Druckstöße in Ventilen Lösungen Für Die Standfestigkeit

7/23/2019 Druckste in Ventilen Lsungen Fr Die Standfestigkeit

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Dipl.-Ing. Erhard Stork, ARI-Armaturen Albert Richter GmbH & Co. KG, D-33756 Schlo Holte-StukenbrockTel.: +49 5207/994-0, Fax: +49 5207/994-297, E-Mail: [email protected], Internet:: http://www.ari-armaturen.com

t000026150-1.doc 18. Okt. 2010

Druckste in Ventilen -Lsungen fr die Standfestigkeit

1. Einleitung

2. Ursachen von Drucksten

2.1. Hydraulische Druckste und Kavitationsschlge2.2. Thermische Druckste

3. Anlagentechnische Vermeidung von Drucksten

4. Einfluss von Drucksten auf Ventile

4.1. Gehusefestigkeit4.2. Gehusedichtungen4.3. Spindelabdichtungen

5. Konstruktionsmanahmen

5.1. Formgestaltung und Werkstoffwahl5.2. Dichtungswahl und Kammerung5.3. Faltenbalgkonstruktion

6. Praktische Versuche

6.1. Fraunhofer UMSICHT - Institut

6.2. Versuche am FABA

-Plus-Ventil

6.3. Versuche am FABA-Supra-Ventil

7. Zusammenfassung

8. Literaturhinweise


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1. Einleitung

In medienfhrenden Rohrleitungen knnen teilweise sehr starke Druckste entstehen,

die vielfach auch als Wasserschlge bezeichnet werden. Die dabei auftretendenBelastungen auf die Leitungen, Armaturen und Apparate knnen so gro sein, dasshierbei Schden bis zum Bersten entstehen. Bevor wirksame Manahmen ergriffenwerden, muss genau untersucht werden, um welche Art von Drucksto es sich handeltund welche Ursachen dazu fhren. Doch auch bei sorgfltigster Planung und

Ausfhrung von Anlagen kann insbesondere bei Umbauten, Erweiterungen undwechselnden Betriebsweisen, ein Druckstorisiko nicht immer vollstndigausgeschlossen werden. In diesen Fllen ist es von groem Vorteil, wenn dieKomponenten der Anlage eine ausreichende Standfestigkeit aufweisen.

2. Ursachen von Drucksten

Die Entstehung von Drucksten in Rohrleitungen kann unterschiedliche Ursachenhaben. Man unterscheidet grundstzlich zwischen dem hydraulischen und demthermischen Drucksto.

2.1. Hydraulische Druckste und Kavitationsschlge

Wenn beim Durchstrmen einer Rohrleitung mit Flssigkeit eine Absperrarmatur (z.B.Absperrklappe) sehr schnell geschlossen wird, kommt das strmende Medium pltzlichzum Stillstand und die kinetische Energie wird in Druckenergie umgewandelt, d.h. vorder Armatur entsteht ein Drucksto. Dieser luft mit Schallgeschwindigkeit von der

Entstehungsstelle entgegen der ursprnglichen Strmungsrichtung fort und wird anUnstetigkeitsstellen (Behlter, Leitungsenden, etc.) reflektiert. Diese Druckwellenknnen mehrfach hin- und herlaufen, wobei die Intensitt durch Dissipation mehr undmehr gedmpft wird, bis sie schlielich ausklingen.

