Warum ein schwimmender DN50-Klasse-300-Ventil bei 0,2 MPa leckt

01 | Der Test, der das Problem verbirgt

Ein schwimmendes DN50-Klasse-300-Kugelventil ventil besteht seinen Gehäusetest und seinen Sitztest bei dem vorgeschriebenen Vielfachen der Nenndruckangabe, wird verpackt, versandt, installiert – und tropft dann an einer Transferleitung mit einem Betriebsdruck von 0,2 MPa. Das Ventil ist nicht fehlerhaft. Es wurde bei einem Druck geprüft, dem es im Einsatz niemals ausgesetzt sein wird; zudem funktioniert der für die Dichtung erforderliche Mechanismus nicht bei dem Druck, dem es im Betrieb tatsächlich ausgesetzt ist.

Der Hydrotest belastet einen Weichsitz stark und der ventil versiegelt leicht. Bei 0,2 MPa erzeugt derselbe Sitz nahezu keine druckunterstützte Kraft, und alles hängt von der beim Einbau eingebauten Vorspannung ab. Kein normaler Prüfablauf überprüft diesen Zustand, es sei denn, der Käufer fordert dies ausdrücklich an.

Abbildung 1. DN50 (2 Zoll), Klasse 300, schwimmender Kugel ventil mit Gehäuse aus WCB, wobei Größe, Klasse und Werkstoff auf dem Gehäuseguss gekennzeichnet sind. Die Kugel wird ausschließlich durch die beiden Sitzringe gehalten. Shanghai Xiazhao Ventil .

02 | Die Kontaktspannungszahl

Sitzleckage ist ein Kontaktspannungsproblem, kein Druckproblem. Die Axialkraft ergibt sich aus dem Druckunterschied multipliziert mit der Bohrungsfläche. Die Kontaktfläche ergibt sich aus dem Sitzumfang multipliziert mit der Breite des Kontaktbands. Teilt man die erste Größe durch die zweite, kürzt sich die Bohrung heraus und es verbleibt eine einzige Beziehung.

sigma ≈ dP × D / (4 × w); D = Sitzbohrung (mm), w = Kontaktband (mm), dP in MPa, sigma in MPa

Bei einem typischen Kontaktband von 3 mm und einem DN50 ventil bei 0,2 MPa entwickelt er etwa 0,8 MPa Sitzkontaktspannung. Bei 5,1 MPa – der Klasse-300-Ausführung – beträgt die Sitzkontaktspannung am selben Sitz etwa 21 MPa. Ein DN25 bei 0,2 MPa liegt nahe bei 0,4 MPa. Bei einem RPTFE-Sitz mit einer Druckfestigkeit im Bereich mehrerer zehn Megapascal ist der Niederdruckfall nur mit wenigen Prozent der Tragfähigkeit des Materials belastet. Der Druckanteil ist praktisch verschwunden, und die Dichtung arbeitet ausschließlich auf Vorspannung.

Tabelle 1. Anhaltswerte für die Sitzkontaktspannung bei 3-mm-Kontaktband

Die Tabelle erklärt zudem ein Muster, das Käufer überrascht: Je kleiner der ventil , desto schlechter das Verhalten bei Niederdruck. Ein DN25 weist bei derselben Druckdifferenz weniger als die Hälfte der Kontaktspannung eines DN50 auf, weil die Axialkraft mit dem Quadrat des Durchmessers abnimmt, während der Kontaktumfang lediglich linear fällt.

Sie erklärt auch, warum die Ausführungs­klasse keinen Einfluss auf diesen Versagensmodus hat. Die Erhöhung eines DN50 von Klasse 300 auf Klasse 600 ändert die zulässige Betriebsdruckangabe, nicht jedoch die Sitzkontaktspannung bei 0,2 MPa. Läuft die Leitung bei 0,2 MPa, so ist die ventil eine 0,2-MPa-Ausführung ventil alles, was auf die Karosserie gestempelt ist.

03 | Warum die Vorspannung im Laufe der Zeit verschwindet

Vorspannung ist eine gespeicherte Federkraft, die sich aus der Sitzgeometrie, der Elastomerverdichtung oder einer expliziten Feder ergibt. Drei Mechanismen verbrauchen sie, und alle drei sind in der Fabrik unsichtbar.

Kompressionsset. Ein weicher Sitz erfährt unter Last eine bleibende Verformung, und die Kraft, die diese Verformung hervorgerufen hat, lässt nach. Ein ventil ventil, das ein Jahr lang geschlossen bei vollem Druckunterschied stand, erreicht seine erste Niederdruckaufgabe mit geringerer Vorspannung als auf dem Prüfstand.

Thermisches Zyklen. Jeder Zyklus von Umgebungstemperatur auf Leistungstemperatur und zurück lässt einen Teil der Vorspannung nachgeben, und der Verlust summiert sich. Ein ventil ventil an einer Leitung, die täglich erwärmt und abkühlt, ist nach ventil zwei hundert Zyklen ein anderes.

Lange Stillstandsphase. Ein Sitz, der ständig gegen eine unbewegliche Kugel gedrückt bleibt, kriecht. Das Lösen der Dichtung und erneute Aufsetzen stellt einen Teil des Kontakts wieder her – daher berichtet ein Bediener, der ein lecken­des ventil ventil zweimal betätigt, oft, dass das Lecken zumindest vorübergehend aufgehört hat.

Der Gasbetrieb verschlechtert jeden dieser Fälle. Ein Gas entfaltet keine nennenswerte selbstverstärkende Wirkung, bevor sich Druck aufbaut; zudem durchdringt es den Sitz und entspannt sich über diesen hindurch während des Schließvorgangs. Ein weichgedichteter Schwimmventil für Niederdruckgas gehört zu den anspruchsvollsten Fällen in jedem Katalog – und wird dennoch regelmäßig so spezifiziert, als handle es sich um Wasser.

