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 Orten in Energie- und Wasserwerken, Papierfabriken, Raffinerien, Chemiefabriken und anderen Industrie- und Infrastruktureinrichtungen.
Die Ventilindustrie ist wirklich breitschultrig, mit Segmenten, die von der Wasserverteilung über die Kernenergie bis hin zur vor- und nachgelagerten Öl- und Gasindustrie reichen. Jede dieser Endverbraucherindustrien verwendet einige grundlegende Ventiltypen. Allerdings sind die Details der Konstruktion und Materialien oft sehr unterschiedlich. Hier eine Kostprobe:

WASSERWERK
In der Welt der Wasserverteilung sind die Drücke fast immer relativ niedrig und die Temperaturen Umgebungstemperaturen. Diese beiden Anwendungsfakten ermöglichen eine Reihe von Ventilkonstruktionselementen, die bei anspruchsvolleren Geräten wie Hochtemperatur-Dampfventilen nicht zu finden wären. Die Umgebungstemperatur der Wasserversorgung ermöglicht die Verwendung von Elastomeren und Gummidichtungen, die anderswo nicht geeignet sind. Diese weichen Materialien ermöglichen die Ausstattung von Wasserventilen, die Tropfen dicht abdichten.

Ein weiterer Gesichtspunkt bei Wasserversorgungsventilen ist die Wahl der Konstruktionsmaterialien. Gusseisen und Sphäroguss werden häufig in Wassersystemen verwendet, insbesondere in Leitungen mit großem Außendurchmesser. Sehr kleine Leitungen lassen sich mit Ventilmaterialien aus Bronze recht gut bewältigen.

Die Drücke, denen die meisten Wasserwerksventile ausgesetzt sind, liegen normalerweise deutlich unter 200 psi. Dies bedeutet, dass dickwandigere Konstruktionen für höhere Drücke nicht erforderlich sind. Allerdings gibt es Fälle, in denen Wasserventile für höhere Drücke bis etwa 300 psi ausgelegt sind. Diese Anwendungen finden normalerweise auf langen Aquädukten in der Nähe der Druckquelle statt. Manchmal befinden sich Wasserventile mit höherem Druck auch an den Stellen mit dem höchsten Druck in einem hohen Damm.

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

ABWASSER
Die Kehrseite von frischem Trinkwasser, das in eine Anlage oder ein Bauwerk gelangt, ist der Abwasser- oder Abwasserausstoß. Diese Leitungen sammeln alle Abfallflüssigkeiten und Feststoffe und leiten sie zu einer Kläranlage. Diese Kläranlagen verfügen über viele Niederdruckleitungen und Ventile, um ihre „Drecksarbeit“ zu verrichten. Die Anforderungen an Abwasserventile sind in vielen Fällen weitaus strenger als die Anforderungen an die Versorgung mit sauberem Wasser. Eisenschieber und Rückschlagventile sind die beliebteste Wahl für diese Art von Service. Standardventile in diesem Service werden gemäß den AWWA-Spezifikationen gebaut.

Energiewirtschaft
Der größte Teil des in den Vereinigten Staaten erzeugten Stroms wird in Dampfkraftwerken mit fossilen Brennstoffen und Hochgeschwindigkeitsturbinen erzeugt. Wenn man die Abdeckung eines modernen Kraftwerks öffnet, erhält man einen Blick auf Hochdruck- und Hochtemperatur-Rohrleitungssysteme. Diese Hauptleitungen sind die kritischsten im Dampfkrafterzeugungsprozess.

Absperrschieber sind nach wie vor die erste Wahl für Ein-/Aus-Anwendungen in Kraftwerken, es gibt jedoch auch Kugelventile in Y-Form für spezielle Zwecke. Hochleistungs-Kugelhähne für den kritischen Einsatz erfreuen sich bei einigen Kraftwerkskonstrukteuren zunehmender Beliebtheit und halten in dieser einst von Linearventilen dominierten Welt Einzug.

Die Metallurgie ist für Ventile in Energieanwendungen von entscheidender Bedeutung, insbesondere für solche, die in überkritischen oder ultraüberkritischen Betriebsbereichen von Druck und Temperatur betrieben werden. In heutigen Kraftwerken werden häufig F91, F92, C12A sowie verschiedene Inconel- und Edelstahllegierungen verwendet. Zu den Druckklassen gehören 1500, 2500 und in einigen Fällen 4500. Die modulierende Natur von Spitzenkraftwerken (die nur bei Bedarf arbeiten) stellt auch eine enorme Belastung für Ventile und Rohrleitungen dar und erfordert robuste Konstruktionen, um die extreme Kombination von Zyklen, Temperatur und Temperatur zu bewältigen Druck.
Zusätzlich zu den Hauptdampfventilen sind Kraftwerke mit Nebenleitungen ausgestattet, die mit einer Vielzahl von Absperr-, Durchgangs-, Rückschlag-, Absperr- und Kugelhähnen ausgestattet sind.

