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Bild: Hartmann Valves; iStock, peshkov

Widerstandsfähige Kugelhähne für extreme Prozessbedingungen Metallarmaturen helfen, sicher abzusperren

02.06.2018

Rein metallisch dichtende Kugelhähne sind für extreme Anwendungsfälle gemacht und können beispielsweise bei Anwendungen mit reinem Wasserstoff, Sauerstoff, Hoch- oder Tieftemperaturen zum Einsatz kommen.

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Aggressive Medien, extreme Temperaturen, Drücke oder hohe Schalthäufigkeiten stellen besondere Anforderungen an die Absperrung. Gerade bei solchen Prozessbedingungen steht die Betriebssicherheit an oberster Stelle und es gilt, jegliches Risiko zu vermeiden. Parallel muss man die Wirtschaftlichkeit der Anlage im Blick behalten – über den gesamten Lebenszyklus hinweg. Deshalb sind zuverlässige Absperrarmaturen gefragt, die optimal auf die Einsatzbedingungen zugeschnitten und zudem möglichst langlebig und wartungsarm sind.

Je spezieller die Anwendungsfälle, desto kleiner wird dabei die Auswahl an Standardprodukten. Dann gewinnen kundenindividuelle Anfertigungen an Bedeutung, wie sie etwa der Kugelhahnhersteller Hartmann Valves anbietet. Die Einsatzbereiche der Hochleistungsarmaturen sind vielfältig: Sie reichen von Armaturen für reinen Sauerstoff bei 350 °C und Wasserdampf bei 450 °C über Armaturen für extreme Schalthäufigkeiten in entfettenden Medien bei circa 200 °C, Kohledruckvergasungsanlagen oder abrasive Medien wie Titandioxid bis hin zu Drücken bis 700 bar.

Rein metallisch dichtend

Die hohe Dichtheit und Beständigkeit dieser Spezialkugelhähne wird durch eine rein metallische Abdichtung zwischen Kugel und Sitzring erreicht. Dieses Dichtsystem ist gasdicht und erfüllt auch bei häufigen Schaltvorgängen eine Leckrate von A beziehungsweise 0. Auch bei Verschmutzungen ist es erheblich widerstandsfähiger und wartungsarmer als weichdichtende Systeme. Entscheidend sind zudem die entsprechende Materialauswahl sowie Oberflächenbehandlungen und Sonderbeschichtungen. Beispielsweise ermöglicht eine zusätzliche Innenbeschichtung gegen Korrosion auch in salzhaltigen Medien eine überdurchschnittlich hohe Lebensdauer.

Ein Beispiel für die Kombination von Extrembedingungen ist eine Hochtemperatur-Anwendung für reinen Sauerstoff in der Petrochemie. Im Rahmen einer umfassenden Prozessoptimierung hat Yara Deutschland im Werk Brunsbüttel eine innovative Umrüstung realisiert, die eine energieeffiziente Produktion und letztendlich die Wirtschaftlichkeit des Standorts sicherte.

Die Ammoniakanlage ist weltweit die einzige ihrer Art, deren Vergasungsstränge bivalent mit Erdgas oder Öl betrieben werden können. So fahren die vier Stränge nun nicht mehr mit einem Sauerstoff-Dampfgemisch, sondern energieeffizient und dampfeinsparend mit reinem Sauerstoff. Positiver Begleiteffekt: Auch der CO2-Ausstoß der Ammoniakanlage wurde erheblich reduziert.

Ein Baustein der Umrüstung waren dabei die 5-Zoll-Absperrkugelhähne DN 125 PN 160 von Hartmann Valves, die auf die anspruchsvolle Kombination aus reinem Sauerstoff, Dampf und Temperaturen bis 400 °C ausgelegt sind. Sie sind aus Inconel 625 (Vollmaterial) gefertigt und verfügen über spezielle Sicherheitsfunktionen und Konstruktionsmerkmale. Die EIGA-konformen, Ex-Zone-2-zugelassenen Armaturen sind mit zwei Barrieren (Sitzringen) ausgestattet. Alle Barrieren der Hauptarmatur und des am Gehäuse angeordneten Twin-Ball-Valves (TBV) lassen sich unabhängig voneinander im eingebauten Zustand überprüfen. Aufgrund des eingeschränkten Platzangebots ist die Hauptarmatur sehr kompakt konstruiert und einseitig mit einem integrierten Flansch ausgeführt.

