Verstehen des Drehmoments für Vierteldrehventile

Abbildung 1: Elektrische Stellantriebsbaugruppe mit metallischer Absperrklappe

Das Drehmoment ist die Kraft, die erforderlich ist, um eine Ventilspindel zu drehen und das Ventil auf- oder zuzudrehen. Die Schätzung des Drehmoments hilft bei der Bestimmung der Art und Größe des Stellantriebs, der für das Armaturensystem benötigt wird. In diesem Artikel wird erörtert, wie das Drehmoment für verschiedene Konstruktionen geschätzt werden kann.

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Antriebsmoment für Armaturen

Das Drehmoment eines Stellantriebs bezieht sich auf das Drehmoment, das ein Stellantrieb erzeugen kann. Durch Drehen der Armaturenspindel wandelt ein Stellantrieb das Drehmoment in eine Armaturenbewegung um (Öffnen, Schließen oder Beibehalten der Bewegung).

Es ist wichtig zu wissen, dass jede Art von Ventil ein bestimmtes Drehmoment benötigt, um sich vollständig zu öffnen oder zu schließen. Die Höhe des Drehmoments, das ein Stellantrieb erzeugen kann, ist ein Schlüsselfaktor bei der Bestimmung seiner Leistungsfähigkeit. Aufgrund ihrer Drehmomentkapazität eignen sich verschiedene Antriebe für unterschiedliche Aufgaben. Das Antriebsmoment sollte größer sein als das Abschaltmoment der Armatur (siehe unten).

Bedeutung des rechten Antriebsmoments

Eine zu geringe Drehkraft für ein bestimmtes Ventil kann ernsthafte Probleme verursachen. Wenn zum Beispiel ein Stellantrieb nicht genug Kraft hat, um die Ventilspindel zu drehen, öffnet sich das Ventil nicht und kann auf halbem Weg stecken bleiben. Aber wenn ein Stellantrieb zu viel Kraft hat, kann er das Ventil und das System beschädigen.

Eigenschaften des Armaturendrehmoments

Das für die Betätigung verschiedener Armaturen erforderliche Drehmoment variiert je nach Anwendung, Konstruktion und Art der Armatur.

Eine Absperrklappe benötigt eine erhebliche Drehkraft, um sie ein- oder auszuschalten, aber nur eine geringe Kraft, um den Durchfluss zu drosseln. Im Gegensatz dazu erfordert ein Kugelhahn mit Metallsitz eine große Drehkraft (die harten Materialien, die sowohl für die Kugel als auch für den Sitz verwendet werden, erzeugen einen reibungsträchtigen Metall-Metall-Kontakt), um ihn ein- oder auszuschalten und den Durchfluss einzustellen.
Ein Regelventil benötigt in der Regel ein höheres Drehmoment als Auf-Zu-Ventile mit einfachen Funktionen wie Öffnen oder Schließen. Regelventile benötigen ein höheres Drehmoment, da sie mit unterschiedlichen Durchfluss- und Druckwerten arbeiten und ihre Position gegen die Kräfte der Flüssigkeit halten müssen, um eine präzise Steuerung zu gewährleisten. Auf-Zu-Ventile wechseln nur zwischen vollständig geöffneten und geschlossenen Stellungen, ohne zu modulieren oder kontinuierlichen Druckschwankungen zu widerstehen, so dass weniger Drehmoment erforderlich ist.

Verschiedene Drehmomentmessungen

Es gibt verschiedene Arten von Drehmoment:

Das Drehmoment wird gebrochen: Das Ausschaltdrehmoment, auch Öffnungsdrehmoment genannt, ist das Drehmoment, das erforderlich ist, um eine Armatur aus ihrer geschlossenen Stellung zu öffnen.
Laufendes Drehmoment: Das Laufdrehmoment oder Drehmoment in der Hubmitte ist das Drehmoment, das erforderlich ist, um die Reibungskräfte zu überwinden, während die Armatur in Bewegung ist und ihre Position an jedem Punkt zwischen vollständig geöffnet und vollständig geschlossen hält.
Drehmoment schließen: Das Schließmoment, auch Sitzmoment genannt, wird benötigt, um eine Armatur vollständig zu schließen.
Maximal zulässiges Drehmoment der Spindel (MAST): MAST (maximales Wellendrehmoment) ist das höchste Drehmoment, das auf die Komponenten einer Armatur, z. B. die Spindel, ausgeübt werden kann, ohne dass es zu Schäden oder Ausfällen kommt.

Das maximale Drehmoment des Antriebs darf während des Betriebs niemals das MAST der Armatur überschreiten. Bei Anwendungen mit manuellen Stellantrieben ist das vom Griff oder Getriebe erzeugte Drehmoment in der Regel nicht sehr hoch, so dass die Gefahr einer Überschreitung der MAST der Armatur weniger groß ist. Handbetätigte Vierteldrehventile werden häufig dort eingesetzt, wo kein Strom zur Verfügung steht oder wo ein ausfallsicherer Mechanismus gewünscht ist. Manuelle Ventile können jedoch auch festsitzen und erfordern zum Öffnen ein größeres Drehmoment als von Hand aufgebracht werden kann. In diesem Fall sollte der Benutzer den "Drehmomentarm" mit einem längeren Griff oder einem Schraubenschlüssel verlängern.