Kernkraftwerke arbeiten nach dem gleichen Dampf-/Hochgeschwindigkeitsturbinenprinzip. Der Hauptunterschied besteht darin, dass in einem Kernkraftwerk der Dampf durch die Wärme des Spaltprozesses erzeugt wird. Ventile für Kernkraftwerke ähneln ihren mit fossilen Brennstoffen betriebenen Verwandten, abgesehen von ihrem Stammbaum und der zusätzlichen Anforderung absoluter Zuverlässigkeit. Nuklearventile werden nach extrem hohen Standards hergestellt, wobei die Qualifizierungs- und Inspektionsdokumentation Hunderte von Seiten umfasst.

ÖL- UND GASPRODUKTION
Öl- und Gasquellen sowie Produktionsanlagen sind ein starker Nutzer von Ventilen, darunter viele Hochleistungsventile. Auch wenn es nicht mehr wahrscheinlich ist, dass Ölschwalle mehrere hundert Meter hoch in die Luft spritzen, veranschaulicht das Bild den potenziellen Druck von unterirdischem Öl und Gas. Aus diesem Grund werden Brunnenköpfe oder Weihnachtsbäume oben auf dem langen Rohrstrang eines Brunnens platziert. Diese Baugruppen sind mit ihrer Kombination aus Ventilen und Spezialanschlüssen für Drücke über 10.000 psi ausgelegt. Während extrem hohe Drücke heutzutage bei an Land gegrabenen Brunnen nur noch selten anzutreffen sind, findet man sie häufig bei tiefen Bohrlöchern vor der Küste.

Das Design der Bohrlochkopfausrüstung wird durch API-Spezifikationen wie 6A, Spezifikation für Bohrlochkopf- und Weihnachtsbaumausrüstung, abgedeckt. Die in 6A abgedeckten Ventile sind für extrem hohe Drücke, aber moderate Temperaturen ausgelegt. Die meisten Weihnachtsbäume verfügen über Absperrschieber und spezielle Kugelventile, sogenannte Drosselventile. Die Drosseln werden verwendet, um den Durchfluss aus dem Brunnen zu regulieren.

Zusätzlich zu den Bohrköpfen selbst bevölkern viele Nebenanlagen ein Öl- oder Gasfeld. Prozessanlagen zur Vorbehandlung des Öls oder Gases erfordern eine Reihe von Ventilen. Diese Ventile bestehen normalerweise aus Kohlenstoffstahl und sind für niedrigere Klassen geeignet.

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

OFFSHORE-INDUSTRIE
Die Rohrleitungssysteme für Offshore-Bohrinseln und Produktionsanlagen enthalten eine Vielzahl von Ventilen, die nach vielen unterschiedlichen Spezifikationen gebaut sind, um den vielfältigen Herausforderungen bei der Durchflussregelung gerecht zu werden. Diese Einrichtungen enthalten auch verschiedene Regelkreise und Druckentlastungsgeräte.

Bei Ölförderanlagen ist das arterielle Herz das eigentliche Rohrleitungssystem für die Öl- oder Gasgewinnung. Obwohl nicht immer auf der Plattform selbst, verwenden viele Produktionssysteme Weihnachtsbäume und Rohrleitungssysteme, die in unwirtlichen Tiefen von 10.000 Fuß oder mehr betrieben werden. Diese Produktionsausrüstung entspricht vielen anspruchsvollen Standards des American Petroleum Institute (API) und wird in mehreren API-Empfehlungen (RPs) referenziert.

Auf den meisten großen Ölplattformen werden zusätzliche Prozesse auf die vom Bohrlochkopf kommende Rohflüssigkeit angewendet. Dazu gehören die Trennung von Wasser von den Kohlenwasserstoffen und die Trennung von Gas und Erdgasflüssigkeiten aus dem Flüssigkeitsstrom. Diese Rohrleitungssysteme für die Zeit nach dem Weihnachtsbaum werden im Allgemeinen 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-Absperr-, Kugel- und Rückschlagventile enthalten. Da sich alle Rohrleitungen auf der Plattform oder dem Bohrschiff innerhalb der Anlage befinden, gelten die strengen Anforderungen zur Verwendung von API 6D-Ventilen für Rohrleitungen nicht. Obwohl in diesen Rohrleitungssystemen mehrere Ventiltypen verwendet werden, ist der Kugelhahn der Ventiltyp der Wahl.

