Ventilteile 101: Die grundlegenden Komponenten von Industrieventilen

Einführung in die Grundlagen von Ventilteilen

Industriearmaturen bestehen aus vielen verschiedenen Komponenten, mit denen sie den Durchfluss regeln. Die Hauptbestandteile einer Armaturenkonstruktion lassen sich in das Gehäuse, die Verkleidung, die Antriebe und das Zubehör unterteilen. Diese Tabelle gibt einen kurzen Überblick über die wichtigsten Ventilkomponenten und ihre Funktionen:

Ventilkörper - Der Druckverschlussmantel

Das Ventilgehäuse, auch Schale, Gehäuse oder Mantel genannt, ist die primäre Druckbegrenzung eines Ventils. Es dient als Rahmen, der alle anderen Ventilteile in der richtigen Ausrichtung zusammenhält. Ventilgehäuse sind so konstruiert, dass sie dem Druck in der Rohrleitung, der Temperatur und den mechanischen Beanspruchungen standhalten. Der Einlass und der Auslass des Ventilgehäuses sind mit dem Rohrleitungssystem verbunden. Es gibt verschiedene Gehäuseformen und -konfigurationen, wobei die gebräuchlichsten kugelförmig, durchgängig, eckig und Y-förmig sind. Die Form des Gehäuses hängt von der beabsichtigten Durchflussregelungsfunktion des Ventils ab. Schieber, Ventile, Rückschlagventile, Kugelventile, Kegelventile und Absperrklappen haben alle ein spezielles Gehäuse, das auf die jeweilige Durchflussregelung zugeschnitten ist. Ventilgehäuse werden aus Materialien wie Kohlenstoffstahl, Edelstahl, Gusseisen, legiertem Stahl und Schmiedestahl gegossen oder hergestellt. Die Wahl des Materials richtet sich nach der Zusammensetzung der Prozessflüssigkeit, dem Druck und der Temperatur. Viele Ventilgehäuse haben Flanschenden, um den Anschluss an Rohrleitungen zu ermöglichen. Andere können Gewinde-, Schweißmuffen- oder Stumpfschweißenden haben. Unabhängig von der Bauart muss das Ventilgehäuse stark genug sein, um dem Systemdruck standzuhalten, wenn sich das Ventil in der geschlossenen Position befindet. Außerdem muss es steif und widerstandsfähig gegen Verformungen oder Risse sein, die zu Undichtigkeiten führen könnten.

Ventilkörperwerkstoffe für verschiedene Einsatzbereiche

Bei der Auswahl der Werkstoffe für Ventilgehäuse gibt es je nach Einsatzbedingungen verschiedene Möglichkeiten. Kohlenstoffstahl ist für den Einsatz in Wasser, Öl und Gas geeignet. Edelstahl eignet sich für korrosivere Flüssigkeiten wie Säuren oder feuchtes Chlorgas. Für extrem hohe Temperaturen sind legierter Stahl und Gusseisen die bessere Wahl. Bei Tieftemperaturventilen für kalte Flüssigkeiten wie LNG werden Gehäuse aus Edelstahl oder geschmiedetem Kohlenstoffstahl verwendet. Das Gehäusematerial wirkt sich auch auf die Wartungsanforderungen aus. Kohlenstoffstahl beispielsweise neigt mit der Zeit zu Rost oder Korrosion und muss möglicherweise häufig repariert werden. Edelstahl und legierter Stahl haben eine höhere Korrosionsbeständigkeit und verlängern die Lebensdauer. Bei stark abrasiven Anwendungen ist ein gehärteter Ventilkörper erforderlich, um dem Verschleiß zu widerstehen. Es gibt keinen einzigen Werkstoff, der für alle Anwendungen ideal ist. Bei der Wahl des Gehäusematerials sind die Zusammensetzung der Flüssigkeit, der Druck, die Temperaturbereiche und die gewünschte Lebensdauer des Ventils zu berücksichtigen. Die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Ventillieferanten ist der Schlüssel zur Auswahl des richtigen Metalls für einen zuverlässigen Betrieb.

