Ein Kugelhahn besitzt eine kugelförmige Scheibe zum Öffnen und Schließen des Flüssigkeitsstroms. Sie sind der Industriestandard für Absperranwendungen in Rohrleitungen, da ihre Konstruktion eine sehr dichte und leckagefreie Abdichtung auch nach jahrelangem Betrieb gewährleistet. Die beiden Haupttypen von Kugelhähnen sind die schwimmende und die Zapfenausführung (mit seitlichem oder oberem Eintritt). Das Gehäuse kann gegossen oder geschmiedet und monolithisch oder geteilt (in 2 oder 3 Teilen) sein. Die API 6D und ASME B16.34 sind die wichtigsten Spezifikationen.
WAS IST EIN KUGELVENTIL?
Kugelventile sind wichtige Vorrichtungen zum Absperren und Regulieren des Durchflusses einer Flüssigkeit (Öl, Gas, Dampf usw.) in der petrochemischen Industrie.
VORTEILE UND NACHTEILE VON KUGELVENTILEN
Dieser Ventiltyp hat die folgenden Vorteile:
- Sie lassen sich mit einer Vierteldrehung schnell öffnen und schließen
- Sie gewährleisten eine sehr dichte Abdichtung, ohne dass hohe Drehmomente erforderlich sind
- Sie haben eine kompakte Bauweise (dies ist der Hauptunterschied zwischen einem Kugelhahn und einem Schieberventil – die beide Auf/Zu-Vorrichtungen sind)
Die Nachteile sind:
- Das Ventil hat schlechte Regel- und Drosseleigenschaften, da es für die Absperrung der Rohrleitung und nicht für die Modulation des Durchflusses konzipiert ist (dies ist eine ideale Funktion für Durchgangsventile): Die Drosselung führt dazu, dass der teilweise freiliegende Sitz aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit und des Drucks, denen das Ventil ausgesetzt ist, erodiert. Der Verschleiß kann zu einer fortschreitenden Undichtigkeit des Ventils führen.
- Das Ventil kann nicht für Schlämme verwendet werden, da die Ansammlung von Schwebstoffen und Ablagerungen das Ventil undicht machen würde. Diese Partikel können sich in den Hohlräumen in der Nähe der Kugel und Sitze verfestigen. Kugelhähne sind sehr viel effizienter bei Gasen und anderen flüssigen Flüssigkeiten (sogar bei schwierigen Chemikalien wie trockenem Chlor, Flusssäure oder Salzsäure und Sauerstoff).
- können schwer zu reinigen sein (außer bei der Ausführung mit oberem Eingang)
Die geöffnete, geschlossene oder teilweise geöffnete Stellung des Ventils lässt sich an der Stellung des Hebels erkennen:
- Wenn der Hebel auf das Rohr ausgerichtet ist, ist das Ventil offen; wenn er senkrecht zum Rohr steht, ist das Ventil geschlossen;
- wenn er sich in einer anderen Position befindet, ist das Ventil teilweise offen (oder teilweise geschlossen) und moduliert den Durchfluss.
Diese Ventile gehören zur Familie der „Vierteldrehungs“-Ventile oder „1/4-Drehungs-Ventile“ (zusammen mit Absperrklappen und Kegelventilen), da die Öffnungs- und Schließvorgänge durch Drehen eines mit der Scheibe verbundenen Hebels um 90 Grad ausgeführt werden.
Die wichtigsten Spezifikationen für Kugelhähne sind die API 6D, BS 5351 (geschmiedet) und ASME B16.34 (Druck- und Temperaturwerte), ASME B16.5/B16.47 (Flanschanschlüsse) und ASME B16.25 (Stumpfschweißanschlüsse).
WIE FUNKTIONIERT ES?
Die Kugel im Inneren des Ventils hat ein Loch, durch das der Durchfluss frei fließt, wenn sie vollständig mit den beiden Enden des Ventils ausgerichtet ist. Wenn das Loch völlig senkrecht zu den Enden des Geräts ist, ist das Ventil perfekt abgedichtet.
Andererseits, wenn das Loch in einer anderen Position ist (z.B. senkrecht zu den Enden des Ventils), ist der Durchfluss ganz oder teilweise unterbrochen.
Kugelventil vs. Schieberventil
Dieses Ventil hat die gleiche Funktion wie ein Schieberventil (Absperrung). Der Unterschied zwischen einem Kugelhahn und einem Absperrschieber besteht darin, dass ersterer eine kugelförmige Kugel zum Öffnen/Schließen des Durchflusses verwendet, während letzterer eine Scheibe verwendet, die auf einem Sitz sitzt. Der Unterschied zwischen diesen beiden Ventilen liegt also in der Konstruktion und der Kompaktheit.