04 | Drei wirksame Lösungen

Die Erhöhung der Vorspannung ist die kostengünstigste Lösung. Ein Sitz mit einer Federscheibe oder einer stärkeren Sitzfeder hält die Kontaktspannung oberhalb der Dichtschwelle bei niedrigem Druckdifferential aufrecht. Die Kosten zeigen sich am anderen Ende des Bereichs: Eine höhere Vorspannung bedeutet mehr Reibung und mehr Drehmoment bei hohem Druckdifferential; bei einem hebelbetätigten DN50 kann dies den Unterschied zwischen Hebel- und Getriebebetrieb ausmachen.

Die Änderung des Sitzprinzips ist die robustere Lösung. Ein druckunterstützter Sitz mit einem separaten Kolben versiegelt über eine kleine wirksame Fläche, sodass derselbe Leitungsdruck eine deutlich höhere Kontaktspannung erzeugt. Der Kompromiss liegt in der Richtungsabhängigkeit: Ein Kolbensitz versiegelt normalerweise nur in einer Richtung und muss daher mit seiner Orientierung spezifiziert werden; eine bidirektionale Ausführung kostet meist mehr. Für eine Niederdruckleitung, die in beiden Richtungen halten muss, ist dies dennoch oft die richtige Lösung.

Die Änderung des Designs ist die ehrliche Lösung, wenn die Einsatzbedingungen tatsächlich anspruchsvoll sind. Bei DN50 bietet ein Trunnion- oder Top-Entry-Gehäuse mit federbelastetem Sitz ein vorhersehbares Verhalten bei Niederdruck – zu einem Preis, den ein Standard-Schwebesitz ventil nicht erreichen kann. Dies lohnt sich an einer Leitung, bei der Undichtigkeit Folgen hat, und ist verschwenderisch an einer Leitung, bei der dies nicht der Fall ist.

Was nicht funktioniert, ist die Spezifikation eines kleineren ventil , einer höheren Klasse oder einer teureren Marke. Keine dieser Maßnahmen verändert die Kontaktspannung bei 0,2 MPa. Der Wert ergibt sich allein aus Bohrung, Bandbreite und Vorspannung.

05 | Was in die Spezifikation aufzunehmen ist

Die Spezifikation sollte den niedrigsten Druck beschreiben, bei dem das ventil dichten muss, nicht nur den höchsten Druck, dem es standhalten muss. Tabelle 2 übersetzt die übliche Feldbeschwerde in die Zeile, die bereits im Datenblatt hätte stehen müssen.

Tabelle 2. Feldsymptom, Ursache und die Spezifikationszeile, die es verhindert

Das Akzeptanzkriterium ist genauso wichtig wie der Prüfdruck. Null-Leckage ist keine Spezifikation; vielmehr gibt es Leckageklassen. ISO 5208 Rate A bedeutet keine visuell erkennbare Leckage – das ist gemeint, wenn Käufer von ‚Null‘ sprechen. Rate B, C und D erlauben schrittweise zunehmende Leckagemengen, skaliert nach DN; ein metallisch sitzendes Ventil wird normalerweise gegenüber einer höheren Rate akzeptiert als ein weich sitzendes. ventil die Angabe der Rate, des Mediums und des Drucks beseitigt Streitigkeiten bei der Inbetriebnahme.

Fünf Zeilen, in dieser Reihenfolge:

• Mindestbetriebsdifferenzdruck, bei dem das Ventil dichten muss, angegeben als wert .
• Sitzprüfung bei diesem Druck zusätzlich zur standardmäßigen Hochdruck-Sitzprüfung.
• Leckageakzeptanz nach Klasse gemäß ISO 5208 Rate A bis D, mit Nennung des Prüfmediums.
• Sitzmaterial und Vorspannbasis – vom Hersteller anzugeben, nicht zu unterstellen.
• Erwartete Schaltzyklusanzahl und Sperrdauer, die entscheiden, ob Kompressionssatz ein Konstruktionsaspekt ist.

Anhang A | Bilddatei

Abbildung 1 ist im Abschnitt 01 in der ausgelieferten Auflösung eingebettet. Die ausgelieferte Datei hat eine Größe von 1440 × 960 Pixel, was für ein Web-Bild mit einer Breite von 15 cm ausreichend ist; für den Druck sollte sie jedoch erneut aus dem Originalfoto exportiert werden.

Anhang B | Referenzierte Normen und Datenhinweise

API 598. Ventil Prüfung und Test. Definiert die Anforderungen an die Gehäuse- und Sitzdichtheitsprüfung; der Prüfdruck am Sitz ist ein Vielfaches der Nenndruckklasse, weshalb er nicht für den Einsatz bei niedrigem Betriebsdruck steht.

ISO 5208. Industriell ventile – Druckprüfung metallischer Absperrarmaturen. Die Undichtheitsklassen A bis D sind als zulässige Leckrate pro DN und pro Zeiteinheit angegeben und stellen die korrekte Formulierung eines Annahmekriteriums dar.

API 608. Metallkugel Ventile – Flansch-, Gewinde- und Schweißanschlüsse. Umfasst den kleindurchmessigen Flanschbereich, bei dem schwimmende Ausführungen Standard sind.

ASME B16.34. Ventile – Flansch-, Gewinde- und Schweißanschluss. Druckklasse 300 aus Kohlenstoffstahl bei 38 °C beträgt 51,0 bar; hier nur als Referenzdruck verwendet.