Definition Was ist eigentlich ein Sicherheitsventil?

Quelle: konstruktionspraxis

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Es gibt wohl kaum einen Industriezweig, der auf Sicherheitsventile verzichten kann. Zu den Haupttypen sogenannter Druckentlastungseinrichtungen gehören federbelastete Sicherheitsventile und pilotgesteuerte Sicherheitsventile, auf die sich dieser Beitrag konzentrieren wird. Wie Sicherheitsventile aufgebaut sind und wie sie funktionieren, lesen Sie hier.

Es gibt zwei Haupttypen von Sicherheitsventilen. Federbelastete Sicherheitsventile (li.) und pilotgesteuerte Sicherheitsventile (re.).
Es gibt zwei Haupttypen von Sicherheitsventilen. Federbelastete Sicherheitsventile (li.) und pilotgesteuerte Sicherheitsventile (re.).
(Bild: Leser GmbH & Co. KG)

Sicherheitsventile sind Sicherheitsarmaturen, die einen unzulässigen Überdruck in geschlossenen Systemen wie Rohrleitungen oder Behältern verhindern sollen. Als Schutzvorrichtung sind Sicherheitsventile daher, neben anderen Sicherheitseinrichtungen, die letzte Absicherung. Aus diesem Grund muss sichergestellt sein, dass ein Sicherheitsventil zu jeder Zeit und unter allen denkbaren Bedingungen betriebsfähig ist. Ein Sicherheitsventil darf in diesem Zusammenhang weder als Regelventil, noch als Druckminderer eingesetzt werden, da es nur einem Zweck dient: dem Schutz vor Überdruck.

Ein Sicherheitsventil sollte – egal welche Funktionsweise zugrunde liegt – nur einem Zweck dienen: Schutz vor Überdruck.
Ein Sicherheitsventil sollte – egal welche Funktionsweise zugrunde liegt – nur einem Zweck dienen: Schutz vor Überdruck.
(Bild: Leser GmbH & Co. KG)

Die Einteilung von Sicherheitsventilen als Druckentlastungseinrichtungen erfolgt nach „wiederverschließbarer Einrichtung“ und „nicht wiederverschließende Einrichtung“, wobei hier auf den darunterliegenden Ebenen zwischen dem Belastungsprinzip und der Funktion der Ventile unterschieden wird. Nicht wiederverschließende Einrichtungen können sowohl aus einer Berstscheibe oder aus einer sogenannten Pin-actuated Einrichtung bestehen.

Sicherheitsventile als wiederverschließende Einrichtung

Gemäß der Einteilung konzentriert sich dieser Grundlagenbeitrag jedoch auf Sicherheitsventile als „wiederverschließende Einrichtungen“, die wiederum in „direkt belastet“ und „gesteuert“ untergliedert sind. Direkt belastete Sicherheitsventile können entweder aus federbelasteten oder gewichtsbelasteten Einheiten bestehen, wobei hier gemäß ihrer Funktion unterschieden wird (AD 2000-Merkblatt) in:

  • Vollhub-Sicherheitsventile,
  • Normal-Sicherheitsventile und
  • Proportional-Sicherheitsventile.

Vollhub- und Normal-Sicherheitsventile werden hauptsächlich bei kompressiblen Medien (Dämpfen, Gase) eingesetzt, während Proportional-Sicherheitsventile primär für den Einsatz bei inkompressiblen Medien (Flüssigkeiten) vorgesehen sind.

Zu den gesteuerten Sicherheitsventilen als wiederverschließbare Einrichtung zählen gesteuerte Sicherheitsventileinrichtungen (CSPRS) und pilotgesteuerte Sicherheitsventile, die gemäß ihrer Funktionsweise durch sich schlagartig öffnende Sicherheitsventile („Pop-action“) und proportional öffnende Sicherheitsventile („modulierend“) charakterisiert sind.

Wie bereits betont, beschäftigt sich dieser Beitrag im Schwerpunkt mit den beiden Haupttypen von Sicherheitsventilen, den federbelasteten Sicherheitsventilen (direkt belastet) und pilotgesteuerten Sicherheitsventilen als gesteuerte wiederschließende Druckentlastungseinrichtungen.

Wodurch entsteht Überdruck?