PIPELINES
Obwohl die meisten Pipelines nicht sichtbar sind, ist ihre Anwesenheit in der Regel offensichtlich. Kleine Schilder mit der Aufschrift „Erdölpipeline“ sind ein offensichtlicher Hinweis auf das Vorhandensein unterirdischer Transportleitungen. Diese Rohrleitungen sind entlang ihrer gesamten Länge mit vielen wichtigen Ventilen ausgestattet. Notabsperrventile für Rohrleitungen sind in den durch Normen, Vorschriften und Gesetze festgelegten Abständen zu finden. Diese Ventile erfüllen die wichtige Aufgabe, einen Abschnitt einer Rohrleitung im Falle eines Lecks oder wenn eine Wartung erforderlich ist, zu isolieren.

Entlang einer Pipelinetrasse sind außerdem Einrichtungen verstreut, bei denen die Leitung aus dem Boden austritt und ein Leitungszugang möglich ist. Diese Stationen sind die Heimat von „Molch“-Abschussgeräten, bei denen es sich um Geräte handelt, die in die Rohrleitungen eingesetzt werden, um die Leitung zu inspizieren oder zu reinigen. Diese Molch-Abwurfstationen enthalten normalerweise mehrere Ventile, entweder Schieber- oder Kugelventile. Alle Ventile in einem Rohrleitungssystem müssen einen vollständigen Durchgang (vollständige Öffnung) haben, um den Durchgang von Molchen zu ermöglichen.

Pipelines benötigen außerdem Energie, um der Reibung der Pipeline entgegenzuwirken und den Druck und Durchfluss der Leitung aufrechtzuerhalten. Zum Einsatz kommen Kompressor- oder Pumpstationen, die ohne die hohen Cracktürme wie kleine Versionen einer Prozessanlage aussehen. Diese Stationen beherbergen Dutzende von Schiebern, Kugelhähnen und Rückschlagventilen.
Die Rohrleitungen selbst sind in Übereinstimmung mit verschiedenen Standards und Vorschriften ausgelegt, während die Rohrleitungsventile den API 6D-Pipelineventilen folgen.
Es gibt auch kleinere Rohrleitungen, die in Häuser und Gewerbebauten münden. Diese Leitungen liefern Wasser und Gas und sind durch Absperrventile geschützt.
Große Kommunen, insbesondere im nördlichen Teil der Vereinigten Staaten, stellen Dampf für den Wärmebedarf gewerblicher Kunden bereit. Diese Dampfversorgungsleitungen sind mit verschiedenen Ventilen zur Steuerung und Regelung der Dampfzufuhr ausgestattet. Obwohl es sich bei der Flüssigkeit um Dampf handelt, sind die Drücke und Temperaturen niedriger als bei der Dampferzeugung in Kraftwerken. Bei diesem Service werden verschiedene Ventiltypen verwendet, wobei das altehrwürdige Kükenventil immer noch eine beliebte Wahl ist.

Raffinerie und Petrochemie
Raffinerieventile machen in der Industrie mehr Ventile aus 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 (Absperrschieber), API 608 (Kugelhähne) und API 594 (Rückschlagventile) gebaut werden. Aufgrund des rauen Betriebs, dem viele dieser Ventile ausgesetzt sind, ist oft ein zusätzlicher Korrosionszuschlag erforderlich. Dieser Spielraum äußert sich in größeren Wandstärken, die in den API-Konstruktionsdokumenten spezifiziert sind.

In einer typischen großen Raffinerie ist praktisch jeder wichtige Ventiltyp in Hülle und Fülle zu finden. Der allgegenwärtige Absperrschieber ist immer noch der König mit der größten Verbreitung, aber Vierteldrehungsventile nehmen einen immer größeren Marktanteil ein. Zu den Vierteldrehungsprodukten, die sich in dieser Branche (die einst ebenfalls von linearen Produkten dominiert wurde) erfolgreich durchgesetzt haben, gehören leistungsstarke dreifach versetzte Absperrklappen und Kugelhähne mit Metallsitz.

