Wo Ventile eingesetzt werden: Überall!

8. November 2017, verfasst von Greg Johnson

Ventile findet man heutzutage fast überall: in unseren Häusern, unter der Straße, in Geschäftsgebäuden und an Tausenden von Orten in Kraft- und Wasserwerken, Papierfabriken, Raffinerien, Chemieanlagen und anderen Industrie- und Infrastruktureinrichtungen.
Die Ventilindustrie ist äußerst breit gefächert und umfasst Segmente, die von der Wasserverteilung über Kernkraft bis hin zur Öl- und Gasförderung reichen. Jede dieser Endverbraucherbranchen verwendet bestimmte Ventiltypen; die Details der Konstruktion und die verwendeten Materialien unterscheiden sich jedoch oft erheblich. Hier einige Beispiele:

Wasserwerk
In der Wasserverteilung herrschen fast immer relativ niedrige Drücke und Umgebungstemperaturen. Diese beiden Gegebenheiten ermöglichen eine Reihe von Konstruktionsmerkmalen für Ventile, die bei anspruchsvolleren Anlagen wie Hochtemperatur-Dampfventilen nicht zum Einsatz kommen. Die Umgebungstemperatur des Trinkwassers erlaubt den Einsatz von Elastomeren und Gummidichtungen, die in anderen Bereichen ungeeignet sind. Dank dieser weichen Materialien können Wasserventile so konstruiert werden, dass sie tropffrei abdichten.

Ein weiterer Aspekt bei Wasserarmaturen ist die Wahl des Werkstoffs. Gusseisen und Sphäroguss werden häufig in Wassersystemen eingesetzt, insbesondere bei Leitungen mit großem Außendurchmesser. Sehr kleine Leitungen lassen sich gut mit Bronzearmaturen realisieren.

Die Drücke, denen die meisten Wasserwerksventile ausgesetzt sind, liegen üblicherweise deutlich unter 200 psi. Daher sind dickwandige Ausführungen für höhere Drücke in der Regel nicht erforderlich. Es gibt jedoch 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 werden Hochdruck-Wasserventile auch an den Stellen mit dem höchsten Druck in einem hohen Staudamm eingesetzt.

Die American Water Works Association (AWWA) hat Spezifikationen herausgegeben, die viele verschiedene Arten von Ventilen und Stellantrieben abdecken, die in Wasserwerksanwendungen eingesetzt werden.

ABWASSER
Die Kehrseite der Medaille, wenn frisches Trinkwasser in ein Gebäude oder eine Anlage gelangt, ist das Abwasser. Diese Leitungen sammeln alle flüssigen und festen Abfälle und leiten sie zu einer Kläranlage. Diese Kläranlagen verfügen über zahlreiche Niederdruckleitungen und Ventile, die ihre wichtige Aufgabe erfüllen. Die Anforderungen an Abwasserventile sind in vielen Fällen deutlich weniger streng als die für Trinkwasser. Absperr- und Rückschlagventile aus Eisen sind die gängigsten Ventile für diese Art von Abwasser. Standardventile für diesen Anwendungsbereich werden gemäß den AWWA-Spezifikationen gefertigt.

Energiewirtschaft
Der Großteil des in den Vereinigten Staaten erzeugten Stroms stammt aus Dampfkraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen und Hochgeschwindigkeitsturbinen betrieben werden. Ein Blick hinter die Kulissen eines modernen Kraftwerks offenbart Hochdruck- und Hochtemperatur-Rohrleitungssysteme. Diese Hauptleitungen sind für die Dampfkraftwerkserzeugung von entscheidender Bedeutung.

Schieberventile sind nach wie vor die erste Wahl für Ein-/Ausschaltvorgänge in Kraftwerken, obwohl auch spezielle Y-förmige Absperrventile zum Einsatz kommen. Hochleistungsfähige Kugelventile für kritische Anwendungen gewinnen bei einigen Kraftwerksplanern an Beliebtheit und erobern die einst von linearen Ventilen dominierte Welt.