Sicherheitsspanne

Bei der Berechnung des maximalen Drehmoments für eine Armatur kann es zu Fehlern kommen, die zu Unfällen in der Industrie führen können. Diese Unfälle können teuer werden und erhebliche Schäden verursachen. Es wird empfohlen, eine Sicherheitsmarge von 25 % einzuhalten. Wenn zum Beispiel ein Drehmoment von 125 Zoll-Pfund (in-lb) zum Schließen einer Armatur erforderlich ist, sollte der Benutzer so planen, dass ein Drehmoment von 150 in-lb zum Schließen erforderlich ist, um eine Sicherheitsmarge von 25 % einzuhalten.

Als allgemeine Faustregel gilt, dass die MAST

das 1,2-fache des Antriebsmoments für Armaturen, die für allgemeine Zwecke verwendet werden.
1,5-faches Antriebsmoment für schwere Prozessaufgaben wie Abblasen
2-faches Drehmoment des Stellantriebs für Sicherheitsanwendungen wie das Abschalten der Anlage

Drehmomente in verschiedenen Ventiltypen

Für alle Armaturentypen berücksichtigen die Hersteller bei der Berechnung des Drehmoments die folgenden Faktoren:

Ventilgröße und Druckstufe: Größere Ventile und Ventile, die für höhere Drücke ausgelegt sind, erfordern im Allgemeinen ein höheres Drehmoment.
Druckunterschied: Höhere Druckdifferentiale erfordern in der Regel ein höheres Drehmoment für den Betrieb.
Medieneigenschaften: Die Art des Mediums (Flüssigkeit, Gas, Schlamm), seine Viskosität und ob es Partikel enthält, können das erforderliche Drehmoment beeinflussen.
Temperatur: Höhere Temperaturen können die Eigenschaften des Sitzmaterials verändern, was sich auf das Drehmoment auswirkt.
Material des Sitzes: Ventile mit weicheren Sitzen erfordern in der Regel ein geringeres Betätigungsmoment.
Periode des Stillstands: Ventile, die über einen längeren Zeitraum stillstehen, können aufgrund erhöhter Reibung ein höheres Drehmoment erfordern.
Schmierung: Eine ordnungsgemäße Schmierung verringert den Drehmomentbedarf.

Drehmoment der Absperrklappe

Die Drehmomentberechnungen variieren zwischen den verschiedenen Arten von Absperrklappen aufgrund ihrer einzigartigen Konstruktionsmerkmale.

Elastisch dichtende Absperrklappen:
- Der Sitz einer elastisch dichtenden Absperrklappe ist etwas größer als die Klappe, und wenn die Klappe geschlossen ist, drückt die Klappe den Sitz zusammen. Dies gewährleistet eine dichte Abdichtung und erhöht das zur Betätigung der Armatur erforderliche Drehmoment.
- Im Laufe der Zeit kann sich der Gummisitz aufgrund der Kompression abnutzen oder verändern, wodurch sich die Drehmomentanforderungen möglicherweise ändern.
Hochleistungs-Absperrklappen:
- Hochleistungs-Absperrklappen haben oft einen Metallsitz oder eine Kombination aus Metall und weicheren Werkstoffen, die höheren Temperaturen und Drücken standhalten können als Ventile mit elastischem Sitz.
- Bei der Berechnung des Drehmoments für diese Armaturen müssen Faktoren wie das Übermaß zwischen Scheibe und Sitz, die Lagerreibung und die Eigenschaften des Durchflussmediums bei hohen Drücken oder Temperaturen berücksichtigt werden.
- Hochleistungsventile haben in der Regel über ihre gesamte Lebensdauer hinweg gleichbleibende Drehmomentanforderungen, da sich Metallsitze nicht so schnell abbauen wie Gummi.
Dreifach gekröpfte Absperrklappen:
- Im Gegensatz zu Absperrklappen mit elastischem Sitz haben dreifach gekröpfte Absperrklappen in der Regel einen metallischen Sitz und eine metallische Dichtung. Diese Konstruktion kann höheren Temperaturen und Drücken standhalten, erfordert aber mehr Präzision bei der Herstellung, um eine dichte Abdichtung zu gewährleisten. Das zur Erzielung dieser Dichtung erforderliche Drehmoment wird hauptsächlich von der Präzision der Komponenten und der Kraft beeinflusst, die zur Überwindung des anfänglichen Widerstands erforderlich ist, wenn die laminierte oder massive Metalldichtung den Sitz berührt.

