Promotion in SmOP

European Program on
Evaluation of Safety Valve Stability II

Flattern: Grundlagenforschung und Messung industrietypischer Installationen

Das Forschungsprojekt

EuroValve II „European Program on Evaluation of Safety Valve Stability” ist ein großangelegtes Forschungsprojekt des CSE-Institutes zur Untersuchung von Ventilinstabilitäten unter industrietypischen Einbaubedingungen sowie Strategien zur Vermeidung dieses Verhaltens. 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. Weiterin sollen konstruktive Möglichkeiten erarbeitet werden, um das Ventilflattern zu vermeiden. Dazu ist am CSE-Institut ein europaweit einzigartiger Versuchskreislauf für Leistungstests bei Drücken von über 2.500 bar oder große Armaturen mit Nennweiten bis DN 400 gebaut worden. TOP

Potential für studentische Arbeiten

EuroValve II bietet ein breites Spektrum an Arbeiten zur Modellbildung und experimentell am CSE-Versuchskreislauf. Der theoretische Projektteil von EuroValve II umfasst mathematischen Modellierungen des Ventilflatterns und deren Validierung anhand von außergewöhnlichen Messdaten, die es ermöglichen, die physikalischen Phänomene grundlegend zu erforschen. Weiter gibt es umfangreiche Literatur zum Thema die es zu bewerten gilt. Dort sind viele Messdaten und Auslegungskriterien publiziert, die jedoch nicht ausreichen, um das Ventilflattern sicher zu prgnostizieren.

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 bauteilgeprüfte, mechanische Schutzeinrichtung während eines ungewollten Druckanstieges autark öffnet und den Druck bzw. das Fluid teilweise ablässt. Zu beachten ist, 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. Die 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.

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. Bei der Zulassung von Sicherheitsventilen wird ausschließlich das Ventil berücksichtigt, ohne angeschlossene Leitungen. 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 immer wieder auf den Ventilsitz. Aufgrund der Vibrationen in der Anlage 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

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“. Umfangreiche Messungen z.B. der PERF Gruppe an amerikanischen und vom CSE-Institut an europäischen Sciherheitsventilen haben gezeigt, dass insbesondere das 3 % Kriterium oftmals keine konservative Auslegungsmethode darstellt. Es fehlen derzeit zuverlässige mathematische Modelle zur Beschreibung des Phänomens und ggf. konstruktive Änderungen von Ventil und/oder angeschlossenen Leitungen, um das Flattern zu vermeiden. Für Altanlagen kann ein verschärftes Stabilitätskriterium erhebliche Konsequenzen haben: 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 am CSE-Institut einerseits intensiv modelliert wird und andererseits anlagentypische Sicherheitsventilinstallationen experimentell untersucht und optimiert werden.

Mit den Messdaten an einzelnen, industrietypischen Sicherheitsventil-Abblaseleitungen kann 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. TOP

Ausblick

EuroValve II ist ein Promotions-Forschungsvorhaben innerhalb des Innovationsprogrammes SmOP „Smart Overpressure Protection Devices“, welches dem Schwerpunkt Economic Safety zugeordnet ist. Ziel des Innovationsprogramms ist die Entwicklung innovativer und intelligenter Schutzeinrichtungen, die sich dynamisch an die vorliegenden Prozessbedingungen anpassen. Als konsekutive Promotionsprojekte innerhalb des Innovationsprogramms werden die Entwicklung von intelligenten mechanischen Sicherheitseinrichtungen (SmOPs) und SmartHIP „Smart Technology for High Integrity Overpressure Protection“ voran getrieben. In SmartHIP sollen 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
Projektzeitraum 4 Jahre

Projekt-Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmidt
juergen.schmidt@cse-institut.de

Log In

Create an account