Promotion in SmOP

European Program on
Evaluation of Safety Valve Stability

Flattern: Grundlagenforschung und Messung industrietypischer Installationen

Was ist EuroValve

EuroValve „European Program on Evaluation of Safety Valve Stability” ist ein großangelegtes Forschungsprojekt des CSE-Institutes zur Untersuchung von Ventilinstabilitäten unter industrietypischen Einbaubedingungen. Die Funktionscharakteristik eines Sicherheitsventils hängt entscheidend von der Einbausituation des Ventils, bzw. den Zu- und Ableitungen ab. In den Regelwerken gibt es mit dem 3 % Druckverlust- und dem 10% Gegendruckkriterium Vorgaben für die Auslegung dieser Leitungssysteme. Messungen haben jedoch gezeigt, dass diese z. T. unzureichend sind. In EuroValve sollen die bisherigen Kriterien zur Bewertung der stabilen Ventilfunktion theoretisch und experimentell überprüft und ggf. durch ein neues Kriterium ersetzt werden. Dazu entsteht am CSE-Institut im Rahmen des Projektes ein europaweit einzigartiger Versuchskreislauf für Leistungstests bei Drücken von über 2.500 bar oder große Armaturen mit Nennweiten bis DN 400. Von Seiten der Industrie besteht großes Interesse an diesem Projekt, da eine Regelwerksänderung hin zu einem konservativeren Auslegungskriterium mit hohen Kosten verbunden ist und Unternehmen sich frühzeitig darauf vorbereiten müssen. Firmen wie BASF und Bayer stehen als Förderer dahinter. TOP

Potential für studentische Arbeiten

EuroValve bietet ein breites Spektrum an Arbeiten. Ein Teil des Projektes ist der Aufbau des CSE-Versuchskreislaufes. Die konstruktive Umsetzung von Messvorhaben muss geplant und realisiert werden. Messtechnik ist auszuwählen, zu installieren und zu kalibrieren. Programme zur Messdatenauswertung und -analyse sind zu entwickeln. Eine Reihe von Messungen und Tests am Prüfstand sind durchzuführen.

Der theoretische Projektteil von EuroValve befasst sich mit mathematischen Modellierungen des Phänomens Ventilflattern und ist die Grundlage für die Aufstellung eines Messprogrammes. Weiter gibt es umfangreiche Literatur zum Thema die es zu bewerten gilt. Dort sind bereits viele Messdaten und einige Auslegungskriterien publiziert, die analysiert werden müssen. Die bekannten Auslegungskriterien müssen programmiert, verglichen und bewertet werden. Anhand von Parameterstudien kann ein tiefgreifendes physikalisches Verständnis der Phänomene entwickelt werden.

Durch die enge Zusammenarbeit mit der Industrie können im Rahmen von Abschlussarbeiten in EuroValve erste Kontakte mit potentiellen späteren Arbeitgebern geknüpft werden. Auch die Möglickeit einer auf der Abschlussarbeit aufbauenden Promotion am CSE-Institut im Innovationsprogramm SmOP „Smart Overpressure Protection Devices“ ist gegeben. TOP

Sicherheitsventile in der Praxis

In der chemischen, petrochemischen sowie der pharmazeutischen Industrie sind tausende Sicherheitsventile zum Schutz der Anlagen eingesetzt. Die Betreiber verlassen sich darauf, dass diese mechanische Schutzeinrichtung während eines ungewollten Druckanstieges, oberhalb des Auslegungsdruckes der Anlage, autark öffnet und den Druck bzw. das Fluid teilweise ablässt.
Sicherheitsventile sind aber auch in vielen Bereichen des Alltags zu finden. Nespresso Kaffeemaschinen arbeiten beispielsweise bei einem Betriebsdruck von 19 bar und sind oberhalb dieses Druckes mit einem Sicherheitsventil abgesichert. Verglichen mit Sicherheitsventilen in der Industrie sind diese aber sehr klein. Im Störfall sind nur sehr geringe Fluidmengen abzuführen. In industriellen Produktionsanlagen sind aber große Reaktoren mit Sicherheitsventilen geschützt. Im Störfall gilt es Gas-Volumenströme von z. T. 150.000 mN³/h und mehr oder Flüssigkeiten mit 1.000.000 kg/h und mehr sicher abzuführen. Dafür sind bedeutend größere Sicherheitsventile als bei einer Nespresso Maschine erforderlich. Solche Armaturen wiegen oft mehrere hundert Kilogramm. Auch die 19 bar sind keine Orientierung für Industrieprozesse bei denen die Spanne des Betriebsdruckes von 0,5 bar bis über 2.500 bar reicht. Zu beachten ist auch, dass in der Industrie oft reaktive, hochviskose, ätzende oder toxische Medien verarbeitet werden. Polymere können z. B. bei Abkühlung aushärten und das Ventil verkleben. Saure Gase wie Chlor greifen mit der Zeit das Material an und können zu Schäden am Ventil führen. Beim Handling giftiger Gase wie Phosgen sind höchste Anforderungen an die Dichtheit zu stellen. Weiter ist es logischer Weise nicht zulässig solche Stoffe während eines Ereignisses in die Umgebung abzublasen. Diese Stoffe werden i. d. R. über eine Abblaseleitung hinter dem Sicherheitsventil in einem großen Sammelbehälter aufgefangen. Bei der Auslegung von Sicherheitsventilen sind diese Systeme zu berücksichtigen. Aufgrund der strömungsbedingten Rohrreibung baut sich während des Abblasens ein sogenannter Eigengegendruck hinter dem Ventil auf, der die Öffnungscharakteristik beeinflusst. Neben Abblaseleitungen ist die Zuleitung zum Ventil zu beachten. Mit dieser Thematik befasst sich EuroValve sehr intensiv.

