Ventil

Optimale Nutzung von Forschungs- und Entwicklungsmöglichkeiten

Nach mehreren Jahren außergewöhnlichen Wachstums der weltweiten Nachfrage nach Industrieprodukten, insbesondere des Öl- und Gassektors, bietet eine Phase gebremster Konjunktur eine gute Gelegenheit, die Entwicklung neuer Produkte für die Zukunft voranzutreiben.
 
Paul Root und Hans Gustorf geben einen Einblick in die Entwicklungstätigkeiten von Goodwin und Noreva und erläutern die Entstehung neuer Produkte.

Von Paul Root, Director, Goodwin International, & Hans Gustorf, Sales Director, Noreva GmbH

Aus den aktuellsten Entwicklungstätigkeiten ist eine Palette axialer Hochleistungsventile, die zur Absperrung und Regelung geeignet sind und im Werk Goodwin International in Stoke-on-Trent, England, entwickelt wurden, hervorgegangen. Im Werk Noreva in Mönchengladbach wurde außerdem ein axiales Rückschlagventil für anspruchsvolle Anwendungen mit niedrigem Gasdurchfluss entwickelt. Dabei ist uns die Bedeutung, die dem Schutz der Rechte des geistigen Eigentums zukommt, sehr bewusst. Entsprechend wurden mehrere Patentanmeldungen mit innovativen Konstruktionsmerkmalen für jedes neue Ventil eingereicht.

Axiale Absperrventile

Seit ungefähr 50 Jahren werden in der Öl- und Gasindustrie Axialventile eingesetzt. In mehreren Bereichen sind Axialventile den Durchgangsventilen, Schieberventilen und dem Kugelhahnventilen überlegen, denn sie bieten folgende Vorteile:

Zuverlässige Absperrleistung und Langlebigkeit
Geringer Druckverlust im Ventil
Geringe Verwirbelung
Niedrige Betätigungskräfte
Schnelles gedämpftes Schließen
Hohe Zuverlässigkeit und lange Wartungsintervalle

Vollständig geöffnete axiale Absperrventile lassen sich innerhalb von zwei Sekunden vollständig schließen und bieten auch nach vielen Jahren Betriebsdauer noch sehr niedrige Leckraten. Die Anordnung der Hauptdurchflussventile außerhalb des Strömungswegs im geöffneten Ventil ist das Schlüsselmerkmal, das gewährleistet, dass die Ventile einwandfrei arbeiten, in gutem Zustand erhalten bleiben und sich bei Bedarf schnell schließen lassen. Ein schneller Ventilverschluss wird
durch niedrige Betätigungskräfte erreicht, folglich sind nur kleine Stellantriebe erforderlich. Druckausgleich im Ventilmechanismus bedeutet, dass die Dichtungs- und mechanische Reibung die signifikanten Faktoren sind. Dies bietet den zusätzlichen Nutzen, dass die Lebensdauer des Ventils erhöht wird.

Das axiale Fließprinzip induziert geringe Verwirbelungen beim Durchfluss des Mediums durch das Ventil. Beim Austritt aus dem Ventil stabilisieren sich die Strömungsverhältnisse wesentlich schneller als bei vergleichbaren Durchgangsventilen. Dadurch erhöht sich die Leistung und Langlebigkeit der nachgeschalteten Ausrüstungen und Rohrleitungen. Die nach der neuen Konzeption konstruierten Ventile wurden umfangreichen Belastungsprüfungen in dem in der Firma eigens entwickelten und hergestellten hydraulischen Versuchskreislauf unterzogen.

Dreiteiliger Gehäusekörper

Die Ventilkörper der meisten an die Öl- und Gasindustrie ausgelieferten Axialventile bestehen aus einem einzigen Gussteil. Das Gussverfahren für einen einteiligen Ventilkörper ist eine Herausforderung und verursacht unnötig hohe Stückkosten, lange Lieferzeiten und in vielen Fällen unvollständigen Zugang für zerstörungsfreie Prüfungen. Mit einer neu entwickelten dreiteiligen Ventilkörperkonstruktion können wir auf alle diese Schwachpunkte reagieren. Die standardmäßigen, feuersicheren Primär- und Sekundärdichtungen ermöglichen den Einsatz von geschmiedeten Werkstoffen zur Herstellung von druckführenden Bauteilen, außerdem können die Ventile mit ungleichen Ein- und Auslassanschlüssen konstruiert werden.