Ventiloberteilformen für Zugang und Montage

Die Ventilhaube ist der Deckel auf der stromaufwärts gelegenen Seite, der den Druckmantel eines Ventilgehäuses vervollständigt. Sie ermöglicht auch den Zusammenbau der internen Ventilteile und den Zugang zu ihnen für die Wartung. Es gibt drei Hauptkonfigurationen von Ventiloberteilen: geschraubt, verschraubt und geschweißt. Eine Schraubhaube hat ein Gewinde, das in das Gehäuse eingreift, und bietet eine kompakte Montagemöglichkeit. Sie lässt sich für Routineinspektionen und Reparaturen leicht öffnen und schließen. Geschraubte Ventiloberteile haben einen separaten Flanschkopf, der mit langen Schrauben mit dem Gehäuse verbunden ist. Dadurch können sehr große Ventile in Abschnitten montiert werden. Geschraubte Ventiloberteile sind bei Schiebern, Ventilen und Rückschlagventilen über NPS 2 üblich. Bei geschweißten Ventiloberteilen ist der Deckel fest mit dem Gehäuse verschweißt. Es werden keine Gewinde oder Bolzen verwendet, wodurch eine dichte Abdichtung entsteht. Allerdings ist der Zugang zu den inneren Teilen nicht ohne Schneiden möglich. Geschweißte Hauben werden bevorzugt für Hochdruck- und Temperatursysteme verwendet, bei denen Bolzen oder Gewinde undicht werden könnten. Sie kosten auch weniger als geschraubte Modelle. Bei der Auswahl eines Ventilhaubentyps sind der Wartungsbedarf, mögliche Leckagerisiken, die Ventilgröße und die Kosten zu berücksichtigen. Das Ventiloberteil muss dem Systemdruck und den Temperaturschwankungen standhalten. Eine lecksichere, einfache Demontage und Montage ist für die meisten Anwendungen ideal.

Verkleidungsmaterialien für ätzende und korrosive Flüssigkeiten

Ventilgarnituren sind die internen beweglichen Teile, die den Durchfluss regulieren, wie Kugeln, Kegel, Scheiben und Schieber. Die Garnitur kommt mit der Prozessflüssigkeit in Berührung, daher muss ihr Material den chemischen, temperaturbedingten und abrasiven Eigenschaften standhalten. Zu den gehärteten Besatzmaterialien gehören Wolframkarbid, Stellit-Legierungen, Titan, hochnickelhaltige Inconel-Legierungen und rostfreier Stahl 440C. Diese widerstehen stark erosiven oder korrosiven Substanzen. Weichere Besatzmaterialien wie Bronze, Aluminium, Monel und Edelstahl 304 eignen sich für weniger zerstörerische Flüssigkeiten. Das Material der Verkleidung hängt von der Zusammensetzung der Flüssigkeit ab. Eine Legierung mit hohem Nickelgehalt eignet sich zum Beispiel besser für Flusssäure als normaler Edelstahl. Kryogenische Ventile benötigen eine Garnitur, die den Gefriertemperaturen standhält, ohne spröde zu werden. Abrasive Schlämme erfordern haltbare Garnituren, die dem Verschleiß standhalten. Die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Lieferanten ist der Schlüssel, um die richtigen Garnituren für Ihre spezifischen Prozessbedingungen zu erhalten. Dies gewährleistet eine lange Lebensdauer und minimale Erosionsschäden.

