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Einführung in die Ventilauswahl

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12.04.2012 Bei der Auswahl eines Ventils für ein Instrumentierungssystem ist man von den Wahlmöglichkeiten oft überwältigt. Die zahlreichen Ventiltypen stehen darüber hinaus auch in unterschiedlichen Größen, Konfigurationen, aus verschiedenen Werkstoffen und mit verschiedenen Betätigungsmöglichkeiten zur Verfügung.

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Entscheider-Facts Für Anwender


Bei der Auswahl eines Ventils müssen einige Punkte beachtet werden. Um die richtige Entscheidung treffen zu können,

  • sollte man sich mit der Anwendung vertraut machen,
  • sollte man auf Werkstoffkompatibilität prüfen,
  • sollte man sich mit dem Wartungsplan vertraut machen,
  • sollte man Druckabfälle verstehen und
  • sollte man die Betriebskosten berücksichtigen.

Um die beste Wahl zu treffen, sollte man sich immer die erste Frage bei der Ventilauswahl stellen: Welche Aufgaben soll das Ventil erfüllen? Die meisten Ventile erfüllen eine von fünf Grundfunktionen – Auf/zu, Durchflusssteuerung, Steuerung der Durchflussrichtung, Überdruckschutz und Durchflussbegrenzung. Das Abstimmen des Ventiltyps auf die Funktion ist der erste und wichtigste Schritt bei der Ventilauswahl. Es ist nicht ungewöhnlich, dass man in Anwendungen auf falsch angewendete Ventile trifft, beispielsweise einen Kugelhahn, der zur Durchflussdrosselung eingesetzt wurde. In manchen Fällen kann die falsche Auswahl katastrophale Folgen haben, beispielsweise wenn ein Kugelhahn in einem Hochdruck-Sauerstoffsystem eingesetzt würde. Mit einer Zündquelle könnte der durch das schnelle Öffnen des Hahns ermöglichte plötzliche Sauerstoffstoß zu einem Sauerstoffbrand führen.
 
Auf/zu: grundlegendste Ventilfunktion

Die Auf/zu-Steuerung ist die grundlegendste Ventilfunktion. Ventile in dieser Kategorie stoppen den Fluiddurchfluss und starten ihn wieder. Kugelhähne, Absperrventile, Membran- und Faltenbalgventile sind die primären Auf/zu-Ventile.

Kugelhähne, der wohl häufigste Ventiltyp, sind zur Auf/zu-Steuerung konstruiert. Der Durchfluss wird mit einer 90°-Betätigung gestartet oder gestoppt, indem eine Metallkugel im geraden Durchflussweg positioniert wird. Durch die Mitte der Kugel läuft eine große Bohrung. Wenn die Bohrung mit dem Durchflussweg ausgerichtet ist, wird der Durchfluss ermöglicht. Wenn die Kugel 90 ° vom Durchflussweg weg­gedreht wird, wird der Durchfluss angehalten. Wenn man ein Auf/zu-Ventil mit einer schnellen Absperrung und einer hohen Durchflusskapazität sucht, ist ein Kugelhahn eine gute Möglichkeit. An der Griffposition lässt sich schnell erkennen, ob der Hahn offen oder geschlossen ist. Außerdem lassen sich Kugelhähne zu Sicherheitszwecken leicht sperren und markieren. Sie sind in Größen zwischen 6 und 50 mm am praktischsten und wirtschaftlichsten.

Absperrventile werden in der Regel eher für Anwendungen in der Prozesssteuerung als für Instrumentierungsanwendungen verwendet und werden üblicherweise für die Auf/zu-Steuerung, insbesondere für Leitungen mit einem Durchmesser über 50 mm (2 Zoll), ausgewählt. Sie werden außerdem häufig als das erste Ventil nach der Prozessleitung für die Prozessinstrumentierung eingesetzt, oft in einer Doppelabsperr- und Ablasskonfiguration. Diese Ventile gehören zu den ältesten Auf/zu-Ventilen und werden häufig in allgemeinen Industrieanwendungen, beispielsweise großen Prozess- oder Übertragungsleitungen, eingesetzt. Manche dieser Leitungen haben sogar Durchmesser über 2.540 mm (100 Zoll). Mit mehreren Umdrehungen des Griffs wird ein Absperrmechanismus in einen geraden Flussweg abgesenkt bzw. wieder angehoben. Die Absperrung erfolgt nach und nach.

Die Spindel ist von einer Packung umgeben, sodass das Austreten des Systemmediums an die Atmosphäre an der Stelle, wo die Spindel auf den Ventilkörper trifft, verhindert wird. Ventile, die eine ganzmetallische Abdichtung zur Atmosphäre haben, werden als „packungslos“ bezeichnet, da sie kein weiches Packungsmaterial wie Dichtringe und O-Ringe haben, die man normalerweise an den Spindeln anderer Ventile findet. Die Ventilspindel ist der zylindrische Teil, der den Griff mit den inneren Mechanismen zur Absperrung, Durchflusssteuerung und Richtungssteuerung verbindet. Die Spindel dreht bzw. bewegt sich in der Regel auf und ab.