Kugelventil vs. Durchgangsventil
Diese Ventile sind nicht so präzise wie Durchgangsventile, um den Flüssigkeitsstrom zu drosseln, da sie im Allgemeinen positive (bei 0, 45 und 90 Grad) statt inkrementelle Positionen haben. Außerdem würde das Ventil durch Teilöffnungen (oder wiederholte Öffnungs-/Schließvorgänge) auf Dauer beschädigt werden (kein Problem bei Durchgangsventilen).
KUGELVENTIL-TYPEN
Kugelventile können nach mehreren Kriterien klassifiziert werden:
- Bauart: schwimmend, auf Zapfen montiert und doppelt entlüftet und blockiert
- Anzahl der Anschlüsse: Standardausführung mit 2 Anschlüssen (1 Einlass, 1 Auslass), aber auch 3-Wege-Ausführung (1 Einlass und 2 Auslässe oder umgekehrt)
- Bohrungsgröße: volle Bohrung oder reduzierte Bohrung (FB vs. RB) und V-Kerbe
- Körperbauweise: einteilig (der Kugelkörper ist aus einem einzigen Stück Guss- oder Schmiedestahl gefertigt), 2-teilig oder 3-teilig (der Körper ergibt sich aus dem Zusammenbau von zwei oder drei verschiedenen Teilen)
- Kugelzugang: Seitlicher Zugang oder Zugang von oben (je nachdem, ob die Kugel zu Wartungszwecken von der Seite oder von oben zugänglich ist)
- Sitzart: Metall oder weich (Teflon)
SCHWIMMENDES KUGELVENTIL
Bei einem schwimmenden Ventil hängt die Kugel in der strömenden Flüssigkeit und wird durch das Zusammendrücken von zwei Elastomersitzen in ihrer Position gehalten.
Die Welle ist oben mit der Kugel verbunden und ermöglicht den Wechsel von einer offenen in eine geschlossene Stellung mit einer Vierteldrehung (90 Grad).
Wenn die Welle bewegt wird, wird eine Last auf die Kugel ausgeübt, die gegen ihre Sitze gedrückt wird.
Diese Konstruktion, die leicht und wirtschaftlich ist, eignet sich für Bohrungsgrößen bis zu 10 Zoll: Über diese Bohrungsgröße hinaus wären die Sitze des Ventils nicht in der Lage, schwereren und schwereren Kugeln standzuhalten, und das Ventil würde nicht sicher und effizient arbeiten.
Schwimmende Ventile ermöglichen eine bidirektionale Absperrung des Durchflusses (wie die Zapfenventile).
(Quelle: Walworth Valves Youtube Channel)
TRUNNION BALL VALVE
Zapfenventile wurden eingeführt, um die oben beschriebenen Größenbeschränkungen der Standardschwimmventile zu überwinden. Bei dieser Art von Ventilen wirken der Schaft, die Kugel und der Stützzapfen als eine einzige solide Einheit, die in der Lage ist, den schweren Lasten standzuhalten, die von Kugeln mit großen Abmessungen erzeugt werden.
Neben dem Vorteil der Größenflexibilität weist ein Zapfenventil im Vergleich zu einem schwimmend gelagerten Ventil ein geringeres Betriebsdrehmoment auf (was sich als Vorteil erweisen kann, wenn das Ventil betätigt werden muss, da kleinere und kostengünstigere Antriebe zur Betätigung des Ventils eingesetzt werden können).
Ein Kugelhahn aus Edelstahl, schwenkbar
(Quelle: Robert Cort – Wartsila Valves Youtube Channel)
SIDE ENTRY VS. TOP ENTRY
Was ist der Unterschied zwischen einem Kugelhahn mit seitlichem Eintritt und einem Kugelhahn mit oberem Eintritt?
Diese Begriffe beziehen sich auf die Art und Weise, wie die Kugel des Ventils und seine inneren Teile zugänglich sind, nämlich von der Seite (seitlicher Eintritt) oder von oben (oberer Eintritt).
Schwimmende und zapfenmontierte Kugelhähne gibt es mit „seitlichem Eintritt“ und „oberem Eintritt“.
Die Ausführung mit oberer Einbaulage wird gewählt, wenn häufige Wartungsarbeiten an der Armatur zu erwarten sind.
Das liegt daran, dass Kugelhähne mit oberer Einbaulage im Vergleich zu Armaturen mit seitlicher Einbaulage (die für dieselben Arbeiten mehr Zeit und Platz für die Wartung benötigen) einen leichteren und schnelleren Zugang zur Kugel und zur Armaturenverkleidung ermöglichen.