Die Metallurgie ist für Ventile in Kraftwerksanlagen von entscheidender Bedeutung, insbesondere für solche, die im überkritischen oder ultra-überkritischen Betriebsbereich von Druck und Temperatur arbeiten. F91, F92, C12A sowie verschiedene Inconel- und Edelstahllegierungen werden häufig in modernen Kraftwerken eingesetzt. Die Druckklassen umfassen 1500, 2500 und in einigen Fällen 4500. Der bedarfsgesteuerte Betrieb von Spitzenlastkraftwerken stellt ebenfalls eine hohe Belastung für Ventile und Rohrleitungen dar und erfordert robuste Konstruktionen, die der extremen Kombination aus Lastwechsel, Temperatur und Druck standhalten.
Zusätzlich zu den Hauptdampfventilen sind Kraftwerke mit Hilfsleitungen ausgestattet, die mit einer Vielzahl von Absperr-, Kugel-, Rückschlag-, Absperrklappen- und Kugelventilen bestückt sind.

Kernkraftwerke arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie Kernkraftwerke mit Dampf und Hochgeschwindigkeitsturbine. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der Dampf in einem Kernkraftwerk durch die Wärme der Kernspaltung erzeugt wird. Ventile in Kernkraftwerken ähneln denen in fossil befeuerten Kraftwerken, unterscheiden sich jedoch in ihrer Herkunft und der zusätzlichen Anforderung absoluter Zuverlässigkeit. Kernkraftwerksventile werden nach extrem hohen Standards gefertigt, und die Dokumentation zu Qualifizierung und Inspektion umfasst Hunderte von Seiten.

ÖL- UND GASFÖRDERUNG
Öl- und Gasquellen sowie Förderanlagen benötigen große Mengen an Ventilen, darunter viele Hochleistungsventile. Obwohl explodierende Ölfontänen, die Hunderte von Metern hoch in die Luft spritzen, heutzutage unwahrscheinlich sind, verdeutlicht die Abbildung den potenziellen Druck von unterirdischem Öl und Gas. Aus diesem Grund werden Bohrlochköpfe, auch „Weihnachtsbaum“ genannt, am oberen Ende der langen Rohrleitung einer Bohrung angebracht. Diese Baugruppen mit ihren Ventilen und Spezialarmaturen sind für Drücke von über 10.000 psi ausgelegt. Während solche extrem hohen Drücke heutzutage bei Bohrungen an Land selten vorkommen, sind sie bei Tiefseebohrungen häufig anzutreffen.

Die Auslegung von Bohrlochkopf-Ausrüstung ist in API-Spezifikationen wie 6A, „Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment“, geregelt. Die in 6A beschriebenen Ventile sind für extrem hohe Drücke, aber moderate Temperaturen ausgelegt. Die meisten Christmas Trees enthalten Absperrschieber und spezielle Kugelventile, sogenannte Drosseln. Die Drosseln dienen der Regulierung des Förderstroms aus dem Bohrloch.

Neben den Bohrlochköpfen selbst befinden sich auf einem Öl- oder Gasfeld zahlreiche Nebenanlagen. Die Prozessanlagen zur Vorbehandlung des Öls oder Gases benötigen eine Reihe von Ventilen. Diese Ventile bestehen üblicherweise aus Kohlenstoffstahl und sind für niedrigere Druckklassen ausgelegt.

Gelegentlich ist im Rohölstrom eine stark korrosive Flüssigkeit – Schwefelwasserstoff – enthalten. Dieses auch als Sauergas bezeichnete Material kann lebensgefährlich sein. Um die Herausforderungen durch Sauergas zu bewältigen, müssen spezielle Werkstoffe oder Materialverarbeitungsverfahren gemäß der NACE International-Spezifikation MR0175 eingesetzt werden.

