Kugelhähne

VORWORT

Kugelhähne zählen zu den fortschrittlichsten Absperrventilen. Seit den sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts haben sie sich allmählich verbreitet, vor Allem im Zusammenhang mit dem Bau von Ferngas-, Erdöl- und Produktpipelines.

Die charakteristischen Merkmale von Kugelhähnen sind:
- kompakte Bauweise
- kleinere Baumaße als die meisten anderen Ventile

- sehr geringer hydraulischer Widerstand
- einfache und schnelle Bedienung (Drehen des Absperrorgans um 90°)
- einfacher Austausch der Betriebsmechanismen unter Betriebsbedingungen ohne besondere Modifikationen
- Molchbarkeit von Rohrleitungssystemen (einschließlich des Kugelhahns)
- Möglichkeit der Anzeige der Dichtheit des Absperrorgans unter Betriebsbedingungen
- einfache Möglichkeit, den Kugelhahn mit einer Vorrichtung zur Notabdichtung der Absperrvorrichtung auszustatten
- Möglichkeit der unterirdischen Installation

Die oben beschriebene charakteristischen Merkmale bewirken, dass die Kugelventile in vielen Anwendungen anderen Absperrventilen vorgezogen werden. Heutzutage werden Stahlkugelhähne nicht nur in Systemen und Ausrüstungen von Gasleitungen, Erdölleitungen und Produktleitungen, sondern auch in der Petrochemie, der chemischen Industrie, Systemen von konventionellen Kraftwerken und Kernkraftwerken, Systemen von LNG und LPG, Tieftemperaturanlagen, Wasserversorgung und -verteilung, Wärmeerzeugung und -verteilung und in vielen anderen, manchmal sehr spezifischen Industrien und Anlagen verwendet.

Es gibt viele Hersteller auf der Welt, die Stahlkugelhähne in mehr oder weniger umfangreichen Sortimenten mit unterschiedlichen Konstruktionsanordnungen und Werkstoffen für weniger strenge oder sehr spezifische Betriebsbedingungen herstellen. Es gibt auch viele Hersteller, die Komponenten liefern, die zur Herstellung und Fertigstellung von Kugelhähnen erforderlich sind.

Viele Anwendungen von Kugelhähnen erfordern die Durchführung spezieller Verifikationstests und experimenteller Arbeiten, um ihre Gebrauchstauglichkeit, Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Sicherheit unter gegebenen Bedingungen zu bestätigen.

Im Laufe der Jahre wurden viele Normen und Vorschriften erstellt, die für das Segment der Industriearmaturen im Allgemeinen und für diejenigen, die sich speziell mit Kugelhähnen befassen, gelten (und werden regelmäßig aktualisiert und spezifiziert).

Anforderungen an Zertifizierungen von Qualitätssicherungssystemen, Produktzertifizierungen und die Bereitstellung zusätzlicher erforderlicher Testimonials und Zertifizierungen sind heute selbstverständlich.

GRUNDTYPEN & AUSFÜHRUNGEN

Die Absperrorgan-Baugruppe von einem Kugelhahn besteht aus einer KUGEL und SITZRINGEN. Die grundlegenden Konstruktionen der Absperrorgan-Baugruppe sind folgende:

1. SCHWIMMENDE KUGEL + SITZRINGE (floating ball design)

schwimmender Kugel mit festen Sitzringen

Bild 1

schwimmender Kugel mit schwimmenden Sitzringen

Bild 2

Bild 3

Hier drückt das Fluid die Kugel in die gegenüberliegende Dichtfläche (Sitzring).

Diese Konstruktion hat einen einfachen Aufbau, gute Dichtleistung und ist bei bestimmter Größe und Druck wirtschaftlich. Sie eignet sich für mittleren und niedrigen Druck und für Nominaldurchmesser bis 10 Zoll (DN 250). Oberhalb dieses Bohrungsdurchmessers können die Ventilsitze Probleme mit immer schwereren Kugeln haben und beim höheren Druck erhöht sich schnell auch das Antriebsmoment (Betätigungskraft).

Kugelhähne in der Ausführung "schwimmende Kugel", bereits konstruiert für meine Kunden:

2. ZAPFENGELAGERTE KUGEL + SCHWIMMENDE SITZRINGE (trunnion mounted ball design)

Bild 4

Bild 5

Hier drückt das Fluid die Dichtungen (Sitzringe) gegen die Kugel

Vorteile der Ausführung mit der zapfengelagerten Kugel sind das geringere Antriebsdrehmoment, die einfache Bedienung, der minimierte Sitzverschleiß (keine Belastung von Sitzringen durch Kugelgewicht = verbesserte Leistung und Lebensdauer) und die sehr gute Dichtleistung bei hohem und niedrigem Druck (separater Federmechanismus). Die zapfengelagerten Kugelhähne sind für alle Durchmesser und für alle Druckklassen als Absperrventil geeignet.