Alle Spindeldichtungen oder -packungen verschleißen mit der Zeit, und Verschleiß kann zu Leckagen führen. Ventile mit Packung müssen regelmäßig gewartet oder ausgetauscht werden. Allerdings bieten manche Packungsarten effektivere Dichtungen und halten länger als andere, beispielsweise die zweiteilige Chevronpackung.

Im Gegensatz zu packungsgedichteten Ventilen haben Membranventile keine Packung und ermöglichen eine schnelle Absperrung und präzise Betätigungsgeschwindigkeiten. In manchen Fällen können diese außerdem für gleichbleibende Mengen an Prozessfluid sorgen. Membranventile kommen in der Regel bei hochreinen Anwendungen in der Biopharmazie und in der Halbleiterindustrie zum Einsatz. Sie bieten von allen Ventiltypen die höchste Zykluslebensdauer, ein Produkt der ausgeklügelten Konstruktion des Ventils. Jedes Ventil enthält eine dünne Metall- oder Kunststoffmembran, die sich nach oben oder unten zusammenzieht und ein leckdichtes Absperren des Eingangs erzeugt. Dieses robuste Ventil ist in der Regel klein, wobei die größte Öffnung – oder der innere Flussweg – in der Regel einen Durchmesser von weniger als 32 mm (2 Zoll) hat.

Faltenbalgventile sind wie Membranventile packungslos. Sie sind deshalb eine gute Option, wenn die Abdichtung zur Atmosphäre entscheidend und der Zugang für Wartungsarbeiten eingeschränkt ist. Sie kommen oft im Sicherheitsbereich in Atomkraftwerken zum Einsatz. Eine geschweißte Dichtung trennt die untere Hälfte des Ventils, in der sich das Systemmedium befindet, von den oberen Teilen des Ventils, wo die Betätigung ausgelöst wird. Die Spindel, die ganz von einem Metallfaltenbalg umgeben ist, bewegt sich – ohne Drehung – auf und ab und sperrt den Eingang ab.

Faltenbalgventile und Membranventile haben einen ähnlichen Durchflussweg wie Durchgangsventile. Bei Durchgangsventilen fließt das Fluid nicht gerade auf einer Ebene durch das Ventil wie bei einem Kugelhahn. Der Durchflussweg gelangt unter dem Sitz in das Ventil und verlässt das Ventil über dem Sitz. Durchgangsventile haben niedrigere Durchflussraten als Ventile mit einem geraden Durchflussweg derselben Öffnungsgröße.

Mit Regelventilen den Durchfluss steuern

Mit Regelventilen kann der Bediener durch Drehen des Griffs den Durchfluss erhöhen oder verringern. Er kann dass Ventil auf eine gewünschte Durchflussrate einstellen, und das Ventil behält diese Durchflussrate zuverlässig bei. Manche Regelventile bieten außerdem eine sehr zuverlässige Absperrung; allerdings muss der Griff mehrere Male gedreht werden, um von der ganz geöffneten in die ganz geschlossene Position zu gelangen. Die häufigsten Ventile zur Durchflusssteuerung sind Nadelventile, Feindosierventile, Kükenhähne mit Vierteldrehung und Regulierventile mit geradem Durchgang.

Nadelventile bieten eine sehr gute Durchflusssteuerung und – je nach Konstruktion – eine leckdichte Absperrung. Sie bestehen aus einer langen Spindel mit einer technische ausgereiften Geometrie der Spindelspitze, zum Beispiel V- oder Nadelform, die genau in einen Sitz über dem Eingang passt. Die Spindel hat ein feines Gewinde, das eine präzise Durchflusssteuerung ermöglicht. Die Spindelpackung sorgt für die Dichtung zur Atmosphäre.
Manche Ausführungen haben eine ganzmetallische Sitzdichtung. Nadelventile sind daher eine gute Option für Anwendungen mit hohen Temperaturen und eine gute Wahl für leichtere, weniger dickflüssige Fluide.

Um die präziseste Durchflusssteuerung zu erhalten, sollten Feindosierventile verwendet werden, die man in der Regel in Laboratorien findet. Feindosierventile sind eine Art Nadelventil mit einer langen, feinen Spindel, die sich durch einen langen, engen Kanal absenkt. Diese Konstruktion ist ein Modell mit einem ausgeprägten umgelenkten Flussweg, mit dem man ideal Feinabstufungen des Durchflusses erzielen kann. Manche der Feindosierventile sind nicht zur Absperrung vorgesehen.

