diese Strukturen enthalten eine Vielzahl von Rohrleitungssystemen, die viele Kombinationen der Wasserstoff-/Sauerstoffverbindung in Form von Trinkwasser, Abwasser, Warmwasser, Grauwasser und Brandschutz transportieren.

Aus Sicht der Gebäudesicherheit sind Brandschutzsysteme von entscheidender Bedeutung. Der Brandschutz in Gebäuden wird fast immer mit sauberem Wasser versorgt. Damit Löschwassersysteme wirksam sind, müssen sie zuverlässig sein, über ausreichend Druck verfügen und gut erreichbar im Gebäude verteilt sein. Diese Systeme sind so konzipiert, dass sie im Brandfall automatisch aktiviert werden.
Hochhäuser benötigen in den oberen und unteren Stockwerken den gleichen Wasserdruck, daher müssen Hochdruckpumpen und -rohre eingesetzt werden, um das Wasser nach oben zu befördern. Die Rohrleitungssysteme entsprechen in der Regel der Klasse 300 oder 600, je nach Gebäudehöhe. In diesen Anwendungen kommen alle Arten von Ventilen zum Einsatz; die Ventilkonstruktionen müssen jedoch von Underwriters Laboratories oder Factory Mutual für den Einsatz als Feuerlöschleitung zugelassen sein.

Für die Trinkwasserverteilung werden dieselben Ventilklassen und -typen wie für Feuerwehrventile verwendet, allerdings sind die Genehmigungsverfahren nicht so streng.
Kommerzielle Klimaanlagen in großen Geschäftsgebäuden wie Bürogebäuden, Hotels und Krankenhäusern sind in der Regel zentralisiert. Sie verfügen über eine große Kälteanlage oder einen Kessel zum Kühlen oder Erhitzen der Flüssigkeit, die zur Übertragung von Kälte oder hohen Temperaturen verwendet wird. Diese Systeme müssen häufig Kältemittel wie R-134a, einen Fluorkohlenwasserstoff, oder, im Falle größerer Heizsysteme, Dampf verarbeiten. Aufgrund der kompakten Größe von Absperr- und Kugelhähnen haben sich diese Typen in HLK-Kühlsystemen durchgesetzt.

Im Dampfbereich haben sich einige Vierteldrehventile durchgesetzt, dennoch setzen viele Sanitärinstallateure weiterhin auf lineare Schieber und Kugelhähne, insbesondere wenn die Rohrleitungen Stumpfschweißenden erfordern. Für diese moderaten Dampfanwendungen hat Stahl aufgrund seiner Schweißbarkeit den Platz von Gusseisen eingenommen.

Einige Heizsysteme verwenden anstelle von Dampf Warmwasser als Übertragungsmedium. Für diese Systeme eignen sich Ventile aus Bronze oder Eisen. Kugelhähne und Absperrklappen mit Vierteldrehung und elastischem Sitz sind sehr beliebt, obwohl auch einige lineare Ausführungen weiterhin verwendet werden.

ABSCHLUSS
Auch wenn die in diesem Artikel erwähnten Ventilanwendungen bei einem Besuch bei Starbucks oder Oma vielleicht nicht sofort sichtbar sind, sind einige sehr wichtige Ventile immer in der Nähe. Sogar im Automotor gibt es Ventile, die den Kraftstofffluss in den Motor steuern, beispielsweise im Vergaser, der den Kraftstofffluss in den Motor steuert, und im Motor, der den Benzinfluss in die Kolben und wieder heraus steuert. Und wenn diese Ventile unserem Alltag nicht nahe genug sind, bedenken Sie die Tatsache, dass unser Herz regelmäßig durch vier lebenswichtige Durchflussregelgeräte schlägt.

Dies ist nur ein weiteres Beispiel dafür, dass Ventile wirklich überall sind. VM
Teil II dieses Artikels behandelt weitere Branchen, in denen Ventile zum Einsatz kommen. Besuchen Sie www.valvemagazine.com und lesen Sie mehr über Zellstoff und Papier, Schifffahrt, Staudämme und Wasserkraft, Solarenergie, Eisen und Stahl, Luft- und Raumfahrt, Geothermie sowie Craft-Brauerei und Destillation.

GREG JOHNSON ist Präsident von United Valve (www.unitedvalve.com) in Houston. Er ist Redakteur des VALVE Magazine, ehemaliger Vorsitzender des Valve Repair Council und aktuelles Vorstandsmitglied des VRC. Er ist außerdem Mitglied des Education & Training Committee der VMA, stellvertretender Vorsitzender des Kommunikationsausschusses der VMA und ehemaliger Präsident der Manufacturers Standardization Society.