Neuer Kugelhahn für 15 000 psi macht`s möglich 1

AGI Packaged Pump Systems baut für viele große Ölkonzerne Anlagen zur Chemikalieneinspritzung. Sie müssen beispielsweise auf Ölplattformen ihre Leistungsfähigkeit beweisen. Bei zwei neuen Anlagen waren Drücke bis zu 15 000 psi, also 1034 bar, gefordert. Das Unternehmen nahm die Herausforderung an – und konnte sie dank neuer Kugelhähne von Swagelok auch meistern. Unternehmen, die Anlagen für die Chemikalieneinspritzung für Anwendungen mit mittleren Drücken (bis 15 000 psi) entwickeln und herstellen, haben bislang enorme technische Hürden zu überwinden. Die beiden Hauptschwierigkeiten haben mit maßgeblichen Fluidtechnik-Komponenten zu tun. Das sind die Instrumentenkugelhähne und Endanschlüsse zur Verwendung von SAF 2507-Rohren.

Von Instrumentenkugelhähnen ist bekannt, dass sie unter bestimmten Umständen im Druckbereich bis 1034 bar am Sitz undicht werden. Der Grund: Nach dem Abdichten bei hohem Druck haben sie Schwierigkeiten bei niedrigem Druck neu abzudichten, besonders dann, wenn der Druck im System langsam aufgebaut wird. Schließlich kommt hinzu: Die Endanschlüsse für die Hähne bieten eine besondere Herausforderung, wenn das erforderliche Rohr aus SAF 2507 besteht.

Dahinter steht ein korrosionsbeständiger Werkstoff, der in vielen aggressiven, chloridhaltigen Umgebungen eingesetzt wird. Bis vor kurzem gab es keine einfachen, benutzerfreundlichen, mechanischen Klemmring-Rohrverschraubungen für SAF-2507-Rohre auf dem Markt, die mit Drücken bis 1034 bar klarkommen. Für solche Anwendungen musste sich die Industrie auf Verschraubungen mit Gewindekonus verlassen, die anfällig für Leckagen sowie schwierig zu montieren sind.

AGI Packaged Pump Systems ist ein Unternehmen, das Anlagen für die meisten großen Ölkonzerne herstellt und sehr vertraut ist mit den Herausforderungen bei Instrumentenkugelhähnen und Endanschlüssen für SAF-2507-Rohre. Als AGI schließlich einen Auftrag für den Bau von zwei Anlagen für mittlere Drücke mit SAF-2507-Rohren annahm (eine Anlage zur Chemikalieneinspritzung und eine zur Methanoleinspritzung), suchte man nach einem Unternehmen, das für die Fluidtechnik-Komponenten neue Lösungen anbieten konnte.

AGI führt Betatest mit Kugelhahn durch

Swagelok hatte den Kugelhahn der Serie FKB mit einer neuen Technologie, durch die der Kugelhahn zuverlässig über den gesamten Druckbereich bis 15 000 psi abdichten und absperren kann, entwickelt – aber noch nicht auf den Markt gebracht. AGI bot sich schließlich als Partner an und war bereit, einen Betatest mit dem Kugelhahn durchzuführen und konzipierte dazu obendrein noch eine Testvorrichtung, um den Hahn auf Herz und Nieren zu prüfen.

Letztendlich wurden hier Bedingungen simuliert, wie sie an einer Anlage zur Methanoleinspritzung für die Tiefseeerforschung auftreten. Diese Kugelhahn-Konstruktionen werden in Bedienelementen für Bohrlöcher oder an Bohrinseln verwendet, um den großen Bohrloch-Sicherheitsabsperrventilen am Untersee-Bohrloch Hydraulikdruck zuzuführen. Aufgrund der Tiefe der Bohrlöcher sind Drücke bis 15 000 psi erforderlich.

Diese Kugelhähne kommen außerdem an Hydraulikgeräten zum Einsatz, die für den Hydraulikdruck für den Plattformbetrieb sorgen. Gar keine Frage, bei all diesen Applikationen sind Leckagen ein ernst zu nehmendes Problem. Denn die unter Druck stehenden Medien sind oft brennbar. Ein anderes Problemfeld der Anlagenbauer ist die Vibration. Ein Fitting muss vibrationsbeständig sein, nicht nur während des Betriebs auf der Plattform, sondern auch beim Transport zur Plattform.

AGI fand eine Lösung in Swageloks mechanischer Klemmring-Rohrverschraubung für Anschlüsse bei mittlerem Druck an SAF-2507-Rohre. Die Verschraubung enthält zwei Klemmringe. Sowohl der vordere, als auch der hintere Klemmring erfassen das Rohr bei derMontage.

Diese sichere Rohrerfassung ermöglicht Arbeitsdrücke bis 15 000 psi. SAF 2507 ist bedeutend härter als Edelstahl der Serie 300 und hat eine Rockwell-C-Härte von bis zu 32 (HV 318), im Vergleich zu Edelstahl AISI 316 und 304, welches eine Rockwell-B-Härte von 90 oder weniger (HV 185) hat. Der Betatest des Kugelhahns durch AGI offenbarte, dass der Hahn zuverlässig und wiederholt über den gesamten Druckbereich bis 15 000 psi abdichtet.

