Suchen

Zukunftsmarkt Flüssig-Erdgas Ingenieure entschärfen die „schwimmende Bombe“

| Redakteur: Karl-Ullrich Höltkemeier

Neuartige hydraulische Schnellverschlusskupplung für Schiffe macht das Verladen von Erdgas sicherer. Die Entwicklung der Kupplungskonstruktion fand vollständig im Computer statt.

Firmen zum Thema

Membrantanker „British Innovator“ von BP: Rund 200 Tankschiffe für verflüssigtes Erdgas (LNG) verkehren derzeit auf den Weltmeeren und versorgen Länder, die nicht oder nur teilweise an Pipelines angeschlossen sind mit dem Rohstoff. Bei den meisten der neueren Schiffe handelt es sich um Membrantanker, die mit mehren Isolationsschichten das Erdgas auf Minus 163 Grad Celsius halten.
Membrantanker „British Innovator“ von BP: Rund 200 Tankschiffe für verflüssigtes Erdgas (LNG) verkehren derzeit auf den Weltmeeren und versorgen Länder, die nicht oder nur teilweise an Pipelines angeschlossen sind mit dem Rohstoff. Bei den meisten der neueren Schiffe handelt es sich um Membrantanker, die mit mehren Isolationsschichten das Erdgas auf Minus 163 Grad Celsius halten.
( Archiv: Vogel Business Media )

Erdgas erlebt derzeit einen gewaltigen Anstieg in der Nachfrage. 2,8 Billionen Kubikmeter der günstigen Alternative zu Erdöl wurden laut der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe 2005 weltweit verbraucht. Das aufwändige Pipelinesystem reicht längst nicht mehr aus, um den weltweiten Bedarf zu decken. Stattdessen werden mehr und mehr Tankschiffe für verflüssigtes Erdgas (LNG) eingesetzt. Rund 200 davon befahren derzeit die Weltmeere, ständig wird die Bauweise der hochspezialisierten Schiffe verbessert. Problematisch ist dagegen immer noch der Be- und Entladevorgang.

Veraltete Verladeanlagen erfordern teils noch Handarbeit und bergen erhebliche Risiken für das Schiff, seine Besatzung und das Verladepersonal. Eine vom Heidenheimer Ingenieurbüro Merkle & Partner für die Emco Wheaton GmbH aus Kirchhain entwickelte Schnellverschlusskupplung soll helfen, Unfälle künftig zu vermeiden und die Verladung effektiver zu gestalten.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 6 Bildern

„Schwimmende Bomben“, so bezeichneten Skeptiker

... die gut 300 Meter langen LNG-Tanker früher. Das Erdgas in den 150.000 bis 250.000 Kubikmeter fassenden Sphären- oder Membrantanks muss bei - 163 Grad Celsius gehalten werden, damit es flüssig bleibt. Im gasförmigen Zustand bräuchte es den 600fachen Raum und wäre hochexplosiv. Dass es dennoch seit der Inbetriebnahme des ersten LNG-Tankers 1959 keine Unfälle auf See gegeben hat, liegt an den Sicherheitsmaßnahmen der Schiffsbauer. Die Tanks, vor allem die modernen Membrantanks, sind mit Schichten aus Aluminium, Balsa- oder Sperrholz, Glasfaser und Polyurethan isoliert. Jede Schweißnaht wird millimetergenau gezogen, von Hand überprüft und muss extremen Temperaturschwankungen standhalten.

Gefahrenzone Hafen

So sicher die Tanker gebaut sind, so kritisch stellt sich mitunter die Situation an den Verladeterminals dar. „Die Kupplung des Verladearms muss oft noch mit aufwendigem Spezialwerkzeug von Hand an dem entsprechenden schiffseitigen Flansch angeschraubt werden“, berichtet Burkhard Stolz, Leiter der Abteilung Forschung und Entwicklung bei Emco Wheaton, einem auf den Transfer von gefährlichen Gasen und Flüssigkeiten spezialisierten Unternehmen.