Es gibt eine ganze Reihe an Gründen, warum Druck in einem Behälter oder System eine festgelegte Obergrenze überschreitet. Einen detaillierten Überblick zu den häufigsten Gründen liefert der API Standard 521/IOS 23251, Abschnitt 4:

  • Blockierte Leitung,
  • externes Feuer, auch „Brandfall“ genannt,
  • thermische Expansion,
  • chemische Reaktion,
  • Rohrbruch bei Wärmetauschern,
  • Störung des Kühlungssystems.

Jedes dieser Ereignisse kann entweder einzeln und somit für sich genommen auftreten oder aber in Kombination stattfinden. Jeder Überdruckfall ist gekennzeichnet durch unterschiedliche zu entlassende Massen- oder Volumenströme, etwa kleinere Massenströme bei thermischer Expansion und größere Massenströme im Falle von chemischen Reaktionen.

Allgemeine Funktionsweise von federbelasteten Sicherheitsventilen

Die wesentlichen Bestandteile eines federbelasteten Sicherheitsventils sind der Ventilsitz, der Ventilteller, eine Spindel, eine Feder sowie eine Druckschraube. Im Folgenden wird die Funktionsweise dieser Komponenten bei einem geschlossenen, einem geöffneten und wieder schließendem Ventil näher erläutert.

Die wesentlichen Bestandteile eines federbelasteten Sicherheitsventils sind der Ventilsitz, der Ventilteller, eine Spindel, eine Feder sowie eine Druckschraube.
Die wesentlichen Bestandteile eines federbelasteten Sicherheitsventils sind der Ventilsitz, der Ventilteller, eine Spindel, eine Feder sowie eine Druckschraube.
(Bild: Leser GmbH & Co. KG)

Geschlossenes Ventil

Ein geschlossenes federbelastetes Sicherheitsventil bringt die Schließkraft oder Federkraft durch die spiralförmige Feder auf, die durch eine Einstellschraube (Druckschraube) zusammengedrückt wird. Die Federkraft wird hierbei über die Spindel auf den Teller übertragen. Dieser Teller schließt gegen die Sitzbuchse, solange die Federkraft größer ist als die Kraft, die durch den Druck am Eintritt des Ventils entsteht.

Öffnendes Ventil

Bei einem Störungsfall muss das Ventil bei einem festgelegten Ansprechdruck öffnen. Die Federkraft wirkt in Schließrichtung und die Kraft, die durch den Druck am Eintritt des Sicherheitsventils entsteht, wirkt in Öffnungsrichtung. Beim Ansprechdruck sind diese beiden Kräfte ausgeglichen. Daher gibt es keine resultierende Kraft aus Richtung der Feder, um den Teller auf dem Sitz zu halten.

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Konkret bedeutet das, dass der Druck unter dem Ventil über den Ansprechdruck steigen muss, bevor das Ventil einen erkennbaren Hub erreicht. Als Ergebnis der Beschränkung des Stroms zwischen dem Teller und dem Einstellring baut sich in der Druckkammer unterhalb vom Teller Druck auf, der nun auf einen vergrößerten Tellerbereich wirkt. Dies steigert die Kraft, die durch den Druck am Ventileintritt entsteht, sodass die zusätzliche und für das Zusammendrücken der Feder benötigte Federkraft überwunden wird. Das Ventil öffnet dann entweder hörbar oder aber in den meisten Fällen mit einem deutlich erkennbaren Hub.

Der Begriff Überdruck beschreibt demnach einen Druckanstieg über den Ansprechdruck, der für das Sicherheitsventil notwendig ist, um zertifizierten Hub und zertifizierte Leistung zu erreichen.

Der Überdruck wird gewöhnlich als Prozentsatz des Ansprechdrucks dargestellt, wobei Richtlinien und Normen die Grenzen für den maximalen Überdruck vorschreiben. Ein typischer Wert ist zehn Prozent und bewegt sich zwischen drei Prozent und 21 Prozent, je nach Norm und Anwendung.

Wieder schließendes Ventil

Zu Beginn des Beitrags wurde erklärt, dass federbelastete Sicherheitsventile zu den wiederschließenden Druckentlastungseinrichtungen gehört.

