Best Practices für die richtige Ventilschaftabdichtung

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Bevor Sie sich mit den Einzelheiten der Auswahl einer Ventilabdichtungsmethode befassen, ist es am besten, die Herausforderungen beim Abdichten eines Ventilschafts zu verstehen und zu erklären, wie dies bewerkstelligt werden kann. Steuer- und Absperrventile fallen in eine von zwei Hauptkategorien: Schiebeventile oder Drehventile.

Bei einem Gleitschieberventil ragt eine Stange aus dem Gehäuse heraus, die sich hebt und senkt, um das Ventil zu öffnen und zu schließen. Ein Drehschieber verfügt über eine Welle, die seitlich aus dem Ventil herausragt und mit einem Stopfen, einer Scheibe oder einer Kugel verbunden ist. Wenn sich die Welle dreht, öffnet und schließt sich das Drehventil. Bei beiden Konstruktionen muss der Ventilschaft aus dem Gehäuse austreten und sich relativ reibungsfrei bewegen können, dabei den Prozess eindämmen und Leckagen verhindern.

Die Ventilschaftdichtungsbaugruppe macht dies möglich. Die Abdichtung erfolgt in der Regel auf zwei Arten: herkömmliche Packungen oder Faltenbalgdichtungen. Nachfolgend finden Sie Einzelheiten zur Funktionsweise dieser Methoden sowie die Vor- und Nachteile der einzelnen Methoden.

Ventilschaftdichtungen müssen zwei widersprüchliche Ziele erreichen. Erstens müssen sie den Ventilschaft vollständig abdichten und alle diffusen Emissionen aus dem Prozess reduzieren – und im Idealfall ganz eliminieren. Zweitens müssen sie diese Leistung vollbringen und dabei gleichzeitig ermöglichen, dass sich der Ventilschaft frei bewegen und weiterhin abdichten kann, selbst wenn der Ventilschaft tausende Male zyklisch läuft. Mehrere Industriestandards berücksichtigen diese Anforderungen, die erforderliche Leistung und die Testmethoden variieren jedoch erheblich.

Die drei wichtigsten Standards für diffuse Emissionen sind TA Luft, FCI 91-1 und ISO 15848. TA Luft ist der am wenigsten umfassende der drei und bietet Leckratenstandards basierend auf der Dichtungsgröße und der Prozesstemperatur. Es fehlen jedoch spezifische Testparameter für die Anzahl der erforderlichen Testzyklen oder die Verfahrstrecke, sodass es schwierig ist, die Leckageergebnisse zwischen verschiedenen Ventilkonstruktionen zu vergleichen.

FCI 91-1 wurde vom Fluid Control Institute erstellt und ist stärker auf die von der Environmental Protection Agency (EPA) vorgeschriebenen Anforderungen zur Leckerkennung und -reparatur abgestimmt. Es verwendet die EPA-Methode 21, um die Ventilpackung zu „schnüffeln“ und die Leckrate zu bestimmen (Abbildung 1). Diese Norm enthält Einzelheiten zur Prüfung eines Ventils. Eine Ventilschaftdichtungskonstruktion erreicht verschiedene Klassifizierungsstufen, basierend auf der resultierenden Leckrate nach einer bestimmten Anzahl mechanischer und thermischer Zyklen.

Die mit Abstand umfassendste Norm ist ISO 15848. Sie bietet verschiedene Leckage-Klassifizierungsraten sowohl für Regel- als auch für Absperrventile basierend auf mechanischen Zyklen, thermischen Zyklen und Schaftgröße. Es ermöglicht auch Tests mit Helium oder Methan und schreibt zwei verschiedene Methoden zur Messung der Leckage der Spindeldichtung für Helium vor, die jeweils viel aufwändiger sind als ein einfacher Schnüffeltest. Konkret wird der obere Teil des Ventils von einem luftdichten Gehäuse umgeben und entweder mit einem Testgas gespült oder einem vollständigen Vakuum ausgesetzt, während das Innere des Ventils mit Helium unter Druck gesetzt wird. Die Leckagemenge kann dann genau gemessen werden.