Der am häufigsten verwendete Mechanismus zum Betrieb der Axialventile der Wettbewerber besteht aus einer unkonventionellen, verschiebbaren Zahnstangenanordnung. Die Verzahnungen der vertikalen und horizontalen Zahnstangen sind bei 45 Grad abgetrennt, folglich wird die vertikale lineare Bewegung in eine horizontale lineare Bewegung umgewandelt, die das Ventil öffnet und schließt. Der Schwachpunkt dieser althergebrachten Konstruktion ist die Verschleißanfälligkeit. Natürlich gibt es Verfahren, die dem entgegenwirken und auf einer Erhöhung der Oberflächenhärtung basieren. Nichtsdestotrotz führt die langfristige Abnutzung zum Verschleiß der Gleitflächen, wobei unvorhersehbare Abnutzung und Festfressen problematisch werden können.

Unsere Axialventile wandeln durch einen Zahnstange-Ritzel-Zahnstange-Mechanismus vertikale lineare Bewegungen in horizontale lineare Bewegungen um. Die Konstruktion wurde entwickelt, um der Gefahr des Festfressens vorzubeugen und gleichzeitig eine hohe Präzision und höchste Ausfallsicherheit beizubehalten. Das Prinzip des Wälzgetriebe-Mechanismus hat sich bewährt und ist weitgehend als robuste und verschleißbeständige Lösung anerkannt.

Axiale Regelventile

Das axiale Regelventil profitiert von den umfangreichen Belastungstests, die an den Absperrventilen durchgeführt wurden, da die internen Mechanismen und Dichtungssysteme identisch sind. Der Ventilkörper mit axialem Durchfluss eignet sich besonders für den Einsatz als Regelventil, da durch den Ventilkörper selbst nur minimaler Druckverlust auftritt. Der Vorteil dabei ist, dass durch diese Regelventil-Variante der Druckabfall nahezu vollständig über das Ventil geregelt werden kann. Besonders bei Durchgangsventilen treten durch die Ventilkörper-Geometrie beträchtliche feste und unkontrollierbare Druckverluste auf.

Während der Konstruktionsphase wurden umfangreiche CFD-Simulationen mit unterschiedlichen Konfigurationen und Installationsbedingungen für das Ventil und die Ventilinnenteile durchgeführt. So erhielt man gute Anhaltspunkte, die die Konstruktion beeinflusst haben, die jedoch nicht als Ersatz für die physikalischen Prüfungen der installierten Ventile dienten.

Im Werk wurde ein Prüfstand nach IEC 60534 konstruiert und hergestellt. Damit wurden die neuen Ventil- und Innenteil-Konstruktionen umfangreichen Prüfungen unterzogen. Zweck dieser Prüfungen war es, die präzise Bestimmung der Ventilabmessungen zu erleichtern, die akustischen Eigenschaften des installierten Ventils zuverlässig im Voraus zu bestimmen und die Regelventil-Software zu kalibrieren. Die akustische Leistung von Regelventilen ist bekanntermaßen schwer präzise vorherzusagen. Es gibt keinen Ersatz für detaillierte, methodische Ventilprüfungen, daher können sich Kunden auf die Leistung dieser neuen Produkte verlassen.

Wir verfügen über ein eigenes hochqualifiziertes Software-Entwicklungsteam, das eine maßgeschneiderte Regelventil-Auslegungssoftware gemäß der IEC 60534 konzipiert und entwickelt hat. Durch die Auswahl und Auslegung von maßgeschneiderten Ventil-Innenteilen anhand der Kundenanforderungen können wir präzise und schnelle Reaktionszeiten durch umfangreiche Prüfungen sicherstellen.


Axiale Rückschlagventile von Noreva

Ein häufiges Problem bei der Auslegung von Kompressor-Stationen besteht darin, dass im Rückschlagventil auf der Austrittsseite des Kompressors ein gewisser Durchfluss stattfinden muss, damit es dauerhaft vollständig geöffnet ist. Nur bei vollständig geöffneten Ventilen ist ein stabiler Betrieb gewährleistet. Rückschlagventile, die in nur teilweise geöffnetem Zustand betrieben werden, sind anfällig für übermäßige Abnutzung und Verschleiß.