Offshore-Industrie
Die Rohrleitungssysteme von Offshore-Ölplattformen und Produktionsanlagen enthalten eine Vielzahl von Ventilen, die nach unterschiedlichsten Spezifikationen gefertigt sind, um den vielfältigen Anforderungen an die Durchflussregelung gerecht zu werden. Diese Anlagen umfassen außerdem verschiedene Regelkreise und Druckentlastungseinrichtungen.

Das Herzstück von Ölförderanlagen ist das eigentliche Öl- oder Gasförderrohrsystem. Obwohl es sich nicht immer direkt auf der Plattform befindet, nutzen viele Fördersysteme sogenannte „Weihnachtsbaum“-Rohrleitungen, die in den unwirtlichen Tiefen von 3.000 Metern und mehr operieren. Diese Förderanlagen werden nach strengen Standards des American Petroleum Institute (API) gefertigt und in mehreren API Recommended Practices (RPs) referenziert.

Auf den meisten großen Ölplattformen werden zusätzliche Verfahren auf das aus dem Bohrlochkopf austretende Rohfluid angewendet. Dazu gehören die Trennung von Wasser und Kohlenwasserstoffen sowie die Abtrennung von Gas und Erdgasflüssigkeiten aus dem Fluidstrom. Diese Rohrleitungssysteme nach der sogenannten „Christmas Tree“-Phase werden in der Regel gemäß den Rohrleitungsnormen der American Society of Mechanical Engineers (ASME) B31.3 errichtet, wobei die Ventile nach API-Ventilspezifikationen wie API 594, API 600, API 602, API 608 und API 609 ausgelegt sind.

Einige dieser Systeme können auch Absperr-, Kugel- und Rückschlagventile gemäß API 6D enthalten. Da sich alle Rohrleitungen auf der Plattform oder dem Bohrschiff innerhalb der Anlage befinden, gelten die strengen Anforderungen für die Verwendung von API 6D-Ventilen für Rohrleitungen nicht. Obwohl in diesen Rohrleitungssystemen verschiedene Ventiltypen zum Einsatz kommen, ist das Kugelventil die bevorzugte Wahl.

PIPELINES
Obwohl die meisten Pipelines nicht sichtbar sind, ist ihre Existenz in der Regel erkennbar. Kleine Schilder mit der Aufschrift „Erdölpipeline“ weisen deutlich auf unterirdische Transportleitungen hin. Diese Pipelines sind entlang ihrer gesamten Länge mit zahlreichen wichtigen Ventilen ausgestattet. Notabsperrventile befinden sich in den durch Normen, Vorschriften und Gesetze festgelegten Abständen. Diese Ventile dienen der wichtigen Aufgabe, im Falle eines Lecks oder bei Wartungsarbeiten einen Abschnitt der Pipeline abzusperren.

Entlang einer Pipeline-Trasse befinden sich außerdem Anlagen, an denen die Leitung aus dem Boden tritt und Zugang zur Leitung besteht. Diese Stationen beherbergen die Molchschleusen, die in die Pipelines eingeführt werden, um diese zu inspizieren oder zu reinigen. Die Molchschleusen enthalten üblicherweise mehrere Ventile, entweder Schieber- oder Kugelventile. Alle Ventile eines Pipelinesystems müssen vollumfänglich öffnend sein, um den Durchgang der Molche zu ermöglichen.

Rohrleitungen benötigen Energie, um die Reibung zu überwinden und Druck und Durchfluss aufrechtzuerhalten. Dazu werden Kompressor- oder Pumpstationen eingesetzt, die wie kleine Versionen einer Prozessanlage ohne die hohen Cracktürme aussehen. Diese Stationen beherbergen Dutzende von Absperr-, Kugel- und Rückschlagventilen.
Die Rohrleitungen selbst sind nach verschiedenen Normen und Vorschriften konstruiert, während die Rohrleitungsventile der Norm API 6D Pipeline Valves entsprechen.
Es gibt außerdem kleinere Rohrleitungen, die Wohnhäuser und Gewerbegebäude versorgen. Diese Leitungen liefern Wasser und Gas und sind mit Absperrventilen gesichert.
Große Städte, insbesondere im Norden der USA, versorgen gewerbliche Kunden mit Dampf für deren Heizungsbedarf. Diese Dampfleitungen sind mit verschiedenen Ventilen zur Steuerung und Regelung der Dampfzufuhr ausgestattet. Obwohl es sich um Dampf handelt, sind Druck und Temperatur niedriger als in Kraftwerken. Für diesen Zweck werden verschiedene Ventiltypen eingesetzt, wobei das bewährte Kegelventil nach wie vor eine beliebte Wahl ist.