Die Effektivität des Hahns lässt sich auf eine zum Patent angemeldete Federungstechnologie mit der Bezeichnung „Direktlasttechnologie“ zurückführen. Ein Kugelhahn dichtet durch den Kontaktdruck zwischen der Kugel und den Sitzen.

Eine der größten Herausforderungen bei der Konzeption eines Kugelhahns ist herauszufinden, wie die ausreichende Kraft zum Herstellen dieses Kontaktdrucks erzeugt werden kann. Wenn die Kraft an irgendeinem Punkt im Druckbereich zu gering ist, ist das Ventil undicht. Ist die Kraft zu groß, lässt sich der Hahn schwer betätigen und seine Lebensdauer kann sich verringern.

Wenn mit der Schummelstange gearbeitet wird

Per Feder lässt sich beispielsweise Kraft erzeugen. Das bezieht sich auf eine Feder, die irgendwo zwischen Endschraube und Sitz passt. Normalerweise drückt die Feder gegen einen Sitzträger, die Vorrichtung, die den Sitzt hält und für den idealen Kontakt mit der Kugel positioniert. Federbelastung ist insbesondere für 3-Wege-Hähne wichtig, wo die Dichtkraft nur vom stromaufwärts gelegenen Sitz geliefert wird.

Eine andere Quelle für die Dichtungskraft ist der Systemdruck selbst. Hähne, die nicht federbelastet sind, können ganz vom Systemdruck abhängen, um die Kraft zwischen der Kugel und dem stromabwärts gelegenen Sitz zu erzeugen. In diesem Fall kann die Dichtkraft im oberen Druckbereich angemessen, im unteren Druckbereich jedoch nicht ausreichend sein. Nachdem der Sitz bei hohem Druck zusammengepresst wurde, kann die Abdichtung bei geringeren Drücken schwierig sein.

Der Sitzwerkstoff hat möglicherweise nicht die Eigenschaft, seine ursprüngliche Form wieder anzunehmen. Daher kann es sein, dass die Kraft bei niedrigem Systemdruck und ohne Federn nicht ausreicht, um die Dichtwirkung zu erzeugen. In solchen Fällen zieht ein Techniker die Endschrauben möglicherweise fester an, um Leckagen zu verhindern. Das behebt vielleicht das unmittelbare Problem, aber mit einer unbeabsichtigten Konsequenz: Der Hahn lässt sich schwer betätigen, besonders bei hohem Druck.

Als Resultat muss der Techniker zur Betätigung des Hahns bei hohem Druck eventuell eine „Schummelstange“ verwenden – eine Stange zum Verlängern der Griffe, um eine größere Hebelwirkung zu erzeugen. Konventionelle Hähne mit Problemen Aber auch bei konventionell konstruierten, federbelasteten Kugelhähnen kann es zu Problemen mit der Abdichtung im niedrigen Druckbereich (<5000 psi) kommen.

Der Hahn erzeugt vielleicht anfänglich durch die von den Federn erzeugte Kraft eine gute Abdichtung. Aber wenn der Systemdruck die Federn wirkungslos macht, ist der Dichtungsdruck unter Umständen nicht mehr ausreichend. Wenn der Systemdruck und die Federn so angeordnet sind, dass sie nacheinander agieren, kommt es an bestimmten Punkten im Druckbereich zu keiner Abdichtung. Beim Swagelok-Kugelhahn der Serie FKB wirken diese beiden Kräfte – Systemdruck und Federn – an separaten Punkten am Sitzträger.

Daher tragen beide zur Gesamtabdichtungskraft bei. Diese Art der Federbelastung wird als Direktbelastung bezeichnet. Eine weitere Herausforderung bei der Konstruktion von Kugelhähnen für mittlere Drücke hat mit der Ausrichtung des Griffs zu tun.

In manchen Fällen verhindern in der Nähe angeordnete Komponenten, dass Griffe mit 90-Grad-Drehung entsprechend betätigt werden können. Die Aufgabe bestand darin, einen Griff zu schaffen, der in jedem der vier Quadranten positioniert werden kann, sodass ein Techniker ihn neu positionieren kann, ohne den Hahn ausbauen und die Hahnbefestigungen modifizieren zu müssen.

Erreicht wurde das durch die Einführung einer Anschlagplatte zwischen Griff und Hahnkörper. Die Anschlagplatte kann neu positioniert werden, wodurch sich die Ein- und Aus-Stellung in 90-Grad-Schritten verändern lässt. An den beiden von AGI gefertigten Anlagen befanden sich insgesamt 36 Kugelhähne und 452 Rohrverschraubungen. Es wurden alle Rohrverschraubungen und die Betätigung der Hähne überprüft.

Es traten nirgendwo an den Anlagen Leckagen auf. Die Kugelhähne der Serie FKB und die Endanschlüsse sparten AGI viel Zeit und Kosten bei der Fertigung und Endprüfung der Anlagen. Die zwei neuen Anlagen sind auf Ölplattformen im Golf von Mexiko im Einsatz.

www.swagelok.de