Sicherheitsventile sind in der Praxis meist nicht unmittelbar auf einem Reaktor oder Behälter montiert. I. d. R. ist eine Zuleitung zwischen Reaktor/Behälter und Ventil erforderlich. Die Gründe dafür sind vielfältig: Platzmanngel, wartungsfreundliche Positionierung, nachträgliche Modifikationen/Erweiterungen der Anlage, einbinden des Sicherheitsventils in eine Rohrleitung über ein T-Stück aufgrund fehlender Stutzen am Reaktor, etc. Dadurch gestalten sich Ventilzuleitungen in der Praxis oft sehr Komplex mit Krümmern, T-Stücken, Erweiterungen oder vorgeschalteten Wechselarmaturen. Die Zulassung von Sicherheitsventilen berücksichtigt solche Faktoren jedoch nicht. Sicherheitsventile werden baumustergeprüft und zugelassen. Diese Prüfungen erfolgen mit neuen Ventilen unter Laborbedingungen ohne Zu- und Abblaseleitung. Die Prüflinge sind direkt auf einem Prüfbehälter montiert und entlasten in die Umgebung. Die Öffnung des Ventils kann sich jedoch signifikant ändern, wenn die Sicherheitsventile nicht bei Laborbedingungen sondern im Betrieb ansprechen. Die Betriebsbedingungen und die Leitung vor und nach dem Sicherheitsventil beeinflussen das Ansprechverhalten. Es kommt zu strömungsbedingten Druckverlusten in den Rohrleitungen sobald das Ventil öffnet. Das schlagartige Öffnen führt weiter zu einem Druckstoß in der Zuleitung, wobei eine Unterdruckwelle mit Schallgeschwindigkeit durch die Zuleitung läuft und im Reaktor als Überdruckwelle reflektiert wird. Als Folge derartiger Phänomene ändert sich das Ansprech- und Funktionsverhalten des Ventils. Es kann zu dem gefürchteten Ventilflattern (fluttering und chattering) kommen. Hierbei öffnet und schließt das Ventil hochfrequent (> 10 Hz) – enorme Kräfte werden freigesetzt. Der Ventilteller schlägt mit voller Wucht immer wieder auf den Ventilsitz. Die gesamte Anlage vibriert. Aufgrund der Vibrationen kann es zu mechanischen Beschädigungen am Ventil und in der Anlage kommen. Beispiele hierfür sind ein Störfall 2011 in der Rheinlandraffinerie der eine halbe Million Euro Schaden zur Folge hatte oder ein Störfall im Kernkraftwerk Krümmel 2005. Reibschweißung aufgrund der schnellen Spindelbewegung und das Verblocken des Ventils stellt eine weitere Gefahr dar. Unabhängig von mechanischen Beschädigungen ist die Schutzfunktion nicht mehr gegeben bei Ventilinstabilitäten, wie das Phänomen Ventilflattern auch allgemein umschrieben wird. Denn der abgeführte Massenstrom bricht gegenüber dem Auslegungsfall auf z. T. bis zu 50 % ein. TOP