Ventilpackungen vs. Dichtungsmethoden

Ventile verwenden Dichtungssysteme, um Flüssigkeitsleckagen zwischen dem feststehenden Gehäuse und den beweglichen Teilen zu verhindern. Packungen und Dichtungen sind die beiden wichtigsten Dichtungsmethoden. Ventilpackungen bestehen aus Ringen aus weichem, verformbarem Material wie Graphit, PTFE oder flexiblem Graphit. Die Ringe passen um den Ventilschaft und werden zusammengedrückt, wenn das Ventiloberteil oder die Stopfbuchsbrille angezogen wird. Die weiche Packung verformt sich, um eine dichte Abdichtung zu schaffen. Die Packung kann mit der Zeit undicht werden und muss regelmäßig nachgezogen oder ersetzt werden. Sie ermöglicht eine gewisse kontrollierte Leckage zur Schmierung. Dichtungen sorgen für eine dauerhaftere Abdichtung zwischen zwei zusammenpassenden Oberflächen. Gängige Typen sind spiralförmig gewickeltes Metall, Ringdichtungen, Kammprofile und flaches Papier oder Kunststoff. Dichtungen erfordern eine präzisere Bearbeitung, um lecksicher zu sein. Dichtungen lassen sich häufiger demontieren, da sie bei Wartungsarbeiten beschädigt werden können. Für die Kontrolle flüchtiger Emissionen werden Metalldichtungen gegenüber Packungen bevorzugt. Die Stopfbuchspackung ermöglicht jedoch eine leichte Bewegung der Spindel und eine regelmäßige Einstellung. Berücksichtigen Sie bei der Wahl von Packungen oder Dichtungen den Wartungsbedarf, die zulässige Leckage und die Emissionsvorschriften.

Flexible vs. solide Keiltorausführungen

Absperrschieber verwenden Schieber mit linearer Bewegung, um den Durchfluss zu starten und zu stoppen. Der Schieber und der Ventilteller können flexibel oder massiv sein. Flexible Keilschieber haben eine feste Oberkante, aber flexible Seiten aus Metallbälgen oder laminierten Blechen. Dadurch passt sich der Schieber beim Einsetzen an die Bohrung an und dichtet selbst bei verschlissenen Ventilsitzen dicht ab. Allerdings können die Faltenbälge platzen oder die Lamellen sich nach häufigem Biegen lösen. Vollkeilschieber sind einteilige, massive Schieber, die sich nicht biegen können. Sie sind stabiler, erfordern jedoch eine Präzisionsbearbeitung, um eine effektive Abdichtung ohne Leckagen zu gewährleisten. Feste Keile eignen sich besser für hohen Druck oder häufigen Betrieb. Flexible Schieber eignen sich für modulierende Niederdruckregelungen, bei denen eine dichte Absperrung erforderlich ist. Die Schieber müssen resistent gegen Schneiden, Riefen und Verformung durch Flüssigkeiten sein. Flexible Schieber eignen sich für Flüssigkeiten und saubere Gase. Feste Absperrschieber eignen sich für Dampf, Gase mit Feststoffen und verunreinigte Flüssigkeiten, bei denen ein Faltenbalg brechen könnte. Bei der Wahl zwischen flexiblen und festen Schieberkonstruktionen sind Absperranforderungen, Druck, Medieneigenschaften und die gewünschte Lebensdauer zu berücksichtigen.

Steigende und nichtsteigende Ventilschäfte

Die Ventilspindel überträgt die Bewegung des Stellantriebs auf das den Durchfluss regelnde Element im Inneren des Ventils. Sie kann steigend oder nicht steigend ausgeführt sein. Nicht steigende Spindeln bleiben bei der Betätigung des Ventils vertikal. Die Spindel wird in den Schieber, den Kegel oder die Kugel geschraubt und dreht diese, ohne sie anzuheben. Steigende Spindeln heben und senken sich mit der Bewegung des Ventils und bleiben dabei am Durchflusssteuerungselement befestigt. Steigende Spindeln zeigen die Ventilstellung an und können die Steuerung über Stellungsregler automatisieren. Nicht steigende Spindeln erfordern separate Stellungsanzeigen für die Welle. Steigende Spindeln sind bei Schiebern und Durchgangsventilen üblich. Nichtsteigende Spindeln eignen sich für Kugel- und Kükenhähne, bei denen eine Drehbewegung erforderlich ist. Nichtsteigende Spindeln eignen sich gut für erdverlegte Armaturen oder korrosive Flüssigkeiten, bei denen steigende Spindeln beschädigt werden oder sich verklemmen könnten. Die Spindel muss auf den Antrieb ausgerichtet sein und dessen Drehmoment entsprechen. Bei der Auswahl zwischen steigenden und nichtsteigenden Spindeln sind Wartungsbedarf, Automatisierungsanforderungen und Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen.