Standard-Absperr-, Kugel- und Rückschlagventile sind immer noch massenhaft anzutreffen und werden aufgrund ihrer durchdachten Konstruktion und Wirtschaftlichkeit in der Herstellung auch in absehbarer Zeit nicht verschwinden.
Die Druckstufen für Raffinerieventile reichen von Klasse 150 bis Klasse 1500, wobei Klasse 300 am beliebtesten ist.
Normale Kohlenstoffstähle wie WCB (gegossen) und A-105 (geschmiedet) sind die am häufigsten spezifizierten und verwendeten Materialien für Ventile im Raffineriebetrieb. Bei vielen Raffinationsprozessanwendungen werden die oberen Temperaturgrenzen von einfachen Kohlenstoffstählen überschritten, und für diese Anwendungen sind Legierungen mit höheren Temperaturen spezifiziert. Am beliebtesten sind Chrom/Molybdän-Stähle wie 1-1/4 % Cr, 2-1/4 % Cr, 5 % Cr und 9 % Cr. In einigen besonders anspruchsvollen Raffinationsprozessen werden auch rostfreie Stähle und Legierungen mit hohem Nickelgehalt verwendet.

CHEMISCH
Die chemische Industrie ist ein großer Abnehmer 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.

Bei den meisten Anwendungen in chemischen Prozessen ist der Druck niedriger als bei vielen Raffinerieprozessen und der Energieerzeugung. Die beliebtesten Druckklassen für Ventile und Rohrleitungen in Chemieanlagen sind die Klassen 150 und 300. Chemieanlagen waren in den letzten 40 Jahren auch der größte Treiber für die Marktanteilsübernahme, die Kugelhähne den Linearventilen abgenommen 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.
Es gibt immer noch einige Chemieanlagen und Anlagenprozesse, bei denen Linearventile bevorzugt werden. In diesen Fällen sind die beliebten API 603-Ventile mit dünneren Wänden und geringerem Gewicht normalerweise die Absperr- oder Durchgangsventile der Wahl. Die Kontrolle einiger Chemikalien lässt sich auch effektiv mit Membran- oder Quetschventilen erreichen.
Aufgrund der korrosiven Natur vieler Chemikalien und chemischer Herstellungsprozesse ist die Materialauswahl von entscheidender Bedeutung. Das De-facto-Material ist austenitischer Edelstahl der Sorte 316/316L. Dieses Material eignet sich gut zur Bekämpfung der Korrosion durch eine Vielzahl manchmal unangenehmer Flüssigkeiten.

Für einige härtere korrosive Anwendungen ist mehr Schutz erforderlich. In solchen Situationen werden häufig andere Hochleistungsqualitäten von austenitischem Edelstahl wie 317, 347 und 321 gewählt. Andere Legierungen, die von Zeit zu Zeit zur Kontrolle chemischer Flüssigkeiten verwendet werden, sind Monel, Alloy 20, Inconel und 17-4 PH.

LNG- UND GAS-TRENNUNG
Sowohl flüssiges Erdgas (LNG) als auch die zur Gastrennung erforderlichen Prozesse sind auf umfangreiche Rohrleitungen angewiesen. Für diese Anwendungen sind Ventile erforderlich, die bei sehr niedrigen kryogenen Temperaturen arbeiten können. Die LNG-Industrie, die in den Vereinigten Staaten schnell wächst, ist ständig auf der Suche nach einer Modernisierung und Verbesserung des Prozesses der Gasverflüssigung. Zu diesem Zweck sind die Rohrleitungen und Ventile deutlich größer geworden und die Druckanforderungen sind gestiegen.

Aufgrund dieser Situation mussten Ventilhersteller Konstruktionen entwickeln, die strengeren Parametern gerecht werden. Kugel- und Absperrklappenventile mit Vierteldrehung sind für den LNG-Betrieb beliebt, wobei Edelstahl 316 (Edelstahl) das beliebteste Material ist. ANSI-Klasse 600 ist die übliche Druckobergrenze für die meisten LNG-Anwendungen. Obwohl Vierteldrehventile die beliebtesten Ventiltypen sind, sind in den Anlagen auch Schieber-, Durchgangs- und Rückschlagventile zu finden.

Bei der Gaszerlegung handelt es sich um die Zerlegung von Gas in seine einzelnen Grundbestandteile. Luftzerlegungsverfahren liefern beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff, Helium und andere Spurengase. Aufgrund der sehr niedrigen Temperatur des Prozesses sind viele Kryoventile erforderlich.

Sowohl LNG- als auch Gaszerlegungsanlagen verfügen über Niedertemperaturventile, die unter diesen kryogenen Bedingungen betriebsbereit bleiben müssen. Dies bedeutet, dass das Ventilpackungssystem mithilfe einer Gas- oder Kondensationssäule von der Flüssigkeit mit niedriger Temperatur entfernt werden muss. Diese Gassäule verhindert, dass die Flüssigkeit um den Packungsbereich herum eine Eiskugel bildet, die verhindern würde, dass sich der Ventilschaft dreht oder ansteigt.