Die Druckzunahme nach einem Armaturenschnellschluss lsst sich nherungsweise mitder klassischen Joukowski-Gleichung abschtzen [1]:

(1)

p Druckerhhung [Pa]

Dichte des Fluids [kg/m]a Wellenausbreitungsgeschwindigkeit [m/s]v nderung der Strmungsgeschwindigkeit [m/s]

Die maximale Hhe dieses Druckstoes wird erreicht, wenn: (2)

st Schliezeit [s] der Armatur

l Lnge [m] des Rohrleitungsabschnitts in der sich eine Druckwelleausbreiten kann, ohne reflektiert zu werden

v= ap

a

lts 2


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Hinter der Armatur stromabwrts entsteht durch die Trgheit der strmenden Flssigkeiteine Druckabsenkung. Wenn hierbei der Dampfdruck unterschritten wird, erfolgt einertliche Verdampfung der Flssigkeit und die Bildung einer "Kavitationsblase" [2]. Die

anschlieende Kondensation erfolgt meist schlagartig. Die Hhe der hierbeientstehenden Druckspitze, auch als "Kavitationsschlag" bezeichnet hngt vom

Armaturentyp und der Schliegeschwindigkeit ab und kann weit ber dem normalenSystemdruck liegen. Auch die hierbei entstehenden Druckwellen knnen in derRohrleitung mehrfach hin- und herlaufen bevor sie reibungsbedingt zum Erliegenkommen.

2.2. Thermische Druckste

Trifft heier Dampf auf grere Kondensatansammlungen in Folge unzureichenderEntwsserung in Rohrleitungssystemen, tritt eine pltzliche Verdampfung ein. Die damit

verbundenen Volumennderungen bewirken teilweise heftige Wasserschlge und damitstarke Druckste, die weit ber dem Betriebsdruck liegen knnen.

Wasserschlge entstehen auch in Kondensatsystemen, wenn in eine teilweise mitEntspannungsdampf gefllte Kondensatleitung unterkhltes Kondensat eingespeist wird.Bei der Kondensation des Entspannungsdampfes entsteht rtlicher Unterdruck. Beimanschlieenden Zustrmen des Kondensates unter hoher Geschwindigkeit entstehenebenfalls starke Druckste. Wasserschlagrisiken sind somit immer dann gegeben,wenn Kondensat unterschiedlicher Temperatur in einer Sammelleitung gemischt wird.

3. Anlagentechnische Vermeidung von Drucksten

Die beschriebenen Druckste lassen sich in den meisten Fllen durch entsprechendeGestaltung der Anlage vermeiden, wobei hier die Manahmen zwischen denhydraulischen und thermischen Drucksten sehr unterschiedlich sind.

Da bei hydraulischen Drucksten die Intensitt von den Stellzeiten derAbsperrarmaturen, den An- und Abfahrzeiten von Pumpen und von derStrmungsgeschwindigkeit abhngig ist, lassen sich durch eine Vernderung dieserParameter Druckste begrenzen oder auch ganz vermeiden. Im Gegensatz zu denDrucksten auf der Zulaufseite der Armatur ist die Bildung einer Kavitationsblase nurdurch eine wesentlich hhere Schliezeit zu vermeiden, die allerdings in der Praxis

meist nicht akzeptabel ist. Lassen sich diese Parameter nicht verndern, kann durchEinsatz von Blasenspeichern oder Windkessel unter Nutzung der Kompressibilitt des indiesen Apparaten vorhandenen Gasvolumens ein Drucksto gedmpft, aber nichtvermieden werden. Weitere Mglichkeiten zur Verhinderung sind in [2] beschrieben.

Die Vermeidung von thermischen Drucksten in Dampfanlagen kann zunchst einmaldurch eine ausreichende Entwsserung erreicht werden. Die richtige Auswahl derKondensatableiter bei gleichzeitig korrekter Anordnung der Entwsserungs- undKondensatleitungen ist hierbei entscheidend [3]. Besonders bei der Inbetriebnahmeeiner noch kalten Anlage ist die Gefahr der Entstehung von Drucksten besondersgro, da hierbei die grten Kondensatmengen entstehen.


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Die erforderlichen Manahmen zur Vermeidung der im Zusammenhang mit derEntspannung, Mischung und Weiterleitung des abgefhrten Kondensates aus

Dampfleitungen entstehenden Druckste, sind auch in [3] detailliert beschrieben.

