Spezielle Überlegungen bei der Ventilauswahl

Die Mehrheit der in der Prozessindustrie eingesetzten Fluidmedien umfasst Öl- und Gasströme mit unterschiedlichen Korrosivitätsgraden. Diese Strömungsbedingungen, einschließlich der Medienströme, werden je nach Vorliegen von sauberen, verschmutzten oder abrasiven Bedingungen (im Falle von Schlämmen) unterschieden; der Unterschied liegt hauptsächlich in Menge und Art der suspendierten Feststoffpartikel, die zu Ventilverstopfungen oder Korrosionsschäden führen. Darüber hinaus tragen Medienströme, die Schwefel sowie andere Gemische enthalten, in Verbindung mit hohen Temperaturen zu einer korrosiven Umgebung bei. Solche Medienströme erfordern eine sorgfältige Materialauswahl, um eine ausreichende Lebensdauer der Ventile zu gewährleisten. Korrosionsingenieure forschen und entwickeln fortlaufend neue Werkstoffe, um diese Probleme zu lösen.
　　Erstens das Spezialventil der Raffinerie-Hydrocrack- und Kokereianlage
　　Die Raffinerieeinheit für verfahrensbedingte Verkokung dient der Entspannung von Schlackenöl durch tiefen thermischen Crackvorgang zur Erzeugung von Gas, leichtem Destillat und Koks; sie stellt ein wichtiges Mittel für Raffinerien dar, um die Ausbeute an Leichtöl und die Produktion von Petrolkoks zu steigern. Der Prozess gliedert sich in zwei Hauptphasen: Verkokung und Dekokung. Die Verkokung erfolgt im kontinuierlichen Betrieb, während die Dekokung im intermittierenden Betrieb abläuft. Ein- und Ausgang des Heizofens sowie des Koksturms sind über Vierwegeventile miteinander verbunden. Das Vierwegeventil bildet den entscheidenden Schaltkanal, über den der Heizofen mit dem Koksturm gekoppelt wird. Es handelt sich um ein Spezialventil, das unter Hochtemperaturbedingungen eingesetzt wird; seine Qualität wirkt sich unmittelbar auf die Leistungsfähigkeit der Anlage aus. Sowohl bei neu konzipierten Inlandsanlagen als auch bei älteren Anlagen werden überwiegend importierte Vierwege-Steckventile verwendet – deren Preis jedoch sehr hoch ist. Inlands-Vierwegeventile hingegen zeichnen sich in der Regel durch eine unzumutbare Konstruktion, eine unzuverlässige Qualität und eine hohe Ausfallrate aus.
　　Das Hydrocracken in Raffinerien zählt zu den wichtigsten Verfahren der Rohölraffination. Da die Hydrocracking-Anlage bei hohen Temperaturen und hohem Druck betrieben wird und das Prozessmedium aus leicht entzündlichem und explosivem Wasserstoff sowie Kohlenwasserstoffen besteht, sind die Betriebsbedingungen besonders anspruchsvoll; daher muss die Dichtung zuverlässig sein. Folglich stellen das Design und die Bauweise der Ventile hohe Anforderungen. Gegenwärtig werden inländisch überwiegend Edelstahlkeilklappen und DC-Kugelhähne eingesetzt.
　　Zweitens das Öl- und Gasventil
　　Um die Steuerung des Öl- und Gasflusses zu gewährleisten, muss ein Öl- und Gasventil über folgende grundlegende Leistungsmerkmale verfügen: Dichtigkeit, Druckfestigkeit, Sicherheit, Einstellbarkeit, Fluidströmung sowie Schaltflexibilität. Bei hochdruckfähigen, brennbaren und explosiven Öl- und Gasmedien ist vor allem das Dichtungsproblem zu lösen; dabei sind die besonderen Betriebsbedingungen und Anforderungen an Öl- und Gasventile zu berücksichtigen.
　　① In feuchtem Erdgas, das Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid enthält, werden besondere Anforderungen an das Material des Ventilkörpers gestellt;
　　② Bei der Auslegung der Bohrlochkopfanlage sowie des Sammel- und Transportsystems unter Berücksichtigung von Salzlösung, Restsäure und anderen korrosiven Medien sind die Wahl der Ventilkörperwerkstoffe sowie die Anforderungen an den Korrosionsschutz zu berücksichtigen;
　　③ Staub und feste Partikel beschleunigen die Abrieb- und Schleifwirkung auf die Ventilschließteile, wodurch die Dichtung schnell versagt;
　　④ Im Freien in Plateau-, Wüsten- und hochkalten Gebieten können die Ventilmaterialien zu Kaltsprödigkeit, Biegeverformung usw. neigen;
　　⑤ Spezialventile für Öl und Gas, die in Ferntransportleitungen eingesetzt werden und eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten ohne Austausch aufweisen müssen – also dieselbe Lebensdauer wie die Leitung selbst.