In den meisten Anwendungen vermindert ein richtig ausgelegtes Ventil den Druck in einem Behälter oder einer Leitung, wenn das entsprechende Medium abgelassen wird. Folglich wird der Druck im Behälter bzw. der Leitung sinken und sich damit die Kraft, die durch den Druck am Eintritt des Ventils entsteht, reduzieren. Beim Ansprechdruck wirkt jedoch der Massen- oder Volumenstrom noch auf die vergrößerte Tellerfläche, wodurch das Ventil weiterhin geöffnet bleibt. Daher muss der Druck so weit reduziert werden, bis die Federkraft erneut größer ist als der Prozessdruck, also der Druck am Ventileintritt, damit das Sicherheitsventil wieder schließen kann. Beim Schließdruck sitzt der Teller wieder auf der Sitzbuchse und das Sicherheitsventil ist erneut geschlossen. Die hierfür erforderliche Druckabsenkung ist der Unterschied zwischen Ansprechdruck und Schließdruck eines Sicherheitsventils und wird als Prozentsatz vom Ansprechdruck ausgedrückt. Dieser Wert bewegt sich je nach Regelwerk und Anwendung (Dampf, Gas, Flüssigkeit) von minus vier Prozent bis –20 Prozent.

Allgemeine Funktionsweise von pilotgesteuerten Sicherheitsventilen

Pilotgesteuerte Sicherheitsventile setzen sich im Wesentlichen aus einer Sitzbuchse (Ventilsitz) einem Teller, einem Hauptventil mit einem darüberliegenden Domraum und einem Pilotventil zusammen, dem im Hinblick auf die Funktionsweise des Ventils eine besondere Bedeutung zukommt, wie noch deutlich wird.

Pilotgesteuerte Sicherheitsventile setzen sich im Wesentlichen aus einer Sitzbuchse (Ventilsitz) einem Teller, einem Hauptventil mit einem darüberliegenden Domraum und einem Pilotventil zusammen.
Pilotgesteuerte Sicherheitsventile setzen sich im Wesentlichen aus einer Sitzbuchse (Ventilsitz) einem Teller, einem Hauptventil mit einem darüberliegenden Domraum und einem Pilotventil zusammen.
(Bild: Leser GmbH & Co. KG)

Pilotgesteuerte Sicherheitsventile begrenzen den Druck in einem System, indem der auftretende Überdruck durch das Öffnen des Hauptventils ausglichen wird. Solche Ventile sind eigenmediumgesteuert und wie bei allen mediumbelasteten Sicherheitsventilen wirken hier die gleichen Drücke auf den beiden Seiten des Dichttellers. Durch unterschiedlich große Flächen wirkt jedoch eine größere Kraft in Schließrichtung.

Um eine eigenmediumgesteuerte Funktionsweise zu erreichen, wird Systemdruck über die Druckentnahmeleitung zum Pilotventil, der Steuerkomponente für das Hauptventil, geführt. Das Pilotventil nutzt den Domraum oberhalb des Hauptventilkolbens zum Öffnen und Schließen des Hauptventils. Es gibt zwei verschiedene Arten von pilotgesteuerten Sicherheitsventilen, deren Unterschiede im Öffnungsverhalten liegen (Pop-action und modulierend), wie bereits zu Beginn des Beitrags zu den gesteuerten wiederverschließenden Einrichtungen erläutert.

Im Grunde lässt sich die Funktionsweise von pilotgesteuerten Sicherheitsventilen durch vier Betriebszustände beschreiben.

Bildergalerie

Normalbetrieb (Unterhalb des Ansprechdrucks)

Im normalen Betriebszustand wird der Systemdruck am Haupteintritt des Ventils abgenommen und zum Dom geleitet.

Ansprechen (bei Ansprechdruck)

Bei Ansprechdruck schaltet das Pilotventil, wobei der Medienstrom nicht weiter in den Dom geleitet wird.

Öffnen des Hauptventils

Das Hauptventil öffnet, wobei es je nach Bauart des Pilotventils schlagartig und vollständig (Pop-action) oder proportional und graduell (modulierend) entsprechend dem Systemdruck öffnet.

Wiederschließen des Ventils (Auffüllen des Doms bei Schließdruck)

Fällt nach dem Öffnen des Hauptventils der Systemdruck unter den Schließdruck, schaltet das Pilotventil und leitet das Medium wieder in den Domraum, wodurch sich dort der Systemdruck aufbaut. Infolgedessen schließt das Hauptventil wiederum je nach Bauart des Pilotventils schlagartig (Pop-action) oder proportional (modulierend) zum Systemdruck.

Der Beitrag basiert hauptsächlich auf Informationen der Firma Leser GmbH & Co. KG

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Bei der Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

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