Ein federbelastetes Sicherheitsventil verhindert das Überschreiten eines vorbestimmten Drucks, indem es automatisch ohne Unterstützung durch eine andere Energie als die des jeweiligen Mediums eine Menge des Mediums ausfließen lässt. Man legt es so aus, dass es schließt und weiteres Austreten des Mediums verhindert, nachdem wieder normale Arbeitsbedingungen hergestellt sind. 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 die fachgerechte Ausführung der gesamten Anlageninstallation. Im Sicherheitsventil selber ist es wichtig, dass die Federn und der Kegel (Abschlusskörper) bei ihrer Arbeit (Hub) nicht gestört werden.
Eingeschränkter Hub kann zu Sicherheitsproblemen führen
Sollte dieser Zustand eintreten und der erforderliche Hub eingeschränkt, behindert oder blockiert sein, könnte dies zu einem verzögerten Ansprechen, Flattern oder geringerer Leistung führen oder es kann sich generell eine Funktion außerhalb der nach den Regelwerken zulässigen Grenzen ergeben. 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 Ari-Armaturen hergestellten Sicherheitsventile sind unter anderem nach DIN EN ISO 4126 [5] und ASME VIII Div. 1 [7] zugelassen.
Welchen Einfluss hat ein konstanter Fremdgegendruck?
Ari hat nun untersucht, wie es um das Betriebsverhalten bei vorgegebenem konstantem Fremdgegendruck und einer Einstellung nach Kalt-Einstelldruck steht. Planer und Anlagenbetreiber haben in diesem Zusammenhang zu klären, welchen Einfluss die Existenz von konstantem Fremdgegendruck auf die Auslegung eines federbelasteten Sicherheitsventils hat. Außerdem geht es um die Wirkung eines vorhandenen konstanten Fremdgegendrucks auf die Funktion (Öffnungsdruckdifferenz, Schließdruckdifferenz und um die Leistung und Dichtheit des Sicherheitsventils). Als Gegendruck kommt sowohl der Eigengegendruck (Built-up back pressure) als auch der Fremdgegendruck (Superimposed back pressure) in Frage. Das Vorliegen eines Gegendrucks setzt dabei unter Umständen die Verwendung eines Metall-Faltenbalgs voraus – auch die hieraus resultierenden Veränderungen hat das Unternehmen untersucht.
Eigengegendruck ist der Überdruck in der Abblaseleitung des Sicherheitsventils, der sich beim Abblasen (Öffnen) aufbaut; er tritt demzufolge variabel auf. Als Fremdgegendruck bezeichnet man den Überdruck, der bereits vor dem Abblasen des Sicherheitsventils in der Abblaseleitung vorherrscht. Er kann konstant oder variabel auftreten. Bei geschlossenem Sicherheitsventil wirkt der Fremdgegendruck zusätzlich in Schließrichtung auf den Kegel gegen den Behälterdruck. Das bedeutet, bei der Einstellung der Druckfeder muss diese zusätzliche Kraft berücksichtigt und die Druckfeder dementsprechend schwächer vorgespannt werden, da das Sicherheitsventil sonst bei einem zu hohen Druck ansprechen würde.
Der Gegendruck kann durch den Einbau eines Metall-Faltenbalgs 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 sich der Ansprechdruck aufgrund der Variabilität ständig verändern würde.
Kritischer oder unterkritischer Betriebszustand?
Zur Bewertung des Betriebsverhaltens ist die Verwendung der Kenngrößen aus den bekannten Normen unerlässlich. Wesentlich ist dabei das Gegendruckverhältnis, mit dem sich die Unterscheidung treffen lässt, ob ein kritischer oder unterkritischer Betriebszustand vorliegt. Kritischer Betriebszustand bedeutet, dass ein weiteres Absinken des Drucks hinter dem Ventilsitz keine weitere Zunahme des Massenstroms zur Folge hat.
Bei seinen Messungen hat Ari einen Leistungsprüfstand verwendet, der Ansprechdruck, Gegendruck und Hub automatisch erfasst. Zudem werden Schließ- und Öffnungsdruck, Schließ- und Öffnungsdruckdifferenz sowie der Ist-Hub aus dem Messschrieb manuell aufgelesen. Es wurden folgende Sicherheitsventile verwendet
Sicherheitsventil nach DIN EN ISO 4126, Baureihe 901 (Vollhub), PN 16 DN 25/40, d0=22,5 mm,
Nennhub: 5,2 mmSicherheitsventil nach DIN EN ISO 4126, Baureihe 901 (Vollhub), PN 16 DN 32/50, d0=29,0 mm,
Nennhub: 6,7 mmSicherheitsventil nach ASME Section VIII-Div. 1, Baureihe 970, ANSI 150 x 150, 1“ x 2“,
Nennhub: 3,0 mmSicherheitsventil nach ASME Section VIII-Div. 1, Baureihe 970, ANSI 150 x 150, 1.5“ x 3“,
Nennhub: 6,6 mm
Jedes der vier Sicherheitsventile wurde auf 3, 5, 8 und 12 bar-ü Ansprechdruck eingestellt. Anschließend wurde in der Abblaseleitung ein konstanter Druck vorgegeben, der vor jeder Messung erhöht wurde - auf null, zehn, 20, 30, 50 und schließlich auf 70 Prozent Fremdgegendruck. Um den Rüstaufwand zur reduzieren, hat man 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. Für 5 [bar-ü] ergaben sich dann zum Beispiel Gesamt-Ansprechdrücke von 5,0 bar-ü, 5,5 bar-ü, 6,0 bar-ü, 6,5 bar-ü, 7,5 bar-ü und 8,5 bar-ü. Der Einfluss des sich aufbauenden Eigengegendrucks war vernachlässigbar gering
Voller Hub bei Gegendruck
Grundsätzlich lassen die Messungen erkennen, dass ein Sicherheitsventil innerhalb der erlaubten Grenzen und trotz des vorhandenen konstanten Fremdgegendrucks korrekt anspricht. Die generelle Funktionscharakteristik beim Ansprechen wird somit nicht negativ beeinflusst; das Ventil erreicht trotz des konstanten Fremdgegendrucks 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 beeinflusst das Arbeitsverhalten des Sicherheitsventils insbesondere dahingehend, dass sich die Schließdruckdifferenz linear zum Gegendruckverhältnis verringert.
Das bedeutet, es besteht die Gefahr, dass das Sicherheitsventil bei zunehmendem Gegendruckverhältnis oder einem höherem 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. Der jeweilige Hersteller weiß um die Einsatzgrenzen und die sich verändernden Betriebsparameter, die bei der Auswahl und Auslegung zu berücksichtigen sind.