Zweck und Verwendung von Ventilrücksitzen

Der Rücksitz ist eine Verschleißfläche auf dem Ventilschaft, die die Motorhaube berührt, wenn das Ventil vollständig geöffnet ist. Sie dient mehreren Zwecken. Erstens bildet sie eine zusätzliche Dichtung zwischen Spindel und Ventiloberteil. Dadurch wird das Ventiloberteil bei Wartungsarbeiten vom Systemdruck isoliert. Außerdem kann das Ventil in zwei Richtungen abgesperrt werden - es dichtet sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts. Backseats ermöglichen auch die Einstellung und den Austausch der Packung, während das Ventil unter Druck steht. Schließlich können Rücksitze als Anschlagpunkt dienen, wenn sie vollständig geöffnet sind, und so Schäden an den Sitzflächen verhindern. Rücksitze sind bei Schiebern, Ventilen und Rückschlagventilen üblich. Sie sollten eine ausreichende Oberfläche haben, um übermäßigen Verschleiß zu verhindern. Edelstahl, Messing oder Kohlenstoff-Graphit-Materialien eignen sich gut. Berücksichtigen Sie bei der Auswahl von Armaturen, ob Rückseiten eine sicherere Wartung ermöglichen würden. Für selten betätigte Notabschaltventile werden sie jedoch nicht empfohlen.

Arten von Ventilantrieben: Linear, Vierteldrehung, Multidrehung

Stellantriebe liefern die Kraft zum Öffnen, Schließen und Positionieren der Armatur. Gängige Typen sind Linearantriebe, Schwenkantriebe und Drehantriebe. Linearantriebe üben eine Kraft entlang der Spindelachse aus, um Schieber, Kugeln oder Membranen nach oben und unten zu bewegen. Häufig handelt es sich dabei um Pneumatikzylinder oder Hydraulikkolben. Schwenkantriebe drehen sich um 90 Grad, um Kugelhähne, Kegel und Klappen zu öffnen/schließen. Manuelle Hebelarme, Elektromotoren oder Pneumatikzylinder sind gängige Schwenkantriebe. Drehantriebe verwenden ein Getriebe, um mehrere 360-Grad-Drehungen zu ermöglichen. Sie automatisieren präzise Positionierung von Durchgangs- und Schieberventilen. Ein weiterer Vorteil des Getriebes ist das hohe Ausgangsdrehmoment eines kleinen Elektromotors oder eines manuellen Handrads. Bei der Auswahl von Armaturenantrieben sind die Drehmomentanforderungen, die Geschwindigkeit, die Automatisierungsanforderungen, die Platzverhältnisse und die Eignung für explosionsgefährdete Bereiche zu berücksichtigen. Der Ausgang des Stellantriebs muss dem Drehmomentbedarf der Armatur entsprechen, insbesondere bei der 100%-Absperrung.

Auswahl von Ventilkomponenten für besondere Einsatzbedingungen

Ventile bestehen aus vielen Komponenten, und die Wahl des Materials hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Bei Dampfsystemen eignen sich Metallsitze, Ventildeckel und dampfbeständige Packungen für die hohen Temperaturen und vermeiden Oxidation. Bei kryogenen Anwendungen benötigen Gehäuse, Verkleidungen und Dichtungen Werkstoffe, die auch bei Minustemperaturen dehnbar bleiben, wie Edelstahl. Stark korrosive Flüssigkeiten erfordern Gehäuse und Verkleidungen aus Edelstahl oder Legierungen sowie korrosionshemmende Dichtungsmaterialien. Für Drosselregelventile sind Komponenten, die eine reibungslose Spindelbewegung und Durchflusskennzeichnung unterstützen, von wesentlicher Bedeutung. Dazu gehören charakterisierte Garnituren, modifizierte Garniturgeometrien, reibungsarme Packungen und hochauflösende Stellantriebe. Die Prinzipien sind die gleichen, aber die Komponenten müssen so angepasst werden, dass sie die Betriebsbedingungen sicher beherrschen. Durch die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Lieferanten wird sichergestellt, dass alle Ventilteile für den jeweiligen Einsatz geeignet sind.