　　All dies zeigt, dass Spezialventile für Öl und Gas sich von herkömmlichen Ventilen unterscheiden: Sie müssen unter harten Betriebsbedingungen eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen und die Anforderungen an hohe Festigkeit sowie anichtbarem Leckageverhalten erfüllen.
　　Drittens, chlorhaltige Bedingungen
　　Chlorhaltige Betriebsbedingungen sollten sich auf die vom American Chlorine Institute herausgegebene Auslegung von Ventilen für „trockene Chlorkleinanlagen“ beziehen.
　　Chlor oder chlorhaltige Flüssigkeiten stellen stark korrosive Bedingungen dar, insbesondere wenn Wasser vorhanden ist. Chlor, das mit Wasser zu Salzsäure (HCl) reagiert, korrodiert den Ventilkörper sowie die internen Bauteile. Da Chlor einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, kann eine Einschließung von flüssigem Chlor im Ventilgehäuse zu einem raschen Druckanstieg im Gehäuse führen. In solchen Anwendungen müssen Ventile über eine zuverlässige Druckentlastungsfunktion im Gehäuse verfügen.
　　Viertens: Gefrierbedingungen (kryogene Bedingungen)
　　Obwohl die Ventile für kryogene Bedingungen nach den ASME-B16.34-Normen und API-Normen ausgeführt sind, weisen diese Ventile auch weitere konstruktive Merkmale auf, die einen zuverlässigen Betrieb unter kryogenen Bedingungen gewährleisten. Solche Ventile können zudem Kappe-Verlängerungen aufweisen, die die Packung und den Betätigungsmechanismus vom kryogenen Fluid entfernen, um eine Betätigung der Stangenpackung bei höheren Temperaturen zu ermöglichen und sicherzustellen, dass der Ventilbetätigungsmechanismus im Betrieb nicht einfriert. Die Norm MSS SP-134 enthält detaillierte Angaben zu den vorgesehenen Kappe-Verlängerungen.
　　V. Fluorwasserstoffsäure-Service
　　Ventile, die im Betrieb mit Flusssäure eingesetzt werden, sollten ausschließlich solche Typen sein, deren Leistungsfähigkeit im Einsatz nachgewiesen wurde oder die so geprüft wurden, dass sie diesen Betriebszustand erfolgreich bewältigen. Als bevorzugter Ventiltyp gelten solche, bei denen sich unter normalen Betriebsbedingungen keine Ablagerungen von Feststoffen bilden können. Arbeiten mit Flusssäure sind von zertifizierten Fachkräften durchzuführen, die über eine strenge Kontrolle der genannten Ventile verfügen. Die Anforderungen an Konstruktion und Werkstoff sowie die Details der inneren Geometrie dieser Ventile sind äußerst detailliert (typischerweise handelt es sich um Kohlenstoffstahlventile mit speziellen Monel-Einbauten oder massiven Monel-Einbauten), und solche Ventile sind entsprechend einer besonderen Bauweise auszulegen, um ihrer Korrosionsbeständigkeit gegenüber Flusssäure gerecht zu werden. Unter Bedingungen, in denen Flusssäure vorhanden ist, sind die Inspektion und Prüfung der Ventile strenger als die für übliche Prozessventile geltenden Standards.
　　Sechs, wasserstoffhaltige Bedingungen
　　Diese Bedingung bei der Verwendung von Ventilen im Vergleich zu herkömmlichen Gussprodukten sorgt häufig für eine hohe Gussqualität. Da Wasserstoff ein sehr durchlässiges Fluid ist, werden Druckklassen von mindestens 600 psi bei geschweißten Rohrleitungsventilen eingesetzt, um potenzielle Leckagequellen zu verringern.
　　API 941 enthält eine Reihe von Wasserstoffbedingungen bei der Auswahl und Verwendung von Werkstoffen.
