Sicherheit für Personal und Umwelt gilt bei allen Industrieanlagen als oberstes Gebot und ist ein entscheidender Faktor für die öffentliche Wahrnehmung und Akzeptanz. Die Planer und Betreiber müssen bei der Auswahl der Komponenten aber zusätzlich die Wirtschaftlichkeit im Blick behalten – und das nicht nur bezogen auf die erste Anschaffung, sondern über den gesamten Lebenszyklus einer Anlage hinweg. Bei Absperrarmaturen sind deshalb zuverlässige Lösungen gefragt, die sowohl eine hohe Betriebssicherheit und Verfügbarkeit gewährleisten, als auch möglichst langlebig und wartungsarm sind. Denn durch längere Wartungsintervalle können über die gesamte Lebensdauer einer Anlage hinweg wesentliche Zeit- und Kosteneinsparungen realisiert werden. Dies betrifft beispielsweise die Personalkosten für Planung und Wartungsarbeiten oder Kosten für Ersatzteile oder den Austausch einer Armatur.
Vom Schieber zum Kugelhahn
Je nach Industrie und Anforderungen kommen verschiedene Absperrarmaturen zur Anwendung. Der Einsatz eines klassischen Schiebers als Absperrorgan ist in vielen Industrien verbreitet. Doch technologische Weiterentwicklungen und erhöhte Anforderungen haben dazu geführt, dass der Kugelhahn den Schieber in vielen Bereichen verdrängt hat. Erste Kugelhahn-Patente wurden bereits Ende der 1950er-Jahre erteilt, einige davon hielt Werner Hartmann sen., dessen Celler Firma Hartmann Valves heute in dritter Generation Spezialkugelhähne und Bohrlochverflanschungen fertigt. Das Konzept der Kugel als Absperrung wurde seither kontinuierlich verbessert und weist gegenüber Schiebern Vorzüge auf, die insbesondere bei anspruchsvollen Anwendungen und Einsatzbedingungen zum Tragen kommen. So bietet ein Kugelhahn eine höhere Sicherheit, da er weniger dazu neigt, zu blockieren. Das resultiert daraus, dass das Gehäuse sowohl in Offen- als auch in Geschlossenstellung durch angefederte Sitzringe abgedichtet ist. Ein zweiter Aspekt ist die Verunreinigung, beispielsweise in der Öl- und Gasproduktion: Während bei der Verwendung von Schiebern oftmals das Gehäuse mit Fett gefüllt werden muss, ist dies beim Kugelhahn nicht nötig. Das hat den Vorteil, dass die nachgelagerten Anlagen nicht durch das Fett verunreinigt werden, und sich somit die Wartungskosten und Ausfallzeiten reduzieren lassen. Zudem besitzt der Kugelhahn auch bei dem Medium Gas eine Null-Blasen-Dichtheit, das heißt eine Erfüllung der Leckrate 0 oder auch A – bei niedrigem wie bei hohem Druck.
Rein metallisch dichtend
Die hohe Dichtheit wird sowohl intern im Durchgang als auch nach außen erreicht: Im Inneren bietet die Kugelhahn-Konstruktion eine rein metallische Abdichtung zwischen Kugel und Sitzring. Die Armatur ist mit zwei Barrieren ausgestattet, welche sich auch im eingebauten Zustand durch Entlüftung des Gehäuseinnenraums überprüfen lassen. Dieses Dichtsystem ist erheblich widerstandsfähiger als eine Weichdichtung und zeichnet sich auch bei Verschmutzungen durch eine überdurchschnittlich hohe Langlebigkeit und Wartungsarmut aus. Es ist gasdicht und auch besonders geeignet für hohe Schalthäufigkeiten.
Die äußere Dichtheit wird bei dem Kugelhahn durch Abdichtung der Schaltwelle gewährleistet. Bei einem Schieber wird eine lineare oder eine mehrfache Rotationsbewegung vollzogen, bei einem Kugelhahn ist nur eine 90°-Drehung nötig und die Dichtung ist so einer geringeren mechanischen Belastung ausgesetzt. Zwischen Gehäuse und Schaltwelle sind bis zu drei Abdichtungen im Einsatz.
Sicherheitsgerichtete Funktionen
Ausgerichtet auf das Ziel einer maximalen Betriebssicherheit wurden spezielle Konstruktionen und Funktionen entwickelt, die bei Hartmann-Kugelhähnen mittlerweile zum Standard gehören. Im Vergleich unterschiedlicher Dichtfunktionen bietet beispielsweise ein Kugelhahn mit einem „Double-Piston-Effekt“ eine erhöhte Sicherheit, denn hier werden zwei unabhängige Barrieren in eine Richtung aufbaut. Die Kugelhähne verfügen zudem auf Wunsch über eine Fire-Safe-Ausführung und können dank oben beschriebener Schaltwellendichtung die hohen Anforderungen des Regelwerks TA-Luft erfüllen.
Damit die Hochleistungsarmaturen selbst bei extremen Einsatzbedingungen eine hohe Beständigkeit aufweisen, sind eine entsprechende Materialauswahl und -kombination sowie Oberflächenbehandlungen und Sonderbeschichtungen von Bedeutung. Das Material sollte optimal an das Medium angepasst sein. Bei Bedarf kann eine zusätzliche Innenbeschichtung gegen Korrosion aufgebracht werden. Dies ermöglicht auch in salzhaltigen Medien eine überdurchschnittlich hohe Lebensdauer. Beispielsweise sind in Pumpstationen für Sole bereits seit 20 Jahren Hartmann-Kugelhähne wartungsfrei im Einsatz.
Eine integrierte Konstruktion zur Reduktion von Schnittstellen und einen besonderen Sicherheitszugewinn stellt das Twin Ball Valve (TBV) dar, das aus zwei Kugelhähnen in einem Gehäuse besteht, die wiederum auf Wunsch mit je zwei unabhängigen Barrieren ausgestattet sein können. Mit Blockflanschen kann die Baulänge einer Standardarmatur erreicht und somit die Sicherheit um bis zu Faktor 4 erhöht werden.
Konstruktionen nach Wunsch
Alle Kugelhähne werden kundenindividuell gefertigt und sind für spezielle Anwendungsfälle ausgelegt. Auf besondere Medien wie Wasserstoff, Sauerstoff, abrasive oder entfettende Medien, Temperaturen von -200 °C bis +550 °C oder Druckbereichen bis 700 bar kann hierdurch eingegangen werden – und das bereits in der Konstruktionsphase. Dies zeigt auch ein Beispiel für eine Hochtemperatur-Anwendung für reinen Sauerstoff in der Petrochemie: Hier bestand die Anforderung zusätzlich zu der rein metallischen Dichtung zwischen Kugel und Sitzring auf eine metallische Dichtung zwischen Sitzring und Gehäuse zu wechseln. Um den dadurch bedingten Wegfall der Option des „Double-Piston-Effekts“ zu kompensieren, wurde eine unidirektionale Ausführung („one-way-double-barrier“) gewählt und durch eine zweite Barriere erhalten.