Problematisch wird gängige Praxis dann, wenn der Seegang den Tanker vom Pier abtreibt. „Dabei sind extreme Kräfte im Spiel. Der Verladearm würde sich immer weiter strecken, bis am Ende etwas bricht.“ Im schlimmsten Fall könnte die gesamte Verladekonstruktion abreißen. Dann bestünde höchste Gefahr. Das beim Verladen nur etwa - 20 Grad Celsius kalte Erdgas würde unkontrolliert als Dampf austreten und sich mit der Luft vermischen. Erreicht die Konzentration des Gases im Luftsauerstoffgemisch fünf bis fünfzehn Prozent, genügt ein Funke, um die Wolke zur Explosion zu bringen und eine Katastrophe auszulösen.

Schnellverschlusskupplung, die eine Nottrennung vereinfachen soll

Damit es dazu nicht kommt, werden herkömmliche Verladearme mit zwei verschließbaren Kugelhähnen ausgestattet, zwischen denen im Gefahrenfall die Leitung sicherheitshalber getrennt werden kann – mit dem Nachteil, dass dabei die komplexe Balance des Armes zerstört wird und die ganze Verladestation einige Zeit ausfällt.

Einer der Kunden von Emco Wheaton wollte sich mit dieser Lösung nicht zufrieden geben, und beauftragte das Unternehmen mit der Entwicklung einer hydraulischen Schnellverschlusskupplung, die eine Nottrennung vereinfachen sollte. Um das enge Zeitfenster des Kunden einzuhalten, wandten sich die Anlagenbauexperten mit dem Auftrag an das Ingenieurbüro Merkle & Partner.

Computer erlauben präzise Simulation des Bauteils

„Wir hatten nur etwa drei Monate Zeit, um eine Kupplung zu entwickeln, die absolut dicht ist und dabei sowohl 150 Bar Betriebsdruck als auch den niedrigen Temperaturen des Erdgases standhält“, berichtet Diplom-Ingenieur Christian Hopfensitz, der das Projekt leitete. „Außerdem musste gewährleistet sein, dass die Kupplung nicht nur die Normen des Oil Companies International Marine Forum (OCIMF) einhält, sondern auch die noch schärferen Richtlinien der Klassifikationsgesellschaft Bureau Veritas.“

Damit diese Aufgabe in der Kürze der Zeit überhaupt gelingen konnte, wurden Entwurf, Dimensionierung und die schrittweise Modellierung des neuen Geräts mittels Computersimulationen erledigt. Solche Berechnungen von Körpern und ihren Reaktionen in verschiedenen Belastungssituationen stellen das Kerngebiet der Arbeit von Merkle & Partner dar. Mit diesen Möglichkeiten gelang es den Heidenheimer Ingenieuren die langwierige Planungsphase soweit zu beschleunigen, dass die Produktentwicklung innerhalb der vorgegebenen Zeit abgeschlossen und mit dem Bau eines Prototyps begonnen werden konnte.

Bis dahin waren mehr als 120 Simulationen durchgerechnet worden,

... damit die Kupplung später reibungslos funktioniert, so Hopfensitz. „Wir haben zunächst CAD-Prinzipmodelle erstellt, die wir in Simulationen der Umgebungseinflüsse wie Windlast oder Seegang eingesetzt haben.“ Die daraus resultierenden Vorschläge wurden dann mit dem Kunden diskutiert. Am Ende wurde die fertige Entwicklung den Experten von Bureau Veritas in Paris vorgestellt, die das neue System abnahmen.

Da es bisher keine vergleichbaren Lösungen bei dieser hohen Drucklast gab – einzige Inspiration war ein Gerät für wesentlich niedrigere Drücke in einem gänzlich anderen Umfeld – musste die gesamte Konstruktion von Grund auf neu entwickelt werden. Beginnend mit dem Material, über die Form bis zu den Kraftübertragungsmechanismen. „Hätte man das in der herkömmlichen Manier gemacht, also mit mehreren Prototypen im Trial-and-Error-Verfahren, hätte allein die Entwicklung vermutlich ein Jahr gedauert und rund 300.000 Euro gekostet“, schätzt Stolz.