Motivation EuroValve

Die Auslegung der Zu- und Abblaseleitung in Anlagen erfolgt gemäß den Regelwerken. Diese begrenzen den Druckverlust in der Zuleitung auf maximal 3 % und den zulässigen Gegendruck auf maximal 10 %. Die Kriterien basieren auf sogenannten RAGAGEPs „Recognized and Generally Accepted Good Engineering Practice“. Sie sind bislang nicht ausreichend validiert. Umfangreiche Messungen an amerikanischen Ventilen haben gezeigt, dass insbesondere das 3 % Kriterium keine konservative Auslegungsmethode darstellt. Die amerikanischen Regelwerke wurden daraufhin 2015 angepasst. Dort und in vielen anderen Publikationen ist zu lesen, dass das 3 % Druckverlustkriterium keine Gewähr dafür bietet, dass die Sicherheitsventile zusammen mit den Leitungen stabil arbeiten. Innerhalb des amerikanischen Messprogrammes wird an der Entwicklung eines neuen Kriteriums gearbeitet. Die vorliegenden Messergebnisse lassen erwarten, dass ein neues Kriterium weitaus konservativer sein könnte. Die Konsequenzen eines verschärften Stabilitätskriteriums sind für Altanlagen gewaltig. Es gibt in der Industrie einige tausend Installationen. Änderungen des Ventils und der Leitung einschließlich der Berechnungen und Dokumentation würden extreme Kosten nach sich ziehen. Dies ist der Grund dafür, dass die Untersuchung anlagentypischer Sicherheitsventilinstallationen, mit europäischen Sicherheitsventilen, am CSE-Institut im Rahmen des EuroValve Programmes „European Program on Evaluation of Safety Valve Stability“ erfolgt. Denn europäische Ventile sind gegenüber amerikanischen Ventilen konstruktiv grundlegend anders aufgebaut und weisen eine andere Charakteristik auf. Es ist deshalb in Frage zu stellen, dass ein Stabilitätskriterium, welches basierend auf Messergebnissen an amerikanischen Ventilen entwickelt wurde, sich auf europäische Ventile anwenden lässt. In EuroValve soll zudem auch der Einfluss der angesprochenen industrietypischen Leitungsaufbauten untersucht werden. EuroValve wird unter anderem von den Firmen BASF und Bayer gefördert. Weitere Partner sind erwünscht. Als Ergebnis sollen Messungen an industrietypischen Installationen bestehender Anlagen und ein ausreichendes Stabilitätskriterium für Neuanlagen vorgelegt werden.

Mit den Messdaten an einzelnen, industrietypischen Sicherheitsventil-Abblaseleitungen soll unabhängig vom Regelwerk in Einzelfallbetrachtungen dargelegt werden, dass die untersuchten Installationen ausreichend dimensioniert sind und die Ventile auch unter Berücksichtigung von Zuström- und Abströmleitungen nicht flattern. Es ist zu erwarten, dass mit den Ergebnissen enorme Einsparungen erzielt werden können, wenn die Leitungen nachträglich nicht umgebaut werden müssen. Kosteneinsparungen von 10 000 bis 50 000 Euro je Sicherheitsventil-Abblaseleitung sind möglich. Bei der Vielzahl von Absicherungen in der chemischen und petrochemischen Industrie lässt sich das Einsparpotential schnell abschätzen. Im Rahmen des EuroValve Programms wird festgelegt, welche Ventil-Abblaseleitungen untersucht werden sollen. TOP

Ausblick EuroValve

EuroValve ist eine Promotion innerhalb des Innovationsprogrammes SmOP „Smart Overpressure Protection Devices“, welches dem Schwerpunkt Economic Safety zugeordnet ist. Ziel von SmOP ist die Entwicklung innovativer und intelligenter Schutzeinrichtungen, die sich dynamisch an die vorliegenden Prozessbedingungen anpassen. Als konsekutive Promotionsprojekte innerhalb von SmOP sind HISValve „High Integrity Safety Valve“ zum Thema Betriebsbewährtheit und Verfügbarkeit von mechanischen Sicherheitseinrichtungen und schließlich SmartHIP „Smart Technology for High Integrity Overpressure Protection“ geplant. In SmartHIP sollen dann prozessadaptive Druckentlastungseinrichtungen und spezielle Schutzkonzepte zur Vermeidung von Notentlastungen entwickelt werden, wobei die Schutzfunktion hier mit modernsten prozessleittechnischen Mitteln erfolgen wird. TOP

Projekt-Daten EuroValve

Promotion im Rahmen des Innovations-ProgrammesSmOP
Beginn Juli 2015 / Projektzeitraum 4 Jahre

Log In

Create an account