Kugelhähne in der Ausführung "zapfengelagerte Kugel", bereits konstruiert für meine Kunden:

Bild 6

Ausführungsarten

nach Durchgang:

Alle Kugelhähne sind mit vollem (Bilder 1, 2, 4, 5) und reduziertem (Bild 3) Durchgang erhältlich.

Bei vollem Durchgang hat der Bohrungsdurchmesser (Loch in der Kugel) den gleichen Innendurchmesser wie das Rohr (Rohrleitung), wohingegen ein Ventil mit reduziertem Durchgang einen kleineren Bohrungsdurchmesser hat als der Innendurchmesser der Rohrleitung.

Kugelhähne mit vollem Durchgang werden dort eingesetzt, wo ihr geringer Durchflusswiderstand von Bedeutung ist (z. B. an Pumpensaugrohren) und wo Reinigung und Inspektion der Rohrleitung erforderlich ist (Molchbarkeit).

Kugelhähne mit reduziertem Durchgang werden dort verwendet, wo Druckverlust, Turbulenzen im Durchfluss und Molchbarkeit keine Rolle spielen. Sie haben auch die Vorteile einer geringeren Größe und niedriger Kosten.

Konstruktion von Sitzen:

Elastomersitze, Thermoplastsitze, Metallsitze oder kombinierte Varianten

nach Bauart:

1-teilig (Bild 3), 2-teilig (Bild 1, 2), 3-teilig (Bild 4) oder vollverschweisst (Bild 5)

nach Anschluss an die Rohrleitung:

Flanschende (Bild 1-4), Anschweißende (Bild 5) oder kombiniert

nach Einbauort:

oberirdisch, unterirdisch (Bild 6, 7), drinnen oder im Freien

Zubehör

Spindelverlängerung/stem extension (Bild 6, 7):

Beim Einsatz von Kugelhähnen bei isolierten und unterirdischen Rohrleitungen können mit der Hilfe von Spindelverlängerung die Operatoren (Handhebel, manuelles Getriebe, Antriebe) außerhalb des betroffenen Bereichs (Isolierung, Erde) platziert werden. Es gibt feste und teleskopische Spindelverlängerungen.

Bypass (Bild 9):

Bei großen Kugelhähnen und hohem Druck bietet es sich an, einen Bypass (Umgang) um die Hauptarmatur einzubauen. So kann zunächst der Differenzdruck abgebaut werden, um das anschließende Öffnen des Verschlusselements (Kugel) zu erleichtern.

Luft- oder Gasentlüftung/bleed (Bild 8)
Zum Entlüften wird ein Stopfen oder ein Ventil verwendet.

Entleerung/drain (Bild 10)

Zum Ablassen vom Wasser, Kondensat oder einem Arbeitsmedium aus dem Gehäuse wird ein Stopfen oder ein Ventil verwendet.

Notabdichtung/ESI-emergency sealant injection (Bild 11)

Das Notabdichtungsystem kann verwendet werden, um die Dichtungsintegrität wiederherzustellen, wenn die Sitzdichtungsoberfläche beschädigt ist oder im Notfall der O-Ring beschädigt wird oder wenn eine Spindelleckage auftritt.

Bild 7

Bild 8

Bild 9

Bild 10

Bild 11

Dank der Kontakte zu Herstellern und Lieferanten von Armaturenkomponenten und Zubehör kann ich bei Bedarf die Fertigung oder Zulieferung von Halbzeugen (body, cover, ball) sowie fertigen Kugeln, Sitzringen, Dichtungen, Verbindungselementen und Zubehör von Lieferanten aus Tschechien und Italien organisieren.

MATERIAL

Das Material für alle Teile eines Kugelhahnes wird unter Berücksichtigung ihrer Anwendung in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Arbeitsumgebung, den Parametern und den Betriebsbedingungen ausgewählt. Die Werkstoffe für die druckbelasteten Ventilteile und geschweißten Verbindungen erfüllen die folgenden Anforderungen:

- Gewährleistung eines akzeptablen Sicherheitsspielraums

- ausreichende Korrosionsbeständigkeit

- keine internen und externen Mängel, die die Sicherheit beeinträchtigen können

TESTING

Jeder Kugelhahn muss im endmontierten Zustand vor dem Versand geprüft werden. Die Druckprüfung ist vor der äußeren Beschichtung des Kugelhahns durchzuführen. Kugelhähne sind mit dichtmittelfreien Sitz- und Dichtflächen zu prüfen. Falls vorhanden, darf vor oder während der Prüfungen kein sekundäres Dichtungssystem für Sitzringe und Spindelpackung verwendet werden.

