Entwicklung von Groß-Sicherheitsventilen mit besonderen Anforderungen
von: Dr.-Ing. Armin Schnettler und Dipl.-Ing. Thomas Diehl
Inhalt
1. Einleitung: Die Entwicklung von Groß-Sicherheitsventilen
3. Realisierung eines Lösungskonzepts
6. Verifizierung der Funktion mit Luft
7. Verifizierung der Funktion mit Dampf
8. Literatur
1. Einleitung: Die Entwicklung von Groß-Sicherheitsventilen
Sicherheitseinrichtungen dienen der Absicherung von Anlagen und Druckbehältern gegen unzulässige Drucküberschreitung. Federbelastete Sicherheitsventile erfüllen diese sicherheitstechnische Aufgabe im Vergleich zu gesteuerten Sicherungseinrichtungen mit nur wenigen Bauteilen.
Im Zuge der Bedienung weltweiter Märkte und der daraus erwachsenden Erfordernis Federsicherheitsventile mit kleinen Öffnungs- und Schließdruckdifferenzen kostengünstig herzustellen, wurde eine neue Methode zur vereinfachten Bestimmung von Ventilfedern entwickelt. Im Gegensatz zu Kleinarmaturen, kann bei Großarmaturen (Ventildüsen größer als 100 mm) die zur Funktion erforderliche Feder insbesondere für größere Drücke nicht aus Lagerbeständen verwendet und nach der Methode von Versuch und Irrtum durch Funktionsmessungen kostengünstig ermittelt werden. Funktionsversuche mit Großventilen erfordern außerdem entsprechend ausgerüstete Versuchsanlagen mit entsprechend großen Druckbehältern und Kompressoranlagen.
Die nachfolgend beschriebene Methode der Kraft- und Durchflußkennfeldmeßtechnik ermöglicht die systematische Bestimmung von Ventilfedern durch Messung der an der Ventilspindel bei Durchströmung auftretenden Strömungskräfte [1].
Nach dem deutschen Regelwerk AD-Merkblatt A2 öffnen sogenannte Vollhub Federsicherheitsventile nach einer Drucksteigerung von 5% über den Ansprechdruck und schließen nach einer Druckabsenkung von 10% unter den Ansprechdruck. Im vorliegenden Fall soll die Armatur mit der Sitzgröße do=141 mm nach einer Drucksteigerung von 3% öffnen und nach einer Druckabsenkung von 5% wieder schließen. Zudem soll die Armatur die vorgenannten engen Funktionswerte (+3% und -5%) mit Sattdampf bei einem Ansprechdruck von 51 bar Überdruck erfüllen. Die Funktionsgrenzen von +3% und -5% sind z.B. übliche Anforderungen nach dem US amerikanischen Anforderungen gemäß ASME III, die z.Zt. von sehr aufwendigen Konstruktionen mit zwei Einstellringen und komplizierten Steuerkolben realisiert werden.
Die Aufgabe soll zudem mit dem bewährten B&R Sicherheitsventil Typ SiZ erfolgen. Dieser Ventiltyp wurde allerdings bisher noch nicht in derartig engen Funktionsgrenzen ungesteuert betrieben. Hieraus folgte vorab die Aufgabe festzustellen, ob die bestehende Ventilkonstruktion und ob insbesondere die bestehende Strömungsgeometrie überhaupt geeignet ist, die Anforderung zu realisieren.
Die Voroptimierungen wurden zudem an einem Modellventil, das um den Faktor ca. 2,5 gegenüber dem Original verkleinert war, durchgeführt. Das Originalventil hat eine Ventildüse von ca. 141 mm. Dem entspricht ein Modellventil mit einer Düse von 56 mm.
Mit dem Modellventil wurden am hauseigenen Prüfstand Strömungsuntersuchungen und Voroptimierungen mit Luft durchgeführt. Das Originalventil konnte wegen Überschreitung der Prüfstands-Durchflußkapazität im Hause nicht getestet werden. Nach der erfolgreichen Optimierung des Strömungsteils wurde dann auf der Basis der Strömungskraftmessungen des letzten Optimierungsschrittes, die Federkennlinie für den vorgegebenen Einstelldruck von 51 bar ermittelt. Als Ventilfeder wurde, wie bei diesem Ventiltyp üblich, sowohl beim Modell wie auch beim Originalventil Tellerfedern verwendet. Nach der Festlegung der Federkennlinie an Hand der gemessenen Strömungskraftkurven, wurde die so ermittelte Feder in das Modellventil eingebaut und mittels Funktionstests mit Luft überprüft. Im nächsten Schritt erfolgte die rechnerische Übertragung der beim Modell gemessenen Kraftmeßergebnisse auf das Originalventil.