　　Sieben, sauerstoffhaltige Bedingungen
　　Bei der Verwendung von Ventilen unter sauerstoffhaltigen Bedingungen sind, soweit zutreffend, die Vorgaben der Norm CGA G4.4-2003 „Oxygen Piping Systems“ der American Compressed Gas Association zu beachten. In diesem Einsatzbereich eingesetzte Ventile müssen vollständig entfettet, sauber und unter reinen Bedingungen eingebaut sowie ordnungsgemäß verpackt und versiegelt sein, da Öl und Fett in Gegenwart von Sauerstoff äußerst leicht entzündlich sind. Hinweise hierzu finden sich in der CGA-Norm G4.1 „Reinigungsausrüstung für den Sauerstoffbetrieb“. Vor der Installation sind eine sachgerechte Handhabung und Lagerung erforderlich.
　　Bronze- oder Monel-Ventilkörper sowie innere Bauteile, die für den Einsatz mit Sauerstoff geeignet sind, werden häufig verwendet, um Funkenbildung und Zündung infolge energiereicher mechanischer Stöße zu vermeiden. Speziell formulierte Schmierfette auf Silikonbasis sind für den Einsatz in sauerstoffhaltigen Anlagen erhältlich, da herkömmliche Kohlenwasserstoffschmierstoffe in Gegenwart von Sauerstoff nicht verwendet werden dürfen.
　　VIII. Pulsierender oder instabiler Fluss
　　Bei pulsierendem oder instabilem Durchfluss im Rückschlagventil ist dessen Auswahl besonders sorgfältig zu treffen; so kann beispielsweise bei Verwendung in Hubkolbenkompressoren das rasche Öffnen und Schließen des Ventils in Verbindung mit Schwankungen der Durchflussrate zu Schlägen und damit zu Beschädigungen des Ventils führen. Bezüglich des Einsatzes von Ventiltypen bei pulsierendem und instabilem Durchfluss bestehen zwar unterschiedliche Auffassungen, doch werden für pulsierenden oder instabilen Durchfluss in der Regel Schmetterlingsrückschlagventile, Schwenkscheibenrückschlagventile sowie Axialströmungs-Rückschlagventile empfohlen.
　　Neun, säurehaltige Bedingungen (feuchte H2S-Bedingungen)
　　Säurehaltige Betriebsbedingungen bei der Verwendung von Ventilwerkstoffen sind gemäß der NACE-Norm MR0103 zu berücksichtigen. Diese Norm für die nachgelagerte Kohlenwasserstoffverarbeitungsindustrie legt die Härte aller Stähle fest, verlangt eine Lösungsglühhärtung von austenitischen Stählen, untersagt die Verwendung bestimmter Werkstoffe für druckbelastete Bauteile (einschließlich Ventilschaften) und enthält besondere Anforderungen an geschraubte und geschweißte Ventile.
　　Hinzuweisen ist auf die Verantwortung des Anwenders gemäß NACE MR0103, wonach der Anwender detailliert festzulegen hat, ob die Schrauben H2S-haltigen Umgebungen ausgesetzt sind oder nicht. Sofern vom Anwender nicht anders angegeben, unterliegen Schrauben, die sich außerhalb des Ventils befinden – etwa die Bolzen der Deckelverbindung – in der Regel den Produktnormen; sulfurhaltige Betriebsbedingungen sind in dieser Norm jedoch nicht berücksichtigt. Die Verbolzung von Gehäuse und Deckel muss die NACE-Anforderungen nicht erfüllen, sofern das Verbolzungsmaterial nicht direkt mit Prozessflüssigkeiten in Kontakt kommt. Kann eine Schwefelleckage aus einem schwefelhaltigen Erdöl nicht beseitigt oder verdampft werden (z. B. durch Isolierung des Ventils), so ist die verschraubte Verbindung gemäß der NACE-Norm zu bewerten.
　　Auf Schraubverbindungsbauteile ist besonders zu achten, wenn NACE-zugelassene Werkstoffe als nicht erforderlich angesehen werden. Diese vorgeschriebene Härteanforderung führt zu einer Verringerung der Festigkeit. Die Festigkeit der Bonnet-Verbindungsschrauben wird herabgesetzt und könnte unter denselben Auslegungsbedingungen wie das Standard-Schraubenmaterial nicht mehr ausreichend sein.
　　X. Viskose oder Aushärtungsbedingungen
　　Bei viskosen oder erstarrten Fluidbedingungen im Ventil, wie z. B. flüssigem Schwefel oder Schweröl, ist zur Gewährleistung der Betriebsfähigkeit häufig eine Dampfheizung oder ein Dampfmantel erforderlich, um die erforderliche Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Besondere Aufmerksamkeit ist bei Rückschlagventilen geboten, da deren Hysterese-Eigenschaften zu betrieblichen Problemen führen können.