Richtiges Auswählen der Teile eines Ventils

Die richtige Auswahl von Ventilkomponenten erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der Einsatzbedingungen, der Leistungsanforderungen und des gewünschten Ventiltyps. Hier sind einige wichtige Überlegungen zur Auswahl von Ventilteilen:

Bei Ventilen mit Schweißenden ist darauf zu achten, dass die Enden des Ventilgehäuses und die Schweißnaht für das Rohrleitungssystem und die Werkstoffe geeignet sind. Für Durchflussmedien, die eine dichte Absperrung erfordern, sind metallisch dichtende Kugelhähne mit richtig abgestimmten Spindelgewinden, Außengewinde und Joche erforderlich, die eine seitliche Belastung verhindern. Hochdruckanwendungen erfordern robuste Ventiloberteile, dicke Spindelpackungen in der Stopfbuchse und robuste Jochbuchsen.

Überdruckventile erfordern präzise Verkleidungsteile und Verkleidungskonstruktionen, um eine genaue Druckregelung zu gewährleisten. Kugelhähne, die für Drosselaufgaben eingesetzt werden, benötigen charakteristische Kugeln und Sitze, um den Durchfluss zu steuern. Die Drehbewegung von Kugel- und Kegelventilen hängt von hochwertigen Lagern und Dichtungen im Inneren ab.

Regelventile sind auf Ventiloberteile, Dichtungen, Spindelpackungen und andere Teile angewiesen, um Leckagen zu verhindern und eine reibungslose Betätigung zu ermöglichen. Die Oberseite des Jochs und die stromabwärts gelegenen Seitenabdeckungen eines Rückschlagventils werden am stärksten beansprucht, so dass haltbare Materialien unerlässlich sind.

Die Auswahl von Regelventilen bedeutet auch, dass die Art des Stellantriebs und der Ausgang auf die richtige Art der Bewegung abgestimmt werden müssen - rotierend für 90-Grad-Kugelventile oder linear für Durchgangsventile. Dies gewährleistet die richtige Positionierung des Ventils und einen dichten Abschluss im geschlossenen Zustand.

Unabhängig vom Ventiltyp müssen bei der Auswahl von kompakten Zwischenflansch-, Nasen- oder Flanschkonstruktionen die Anforderungen an Abstände, Installation und Wartung berücksichtigt werden. Durch die Zusammenarbeit mit erfahrenen Lieferanten und die Einhaltung der PMI-Standards wird sichergestellt, dass die ausgewählten Teile eine lange Nutzungsdauer aufweisen.

Schlussfolgerung

Für Ingenieure, Wartungspersonal und Anlagenbetreiber ist es wichtig zu verstehen, wie die verschiedenen Innenteile von Ventilen zusammenarbeiten. Das Gehäuse, die Haube, die Verkleidung, die Spindel, die Dichtungen und die Stellantriebe spielen alle eine Rolle bei der sicheren und zuverlässigen Steuerung des Flüssigkeitsstroms. Die Auswahl der Komponenten muss sich an den Betriebsbedingungen und Leistungszielen orientieren. Mit dem richtigen Wissen über die Funktionen der Komponenten und die Unterschiede zwischen den Werkstoffen können Industriearmaturen in einem erstklassigen Betriebszustand gehalten werden, um ihre wichtige Rolle bei der Steuerung von Flüssigkeiten zu erfüllen.