Leckageerkennung in Ventilen

Bei geschlossenem Ventil liegt der Kegel auf dem Sitz auf und lässt im Idealfall keinen Raum für das strömende Medium. Der tatsächliche Leckdurchfluss ist abhängig von der Konstruktion des Ventils, insbesondere von der Kegelform und der Sitzdichtung. Auch die Stellkraft des Antriebs und der Differenzdruck zwischen Ventilein- und -ausgang nehmen Einfluss auf die Leckrate. Im Laufe eines Ventillebens führen fortschreitende Materialverluste am Ventilkegel, verursacht durch abrasive Medien, Kavitation oder Flashing dazu, dass der Mediumsfluss bei geschlossenem Ventil zwischen Sitz und Kegel zunimmt. Das Ventil entspricht dann nicht mehr den Anforderungen, die für seine Auslegung maßgeblich waren. In der Praxis tolerieren Betreiber eine geringe innere Leckage bei den meisten Regelanwendungen. Bei Absperreinrichtungen können hingegen schon kleine Mengen ungewollt strömenden Mediums großen Schaden anrichten – so etwa bei giftigen, hochreaktiven oder leicht entzündlichen Medien, die unkontrolliert in den Prozess gelangen. Hier ist es wichtig, dass Betreiber Verschleißerscheinungen am Kegel frühzeitig erkennen.

Erkennung: schnell wie der Schall
Schon geringe Mediumsdurchflüsse erzeugen Schall in messbarer Größe. Diese Eigenschaft nutzt Samson bei der Früherkennung von Undichtigkeiten im Ventil. Durch den Einsatz eines Leckagesensors an einem pneumatischen Stellventil können Betreiber mit Hilfe der im Stellungsregler integrierten Ventildiagnose innere Leckagen erkennen und entsprechende Reparaturen realisieren. Diese Kontrolle des Leckdurchflusses ist besonders in sicherheitsgerichteten Anwendungen unerlässlich, bei denen Armaturen im Anforderungsfall zuverlässig und dicht absperren müssen. Hier ist es zwingend notwendig, dass ein Sicherheitssystem den Anlagenbetreiber bei einem nicht mehr tolerierbaren Mediumsdurchfluss durch das geschlossene Ventil warnt. Bisher setzten Unternehmen für das Überwachen der inneren Leckage vor allem Durchflussmessgeräte ein. Zum Absichern kleiner Leckagen ergänzt der Sensor das Durchflussmessgerät sinnvoll; braucht er doch weder eine zusätzliche Energieversorgung noch eine eigene Verbindung zum Leitsystem. Das Gesamtkonzept Stellungsregler und Leckagesensor ermöglicht eine kundenfreundliche Integration in vorhandene Systeme. Allein durch das Verbinden des Leckagesensors mit dem Stellungsregler ist der Sensor mit Energie versorgt und an das übergeordnete Leitsystem angebunden. Die Wahl des Stellungsreglers bestimmt, ob der gemessene Schallpegel per Hart-Protokoll oder Foundation Fieldbus an das Leitsystem kommuniziert wird. Unterschiedliche Varianten des Sensors für unterschiedliche Kommunikationswege sind damit nicht erforderlich.

Klarheit durch Ampelsystem
Der Leckagesensor ist vom Anwender in wenigen Arbeitsschritten an das Ventil angebaut: Er muss den Sensor lediglich am Ventil verschrauben und mit dem Stellungsregler verbinden. Dann ist der Sensor bereit für die ersten Messungen. Schließt das Ventil, dann misst der Leckagesensor den Schallpegel, der sich durch das Strömen des Mediums im Ventil ergibt. Das zum Erkennen von Leckagen notwendige Auswerten der Messergebnisse erfolgt im Stellungsregler, genauer durch die im Stellungsregler integrierte Ventildiagnose. Sie speichert und analysiert den übertragenen Schallpegel. Auf Grundlage einer Referenz-Pegelmessung bei geschlossenem Ventil und individuell einstellbarer Alarmgrenzen warnt der Stellungsregler bei jedem Dichtschließvorgang, bei dem eine Alarmgrenze überschritten wird. Auch die Dringlichkeit der Warnung kann der Anlagenbetreiber individuell bestimmen: Das codierte Ampelsystem ist ausgeführt nach der Namur-Empfehlung NE 107 und setzt den Status der Ventildiagnose, ganz wie gewünscht, auf eine Stufe zwischen „Keine Meldung“ (grün), „Außerhalb der Spezifikation“ (gelb) und „Ausfall“ (rot). „Mit dem Sensor bieten wir unseren Kunden eine wirtschaftliche Lösung, um innere Leckagen bei Armaturen zu erkennen. Ich glaube, dass unsere Kunden das Potenzial erkennen werden. Dies gilt vor allem für sicherheitsgerichtete Anlagen, in denen nachgeschaltete Durchflussmessgeräte an ihre messtechnischen Grenzen stoßen können“, fasst Rolf Ohrndorf, Leiter des Verkaufsbüros Köln von Samson, zusammen.

Auf dem Prüfstand
Im unternehmenseigenen Prüfstand testen Ingenieure den Leckagesensor aktuell mit dem Stellungsregler der Bauart 3730. Der Typ 3730-6 kommuniziert über das Hart-Protokoll mit dem übergeordneten Leitsystem. Mit zwei der vier zyklischen Hart-Variablen kann das Gerät permanent die zur Leckageüberwachung wichtigen Schallpegel und den Status der Ventildiagnose übertragen. So bleibt die Dichtheit des Ventils stets im Blick. Ein zusätzliches Maß an Sicherheit ermöglicht der Leckagesensor bei sicherheitsgerichteten Absperrarmaturen, die nur selten zum Einsatz kommen, aber im Bedarfsfall entweder sicher schließen (Fail-close-Anwendung) oder sicher öffnen (Fail-open-Anwendung) müssen. Bei Fail-open-Anwendungen ist die Armatur im laufenden Betrieb geschlossen; der Sensor überwacht somit die innere Leckage stetig. Bei Fail-close-Anwendungen hingegen ist die Armatur im Normalfall geöffnet. Hier ist der Sensor vorrangig für die vorgeschriebenen, regelmäßig durchzuführenden Funktionstests im Einsatz. In den geforderten Wiederholungsprüfungen verfährt der Betreiber das Ventil von seiner Betriebsstellung (offen) bis zu seiner Sicherheitsstellung (geschlossen) und ermittelt so wichtige Kenngrößen wie die Losbrechzeit und die Schließzeit. Ein eingesetzter Leckagesensor gibt Anwendern zusätzlich Auskunft, ob das Ventil auch nach längerem Stillstand in Offenstellung noch sicher absperrt.

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Ein Produktvideo zur Funktionsweise des Leckagesensors finden Sie hier.