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Kugelhähne und Endanschlüsse für mittlere Drücke

16.02.2009 Bei Systemen zur Chemikalieneinspritzung, die bei Drücken bis 15000psi arbeiten, können an Kugelhähnen und Rohrverschraubungen in Verbindung mit Rohren aus sehr hartem Stahl oft Leckagen auftreten. Da die Systeme hauptsächlich auf Öl- und Gasplattformen eingesetzt werden, können dadurch gefährliche Situationen entstehen. Mit neuartigen Hähnen und Klemmringen lassen sich diese Probleme vermeiden.

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Entscheider-Facts Für Betreiber


  • An Systemen zur Chemikalien-Einspritzung sind Kugelhähne und Verschraubungen oft Schwachstellen. Das gilt vor allem im mittleren Druckbereich bis 15000psi und bei harten Rohren aus SAF 2507.
  • Bei den Kugelhähnen der Serie FKB ist der Sitzträger deshalb abgestuft. Dadurch wirken Federkraft und Systemdruck an verschiedenen Stellen auf den Sitzträger. Das Ventil bleibt auch bei wechselnden Drücken dicht.
  • Eine Anschlagplatte zwischen Hahnkörper und Griff ermöglicht, dass sich die Ein- und Ausstellung des Griffes in 90-Grad-Schritten verändern lässt.
  • Die Klemmringe für die sichere Verschraubung durchlaufen ein besonderes Härtungsverfahren. Dadurch bleiben sie verformbar und können den harten Stahl fest umgreifen.

Anlagen zur Chemikalien-Einspritzung werden hauptsächlich auf Öl- und Gasplattformen eingesetzt. Sie arbeiten mit einem mittleren Druck bis 15000psi (=1034bar). Zwei wichtige Systemkomponenten sind dabei Kugelhähne und Rohrverschraubungen, die den Integratoren durch Leckagen bislang große Probleme bereitet haben. So werden Instrumentenkugelhähne im Druckbereich bis 15000psi am Sitz unter bestimmten Umständen undicht. Nach dem Abdichten bei hohem Druck haben sie Schwierigkeiten, bei niedrigem Druck neu abzudichten, insbesondere wenn der Druck im System langsam aufgebaut wird. Bei den Endanschlüssen für die Ventile gibt es vor allem dann Probleme, wenn das zugehörige Rohr aus SAF 2507 besteht, einem korrosionsbeständigen Werkstoff, der in vielen aggressiven, chloridhaltigen Umgebungen eingesetzt wird. Bis vor Kurzem gab es für diese Anwendungen mit SAF 2507-Rohren bei Drücken bis 15000 psi keine einfachen, mechanischen Klemmring-Rohrverschraubungen auf dem Markt. Die Industrie musste sich hier auf Verschraubungen mit Gewindekonus verlassen, die anfällig für Leckagen sind und sich schwierig anpassen und montieren lassen. Jegliche Fehlstellen im Konus oder dem Nippel erhöhen das Risiko für Leckagen. Ein weiteres Problem sind Vibrationen. Ein Fitting muss vibrationsbeständig sein, nicht nur während des Betriebs auf der Plattform, sondern schon beim Transport dorthin. Mit diesen Problemen musste sich auch AGI Packaged Pump Systems auseinandersetzen, ein Integrator, der Einspritzsysteme für viele große Ölunternehmen baut. Das Unternehmen sollte je eine Anlage zur Chemikalien- und Methanol-Einspritzung für mittlere Drücke und mit SAF 2507-Rohren bauen und suchte dafür nach Lösungen, die beschriebenen Probleme zu vermeiden.

Kugelhahnmit besonderer Federungsart

Bei den Kugelhähnen entschied sich der Integrator für die Serie FBK von Swagelok. Zunächst wurde der Hahn einemBelastungstest unterzogen. Die Bedingungen dabei entsprachen der Methanol-Einspritzung für die Tiefseeforschung. AGI wollte den Kugelhahn bis zu seinem Ausfall testen. Nach zweieinhalb Tagen und 4000 Bedienungszyklen funktionierte dieser immer noch, der Versuch wurde beendet. Bei den üblichen Praxiseinsätzen wird ein Instrumentierungs-Kugelhahn im Laufe seiner 20-jährigen Lebensdauer in der Regel 300 mal, etwa einmal pro Monat, betätigt. Die Besonderheit des Hahnes ist seine Federungsart namens Direktlasttechnologie. Ein Kugelhahn dichtet durch den Kontaktdruck zwischen der Kugel und den Sitzen. Ist dieser an irgendeinem Punkt im Druckbereich zu gering, ist das Ventil undicht. Wenn die Kraft dagegen zu groß ist, lässt sich der Hahn schwer betätigen und seine Lebensdauer kann sinken.