Die Hauptunterschiede zwischen diesen beiden Kugelhahnkonstruktionen sind:
- Top-Entry-Kugelhähne werden im Allgemeinen mit Stahlgussgehäusen hergestellt; Side-Entry-Ventile werden mit (robusten) geschmiedeten Stahlgehäusen hergestellt
- Top-Entry-Kugelhähne haben eine monolithische Struktur (werden aus einem einzigen Stück hergestellt); Side-Entry-Ventile haben eine zwei- oder dreiteilige Baugruppe
- Top-Entry-Kugelhähne erfordern aufgrund ihrer Gussgehäuse mehr zerstörungsfreie Prüfungen als Side-Entry-Ventile;
- Kugelhähne mit seitlichem Anschluss sind einfacher zu montieren und herzustellen als Kugelhähne mit oberem Anschluss, die eine lange Erfahrung und handwerkliches Geschick erfordern, um ordnungsgemäß zu funktionieren
- Kugelhähne mit oberem Anschluss sind in der Regel teurer als solche mit seitlichem Anschluss und haben längere Vorlaufzeiten aufgrund der Gießvorgänge, die zur Herstellung des Gehäuses erforderlich sind
3-WAYS
Generell hat ein Kugelhahn zwei Eingänge (oder „zwei Wege“).
Für manche Anwendungen kann jedoch auch ein 3-Wege-Kugelhahn spezifiziert werden. Ein 3-Wege-Kugelhahn hat 3 Anschlüsse (Eingänge) anstelle von nur zwei.
Dieses Mehrwege-Design wird benötigt, um die Flüssigkeit, die vom Haupteinlass des Ventils kommt, in zwei verschiedene Richtungen umzuleiten (anstelle von nur einer), die jeweils von zwei separaten Ausgängen des Ventils bedient werden. Eine weitere typische Anwendung eines 3-Wege-Kugelhahns besteht darin, dass die Hauptdurchflussleitung von zwei separaten und alternativen Einlässen bedient wird.
Die Kugel eines 3-Wege-Kugelhahns kann eine L- oder T-Form haben, wie in der Abbildung unten gezeigt. Darüber hinaus ist diese spezielle Art von Kugelhahn in schwimmender oder schwenkbarer Ausführung, mit jeder Art von Armaturenanschluss (Flansch-, Muffen- oder Gewindeanschluss) und in verschiedenen Werkstoffen von Kunststoffen bis zu Kohlenstoff-, legiertem und rostfreiem Stahl erhältlich.
VOLLER ANSCHLUSS VS REDUZIERTER ANSCHLUSS
Diese Begriffe beziehen sich auf das Verhältnis zwischen dem Bohrungsdurchmesser der Armatur und dem angeschlossenen Rohrleitungssystem. Im Einzelnen:
- Der Typ „Voller Durchgang“ (FB) hat eine Bohrungsgröße (die Bohrung der Kugel), die der Bohrungsgröße der angeschlossenen Rohrleitung entspricht. Kugelhähne mit vollem Durchgang minimieren den Druckabfall, der bei Ventilen mit reduziertem Durchgang entsteht, aber sie sind natürlich sperriger, schwerer und teurer. FB-Kugelhähne eignen sich besser als RB-Kugelhähne für Drosselanwendungen.
- Der Kugelhahn des Typs „Reduzierter Anschluss“ (RB) hat eine Bohrung, die kleiner ist als die Bohrung der angeschlossenen Rohrleitung (z. B. ein Rohr). Das durch den Hahn strömende Medium ist in diesem Fall auf einen Prozentsatz (im Allgemeinen zwischen 70 und 80 %) des vollen Durchflusses in der Rohrleitung begrenzt. Ein Kugelhahn mit reduziertem Durchgang erzeugt einen Druckabfall in der Rohrleitung.
WERKSTOFFE
Dieser Ventiltyp ist mit gegossenen oder geschmiedeten Gehäusewerkstoffen (Monoblock oder geteilt) erhältlich.
Gemeinsam haben Ventile unter 2 Zoll Durchmesser 2 oder dreiteilige geschmiedete Gehäuse (die gängigsten sind ASTM A105 für Hochtemperaturbetrieb, ASTM A350 LF2 und LF3 für Tieftemperaturbetrieb und ASTM A182 F304, F316 für Edelstahlventile oder höhere Güten, wie Duplexventile ASTM A182 F51 und Super Duplex ASTM A182 F53/F55).
Geschmiedete Gehäuse werden auch für Hochdruckventile mit größeren Bohrungen verwendet (mit 2- oder 3-teiliger geteilter Gehäusekonstruktion).
Beispiele für geschmiedete Kugelhähne (kleine Größe und Edelstahlventil mit geschmiedetem Gehäuse, auf Zapfen montiert).
Ventile mit Größen über 2 Zoll haben ein gegossenes Gehäuse (die gebräuchlichsten Güten sind ASTM A216 WCB für Hochtemperaturbetrieb, ASTM A352 für Tieftemperaturbetrieb und ASTM A351 CF8, CF8M für Gussventile aus rostfreiem Stahl).
Das Symbol für diesen Ventiltyp in P&ID-Diagrammen ist unten dargestellt