4. Einfluss von Drucksten auf Ventile

Da sich Druckste in Anlagen nicht immer vollstndig vermeiden lassen, sollen imFolgenden die Auswirkungen beschrieben werden, die sich auf Armaturen, insbeson-dere Ventile ergeben. Am Beispiel des Absperrventils "FABA-Plus" sind in Bild 1 dieBereiche gekennzeichnet, auf die bezglich der Druckstobelastungen im Folgendeneingegangen wird.

Bild 1:Absperrventil "FABA-Plus" [4]

4.1. Gehusefestigkeit

Die Bemessung und das Design des Ventilgehuses richtet sich nach den Ausle-gungsparametern Druck und Temperatur zuzglich der nach den Regelwerkenvorgeschriebenen Sicherheiten. Da die in Anlagen auftretenden Druckste Werteannehmen knnen, die deutlich ber den zulssigen Werten fr die jeweiligen Ventileliegen, kann es zumindest bei sprden Werkstoffen ohne ausgeprgte Streckgrenze(z.B. Grauguss) zum Gehusebruch kommen. Aus diesem Grund schrnkenverschiedene Regelwerke den Einsatz dieser Werkstoffe ein [5, 6].4.2. Gehusedichtungen


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Die statischen Dichtelemente zwischen den einzelnen Gehuseteilen der Ventileunterliegen der gleichen Druck- und Temperaturbelastung, wie das Gehuse selbst.Wenn hier die max. Belastungswerte fr Druck und Temperatur berschritten werden,

kann dieses zu Undichtigkeiten oder sogar zum "Herausblasen" von Teilen der Dichtungfhren.

4.3. Spindelabdichtungen

Im Gegensatz zu den statischen Gehusedichtungen erfahren die Dichtungen fr dieSpindeldurchfhrung zustzlich eine dynamische Belastung durch die Bewegung derSpindel, die axial, radial oder eine Kombination aus beidem sein kann. Handventilewerden meist selten bettigt, Regelventile sind dagegen hufig bis stndig im Einsatz.Die beiden klassischen Systeme sind hierbei die Stopfbuchspackung (Bild 2) und diePTFE-Dachmanschette (Bild 3). Sind diese Art von Abdichtungen im Verschlei schon

weit fortgeschritten, kann ein Drucksto schnell zu einer Undichtigkeit fhren, wobei dieStopfbuchspackung dann noch den Vorteil des Nachspannens aufweist.

Bild 2: Stopfbuchspackung Bild 3: Dachmannschetten Bild 4: Metall-Faltenbalg

Der in Bild 4 gezeigte Edelstahl-Faltenbalg bietet eine dauerhaft dichte und war-tungsfreie Spindelabdichtung, da kein Verschlei auftreten kann. Als Faltenbalgmaterialkommt hierbei vorwiegend ein austenitischer Edelstahl z.B. 1.4541 oder 1.4571 zum

Einsatz, der zur Erzielung einer geringen Steifheit sehr dnnwandig ist. GegenberDrucksten ist die Belastbarkeit daher begrenzt, denn es besteht das Risiko einerplastischen Verformung bis hin zum Materialbruch.

5. Konstruktionsmanahmen

5.1. Formgestaltung und Werkstoffwahl


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Sind in einer Anlage Druckste nicht auszuschlieen, ist es zunchst wichtig nurGehusewerkstoffe zu verwenden, die eine ausreichende Duktilitt aufweisen. Weiterhin

hat die Gestaltung der Gehusebauteile einen entscheidenden Einfluss auf dieStandfestigkeit eines Ventils gegenber Drucksten. Dieses soll im Folgenden amBeispiel der Optimierung des Bgeldeckels eines Absperrventils vorgestellt werden. InBild 5 ist die Spannungsverteilung aus der Finite Elemente (FEM) Berechnung des

Absperrventils "FABA" gezeigt. Nach der Gestaltoptimierung ergibt sich die in Bild 6dargestellte gnstigere Spannungsverteilung. Dieser im Rahmen der "FABA-Plus"-Entwicklung berarbeitete Bgeldeckel hat bei einer leichten Gewichtsreduzierung eineca. 60 % hhere Belastbarkeit, die durch Zugversuche nachgewiesen wurde. Somit istgegenber Drucksten eine hhere Sicherheit erreicht worden.