Bei der Bewertung der Leistung einer Ventilschaftdichtungsanordnung ist es wichtig zu bestimmen, wie das Ventil getestet wurde und welche spezifische Klassifizierung es erfüllt. Es ist relativ einfach, sehr niedrige Leckraten zu erreichen, wenn das Ventil nur wenige Male mechanisch betätigt wird. Es ist viel schwieriger, sehr niedrige Leckraten zu erreichen und aufrechtzuerhalten, wenn das Ventil tausende Male mechanisch betätigt wird und gleichzeitig thermische Zyklen übersteht. Die thermischen Zyklen beeinträchtigen die Dichtung aufgrund der hohen Ausdehnungsrate von PTFE (einem synthetischen Fluorpolymer von Tetrafluorethylen, auch als Teflon bekannt) und der geringen Rückgewinnungsrate von Graphit, was das Packungsdesign zu einer Herausforderung macht.

Die gebräuchlichste Methode zur Ventilschaftabdichtung verwendet eine Reihe von PTFE- oder Graphitringen, die den Ventilschaft umgeben (Abbildung 2 links). Die Ringe werden mit einer Kombination aus Packungsfolger, Packungsflansch und Schrauben zusammengedrückt, um die Packungsringe nach unten zu drücken und gegen die Welle zu drücken. Die komprimierten Ringe ermöglichen die Bewegung des Ventilschafts und sorgen gleichzeitig für eine Abdichtung gegenüber dem Ventilkörper und der Welle, um zu verhindern, dass Prozessflüssigkeiten durch den Schaft gelangen und entweichen. In bestimmten Anwendungen muss die Packung nur vor groben Prozesslecks schützen, sodass relativ geringe diffuse Emissionen kein Problem darstellen und die freie Spindelbewegung als wichtigere Anforderung angesehen wird.

Um niedrige Emissionen zu erreichen und aufrechtzuerhalten, muss die Packung „unter Spannung“ stehen, um einen konstanten Druck auf die Dichtringe aufrechtzuerhalten (Abbildung 2 rechts). Dies wird normalerweise durch komprimierte Belleville-Federn erreicht. Diese Federn üben eine konstante Kraft auf die Packung aus und stellen so sicher, dass sie dauerhaft abdichtet, auch wenn die Ringe durch Spindelbewegungen verschleißen. Leider führt der erhöhte Druck dazu, dass die Ventilbewegung eingeschränkt wird. Deshalb müssen die Dichtungsmaterialien und die Oberfläche des Ventilschafts sorgfältig ausgewählt werden, um diffuse Emissionen zu minimieren und gleichzeitig die Bewegung des Ventilschafts zu ermöglichen.

Eine Alternative zur Ventilpackung ist eine Ventilbalgdichtung. Eine Balgdichtung verwendet eine geschweißte oder mechanisch geformte Metallbarriere um den Ventilschaft, die sich wie eine Ziehharmonika komprimieren und dehnen lässt (Abbildung 3). Da die Dichtung aus Metall besteht und sich in kritischen Bereichen nur sehr wenig verformt, erreichen Faltenbalgdichtungen nahezu keine Leckage.

Beide Konstruktionen können pro Falte etwa die gleiche Strecke dehnen, aber da der geformte Balg weitaus weniger Falten pro Zoll aufweist, ist seine Gesamtlänge normalerweise dreimal länger (Abbildung 4). Allerdings ermöglichen die geringere Anzahl an Schweißnähten und die entsprechende mechanische Beanspruchung, dass geformte Bälge in den meisten Anwendungen deutlich länger halten.