Beispiel

Erwägen Sie die Auswahl einer Absperrklappe für ein Wasserverteilungssystem. Der Kunde hat die folgenden Spezifikationen für das System:

Medium: Wasser
Maximaler Betriebsdruck: 150 psi (Pfund-Kraft pro Quadratzoll)
Maximale Betriebstemperatur: 25°C (77°F)
Größe der Rohre: 8 Zoll (DN200)

Der Kunde beabsichtigt, einen elektrischen Stellantrieb zur Betätigung der Armatur zu verwenden, und möchte sicherstellen, dass der ausgewählte Stellantrieb unter allen Betriebsbedingungen ein ausreichendes Drehmoment zum Öffnen und Schließen der Armatur liefern kann.

Zur Berechnung des genauen Drehmomentbedarfs sind die Drehmomenttabellen oder -kurven des Armaturenherstellers heranzuziehen. In diesem Beispiel beträgt das Drehmoment für ein 8-Zoll-Rohr und einen Druck von 150 psi 1.180 inch-pounds (Tabelle 1). Wählen Sie unter Berücksichtigung eines Sicherheitsfaktors von 1,5 einen Stellantrieb, der ein Drehmoment von 1.770 Zoll-Pfund liefert. Einige Hersteller geben auch den genauen Sicherheitsfaktor an, der mit dem geschätzten Drehmoment für verschiedene Anwendungen zu multiplizieren ist.

Tabelle 1: Beispiel für ein Drehmomentdiagramm einer Absperrklappe

Drehmomentwerte (Zoll-Pfund)
Größe (Zoll)	Differentialdruck
Größe (Zoll)	125 psi	150 psi	200 psi	250 psi
2	100	106	111	117
2 ½	150	160	176	189
3	200	220	322	244
4	290	320	357	390
5	420	480	540	598
6	600	690	783	875
8	1,060	1,180	1,300	1,430
10	1,670	1,872	2,000	2,275
12	2.568	2,790	3,000	3,250
14	2,640	3,000	-	-
16	4,260	4,880	-	-
18	6,280	7,243	-	-
20	8,360	9,180	-	-
24	15,427	16,813	-	-

Berechnung des Drehmoments eines Kugelhahns

Unterschiedliche Ausführungen von Kugelhähnen können zu erheblichen Unterschieden bei den Drehmomentanforderungen führen.

Schwimmende Kugelhähne: Bei einem schwimmend gelagerten Kugelhahn wird die Kugel durch das Zusammendrücken der beiden Elastomersitze gegen sie platziert. Die Kugel ist frei drehbar, daher der Begriff "schwebend". Wenn das Ventil geschlossen ist, drückt der Flüssigkeitsdruck die Kugel gegen den Sitz, wodurch eine Dichtung entsteht. Das erforderliche Drehmoment für einen schwimmend gelagerten Kugelhahn steigt mit dem Flüssigkeitsdruck, da ein höherer Druck die Kugel härter gegen den Sitz drückt und die Reibung erhöht.
Zapfenmontierte Kugelhähne: Ventile, die auf einem Zapfen montiert sind, haben eine zusätzliche Halterung für die Kugel, typischerweise mit einer Welle oben und unten. Diese Konstruktion reduziert das zum Drehen des Ventils erforderliche Drehmoment und verhindert, dass die Kugel unter Druck gegen die Sitze gedrückt wird. Daher werden zapfengelagerte Kugelhähne oft für größere Größen und Anwendungen mit höherem Druck bevorzugt, bei denen ein schwimmender Kugelhahn ein zu hohes Drehmoment erfordern würde.
Top-Entry-Kugelhähne: Das zur Betätigung eines Kugelhahns mit oberem Eingang erforderliche Drehmoment ist im Allgemeinen relativ gering. Das erforderliche Drehmoment kann jedoch erheblich ansteigen, wenn die Armatur nicht richtig dimensioniert ist, die Druckdifferenz hoch ist oder die Armatur nicht geschmiert ist.
Voller Anschluss vs. reduzierter Anschluss: Kugelhähne mit vollem Durchgang haben einen Innendurchmesser, der dem Durchmesser der Rohrleitung entspricht. Dadurch wird der Druckabfall über das Ventil minimiert, aber aufgrund der größeren Kugeloberfläche, die mit den Sitzen in Kontakt ist, kann ein höheres Drehmoment erforderlich sein. Ventile mit verkleinertem Anschluss haben eine kleinere Bohrung und erfordern möglicherweise ein geringeres Drehmoment.
Material des Sitzes: Weichdichtende Kugelhähne, für die in der Regel Materialien wie PTFE verwendet werden, haben aufgrund der geringeren Reibungseigenschaften des Sitzmaterials geringere Drehmomentanforderungen. Metallisch dichtende Ventile, die unter härteren Einsatzbedingungen verwendet werden, erfordern ein höheres Drehmoment.

In unserem Artikel über Wasserstoffventile finden Sie weitere Einzelheiten zu den Parametern, die bei der Auswahl eines Ventils für Wasserstoffanwendungen zu berücksichtigen sind.

FAQ

Was ist das Drehmoment eines Regelventils?

Das Drehmoment eines Regelventils ist das Maß für die Kraft, die erforderlich ist, um das Verschlussteil des Ventils, z. B. eine Kugel, eine Scheibe oder einen Kegel, zu drehen, um die gewünschte Durchflussregelung zu erreichen.