Bild 5: Vor der Optimierung Bild 6: Nach der Optimierung

5.2. Dichtungswahl und Kammerung

Um eine Beschdigung oder sogar ein Herausblasen von Flachdichtungen beiDrucksten zu verhindern, ist der Einsatz von "kammprofilierten Dichtungen" sinnvoll.Diese in Bild 7 dargestellten Dichtungen bestehen in der Regel aus einem profiliertenmetallischen Trger und der Weichstoffauflage. Nach Einbau und Vorspannung derDichtung wird der Weichstoff, z.B. Graphit oder PTFE in das Trgerprofil gepresst undsomit zustzlich verankert.


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Bild 7: Kammprofilierte Dichtung

Eine weitere Manahme ist die Kammerung der Dichtung. Bei dem in Bild 8 dar-gestellten Absperrventil "FABA-Supra C" ist die Dichtung zwischen Ober- und Unterteildoppelt gekammert, wobei der innen liegende Steg die Dichtung gegen das Mediumabschirmt. Eventuelle Druckste knnen die Dichtung gar nicht erst erreichen. Deruere Steg dient der Absttzung und zustzlichen Sicherheit nach auen. Aus einerdefekten Dichtung kann dann kein "Mediumstrahl" entweichen.

Bild 8:Absperrventil "FABA-Supra C" [4]


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Einen groen Einfluss auf die Standfestigkeit der Gehusedichtung haben die ausDrucksten resultierenden Bewegungen der Faltenbalganschlussteile. Werden dieseBlechteile durch Klemmen zwischen Flachdichtungen fixiert, knnen diese dann bei

berschreitung einer Grenze versagen. Aus diesem Grund ist beim "FABA-Supra"(Bild 8) das Faltenbalg-Anschlussteil direkt mit dem Gehuse-Oberteil verschweit.

Auch die Anzahl der Dichtungen reduziert sich auf eine.

Bild 9:

Absperrventil "FABA-Supra i" [4]

5.3. Faltenbalgkonstruktion

Zur Verhinderung der Beschdigung von Metall-Faltenblgen durch Druckste istsicherzustellen, dass der Faltenbalg eine ausreichende Druckfestigkeit mitentsprechenden Reserven aufweist. Hier ist zur Erhhung der Druckbelastbarkeitmehrwandigen Ausfhrungen der Vorzug gegenber einer Erhhung der Wandstrkeeines einwandigen Balges zu geben. Die das Medium berhrende Wand bernimmthierbei die Dichtfunktion und die weiteren Wnde die Absttzung und damit dieErhhung der Druckfestigkeit. Da mit einer Vergrerung der Wandstrke wie auch der

Erhhung der Anzahl der Wnde gleichzeitig die Steifheit (Federrate) des Balges steigt,sind diesen Manahmen gegen Druckste Grenzen gesetzt.

Eine weitere Verbesserung der Druckstosicherheit bei Faltenbalgventilen ist durch eineAbschirmung des Balges auf der Mediumsseite zu erzielen. Eine derartige Konstruktionist in Bild 9 am Beispiel des "FABA-Supra i" dargestellt. Die am Oberteilangeschweite Abschirmhlse bernimmt hierbei gleichzeitig die Aufgabe derKegelfhrung. Eventuelle Druckste und Wasserschlge gelangen erst gar nicht biszum Faltenbalg und hohe Strmungsgeschwindigkeiten knnen den Kegel nicht zuSchwingungen anregen.