Eine Möglichkeit, den nötigen Druck aufzubauen, ist die Belastung einer Feder, die irgendwo zwischen Endschraube und Sitz eingepasst ist. Normalerweise drückt die Feder gegen einen Sitzträger, der den Sitz hält und für den idealen Kontakt mit der Kugel positioniert. Eine andere Quelle für die Dichtungskraft ist der Systemdruck selbst. Hähne, die nicht federbelastet sind, können ganz vom Systemdruck abhängen, um den nötigen Druck zwischen der Kugel und dem stromabwärts gelegenen Sitz zu erzeugen. In diesem Fall kann die Dichtkraft im oberen Druckbereich angemessen, im unteren Druckbereich jedoch zu niedrig sein. Nachdem der Sitz bei hohem Druck zusammengepresst wurde, ist das Ventil bei geringeren Drücken möglicherweise undicht. Das passiert, wenn der Sitzwerkstoff seine ursprüngliche Form nicht wieder annimmt. Unter solchen Umständen zieht ein Techniker die Endschrauben möglicherweise fester an, um Leckagen zu verhindern. Damit löst er zwar vielleicht das unmittelbare Problem, dafür lässt sich der Hahn aber nur noch schwer betätigen, besonders bei hohem Druck.
Probleme kann es aber auch bei konventionellen, federbelasteten Kugelhähnen im niedrigen Druckbereich (<5000psi) geben. Der Hahn dichtet anfänglich durch die von den Federn erzeugte Kraft gut ab. Wenn der Systemdruck die Federn aber zusammendrückt, reicht der Dichtungsdruck unter Umständen nicht mehr aus. Sind der Systemdruck und die Federn so angeordnet, dass sie nacheinander agieren, dichtet die Kugel an bestimmten Punkten im Druckbereich nicht ab.

Feder und Sytemdruck wirken anverschiedenen Stellen des Sitzträgers

Beim Kugelhahn der Serie FKB für mittleren Druck sind diese beiden Kräfte – Systemdruck und Federkraft – so angeordnet, dass sie an verschiedenen Stellen des Sitzträgers wirken. Gemeinsam erzeugen sie eine kombinierte Kraft, die zum Abdichten über den gesamten Druckbereich ausreicht. Ein weiteres Problem bei der Konstruktion von Hähnen ist die Ausrichtung des Griffs. In manchen Fällen verhindern benachbarte Bauteile, dass sich die Griffe um volle 90 Grad drehen lassen. Idealerweise sollte ein Griff in jedem Viertelkreis zu positionieren sein, ohne dass ein Techniker ihn ausbauen und die Hahnbefestigungen modifizieren muss. Dies wird durch eine Anschlagplatte zwischen Griff und Hahnkörper erreicht. Die Anschlagplatte kann neu positioniert werden, wodurch sich die Ein- und Aus-Stellung in 90-Grad-Schritten verändern lässt.

Klemmringe mit besonderer Härte

Auch bei den Endanschlüssen für SAF 2507-Rohre konnte Swagelok mit einer mechanischen Klemmring-Rohrverschraubung eine passende Lösung liefern. Die Verschraubung enthält zwei Edelstahl-Klemmringe. Sowohl der vordere, als auch der hintere Klemmringerfassen das Rohr bei der Montage, wodurch Arbeitsdrücke bis 15000 psi möglich werden. Das Problem dabei ist diebesondere Härte des SAF 2507, die mit einer Rockwell C-Härte bis zu 32 (318 Vickershärten) höher als bei anderen Edelstählen ist. Deshalb werden die Klemmringe mit einem speziellen Niedertemperatur-Härteverfahren vollständig oberflächengehärtet. Die Oberflächenhärte der behandelten Klemmringe beträgt 1200 Vickershärten, das ist vergleichbar mit Werkzeugstahl und etwa drei mal härter als unbehandelter Edelstahl. Das Härtungsverfahren bewahrt die Verformbarkeit des Edelstahls. Die Verformbarkeit des hinteren Klemmrings ermöglicht, dass er nach unten auf das Rohr eingreift, wodurch er das Rohr über eine große Fläche hinweg umfasst. Das schützt die Verschraubung vor Vibrationsbelastung. Die Rohrverschraubung ist ohne elektrische Montagewerkzeuge leicht zu montieren und einfach festzuziehen. Die Verbindung kann mehrmals gelöst und wieder neu montiert werden.

Fazit

Die kompletten Einspritzsysteme enthalten insgesamt 36 Ventile und 452 Rohrverschraubungen, die alle auf ihre sichere Funktion hin überprüft wurden. Im Gegensatz zu früheren von AGI gebauten Systemen traten dabei nirgends Leckagen auf. Das Unternehmen sparte dadurch viel Zeit und Geld. Auch der Endanwender kann von geringeren Wartungskosten profitieren. Beide Einspritzsysteme sind mittlerweile auf Plattformen im Golf von Mexiko im Einsatz.

 

Heftausgabe: Februar 2010

Über den Autor

Bill Menz,
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