Sicherheitsventile

Funktionen von Sicherheitsventilen

In jeder Hochdruckanlage sind Sicherheitsventile gesetzlich vorgeschrieben, sie schützen die Anlage und retten Menschenleben. Ab einem bestimmten Überdruck, der für jede Anlage separat definiert ist, muss das Sicherheitsventil automatisch und zuverlässig öffnen und den Überdruck aus dem Behälter oder der Leitung ablassen. Anschließend soll es ebenso zuverlässig schließen, wenn wieder die normalen Betriebsbedingungen herrschen. Die Schutzvorrichtung Sicherheitsventil ist die letzte Absicherung vor einem Riss von Rohren oder Kesselwänden, daher muss es unter allen Bedingungen einsatzfähig sein. Der gezielte Einsatz von Sicherheitsventilen zur Regelung oder Druckminderung ist untersagt. Ihr einziger Zweck ist der Schutz vor Überdruck.

Warum entsteht Überdruck?

Für den Überdruck in einer Anlage gibt es viele Gründe, die der API Standard 521/ISO 23251 im Abschnitt 4 auflistet:

• blockierte Ableitung
• thermische Expansion
• externes Feuer
• chemische Reaktion
• Störung des Kühlungssystems, unter anderem durch Rohrbruch bei Wärmetauschern

Diese Ereignisse können einzeln oder gleichzeitig stattfinden. Bei einem Überdruckfall entstehen unterschiedlich große Massen- und Volumenströme, die entlassen werden müssen. Bei thermischer Expansion fallen sie häufig kleiner als bei einer chemischen Reaktion. Anlagenhersteller und Betreiber sind dafür verantwortlich, ein Worst-Case-Szenario zu bestimmen, nach dem das nötige Sicherheitsventil oder mehrere Sicherheitsventile pro Anlage die geeignete Druckentlastung bewirken.

Einteilung der Sicherheitsventile

Die Einteilung von Sicherheitsventilen lässt sich nach dem Ansprechverhalten und nach Art ihrer Kraftausübung vornehmen.
Das Ansprechverhalten lässt folgende Kategorisierung zu:

• Proportionalventile: Deren Öffnung zwischen Ansprechdruck und vollständiges Öffnen verläuft proportional zum Druckanstieg
• Vollhubsicherheitsventile: Die Öffnung erfolgt bei Überdruck schlagartig mit vollem Hub
• Normalsicherheitsventile öffnen diskontinuierlich

Nach Art der Gegenkraft zum Druck gibt es eine Unterscheidung in:

• gewichtsbelastete Sicherheitsventile
• federbelastete Sicherheitsventile
• mediumbelastete Sicherheitsventile

Die Kraft des Ventils beim Ansprechdruck, die durch Gewicht und Hebelarmübersetzungsverhältnis, inneres Medium oder Vorspannung einer Feder besteht, weist im Moment des Ansprechens noch ein Gleichgewicht mit dem Druck in der Anlage auf. Steigt dieser, bewirkt das durch unterschiedliche mechanische Funktionen das Öffnen des Sicherheitsventils. Bei mediumbelasteten Sicherheitsventilen ist hierzu eine zusätzliche Ventileinheit nötig. Diese führt direkt zum gesteuerten Sicherheitsventil, einem weiteren Unterscheidungsmerkmal. Es gibt auch direkt wirkende Sicherheitsventile, bei denen nach dem Einbau keinerlei Einflussnahme durch den Maschinisten möglich ist, während bei einem gesteuerten Sicherheitsventil sehr wohl die Feinjustierung möglich ist, mit der sehr verantwortlich umgegangen werden muss. Die Steuerung kann durch einen pneumatischen oder hydraulischen Zylinderantrieb erfolgen, der beim Überschreiten des eingestellten Ansprechdruckes die Hubkraft erhöht. Das Ansprechverhalten wird damit viel genauer, daher gelten gesteuerte Sicherheitsventile etwa bei größeren Kraftwerksdampfkesseln mit Drücken um 150 bis 200 bar (und darüber) als unersetzlich. Durch die Nachverdampfung der hohen Wasservolumina würde ein nicht gesteuertes Sicherheitsventil eine sehr lange Zeit bis zum Schließen benötigen.

Charakteristische Merkmale beim Sicherheitsventil

Die charakteristischen Kenngrößen für die Auswahl eines Sicherheitsventils sind:

• der Ansprechdruck in bar
• der kleinste Öffnungsdurchmesser am Ventilsitz (Angabe in mm)
• die zuerkannte reduzierte Ausflussziffer
• der Hub des Sicherheitsventils im mm, also die Differenz der Stellung zwischen Sitz des geschlossenen Ventiltellers und maximaler Öffnung

Der ausströmende Massenstrom lässt sich durch die Bernoulli-Gleichung berechnen, welche die Umsetzung von Druck in kinetische Energie aufzeigt. Andere Faktoren wie die Ausflussziffer müssen bei der Bauteilprüfung versuchsweise ermittelt werden. Man multipliziert den ermittelten Wert mindestens mit dem Sicherheitsfaktor 0,9. Ausflussziffern von Flüssigkeiten und Gasen unterscheiden sich.

Maße und Normen der Ventile

Bei der Auslegung eines Sicherheitsventils spielen die Lastannahmen die maßgebliche Rolle.
Vier Faktoren sind vorrangig zu beachten:

• Überdruck (Ansprechdruck), bei dem das Sicherheitsventil öffnen muss
• Temperatur der Anlage inklusive Temperaturverhalten bei Überdruck (bei manchen Medien schnelle Temperaturschwankungen bei Druckentspannung)
• Art des Mediums, mögliche Aggressivität bei bestimmten Drücken und Temperaturen
• abzuführende Volumenströme

Weil diese Faktoren sehr schwer zu berechnen sind, gibt es hierfür umfangreiche Algorithmen und eine stete Weiterentwicklung von Sicherheitsventilen, die sich auch am Programm der Ahrendt Sicherheitsventile ablesen lässt. Gerade die Sicherheitsventile für Druckstöße, also blitzartige Druckveränderungen, müssen sehr differenziert arbeiten können und aus besten Qualitätsmaterialien bestehen. Da sich technische Anlagen fortlaufend verändern, werden auch permanent neue Sicherheitsventile hergestellt, die wir Ihnen topaktuell anbieten können.

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