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6. Praktische Versuche

Zur Ermittlung der Belastungsgrenzen und der Wirksamkeit der einzelnen Manahmen

im Ventil dienten umfangreiche Versuche am Fraunhofer UMSICHT - Institut inOberhausen [7]. Hierbei wurden die beiden Faltenbalg-Absperrventile "FABA-Plus" und"FABA-Supra" hrtesten Belastungen durch Druckste ausgesetzt.

6.1 Fraunhofer UMSICHT - Institut

Das Fraunhofer UMSICHT - Institut in Oberhausen verfgt ber ein ausgedehntesVersuchsfeld, wo hydraulische Druckste und Kavitationsschlge realittsnah erzeugtwerden knnen. Die in Bild 10 dargestellte Anlage besteht aus einem geschlossenenRohrleitungssystem, wo mittels einer Kreiselpumpe Wasser durch eine insgesamt 225 mlange Leitungsschleife der Nennweite DN 100 im stationren Umlauf gefrdert wird.Nach Schlieen einer im System eingebauten, besonders schnellschlieenden Klappeentsteht durch das abrupte Stoppen der Wassersule im Zulauf der Klappe einDrucksto und hinter der Klappe ein Kavitationsschlag. Diese Druckspitzen durchlaufendas System, wobei durch die Reflexionen eine Reihe von Drucksten mitabnehmender Intensitt entstehen. Durch Variation der Geschwindigkeit desabzubremsenden Flssigkeitsstroms knnen gezielt definierte Druckspitzen erzeugtwerden, die in dieser Anordnung maximale Werte von ca. 100 bar erreichen.

Bild 10: Rohrleitungsversuchsfeld Fraunhofer UMSICHT Institut (Oberhausen) [7]


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Durch einen Trick gelingt es, diese maximalen Werte noch einmal zu verdoppeln, indemman die Druckwelle in eine Stichleitung mit einem geschlossenen Ende hineinlaufen

lsst (Bild 11). Am Ende wird diese mit der doppelten Intensitt reflektiert. Ordnet manan diesem Ende das zu testende Versuchsventil an, wird dieses mit einer in etwaverdoppelten Druckspitze belastet. Aus Bild 12 geht deutlich hervor, dass durch dieVerdopplung max. 200 bar erreicht werden.

Bild 12: Zeitlicher Verlauf der Druckste

Bild 11: Stichleitung zur Verdopplung des Druckstoes [7]

6.2 Versuche am FABA

-Plus-Ventil

Zunchst wurden Versuche mit einem Standard-Ventil "FABA-Plus" DN 80PN 40 nach Bild 1 durchgefhrt. Bild 13 zeigt das am Leitungsende montierte Ventil.Das zugehrige Video vermittelt optisch wie auch akustisch die hohen Belastungen.Durch schrittweise Erhhung der Druckste, konnte die Grenze bis zur Verformungdieses serienmig 2-wandigen Balges ermittelt werden. Bei 100 bar zeigte dieses fr

max. 40 bar ausgelegte Ventil noch keine negativen Ergebnisse, Balg undDeckeldichtung waren unverndert (Bild 14). Erst ab ca. 130 bar versagte die beidiesem Ventil nur einfach gekammerte Deckeldichtung, der Balg zeigte ab ca. 150 bardie ersten Verformungen.


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Bild 13: Versuchsventil am Ende der Stichleitung [7]

Um den verstrkenden Einfluss der zustzlichen zweiten Faltenbalgwand zu erproben,wurde auch ein 1-wandiger Versuchsbalg (nicht Serie!) getestet. Dieser zeigte schon abca. 100 bar sehr starke Verformungen (Bild 15).