Raffinerie und Petrochemie
Raffinerieventile machen den größten Anteil am industriellen Ventilverbrauch aller Ventilsegmente aus. Raffinerien sind Umgebungen mit korrosiven Flüssigkeiten und teilweise hohen Temperaturen.
Diese Faktoren bestimmen die Konstruktionsweise von Ventilen gemäß den API-Ventilnormen wie API 600 (Absperrschieber), API 608 (Kugelhähne) und API 594 (Rückschlagventile). Aufgrund der oft rauen Betriebsbedingungen dieser Ventile ist häufig ein zusätzlicher Korrosionszuschlag erforderlich. Dieser Zuschlag wird durch größere Wandstärken realisiert, die in den API-Normen spezifiziert sind.

Nahezu alle gängigen Ventiltypen sind in einer typischen Großraffinerie in großer Zahl anzutreffen. Das allgegenwärtige Schieberventil ist nach wie vor der Marktführer mit der größten Verbreitung, doch Vierteldrehventile gewinnen zunehmend Marktanteile. Zu den Vierteldrehventilen, die sich in dieser Branche (die einst ebenfalls von linearen Ventilen dominiert wurde) erfolgreich etablieren, gehören Hochleistungs-Dreifach-Exzenter-Absperrklappen und metalldichtende Kugelventile.

Standard-Absperr-, Kugel- und Rückschlagventile sind nach wie vor in großer Zahl anzutreffen und werden aufgrund ihrer robusten Bauweise und der wirtschaftlichen Herstellung auch in absehbarer Zeit nicht verschwinden.
Die Druckstufen für Raffinerieventile reichen von Klasse 150 bis Klasse 1500, wobei Klasse 300 am häufigsten verwendet wird.
Unlegierte Stähle wie WCB (Gussstahl) und A-105 (Schmiedestahl) sind die am häufigsten verwendeten Werkstoffe für Ventile in Raffinerien. Viele Raffinerieprozesse stoßen an die oberen Temperaturgrenzen unlegierter Stähle, weshalb für diese Anwendungen höhertemperaturbeständige Legierungen eingesetzt werden. Zu den gängigsten zählen Chrom-Molybdän-Stähle mit 1,25 % Cr, 2,25 % Cr, 5 % Cr und 9 % Cr. Auch Edelstähle und hochlegierte Nickellegierungen kommen in besonders anspruchsvollen Raffinerieprozessen zum Einsatz.

CHEMISCH
Die chemische Industrie ist ein Hauptabnehmer von Ventilen aller Art und aus unterschiedlichsten Materialien. Von kleinen Chargenanlagen bis hin zu den riesigen petrochemischen Anlagen an der Golfküste sind Ventile ein wesentlicher Bestandteil von Rohrleitungssystemen in der chemischen Prozessindustrie.