Die folgenden Tests können an einem fertigen Kugelhahn durchgeführt werden:

- Hydrostatic shell test

- Hydrostatic seat test

- Torque functional test

- Low-pressure gas seat test

- Cavity relief test

Sonderprüfungen, wie bspw. Cryogenic-, Firesafe-, Heliumlecktest oder Prüfungen nach speziellen Vorschriften können nach Kundenwunsch durchgeführt werden.

DER HYDROSTATISCHE KÖRPERTEST UND DER HYDROSTATISCHE SITZTEST WERDEN ALS GRUNDLEGENDE NORMATIVE ABNAHMEPRÜFUNGEN ANGESEHEN.

Nach Abschluss der Prüfungen sind die Kugelhähne vor dem Versand von Prüfflüssigkeiten zu befreien, zu trocknen und gegebenenfalls zu schmieren.

Kugelhahn DN 500 PN 100 hergestellt nach meinen Unterlagen gemäß der CTO GAZPROM-Vorschrift wurde in Russland folgenden Sonderprüfungen unterzogen:
Prüfung der Betriebstauglichkeit für Medium "Gas mit mechanischen Verunreinigungen". Es wurden 2000 Funktionszyklen durchgeführt und die Dichtheit des Verschlusses kontinuierlich überprüft. Nach 2000 Zyklen wurde keine Leckage festgestellt.

Funktionsfähigkeitstest während eines Erdbebens mit Intensität 9 nach der MSK-64-Skala. Der Kugelhahn war mit einem AUMA-Elektroantrieb ausgestattet und der Test wurde auf speziellen Ständen durchgeführt. Die Ergebnisse waren sehr zufriedenstellend.

Betriebstauglichkeitstest bei Umgebungstemperatur minus 60° C. Die Prüfung war erfolgreich.

BEGRIFFE & DEFINITIONEN

Folgende Begriffe und Definitionen sind wichtig, um zu verstehen wie die Kugelhähne aufgebaut sind und wie sie funktionieren:

Double block and bleed valve (ball valve), DBB

Einzelner Kugelhahn mit zwei Sitzflächen (Dichtflächen), der in der geschlossenen Position gegen Druck von beiden Enden des Kugelhahns abdichtet ist, mit einem Mittel zum Entlüften / Entleeren des Hohlraums zwischen den Sitzflächen (Dichtflächen).

Hinweis: Dieser Kugelhahn bietet keine positive doppelte Isolation, wenn nur eine Seite unter Druck steht.

Double isolation and bleed valve (ball valve), DIB

Einzelner Kugelhahn mit zwei Sitzflächen (Dichtflächen), von denen jeder in der geschlossenen Position eine Abdichtung gegen Druck von beiden Enden des Kugelhahns gewährleistet, mit einem Mittel zum Entlüften / Entleeren des Hohlraums zwischen den Sitzflächen (Dichtflächen).
Hinweis: Diese Funktion kann in eine Richtung oder in beiden Richtungen ausgeführt werden.

Obturator, closure member

Die Absperrorgan-Baugruppe des Kugelventils besteht aus einer Kugel und Sitzringen. Das Verschlusselement ist eine Kugel, die in dem Strömungsstrom positioniert ist, um eine Strömung zuzulassen oder zu verhindern.

Bidirectional valve (ball valve)

Kugelhahn zum Absperren des Strömungsstroms (Medium) in beiden Richtungen (upstream/downstream)

Unidirectional seat, SPE

Kugelhahnsitzring zur Abdichtung der Druckquelle nur in eine Richtung

Bidirectional seat, DPE

Kugelhahnsitzring zur Abdichtung der Druckquelle in beide Richtungen

Nominal pipe size, NPS

Numerische Größenbezeichnung in Zoll, die bei Bauteilen in Rohrleitungssystemen (auch Ventilen) üblich ist

Nominal size, DN

Numerische Größenbezeichnung in Millimetern, die bei Bauteilen in Rohrleitungssystemen (auch Ventilen) üblich ist

Pressure class

Die Nennwerte der numerischen Druckauslegungsklasse für Druck und Temperatur sind mit den in ASME B16.34 definierten Klassennummern versehen und dienen als Referenz. Die Bezeichnung für die Druckstufe ist das Wort „Class“, gefolgt von einer dimensionslosen Nummer (Bezeichnung für die Druck-Temperatur-Einstufung) wie folgt: Class 150, Class 300, Class 400, Class 600, Class 900, Class 1500, Class 2500.