Neue Kupplung schlägt ihre „Krallen“ in den Tankstutzen

Die von Merkle & Partner entwickelte Kupplung ist so angelegt, dass sie mit sechs hydraulischen ‚Krallen’ einen passenden schiffseitigen Gegenflansch umgreift. „Der Flansch hilft bei der Zentrierung des Verladearms“, erklärt Hopfensitz, „und verfügt über einen speziellen Lippendichtring zur Abdichtung, der die nötige Ausblassicherheit mitbringt und auch die tiefen Temperaturen und den hohen Druck unbeschadet übersteht.“ Die aufwändige Konstruktion ermöglicht es, im Verladearm einen Kugelhahn einzusparen.

„Das heißt mehrere Zehntausend Euro und gut 1,5 Tonnen Gewicht weniger“, rechnet der Ingenieur vor. Da die 300 Millimeter breite Kupplung nur am dazugehörigen Flansch andocken kann, ist die Schnellverschlusskupplung nicht mit jedem Schiff kompatibel. Ein aufsetzbarer Adapter könnte hier in Zukunft allerdings das Einsatzgebiet vergrößern.

Für die Praxistests wurde ein spezielles Prüfprogramm

... nach den Anforderungen der OMCIF und des Bureau Veritas erstellt. „Wir haben uns dabei jeweils nach den schärfsten Vorgaben gerichtet“, so Entwicklungsleiter Stolz. Zunächst wurde geprüft, ob die Kupplung auch bei Belastungen, wie sie später am Tanker durch Wind und Seegang entstehen können, dicht bleibt. Selbst wenn eine der Klauen ausgebaut ist, muss das System immer noch zuverlässig schließen. Im Anschluss daran wurde die Anlage mit Wasser auf den geplanten Betriebsdruck von 150 Bar und den maximalen Prüfdruck von 225 Bar gebracht, eine Prozedur, die schließlich noch mal mit Stickstoff wiederholt wurde.

Für den ganzen Vorgang musste auf dem Gelände des Unternehmens in Kirchhain eigens ein Prüfstand eingerichtet und ein großer Teil des umliegenden Industriegebietes evakuiert werden.

Hopfensitz erklärt: „Immerhin geht es hier um enorme Druck- und Kräfteverhältnisse. Hätte die Kupplung versagt, wären tonnenschwere Bauteile gut einen Kilometer weit geschleudert worden.“ Aber das System funktionierte auf Anhieb wie gewünscht und wurde inzwischen nicht nur von Bureau Veritas sondern auch von der traditionsreichen Lloyd’s Register Group in London abgenommen.

Schnellverschlusskupplung erhöht Sicherheit und Arbeitskomfort

Seit Januar 2007 ist jetzt ein Verladearm mit der neuen Kupplungskonstruktion in einem Terminal im englischen Middlesbrough im Einsatz. Zwei weitere wurden bereits ausgeliefert, einer davon nach Kuwait.

„Bisher haben wir nur positive Resonanz auf das System“, berichtet Stolz. Er sieht den großen Vorteil der neuen Kupplung in der erhöhten Sicherheit, die das innovative Nottrennsystem für den Gefahrenbereich LNG-Tanker bietet. Sollte eine Nottrennung erforderlich werden, schließen sich die Kugelhähne am Flansch und hinter der Kupplung. Das zwischen beiden Ventilen verbliebene Gas wird im Blowdown innerhalb von acht Sekunden ausgestoßen, danach öffnet sich die Kupplung in zwei Sekunden soweit, dass der Flansch völlig freigegeben wird. Nach der Trennung ist die Verladekonstruktion sofort wieder einsetzbar.

Die langen Wartezeiten der herkömmlichen Systeme, bis der abgetrennte Teil des Verladearms geborgen und wieder mit dem Rohrsystem verbunden ist, entfallen dadurch. „Was sich ebenfalls bemerkbar macht, ist ein deutlich verbesserte Komfort beim Anschließen am Schiff“, ergänzt der Forschungsleiter. Während bisher schwere Schrauben mit elektrischem Spezialwerkzeug festgezogen werden mussten, und das im Explosions-gefährdeten Bereich, übernimmt jetzt die Hydraulik die Fixierung der Kupplung. Eine Arbeit, die früher gut eine Stunde dauerte, ist damit in einer Minute erledigt.

(ID:256687)