Die meisten Anwendungen in chemischen Prozessen arbeiten mit niedrigeren Drücken als viele Raffinerieprozesse und die Energieerzeugung. Die gängigsten Druckklassen für Ventile und Rohrleitungen in Chemieanlagen sind die Klassen 150 und 300. Chemieanlagen waren in den letzten 40 Jahren auch der Hauptgrund für den Marktanteilsgewinn von Kugelhähnen gegenüber Linearventilen. Der elastisch dichtende Kugelhahn mit seiner absolut leckagefreien Absperrung eignet sich ideal für viele Anwendungen in Chemieanlagen. Auch seine kompakte Bauweise ist ein großer Vorteil.
In einigen Chemieanlagen und -prozessen werden nach wie vor Linearventile bevorzugt. Hier kommen meist die gängigen, nach API 603 konstruierten Ventile mit dünneren Wänden und geringerem Gewicht zum Einsatz. Die Steuerung bestimmter Chemikalien lässt sich auch effektiv mit Membran- oder Quetschventilen realisieren.
Aufgrund der korrosiven Eigenschaften vieler Chemikalien und chemischer Herstellungsverfahren ist die Materialauswahl entscheidend. Standardmäßig wird austenitischer Edelstahl der Güteklasse 316/316L verwendet. Dieser Werkstoff bietet einen guten Schutz vor Korrosion durch eine Vielzahl, teils aggressiver Flüssigkeiten.

Für besonders korrosive Anwendungen ist ein höherer Schutz erforderlich. In solchen Fällen werden häufig andere Hochleistungssorten austenitischer Edelstähle wie 317, 347 und 321 gewählt. Weitere Legierungen, die gelegentlich zur Kontrolle chemischer Flüssigkeiten eingesetzt werden, sind Monel, Alloy 20, Inconel und 17-4 PH.

LNG- UND GASTTRENNUNG
Sowohl Flüssigerdgas (LNG) als auch die zur Gastrennung erforderlichen Verfahren basieren auf umfangreichen Rohrleitungen. Diese Anwendungen erfordern Ventile, die bei sehr niedrigen kryogenen Temperaturen funktionieren. Die in den USA rasant wachsende LNG-Industrie ist ständig bestrebt, die Gasverflüssigungsprozesse zu optimieren und zu verbessern. Zu diesem Zweck sind Rohrleitungen und Ventile deutlich größer dimensioniert und die Druckanforderungen gestiegen.

Diese Situation hat Ventilhersteller gezwungen, Konstruktionen zu entwickeln, die strengeren Anforderungen gerecht werden. Vierteldreh-Kugel- und Absperrklappen sind für LNG-Anwendungen weit verbreitet, wobei Edelstahl 316 das gängigste Material ist. Die ANSI-Klasse 600 ist der übliche maximale Druck für die meisten LNG-Anwendungen. Obwohl Vierteldrehventile die am häufigsten verwendeten Ventiltypen sind, kommen in den Anlagen auch Schieber-, Absperr- und Rückschlagventile zum Einsatz.

Die Gastrennung umfasst die Auftrennung von Gasen in ihre einzelnen Bestandteile. So liefert die Lufttrennung beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff, Helium und weitere Spurengase. Aufgrund der sehr niedrigen Prozesstemperaturen werden zahlreiche Kryoventile benötigt.

Sowohl LNG- als auch Gastrennungsanlagen verfügen über Niedertemperaturventile, die auch unter diesen kryogenen Bedingungen funktionsfähig bleiben müssen. Daher muss die Ventilpackung mithilfe einer Gas- oder Kondensationssäule vom Niedertemperaturfluid ferngehalten werden. Diese Gassäule verhindert die Bildung eines Eisballs um die Packung, wodurch die Drehung oder das Anheben der Ventilspindel blockiert würde.

GEWERBEGEBÄUDE
Wir sind von Gewerbebauten umgeben, aber wenn wir nicht genau hinschauen, während sie gebaut werden, haben wir kaum eine Ahnung von der Vielzahl an Flüssigkeitsadern, die sich in ihren Mauern aus Mauerwerk, Glas und Metall verbergen.

Gemeinsamer Nenner praktisch aller Gebäude ist Wasser. Alle diese Bauwerke enthalten diverse Rohrleitungssysteme, die verschiedenste Kombinationen des Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches in Form von Trinkwasser, Abwasser, Warmwasser, Brauchwasser und Löschwasser transportieren.