Bild 14: Bild 15:

2-wandiger Serienfaltenbalg (FABA

-Plus) Verformter 1-wandiger Versuchsfaltenbalg

6.3 Versuche am FABA-Supra-Ventil

Die gleichen Versuche wurden anschlieend mit dem extra fr diese hohen Be-lastungsflle konstruierten Absperrventil "FABA-Supra" DN 80 PN 40 durchgefhrt.Wie in Bildern 8 und 9 ersichtlich, sind die unter 5. beschriebenen Manahmenkonsequent in dieser Armatur verwirklicht. Auch bei diesem Bgeldeckel wurdenbezglich Werkstoff und Spannungsauslastung die bei Drucksten auftretenden hohenKrfte zu Grunde gelegt und die Form entsprechend der FEM-Optimierung gestaltet. Die

Video


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Dichtung zwischen Ober- und Unterteil ist in kammprofilierter Ausfhrung durch innen-und auenliegende Stege eingeschlossen und damit doppelt gekammert. Derverstrkte, doppelwandige Edelstahlfaltenbalg ist mittels Schweihlse direkt an das

Oberteil angeschweit. Hierdurch entfllt die beim "FABA-Plus" erforderliche zweiteDichtung und die durch Druckste entstehenden elastischen Bewegungen desFaltenbalges werden nicht auf die Dichtung bertragen. In Bild 16 ist diese Schweinahtbeim gezeigten Oberteil des FABA-Supra-C deutlich zu erkennen.

Bild 16:Umsplter Faltenbalg des FABA-Supra-C

Diese Ausfhrung wurde in einer Reihe von Versuchen Drucksten von 200 bar unter-zogen, wobei keine Verformungen oder Undichtigkeiten feststellbar waren (Bild 17).

Bild 17:Faltenbalg des FABA-Supra-C PN 40nach Drucksten von 200 bar

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Durch die in Bild 18 gezeigte zustzliche Abschirmung mit integrierter Kegelfhrung istdie maximale Belastbarkeit dieses Faltenbalgventils noch einmal erhht, da dieDruckste erst gar nicht auf den Balg treffen.

Bild 18:

FABA-Supra-i mit abgeschirmtem Faltenbalg

7. Zusammenfassung

Die in Anlagen auftretenden Druckste in medienfhrenden Rohrleitungen knnennicht grundstzlich ausgeschlossen werden, wobei die Ursachen vielfach sehrunterschiedlich sind. Im vorliegenden Beitrag wird ausgehend von der physikalisch vlligunterschiedlichen Art der Entstehung ber die Mglichkeiten der anlagentechnischenVermeidung die Auswirkung auf Armaturen, insbesondere Ventilen herausgearbeitet. Esfolgt die Vorstellung verschiedener konstruktiver Manahmen, die Ventile

widerstandfhiger gegen Druckste machen und die Standfestigkeit erhhen. DerNachweis der Wirksamkeit der beschriebenen Konstruktionsdetails wird an Hand dervorgestellten am Fraunhofer UMSICHT Institut in Oberhausen durchgefhrtenumfangreichen Druckstoversuche erbracht.

8. Literaturhinweise

[1] A. Dudlik: "Vergleichende Untersuchungen zur Beschreibung vontransienten Strmungsvorgngen in Rohrleitungen" Fraunhofer IRB Verlag

[2] A. Dudlik, S. Schlter, P.-M. Weinspach: "Druckste und Kavitationsschlge inFernwrmerohrleitungen - Messung, Berechnung und Vermeidung" Fraunhofer

UMSICHT, Oberhausen[3] ARI-Armaturen: Praxishandbuch fr Dampf und Kondensat[4] ARI-Armaturen: Herstellerkatalog 2010 (www.ari-armaturen.com)[5] DIN EN 12953-2: Growasserraumkessel Teil 2: Werkstoffe fr

drucktragende Kesselteile und Zubehr[6] AD 2000 A4: Gehuse von Ausrstungsteilen[7] Fraunhofer-Institut fr Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik

UMSICHT, Osterfelder Strae 3, D-46047 Oberhausen(www.umsicht.fhg.de)

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