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Kavitation in Kugelventilen - und Lösungsvorschläge

Nov 15, 2018

Kavitation in Kugelventilen - und Lösungsvorschläge
Kugelhahnventile mit geradem Muster werden in der Öl- und Gasindustrie häufig verwendet, um den Fluss von Flüssigkeiten zu regulieren und zu steuern. Während des Betriebs sind diese Ventile Problemen wie Kavitation ausgesetzt.

Das Prinzip der Absperrventile mit geradem Muster besteht darin, dass der Fluss die Mitte des Ventils erreicht, in dem sich Sitz und Stopfen befinden. Zwei 90-Grad-Drehungen des Fluids innerhalb des Absperrventils vor und nach dem Stopfen (Abbildung 1) erzeugen einen erheblichen Druckabfall.

Ein erheblicher Druckabfall der Flüssigkeitsdienstleistungen im Kugelventil unterhalb des Dampfdrucks bewirkt, dass der Dampf aus der Flüssigkeit herausgedrückt wird. Die Blasen nehmen den Druck wieder auf und kollabieren und erzeugen Druckwellen. Folglich können die Druckwellen den Sitz, den Stopfen und den Körper der Hubventile beschädigen. Kavitation kann unregelmäßige Vertiefungen und Erosion in der Verkleidung (Sitz und Stopfen), im Körper und in den nachgelagerten Rohrleitungen verursachen. Abbildung 2 zeigt Kavitationsschäden in Form von kleinen Gruben, die Korrosionsschäden in den Steckern der Hubventile sehr ähnlich sind.

Kavitation hat neben Korrosion und Erosion weitere negative Auswirkungen:

Lautes Geräusch
Starke Erschütterung
Ersticken der Strömung durch Dampfbildung
Ändern der Flüssigkeitseigenschaften
Anlage stillgelegt

Das Kavitationsrisiko ist nicht nur vom Kavitationsindex abhängig, sondern wird auch vom Öffnungsanteil des Ventils beeinflusst. In der Tat erhöht eine geringere Öffnung des Ventils die Wahrscheinlichkeit von Kavitation. Es gibt andere Parameter, die die Kavitation beeinflussen:

Ventilgröße: Größere Ventilgrößen erhöhen die Kavitationsgefahr.
Druckklasse: Ventile der höheren Druckklasse haben die Möglichkeit eines höheren Druckabfalls und Kavitationsgefahr.
Material: Bei härteren Materialien wie 22Cr-Duplex besteht ein geringeres Kavitationsrisiko als bei weicheren Materialien wie austenitischen rostfreien Stählen. Darüber hinaus haben harte Besatzmaterialien wie Stellite 6 (UNS R30006) oder Stellite 21 in Form von Voll- oder Deckschichten und martensitische rostfreie Stähle (13Cr) wie UNS S41000 oder 415000 eine höhere Kavitationsfestigkeit.
Leckage: Leckage aus dem Ventilsitz bei geschlossenem Ventil erhöht das Kavitationsrisiko.
Strömungsbereich: Turbulente und hohe Strömungsgeschwindigkeit erhöhen das Kavitationsrisiko.
Trimm-Design: Zum Beispiel erzeugt ein mehrstufiges Trimm-Design einen Druckabfall in zwei oder mehr Stufen, um einen hohen Druckabfall in einer Stufe zu vermeiden. Der andere Vorteil der mehrstufigen Verkleidungskonstruktion besteht darin, einen hohen Druckabfall von den Sitz- und Stopfenabdichtbereichen weg zu haben.
VORGESCHLAGENE LÖSUNGEN
Es gibt verschiedene Ansätze, um Kavitation zu vermeiden. Dazu gehören das Wechseln des Ventils und das Reduzieren der Auswahl von Absperrventilen. Andere Lösungen betreffen die Auswahl des robusteren Kugelhahnventils.

Neuer Standard

Die 2013 erschienene Standard-Erstausgabe des American Petroleum Institute (API) 623 enthält Anforderungen an Kugelventile, um Leckagen, Vibrationen und Kavitation zu vermeiden. Der Standard API 623 legt fest, dass sowohl am Sitz und am Stecker als auch an der geführten Scheibe eine Hartverkleidung vorgesehen ist, insbesondere für Hochdruckklassen. Der in API 623 angegebene Schaftdurchmesser folgt mit unterschiedlichen Werten den Grundsätzen des API 600 Cast Steel Gate Valves-Standards. Die Werte des Schaftdurchmessers in API 623 sind größer als bei anderen Hubventilnormen einschließlich BS 1873, um Brüche wie das Trennen von Schaft und Stopfen zu vermeiden. Diese Norm deckt Ventile mit Durchmessern von 2 bis 24 Zoll und Druckklassen von 150 bis 2500 ab. Stellit ist eine Kobalt-Chrom-Legierung, die häufig für die Hartverkleidung der internen Komponenten des Absperrventils einschließlich Sitz und Stopfen verwendet wird, um Erosion zu verhindern und Kavitation.

Alternative Ventilauswahl

Y-Typ-Absperrventile (auch Schrägventile genannt) und Axialventile sind alternative Ventiltypen, mit denen Erosion und Kavitation vermieden werden können. Der Strömungsweg innerhalb des Y-Typ-Kugelhahnventils ist gerader als der gerade Kugelkopf.

Axialventile als die neue Generation von Absperrventilen haben viele Vorteile, wie einen geringen Druckabfall, eine schnelle Schließ- und Öffnungsgeschwindigkeit, eine gleichmäßige Strömungseigenschaft, ein niedriges Betätigungsdrehmoment und eine lange Lebensdauer. Axialventile und Y-Ventile sind jedoch in Bezug auf die Ausgabenkosten (CAPEX) teurer als Absperrventile mit geradem Muster. Zusätzlich können Drosselklappen die bevorzugte Wahl für die Drosselung in Versorgungsunternehmen wie Wasser anstelle von Hubventilen sein. Ein Grund für die Auswahl von Absperrklappen anstelle von Absperrklappen zum Drosseln in Seewasserversorgung ist, dass Absperrklappen weniger kostspielig sind, obwohl Kavitation in den Absperrklappen auftreten kann, wie dies bei Absperrklappen der Fall ist.

FAZIT
Kavitation ist das Hauptbetriebsproblem bei den herkömmlichen T-Typ-Absperrventilen. Für die Gestaltung von T-Typ-Absperrventilen wird die Auswahl harter Verkleidungsmaterialien wie z. B. Stellite, die Verwendung von Anti-Kavitations-Verkleidungen wie beim mehrstufigen Typ und die Anwendung des API 623-Standards empfohlen. Die Auswahl von Ventilen wie Kugelkupplungen vom Typ Y oder Axialventile kann jedoch auch eine gute Lösung sein, um das Kavitationsrisiko zu verringern oder zu vermeiden.