Nominal pressure, PN

Numerische Bezeichnung des Drucks in bar, der für Komponenten in Rohrleitungssystemen (auch Ventile) üblich ist

Self-relieving seat

Kugelhahnsitzring konstruiert zur Druckentlastung im Hohlraum des Kugelhahns. Der Druck kann zur Druckquelle oder zur Niederdruckseite abgelassen werden.

Pressure-containing parts

Teile, deren Fehlfunktion zur Freisetzung der enthaltenen Flüssigkeit (Medium) in die Umwelt führt. Dies sind Teile, die der Wirkung des Flüssigkeitsdrucks unterliegen.

Pressure-controlling parts
Teile, die den Durchfluss von Flüssigkeiten (Medium) verhindern oder zulassen sollen. Dazu gehören Kugel und Sitzringe.

Breakaway torque

Maximales Drehmoment für den Antrieb (Betätigung) eines Kugelhahns

NORMEN & SPEZIFIKATIONEN

Bei meinen Projekten arbeite ich hauptsächlich mit amerikanischen Standards (API, ASME, ASTM, AISI), je nach Kundenwunsch kann ich selbstverständlich auch die europäischen und internationalen Standards einsetzen (DIN, EN, ISO, BS, GOST, CSN, ...).

Die folgenden normativen Dokumente sind für die Konstruktion von industriellen Kugelhähnen unverzichtbar:

API Specification 6D - Specification for Pipeline and Piping Valves

API Spec 6A - Specification for Fire Test for Valves

API 607 - Fire-Test for Soft-Seated Quarter Turn Valves
ASME B16.5 - Pipe Flanges and Flanged Fittings: NPS ½ through 24
ASME B16.10 - Face-to-Face and End-to-End Dimensions of Valves
ASME B16.25 - Buttwelding Ends
ASME B16.34 - Valves – Flanged, Threaded, and Welding End
ASME B16.47 - Large Diameter Steel Flanges – NPS 26 through NPS 60
ASME B31.4 - Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids
ASME B31.8 - Gas Transmission and Distribution Piping Systems
ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section V - Nondestructive Examination, 2013
ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII - Rules for Construction of Pressure Vessels, Division 1: Rules for Construction of Pressure Vessels, 2013
ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII - Rules for Construction of Pressure Vessels, Division 2: Alternative Rules, 2013
ISO 148-1 - Metallic materials – Charpy pendulum impact test – Part 1: Test method
ISO 5208 - Industrial valves – Pressure testing of valves
ISO 6892-1 - Metallic materials – Tensile testing – Part 1: Method of test at room temperature
ISO 10474 - Steel and steel products – Inspection documents
ISO 10497 - Testing of valves – Fire type-testing requirements

EN 10204 - Metallic products – Types of inspection documents
EN 1503-1 - Valves – Materials for bodies, bonnets and covers – Part 1: Steels specified in European Standards
EN 1503-2 - Valves – Materials for bodies, bonnets and covers – Part 2: Steels other than those specified in European Standards
EN ISO 5211 - Industrial valves – Part-turn actuator attachments
EN 12516-1 - Industrial valves – Shell design strength – Part 1: Tabulation method for steel valve shells
EN 12516-2 - Industrial valves – Shell design strength – Part 2: Calculation method for steel valve shells
EN ISO 4762 - Hexagon socket head cap screws
EN ISO 4033 - Hexagon high nuts – Product grades A and B
EN 14141 - Valves for natural gas transportation in pipelines – Performance requirements and tests
EN 12569 - Industrial valves – Valves for chemical and petrochemical process industry – Requirements and tests
EN 12266-1 - Industrial valves – Testing of metallic valves. Part 1: Pressure tests, test procedures and acceptance criteria – Mandatory requirements
EN ISO 17292 - Metal ball valves for petroleum, petrochemical and allied industries
EN 1983 - Industrial valves – Steel ball valves

MSS SP-6 - Standard Finishes for Contact Faces of Pipe Flanges and Connecting – End Flanges of Valves and Fittings

In einigen Fällen wurden bei der Bearbeitung der Dokumentation folgende Sondervorschriften verwendet:

CTO GAZPROM 2-4.1-212-2008 - General technical requirements for valves supplied to JSC Gazprom
GS EP PVV 142 - TOTAL – General Specification