Aus Sicht der Gebäudesicherheit sind Feuerlöschanlagen von entscheidender Bedeutung. Der Brandschutz in Gebäuden wird fast immer mit sauberem Wasser versorgt. Damit Feuerlöschanlagen effektiv funktionieren, müssen sie zuverlässig sein, über ausreichend Druck verfügen und im gesamten Gebäude gut erreichbar sein. Diese Systeme sind so konstruiert, dass sie sich im Brandfall automatisch aktivieren.
Hochhäuser benötigen in den oberen Stockwerken den gleichen Wasserdruck wie in den unteren. Daher sind Hochdruckpumpen und -leitungen erforderlich, um das Wasser nach oben zu befördern. Die Rohrleitungssysteme entsprechen üblicherweise der Klasse 300 oder 600, abhängig von der Gebäudehöhe. Alle Arten von Ventilen kommen in diesen Anwendungen zum Einsatz; die Ventilkonstruktionen müssen jedoch für den Einsatz in Feuerlöschleitungen von Underwriters Laboratories oder Factory Mutual zugelassen sein.

Für die Trinkwasserverteilung werden die gleichen Ventilklassen und -typen verwendet, die auch für Feuerlöschventile eingesetzt werden, allerdings ist das Zulassungsverfahren nicht so streng.
Gewerbliche Klimaanlagen in großen Geschäftsgebäuden wie Büros, Hotels und Krankenhäusern sind in der Regel zentralisiert. Sie verfügen über eine große Kältemaschine oder einen Kessel zum Kühlen oder Erhitzen des Kältemittels bzw. Heizöls. Diese Systeme benötigen häufig Kältemittel wie R-134a, ein Fluorkohlenwasserstoff, oder, bei großen Heizsystemen, Dampf. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise sind Absperrklappen und Kugelventile in Kältemaschinen weit verbreitet.

Im Dampfbereich haben sich Vierteldrehventile zwar zunehmend durchgesetzt, dennoch setzen viele Sanitärinstallateure weiterhin auf Schieber- und Kugelventile, insbesondere bei Rohrleitungen mit Stumpfschweißverbindungen. Für diese Anwendungen mit moderatem Dampfdruck hat Stahl aufgrund seiner Schweißbarkeit Gusseisen ersetzt.

Manche Heizsysteme nutzen Heißwasser anstelle von Dampf als Wärmeträger. Für diese Systeme eignen sich Ventile aus Bronze oder Eisen. Vierteldreh-Kugel- und Absperrklappen mit elastischer Dichtung sind sehr beliebt, obwohl auch heute noch einige lineare Ausführungen verwendet werden.

ABSCHLUSS
Auch wenn man die in diesem Artikel erwähnten Ventilanwendungen nicht unbedingt bei einem Besuch im Café oder bei Oma sieht, sind einige sehr wichtige Ventile immer in unserer Nähe. Sogar im Automotor selbst befinden sich Ventile, die den Zugang zu bestimmten Stellen ermöglichen, wie beispielsweise die im Vergaser, die die Kraftstoffzufuhr regeln, und die im Motor, die den Benzinfluss zu den Kolben und wieder zurück steuern. Und falls uns diese Ventile im Alltag noch nicht nah genug sind, bedenken Sie, dass unser Herz regelmäßig durch vier lebenswichtige Ventile schlägt.

Dies ist nur ein weiteres Beispiel für die Tatsache, dass Ventile tatsächlich überall zu finden sind. VM
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Greg Johnson ist Präsident von United Valve (www.unitedvalve.com) in Houston. Er ist Redakteur des VALVE Magazine, ehemaliger Vorsitzender des Valve Repair Council (VRC) und derzeitiges Vorstandsmitglied des VRC. Darüber hinaus ist er Mitglied des Aus- und Weiterbildungsausschusses der VMA, stellvertretender Vorsitzender des Kommunikationsausschusses der VMA und ehemaliger Präsident der Manufacturers Standardization Society.