Kugelhahn mit Zapfen - Wie funktioniert er?
Abbildung 1: Frei schwimmender Kugelhahn (links) und ein auf einem Zapfen montierter Kugelhahn (rechts)
Zapfenkugelhähne sind Vierteldrehventile, die dazu dienen, den Durchfluss eines Mediums in einer Rohrleitung zu stoppen oder zu starten. Der gebräuchlichste Kugelhahntyp ist "frei schwimmend", so dass der Zapfentyp eine Konstruktionsänderung darstellt. Bei einem Kugelhahn mit Zapfen ist die Kugel auf der einen Seite mit der Spindel und auf der anderen Seite mit einer Welle, dem Zapfen, verbunden. Durch diese Designänderung wird der Ball fest an seinem Platz gehalten. Bei einem schwimmend gelagerten Kugelhahn ist die Kugel nur mit der Spindel verbunden und wird daher als schwimmend bezeichnet. Dies ist in Abbildung 1 dargestellt und durch einen roten Kasten hervorgehoben.
Kugelhähne mit Zapfen haben viele Vorteile gegenüber frei schwimmenden Ventilen, sie eignen sich für Nieder- und Hochdruckanwendungen und bieten niedrigere Betriebskosten als frei schwimmende Kugelhähne.
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Vorteile des Kugelhahns mit Zapfen
Hochdruckanwendungen
Für Hochdruckanwendungen ist ein Kugelhahn mit Zapfen die ideale Kugelhahnkonstruktion. Bei den schwimmenden Kugelhähnen hat die Kugel eine gewisse Bewegungsfreiheit. Während des Betriebs schwimmt die Kugel leicht stromabwärts gegen den Sitzring und bildet nur auf einer Seite des Ventils eine Dichtung. Darüber hinaus wird auch das Drehmoment auf den Vorbau erhöht.
Dies ist der Punkt, an dem die Zapfenkonstruktion eine Lösung bietet. Bei der Konstruktion des Zapfenventils ist die Kugel nicht schwimmend, sondern mit dem Zapfen verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die Dichtung auf beiden Seiten erhalten bleibt und kein zusätzliches Drehmoment auf den Schaft ausgeübt wird. Daher bietet ein Kugelhahn mit Zapfen bei Anwendungen mit höherem Druck eine bessere Abdichtung und erfordert ein geringeres Drehmoment zum Drehen.
Abbildung 2: Querschnitt eines Kugelhahns mit Zapfen, der den Zapfen (A) und die federgelagerten Sitze (B) deutlich zeigt
Gefederte Sitze
Kugelhähne mit Zapfen sind mit federbelasteten Sitzen ausgestattet. Bei einem schwimmend gelagerten Kugelhahn drückt der Druck die Kugel gegen die Sitze, so dass eine Dichtung entsteht. Leider benötigt der Kugelhahn einen hohen Druck, um eine wirksame Dichtung zu erzeugen, was ihn in Niederdrucksystemen unwirksam machen würde.
Die zapfenmontierten Kugelhähne sind sowohl bei niedrigem als auch bei hohem Druck einsetzbar. Die federbelasteten Sitze dichten in Situationen mit niedrigem oder keinem Druck ab, sind aber auch für Hochdruckanwendungen geeignet.
Niedrigere Betriebskosten
Ein zapfengelagerter Kugelhahn bietet niedrigere Betriebskosten, da jeder zusätzliche Druck auf das Ventil vom Zapfen und der Spindel aufgenommen wird. Dies führt zu einem geringeren Betriebsdrehmoment und macht somit einen großen Antrieb überflüssig.
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Gewicht des zapfenmontierten Kugelhahns
Ein Kugelhahn mit Zapfen ist nach API608 oder API 6D konstruiert und entspricht mehreren anderen Industrienormen. API 6D enthält grundlegende Konstruktions-, Abmessungs- und Prüfnormen für Zapfenventile. In der API 6D-Norm sind auch die Standardgewichte von Kugelhähnen mit Zapfen angegeben, die verschiedenen Bohrungsgrößen und Gehäuseabmessungen entsprechen.
Zapfenkugelhähne mit doppelter Absperrung und Entlüftung (dbb)
Bei der doppelten Absperrung (Double Block and Bleed, DBB) wird ein Leitungsabschnitt auf beiden Seiten des Ventils und nicht nur auf einer Seite abgesperrt. Daher kann ein Kugelhahn mit Zapfen sowohl die stromaufwärts als auch die stromabwärts gelegene Seite des Arbeitsbereichs absperren und anschließend den in den Rohrleitungen und im Ventil verbleibenden Druck entlüften. Ein Double Block and Bleed (DBB) wird häufig für eine striktere Isolierung der Prozessflüssigkeit von anderen Geräten verwendet. Es besteht in der Regel aus zwei Kugelzapfenventilen, die als Absperrventile fungieren, und einem Entlüftungsventil (in der Regel ein Kugel- oder Nadelventil), das an einer sicheren Stelle angebracht wird, die den örtlichen Umweltvorschriften entspricht.
Ein DBB-Ventil ist ein Kugelhahn mit seitlichem Eintritt, der für Downstream-, Midstream- und Upstream-Anwendungen in der Gas- und Ölindustrie entwickelt wurde und entweder ein geschweißtes oder ein geschraubtes Gehäuse hat. Das Ventil hat zwei Sitze, die jeweils separat gegen Druck abdichten. Ein Sitz dichtet die Flüssigkeit von stromaufwärts ab, der andere Sitz dichtet die Flüssigkeit von stromabwärts ab. Bei einem zapfenmontierten DBB-Kugelhahn drückt die Flüssigkeit in der geschlossenen Stellung den Sitz gegen die Kugel, um die Dichtung zu lösen.
Wenn die Rohrleitung unter Druck steht, wird der Kugelzapfen geschlossen. Die Flüssigkeit bleibt in der Kugel eingeschlossen, wodurch ein entsprechender Druck in der Kugel entsteht. Der Druck im Inneren der Kugel steigt, wenn die Temperatur in der Kugel höher wird. Es ist notwendig, den Druck zu entlüften, wenn der Druck im Ball hoch genug wird. Bei einem Zapfenkugelhahn mit Entlüftungsfunktion drückt der Druck in der Kugel den Sitz zurück, da die Feder hinter dem Sitz zusammengedrückt wird, und es entsteht eine Entlüftung/Entlüftung zwischen den Dichtflächen. Nach den API 6D-Spezifikationen ist die Entlüftung/Entlüftung bei einem Druck erforderlich, der weniger als das 1,33-fache des Auslegungsdrucks der Kugelhähne beträgt. Mehrere kritische Projekte müssen jedoch bei einem Druck entlüftet werden, der weniger als das 1,1-fache des ursprünglichen Auslegungsdrucks beträgt.
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Abbildung 3: Doppelte Absperrung und Entlüftungsventil