Kükenhähne mit 90°-Betätigung sind Allzweckventile. Bei der 90°-Betätigung wird ein zylinderförmiger Stopfen in einem geraden Durchflussweg gedreht. Der Stopfen enthält eine Durchflussöffnung. Kükenhähne werden in der Regel zusätzlich zur Absperrung für Drosselanwendungen bei niedrigem Druck verwendet.

Eine andere Art von Kükenhahn ist das Regulierventil mit geradem Durchgang. Wie bei einem Nadelventil senkt sich ein konischer Stopfen in eine Öffnung, um den Durchfluss zu reduzieren. das Regulierventil unterscheidet sich von einem Nadelventil durch seinen Durchflussweg, der hier gerade ist. Aufgrund des geraden Durchgangs ist das Ventil nicht so effektiv beim Erzielen von Feinabstufungen des Durchflusses. Der sich anhebende Stopfen ist durchgängig, was positiv ist, falls das Ventil mit Systemfluid verstopft werden sollte.

Ventile zur Steuerung der Durchflussrichtung

Eine dritter Ventiltyp dient zur Steuerung der Durchflussrichtung. Rückschlagventile gewährleisten, dass der Durchfluss nur in eine Richtung erfolgt. Bei den meisten Konstruktionen wird durch die Kraft des Medienflusses ein federbelastetes Schließelement geöffnet, was den Durchfluss ermöglicht. Bei zunehmendem Gegenfluss oder Rückdruck wird das Öffnungselement wieder in den Sitz gepresst, sodass der Rückfluss unterbrochen wird. Rückschlagventile sind mit festen oder einstellbaren Öffnungsdrücken erhältlich.

Manche Kugelhähne und Membranventile haben mehrere Anschlüsse. Bei den meisten Ventilen mit mehreren Anschlüssen tritt das Fluid durch einen Eingang ein, kann aber – je nach Position der Betätigungseinrichtung – durch einen von mehreren Ausgängen austreten. Ventile mit mehreren Anschlüssen müssen nicht unbedingt eine Absperrposition haben.

Den Anstau von Systemdruck verhindern

Überdruckschutzventile in dieser Kategorie verhindern den Anstau von Systemdruck über eine bestimmte Druckeinstellung hinaus. Es gibt zwei Arten davon: Überströmventile und Berstscheiben.

Eine Art von Überströmventil ist das Proportional-Überströmventil. Es enthält eine Öffnung zur Atmosphäre hin, die sich öffnet, wenn der Druck in einem System einen vom Bediener eingestellten Druck übersteigt. Ein federbelastetes Öffnungselement ermöglicht die gleichmäßige Fluidfreigabe. Die Öffnung schließt sich, wenn der Druck wieder unter den eingestellten Druck abfällt.
Ein Sicherheitsüberströmventil ist so konstruiert, dass es sich sehr schnell öffnet und eine große Menge des Systemmediums freigibt. Aufgrund ihrer wichtigen Sicherheitsfunktion ist der Einsatz von Sicherheitsüberströmventilen bei bestimmten Anwendungen Vorschrift. Sicherheitsventile und Proportional-Überströmventile dürfen nicht anstelle von Rückschlagventilen verwendet werden, da alle drei unterschiedliche Funktionen erfüllen.

Berstscheiben werden vorwiegend an Probeentnahmezylindern zum Schutz gegen übermäßige Beaufschlagung eingesetzt. Übermäßige Beaufschlagung kann beispielsweise entstehen, wenn die Temperaturen beim Transport ansteigen. Ähnlich wie Überströmventile leiten Berstscheiben das Medium in die Atmosphäre ab. Wenn der Druck einen festgelegten Punkt erreicht, kommt es zum Bersten einer Metallmembran. Dieser Wert wird vom Hersteller vorgegeben. Nachdem die Berstscheibe aktiviert wurde, muss sie ausgetauscht werden. Transportvorschriften erfordern, dass Druckgasflaschen mit einer Überströmvorrichtung ausgestattet sind. Eine Berstscheibe ist eine preiswerte Option für diese Anwendung.

Rohrbruchsicherungsventile stoppen die unkontrollierte Freigabe von Systemmedien bei einem Rohrbruch. Unter normalen Bedingungen wird das Öffnungselement von einer Feder in der offenen Position gehalten. Bei einem übermäßigen Durchfluss wird das Öffnungselement in eine geschlossene Position bewegt, und der Fluidfluss wird nahezu ganz gestoppt.  Nachdem das System korrigiert wurde, nimmt das Ventil wieder seine offene Stellung ein. Diese Ventile sind mit feststehenden Auslösewerten erhältlich.

Heftausgabe: April 2012
Michael Adkins, Swagelok

Über den Autor

Michael Adkins, Swagelok
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