Die sich aus dieser Übertragung ergebende Feder wurde gefertigt und in das Originalventil eingebaut. Es folgten Funktionsversuche mit Luft auf dem auswärtigen Großprüfstand der DLR in Köln Porz.
Anschließend wurden weitere Funktionsversuche mit Sattdampf auf dem dafür geeigneten Großarmaturenprüfstand der Firma SIEMENS in Karlstein zur abschließenden Verifizierung der Vorergebnisse durchgeführt.
4. Modell und Originalventil Die Modellbetrachtung war nicht streng geometrisch. Modell- und Originalventil waren einzig im Strömungsteil, d.h. Ventildüse und Hubhilfe geometrische ähnlich. Die gemessenen Kräfte an der Ventilspindel wurden normiert. Normierungskraft ist die Kraft, die sich bei Druckbeaufschlagung bei geschlossenem Ventil (Spindelhub=0 mm) in Abhängigkeit vom Druck ergibt. Bei der Übertragung der Kräfte vom Modellventil auf die Originalgröße gilt der Ansatz, daß die normierte Strömungskraft Fs/Fso einzig eine Funktion des ebenfalls normierten Spindelhubes ist. Normierungsgröße für den Spindelhub ist der lichte Durchmesser do der Ventildüse.
5. Kennfeldmessung mit Luft Das Strömungsverhalten eines Sicherheitsventils kann übersichtlich in einem Kraft- Hub- Druck-Kennfeld dargestellt werden (siehe Bild 1). Das Kennfeld enthält alle Strömungsdaten, die zur Bestimmung einer Ventilfeder je nach vorgegebenem Druck und je nach gewünschter Schließ- oder Öffnungsdruckdifferenz erforderlich ist. An Hand der Struktur des Kraftkennfeldes läßt sich bereits vorab erkennen, ob ein angestrebtes Funktionsverhalten grundsätzlich realisierbar ist.
Bild 1 Ergebnis: Gemessenes Kraftkennfeld (Modellventil SiZ 2507 1:2,5) Fluid Luft
Die meßtechnische Bestimmung des Kennfeldes erfolgt durch mehrere Einzelmessungen. Bei jeder Messung wird die Ventilspindel auf einen konstanten aber von Messung zu Messung auf verschiedene Hübe eingestellt. Im vorliegenden Fall wurde der Bereich Hub=0 mm (Ventil geschlossen) bis Ventil maximal geöffnet in 9 Zwischenhubstellungen unterteilt. Bei jeder Messung wurde ein Volumen von 5 m3 auf einen Startdruck von ca. 70 bar aufgeladen und dann anschließend über den Prüfling zur freien Atmosphäre wieder vollständig entladen. Während des Entladevorgangs strömt die Druckluft bei abnehmendem Behälterdruck durch den Prüfling und belastet die Ventilspindel in Abhängigkeit vom Druck. am Ventileintritt. Die druckabhängige Belastung der Ventilspindel wird mit einem Kraftsensor, der mit der Ventilspindel verbunden ist, gemessen. Zusätzlich wird mit einer Venturi-Meßdüse, die dem Prüfling unmittelbar am Eintrittsflansch vorgelagert ist, der Ruhedruck P+ an der Meßdüse und der statische Druck P- im engsten Querschnitt der Meßdüse gemessen. Der Ruhedruck an der Meßdüse ist zugleich der Bezugs-Ruhedruck für den Prüfling. Kombiniert man die Gleichung, die den Massenstrom durch die Meßdüse (DIN 1952) beschreibt mit der Gleichung für den Massenstrom durch den Prüfling aus dem AD-A2 Merkblatt, dann läßt sich die Ausflußziffer direkt aus den gemessenen Drücken P+ und P- sowie den gegebenen Querschnitten von Ventil- und Meßdüse sowie dem Zuströmquerschnitt in der Leitung stromauf vor der Meßdüse bestimmen. Zur Ausrechnung der Ausflußziffer wird als stoffspezifische Größe einzig der Isentropenexponent benötigt.
Bild 2 Bestimmung einer Kraftkennlinie Strömungskraft als Funktion vom Hub (rechte Bildseite) aus gemessenen Kraftkennlinien Strömungskraft als Funktion vom Druck bei konstantem Hub (linke Bildseite).