Da Balgdichtungen aus relativ dünnem Metall bestehen und mechanischer Beanspruchung und Korrosion ausgesetzt sind, können sie mit der Zeit reißen und versagen. Aus diesem Grund verfügt ein Faltenbalgventil in der Regel darüber über einer Standardpackung, die den Prozess abhält, falls der Faltenbalg im Betrieb ausfällt.

Jede Methode der Ventilschaftabdichtung hat Vor- und Nachteile, daher hängt die beste Wahl von der Anwendung ab. Der vielleicht größte Vorteil von Standard- oder Umweltpackungen sind ihre vergleichsweise geringen Kosten sowie die große Auswahl an Ventilpackungsmaterialien und -designs, die für die meisten Anwendungen geeignet sind. Ventilpackungen können auch ohne Demontage des Ventils eingestellt und ausgetauscht werden.

Der größte Vorteil einer Balgkonstruktion ist ihre Fähigkeit, keine Leckage zu liefern. Eine solche Spezifikation ist für tödliche Serviceanwendungen von entscheidender Bedeutung. Die Balgmaterialien können auch für höhere Temperaturen und korrosive Anwendungen ausgewählt werden. Da die Lebensdauer einer Balgdichtung von der Anzahl und Länge der Hübe abhängt, lässt sich die geschätzte Zeit bis zum Ausfall einigermaßen genau vorhersagen und so den Austausch planen.

Jedes Design hat auch Nachteile. Die Leistung und Lebensdauer einer Packung basieren auf vielen Variablen, die nicht immer leicht vorherzusagen sind. Kleinere Lecks können normalerweise durch Festziehen der Packung behoben werden, aber irgendwann muss die Packung ersetzt werden. Auch die Oberflächenbeschaffenheit des Ventilschafts kann einen großen Einfluss auf die Lebensdauer und Leistung einer Packungskonstruktion haben. Ungeachtet dessen werden alle Ventilpackungen bis zu einem gewissen Grad undicht sein, was bei bestimmten Anwendungen möglicherweise nicht akzeptabel ist.

Wie bereits erwähnt, ermüden Balgdichtungen und versagen schließlich. In diesem Fall muss das Ventil vollständig zerlegt werden, um die Balgdichtung auszutauschen. Aus diesem Grund sind die Gesamtbetriebskosten einer Balgdichtung in der Regel höher als die einer Packung.

In einem chinesischen Chemiewerk wurde eine lebensgefährliche Cyanwasserstoff-Anwendung eingesetzt, bei der während des Betriebs nahezu keine Leckage erforderlich war. Daher wurde eine Faltenbalgdichtungskonstruktion gewählt. Bei der Inbetriebnahme meldete die Anlage keine messbaren Emissionen und nach sechs Jahren wurden immer noch keine Leckagen gemeldet. Die Ventile durchliefen jährlich 50.000 Vollzyklen und mehr als 10.000 Teilzyklen.

Die richtige Auswahl der Ventilschaftdichtung ist ein entscheidender Bestandteil des Ventilspezifikationsprozesses. Bei kluger Wahl wird das Design langfristig zuverlässig funktionieren, was zu einer erheblichen Reduzierung der Umweltemissionen, Produktverluste und Wartungskosten führt. Weniger Produktverluste verbessern die Effizienz und sind ein wichtiger Bestandteil des Energiemanagements.

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Lisa Miller ist Senior Engineering Manager für Fisher-Gleitspindelventile bei Emerson Automation Solutions. Sie ist seit mehr als 20 Jahren die wichtigste technische Beraterin für Fisher-Packungen und -Faltenbälge und verfügt über 25 Jahre Erfahrung in der Entwicklung, Prüfung und Herstellung von Kryoventilen. Miller ist Vorsitzender des Ausschusses ISA75.27.01, Cryogenic and Low Temperature Seat Leakage Testing of Control Valves, und seit 10 Jahren Mitglied der ISA. Sie hat einen BS in Maschinenbau von der University of Iowa.