Bei nichtaxialen Rückschlagventilen (Rückschlagklappe, Kippscheibe, Doppelflügel usw.) ist das Risiko des Klapperns bei niedrigem Durchfluss am größten. Die bevorzugte Lösung ist die Installation von axialen schlagfreien Düsenrückschlagventilen. Axiale Rückschlagventile sind für den Betrieb bei partieller Öffnung wesentlich besser geeignet, es wird jedoch empfohlen, sie bei allen Strömungsverhältnissen vollständig zu öffnen.

Historisch gesehen gab es zwei Basiskonstruktionen für axiale schlagfreie Düsenrückschlagventile: eines mit einem einzigen Zentralstößel und eines mit einem Ringteller. Die Zentralstößel-Konstruktion mit einer soliden Scheibe wird zentral geführt und wird von einer einzigen Feder bewegt. Für diese Ventilkonstruktionen ist eine sehr starke Feder zur Überwindung der Reibung zwischen der Führungsbuchse und dem Tellerstößel erforderlich, da der Schwerpunkt an der Scheibe und folglich außerhalb des Führungsbereichs liegt.

Der Ringteller hat ein reibungsfreies, radiales Führungssystem mit mehreren Federn. Ventile dieses Konstruktionstyps benötigen ebenfalls starke Federn, die den Teller in die korrekte Sitzposition schieben. Die reibungsfreien, radialen Führungen haben konstruktionsbedingt größere Toleranzen, dies bedeutet, dass der Teller bei langsamem Schließen in eine dezentrale Position geraten kann.

Um bei beiden Konstruktionen zu gewährleisten, dass die Ventile bei niedrigem Durchfluss vollständig geöffnet sind, muss oft die Ventilgröße reduziert werden, damit die Durchflussgeschwindigkeit und folglich der Druckverlust im Ventil erhöht werden. Wir haben die besten Kenndaten beider bewährter Ventilkonstruktionen kombiniert, um eine neue, weltweit patentierte Ventilkonstruktion auf den Markt zu bringen.

Das schlagfreie, axiale NZ-Düsenrückschlagventil bietet einen vollständig ausbalancierten Ringteller, der leicht auf einer zentralen Führungsbuchse gleitet. Der Ringteller des NZ-Ventils ist leicht und der Schwerpunkt des Lagerbereichs ist präzise ausgerichtet. So wird das Biegemoment ausgeschaltet und die Reibung signifikant reduziert. Die Kombination von reduzierter Reibung mit dem geringen Tellergewicht führt zu einer signifikant geringeren Federbelastung und einer vollständigen Öffnung des Ventils selbst bei extrem niedrigen Durchflussraten. Ein regulierbarer Längen-Abstandshalter ermöglicht es, dass das NZ-Ventil so ausgelegt werden kann, dass es bei niedrigsten Durchflussraten und verschiedenen Anwendungen vollständig geöffnet ist. Aufgrund des sehr kurzen Ventilhubs weist das NZ-Ventil außergewöhnlich dynamisches Verhalten auf und arbeitet selbst unter Teilstrombedingungen stabil. Das NZ-Ventil steht in Hersteller-Standardbaulänge, in kurzen oder API6D-Baulängen und zur Nachrüstung für die meisten axialen Noreva/Goodwin-Düsenrückschlagventile zur Verfügung.

Darstellung des axialen Rückschlagsventils
Darstellung des axialen Rückschlagsventils

Über die Autoren

Paul Root ist Director bei Goodwin International und verantwortlich für die Entwicklung und Einführung der axialen Absperr- und Regelventile. Die Abdeckung sämtlicher Aspekte vom Entwicklungsprozess bis zu Herstellung und Verkauf der neuen Produkte ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Bevor er zu Goodwin kam war Root elf Jahre für das Auslandsgeschäft des Stellantriebe-Herstellers Rotork zuständig und dort in Führungspositionen angestellt.

Hans Gustorf ist Sales Director der Noreva GmbH. 1991 trat er in die Mannesmann-Armaturensparte ein und bekleidete eine Reihe von Schlüsselpositionen beim Erfinder des axialen Düsenrückschlagventils. Als Verantwortlicher für Projektierung, Qualitätsmanagement und den Vertrieb war Hans Gustorf im Jahr 2001 einer der Firmengründer von Noreva.

 

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