GEWERBLICHE GEBÄUDE
Wir sind von Gewerbegebäuden umgeben, aber wenn wir nicht genau aufpassen, wie sie gebaut werden, haben wir kaum eine Ahnung von der Vielzahl an Flüssigkeitsarterien, die sich in ihren Mauern aus Mauerwerk, Glas und Metall verbergen.

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

Unter dem Gesichtspunkt des Überlebens von Gebäuden sind Brandschutzsysteme am kritischsten. Der Brandschutz in Gebäuden wird nahezu flächendeckend mit sauberem Wasser gespeist und gefüllt. Damit Löschwassersysteme effektiv sind, müssen sie zuverlässig sein, einen ausreichenden Druck haben und bequem im gesamten Gebäude platziert sein. Diese Systeme sind so konzipiert, dass sie sich im Brandfall automatisch einschalten.
Bei Hochhäusern ist in den oberen Stockwerken der gleiche Wasserdruck erforderlich wie in den unteren Stockwerken. 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, abhängig von der Gebäudehöhe. In diesen Anwendungen kommen alle Arten von Ventilen zum Einsatz; Allerdings müssen die Ventilkonstruktionen von Underwriters Laboratories oder Factory Mutual für den Einsatz in der Feuerwehr genehmigt werden.

Für die Trinkwasserverteilung werden die gleichen Ventilklassen und -typen wie für Feuerwehrventile verwendet, allerdings ist das Genehmigungsverfahren nicht so streng.
Gewerbliche Klimaanlagen in großen Unternehmensstrukturen wie Bürogebäuden, Hotels und Krankenhäusern sind in der Regel zentralisiert. Sie verfügen über eine große Kühleinheit oder einen Kessel zum Kühlen oder Erhitzen von Flüssigkeiten, die zur Übertragung von Kälte oder hoher Temperatur verwendet werden. Diese Systeme müssen häufig mit Kältemitteln wie R-134a, einem Fluorkohlenwasserstoff, oder, bei großen Heizsystemen, mit Dampf umgehen. Aufgrund der kompakten Größe von Absperrklappen und Kugelhähnen erfreuen sich diese Typen in HVAC-Kühlsystemen großer Beliebtheit.

Auf der Dampfseite haben einige Vierteldrehungsventile Einzug gehalten, dennoch verlassen sich viele Sanitäringenieure immer noch auf lineare Schieber- und Durchgangsventile, insbesondere wenn die Rohrleitung Stumpfschweißenden erfordert. Bei diesen Anwendungen mit mäßigem Dampf hat Stahl aufgrund der Schweißbarkeit von Stahl Gusseisen ersetzt.

Einige Heizsysteme verwenden heißes Wasser anstelle von Dampf als Übertragungsflüssigkeit. Für diese Systeme eignen sich Ventile aus Bronze oder Eisen. Kugelhähne und Absperrklappen mit Vierteldrehung und elastischem Sitz erfreuen sich großer Beliebtheit, obwohl einige lineare Designs immer noch verwendet werden.

ABSCHLUSS
Auch wenn die Beweise für die in diesem Artikel erwähnten Ventilanwendungen bei einem Ausflug zu Starbucks oder zu Omas Haus möglicherweise nicht zu sehen sind, sind einige sehr wichtige Ventile immer in der Nähe. Es gibt sogar Ventile im Motor des Autos, die verwendet werden, um zu diesen Stellen zu gelangen, z. B. diejenigen im Vergaser, die den Kraftstofffluss in den Motor steuern, und solche im Motor, die den Benzinfluss in die Kolben und wieder heraus steuern. Und wenn diese Ventile nicht nah genug an unserem Alltag sind, bedenken Sie die Realität, dass unser Herz regelmäßig durch vier lebenswichtige Durchflusskontrollgeräte schlägt.

Dies ist nur ein weiteres Beispiel für die Realität: Ventile sind wirklich überall. VM
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GREG JOHNSON ist Präsident von United Valve (www.unitedvalve.com) in Houston. Er ist Mitherausgeber des VALVE Magazine, ehemaliger Vorsitzender des Valve Repair Council und aktuelles VRC-Vorstandsmitglied. Er ist außerdem Mitglied im Bildungs- und Schulungsausschuss der VMA, stellvertretender Vorsitzender des Kommunikationsausschusses der VMA und ehemaliger Präsident der Manufacturers Standardization Society.