Doppelte Leitungsabsperrung auf engstem Raum

Auch in dem oberbayerischen Speicherbetrieb Wolfersberg hat Sicherheit höchste Priorität. Der Betreiber DEA Deutsche Erdoel setzt daher seit den 1970-ern metallisch dichtende Kugelhähne von Hartmann Valves ein: Mittlerweile sind rund 800 Kugelhähnen in verschiedenen Ausführungen und Größen verbaut, viele davon sind maßgeschneiderte Sonderanfertigungen. Bei besonders hohen Prozessanforderung an die Sicherheit sind Kugelhähne vom Typ TBV (Twin Ball Valves) DN 150 PN 250 eingesetzt. Sie bieten eine doppelte Leitungsabsperrung mit zwei vollständig voneinander unabhängigen Abschlusssystemen in einem Gehäuse. Das 0-Blasen-dichte System schafft mit wenig Aufwand zweifache Sicherheit. Durch seine kompakte, materialsparende Bauweise spart es Platz und Kosten und ist schneller zu installieren.

Eine besonders kompakte Sonderlösung des TBV entstand, als die Erneuerung einer alten Sperrstrecke aus einem eingeschweißten und einem geflanschten Kugelhahn an der Haupteinpressleitung anstand. Der Austausch der eingeschweißten Armatur hätte einen längeren Stillstand bedeutet. Daher entwickelte Hartmann Valves eine TBV-Variante DN 250 PN 250 mit der gleichen Baulänge der zuvor eingesetzten Standardarmatur. Nachdem der erste, extra-kompakte TBV-Kugelhahn erprobt worden war, kamen ähnliche, passgenaue Ausführungen auch im Bereich der Gastrocknung zum Einsatz. Durch die starke Verkürzung des TBV-Systems konnten die alten Sperrstrecken problemlos und ohne Anlagenstillstand erneuert werden.

Innovative Wasserstoffanwendung

Auch in der Power-to-Gas-Anlage WindGas Falkenhagen in Brandenburg finden Hartmann-Spezialkugelhähne Verwendung. Hier zeigt Uniper Energy Storage wie sich erneuerbare Energie im Erdgasnetz speichern lässt, um so Erzeugung und Verbrauch voneinander unabhängig zu gestalten. Bei dem Demonstrationsprojekt wird durch Elektrolyse aus Strom und Wasser bis zu 360 Nm3/h Wasserstoff hergestellt, der in das Erdgasnetz eingespeist wird. Das Medium reiner Wasserstoff stellt dabei besondere Anforderungen an die Absperrarmaturen, die zudem möglichst wartungsarm sein sollten. Geliefert wurden insgesamt 24 Spezialkugelhähne (DN 25 und DN 50 bis PN 100), die zur maximalen Verfügbarkeit und Betriebssicherheit der Anlage beitragen. Die Erzeugung und Einspeisung erfolgt mindestens einmal täglich, sodass sich für die Armaturen eine Schalthäufigkeit von mehreren Zyklen pro Tag ergibt. Auch diese Kugelhähne verfügen über eine rein metallische Abdichtung zwischen Kugel und Sitzring und sind mit zwei Barrieren ausgestattet. Im Falle einer eintrittsseitigen Undichtigkeit sind die Armaturen konstruktiv so ausgelegt, dass sie auch auf der Austrittsseite dichten. Diese doppelte Abdichtung (Double Isolation and Bleed, DIB) wird mit einem Sitzring mit Double Piston-Effekt realisiert.

Langer Lebenszyklus bei wenig Wartung

Bei seiner Erdgas-Pipeline von Wyborg in Russland nach Lubmin in Deutschland wollte Nord Stream das Ventil- und Steuerungssystem verbessern. Ziel war es, den Instandhaltungsbedarf zu verringern, den Lebenszyklus zu verlängern und eine zuverlässige Abdichtung der 1.224 km langen Strecke zu garantieren. Das neue System bestehend aus Fahlke-Antrieb, Steuereinheit und Hartmann-Kugelhähnen konnte die hohen Ansprüche an Sicherheit, Temperatur, Druck und Korrosionsstandards sowie eine jahrzehntelange Lebensdauer erfüllen.

Das Design der maßgeschneiderten, zweiteiligen Kugelhähne mit speziellen Funktionen zielte auf sehr lange Haltbarkeit ab, während die Antwortzeit im Falle einer Notabschaltung minimiert wurde. Die Armaturen mit der Leckrate A und metallischer Abdichtung sind gasdicht und können hohen Drücken bis 250 bar und niedrigen Temperaturen bis -39 °C standhalten. Dafür wurde das System einem Verschleißfestigkeitstest in einer Kältekammer unterzogen.

Bildergalerie

  • Absolut gasdicht: die rein metallisch dichtenden Kugelhähne in der POX-Vergasungsanlage der Yara Deutschland in Brunsbüttel.

    Bild: Hartmann Valves

  • Besonders platzsparend für hohe Sicherheitsansprüche: Die Twin-Ball-Valve-Sperrstrecke in der Gastrocknung des DEA-Erdgasspeichers Wolfersberg.

    Bild: Hartmann Valves

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