Die für die Bestimmung der Federkennlinie erforderlichen Strömungskraftkennlinien -Strömungskraft als Funktion vom Spindelhub bei konstantem Parameter Druck-, erfolgt in der in Bild 2 dargestellten Weise. Zu jedem Druck (Systemdruck) kann aus der gemessenen Schar Kraftkurven die entsprechende Strömungskraft in Abhängigkeit vom Parameter Hub bestimmt werden. Somit kann für die Parameter Ansprech-, Öffnungs- und Schließdruck die entsprechende Hubkraftkurve ermittelt werden. Die Funktionsgrenzen (+3% -5%) sowie der vorgegebene Einstelldruck definieren dann den zulässigen Bereich, in dem die Federkennlinie verlaufen kann.
Zur Anpassung der Ventile bezüglich fertigungsbedingter Exemplarstreuungen kann je nach Erfordernis parallel zur Tellerfeder eine Trimmfeder (Schraubenfeder) in das Ventil eingesetzt werden. Die Trimmfeder ermöglicht eine Korrektur der Federkennlinie und damit eine Korrektur im Funktionsverhalten. Der Einbau oder der Austausch einer Trimmfeder hat nahezu keinen Einfluß auf den Einstelldruck des Ventils, da die Trimmfeder ohne Vorspannung eingebaut wird. Die Trimmfeder überlagert der Hauptfeder erst im Verlauf des Öffnens zusätzliche Kräfte.
6. Verifizierung der Funktion mit Luft
Bild 3) Funktionstests mit Luft -Prüfanlage der DLR in Köln Porz (200 m3 Behältervolumen für Druckluft SIZ 2507 (1:2,5 Modellventil)
Die optimierte Strömungsgeometrie wurde mittels Funktionsversuchen sowohl am Modellventil wie auch am Originalventil getestet. Beide Ventile öffneten innerhalb der geforderten Funktionsgrenzen.
Bild 4 Funktionstest mit Fluid Luft (DLR Prüfstand) SiZ 2507 (1:1) Ventil DN 200 x 300 do=141 mm Originalgröße -Die Druckluft wird an Austritt der Ausblaseleitung durch eine Prallplatte zur Kompensation des Ausströmimpulses radial abgelenkt. (blauer Schleier)-
Das Meßergebnis der Funktion des Originalventils mit Luft ist in Bild 5 dargestellt. Auf der Abszisse ist der Ruhedruck am Ventileintritt dargestellt. Auf der Ordinate ist der Spindelhub angegeben. Die blauen Punkte definieren den Ansprechdruck P, den Öffnungsdruck Pc und den Schließdruck Ps. Hieraus ergibt sich schließlich die Öffnungsdruckdifferenz und die entsprechende Schließdruckdifferenz.
Bild 5 Meßergebnis SiZ 2507 (1:1) Funktionsergebnis mit Fluid Luft (Prüfling auf dem DLR Prüfstand in Aktion siehe Bild 4)
7. Verifizierung der Funktion mit Dampf
Bild 6 SiZ 2507 (1:1) Originalventil auf dem Dampfprüfstand Funktionstests mit Sattdampf auf dem SIEMENS Groß-armaturenprüfstand in Karlstein (125 m3 Behältervolumen für Siedewasser und Sattdampf; 22 MW BENSON Kessel als Dampferzeuger)
Bild 7 Meßergebnis SiZ 2507 (1:1) Funktionsergebnis mit Fluid Sattdampf (SIEMENS Großarmaturenprüfstand (GAP) in Karlstein)
Auf dem Großarmaturenprüfstand in Karlstein wurde nur das Ventil der Originalgröße mit Sattdampf funktionsgetestet.
Auch hier wurde mit demselben Ventil und mit derselben Federbestückung wie bei Luft die angestrebte Funktion erreicht. Insgesamt wurden vier Funktionstests durchgeführt. Der Einstelldruck mußte nicht verändert werden und die Trimmfeder braucht ebenfalls nicht verändert werden. Beim Vergleich der Funktionscharakteristik fällt auf, daß bei der Betätigung des Ventils mit Luft größere Strömungskräfte wirken als bei Sattdampf. Insofern besteht ein Unterschied zwischen dem Funktionsverhalten bei Luft gegenüber dem von Dampf jedoch immer noch innerhalb der zulässigen Arbeitsgrenzen.
Die hier beschriebene Methode ist eine effiziente Möglichkeit, Federn für Großarmaturen auszulegen und die Zuordnung zu verifizieren. Die Summe der notwendigen Versuche wurde auf ein Minimum reduziert. Dies wirkte sich positiv auf die Kosten aus.
[1] Schnettler, A.: Anforderungen an Federsicherheitsventile
Technische Überwachung; TÜ 5/96 Bd. 37 S. 44
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