Aufklärung zur Auswahl der Hochdruckregelventile gegen Kavitation

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Dieser Beitrag wurde zuletzt von yinkuilin6868 am 23.11.2015 um 08:37 bearbeitet. Ventile mit einem PN-Wert von ≥16 MPa werden in der Regel als Hochdruckventile bezeichnet. Das Hauptproblem bei der Verwendung von Hochdruckventilen ist ihre Lebensdauer. Ventile mit herkömmlicher Konstruktion können unter hohen Druckunterschieden nur 1 bis 2 Monate lang verwendet werden. Um das Problem der kurzen Lebensdauer von Hochdruckventilen zu lösen, haben Hersteller im In- und Ausland große Anstrengungen unternommen und zahlreiche Erkundungen in Bezug auf Materialien und Konstruktionen durchgeführt. Dadurch entstanden verschiedene Produkttypen, darunter mehrstufige Hochdruckventile, Labyrinth-Hochdruckventile sowie Hochdruckventile mit einzelnem Sitz und Gehäuse. Es gibt nur ein Ziel: Die Lebensdauer von Hochdruckventilen zu verlängern, indem die Schäden, die durch physikalische Phänomene wie Kavitation, Abtragung und Verdampfung an den Ventilen entstehen, verringert werden. 　　I. Gründe für eine kurze Lebensdauer der Ventile
Es gibt hauptsächlich zwei Gründe, die dazu führen, dass Hochdruckventile eine kurze Lebensdauer haben: Kavitation und Abtragung. 　　Vaporisierung, Kavitation: Wenn der Druckunterschied an der Ventilklappe (P1-P2) größer ist als der maximale Sättigungsdruckunterschied des Mediums (△Pmax), kommt es zur Vaporisierung. Dadurch entsteht wiederum Kavitation, was zu Schäden an der Innenseite der Ventilklappe sowie an den angrenzenden Rohrstrukturen führt. Die Strömungsgeschwindigkeit ist am größten, wenn die Flüssigkeit durch den Düsenausgang mit der kleinsten Querschnittsfläche fließt. Ein Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit (oder kinetischen Energie) geht einher mit einem **Abfall des Drucks** (oder potenziellen Energie). Wenn der Druck unter den Sättigungsdampfdruck des Mediums fällt, bilden sich Blasen im Medium. Mit weiterem Abfall des Drucks am Drosselventil bilden sich zahlreiche Blasen. In dieser Phase gibt es keinen wesentlichen Unterschied zwischen Verdampfung und Kavitation, doch die Möglichkeit eines Schadens an der Struktur der Ventile besteht durchaus. 　　Vaporisierung, Erosion: Wenn der Druck des Mediums nach dem Durchgang durch die Drosselklappe weiterhin unter dem Sättigungsdampfdruck des Mediums liegt. Die Blasen bleiben im Strahl hinter dem Drosselventil – das bezeichnen wir als Verdampfung. Die Verdampfung verursacht erhebliche Abnutzungserschöpfungen am Ventilstift. Das Merkmal dieser abgenutzten Oberflächen ist, dass sie eine glatte, polierte Struktur aufweisen. Die Orte mit den schwersten Erosionsschäden sind in der Regel die Stellen mit der höchsten Strömungsgeschwindigkeit – meist entlang oder in der Nähe der Kontaktlinie zwischen Ventilkern und Ventilsitz. Insbesondere bei kleinen Öffnungen, kleinen Drosselungsspalten und hohen Strömungsgeschwindigkeiten ist die Erosionszerstörung am schwerwiegendsten. Daher sollte die Hochdruckventil so weit wie möglich nicht bei geringem Öffnungsgrad arbeiten. Selbst die besten Ventile haben eine erheblich kürzere Lebensdauer, wenn sie über einen langen Zeitraum bei geringer Öffnungsgrad arbeiten. Um ein Arbeiten bei geringer Öffnungsgrad zu vermeiden, ist die genaue Berechnung sowie die richtige Auswahl entscheidend – darauf müssen sowohl die Entwurfsbüros als auch die Nutzer besonders achten. 　　Typisches Beispiel für Kavitation durch Siedevorgänge – äußere Kavitation: Andererseits entsteht Kavitation, wenn der Druck des Mediums nach dem Durchfluss durch den Drosselklappenwert wieder über dem Sättigungsdampfdruck des Mediums liegt; in diesem Fall platzen die Blasen oder explodieren nach innen. Wenn die Dampfluftblasen platzen, wird Energie freigesetzt, und es entsteht ein Geräusch, das dem ähnelt, das entsteht, wenn Sand oder Kies durch eine Ventilklappe strömt. Wenn die Blasen in der Nähe der festen Oberfläche innerhalb der Ventile platzen, setzt die dabei freigesetzte Energie das Material allmählich auflösen, wodurch hohle, zellförmige Strukturen entstehen. Die zerstörerische Wirkung der Kavitation kann sich auf die benachbarten, weiter flussabwärts liegenden Rohrleitungen ausdehnen. Offensichtlich neigen Ventile mit hohem Erholungskoeffizienten aufgrund ihres Erholungsfaktors eher zu Kavitation, da der Druck hinter ihrem Drosselstutzen eher über den Sättigungsdampfdruck des Mediums ansteigen kann. 　　Typische Formen der Kavitationsschäden – Beziehung zwischen Verdampfung und Kavitation sowie zwischen Abtragung: Bei geringer Drehzahl ist die Strömungsgeschwindigkeit am Drosselventil höher, der Druck niedriger und der Anteil an Blasen im Medium größer. Daher treten bei dieser Bedingung schwerwiegendere Verdampfungsschäden auf; die Abtragungsschäden stellen dabei das Hauptproblem dar. Bei Betrieb bei großen Öffnungen besteht das Hauptproblem in der Kavitationsschäden, die entstehen, wenn der Systemdruck über den Sättigungsdruck ansteigt. Daher sollten Benutzer beim Einsatz von Hochdruckventilen versuchen, eine geringe Öffnungsgrad zu vermeiden. Die von den Herstellern hergestellten Hochdruckventile müssen über gute Maßnahmen gegen Kavitation verfügen; andernfalls werden die Ventile aufgrund von Kavitation und Abtragung schnell beschädigt. 　　Zweitens: Eine ausgereifte Hochdruckventil gegen Kavitation. Die am häufigsten verwendeten Hochdruckventile lassen sich strukturell in mehrstufige Hochdruckventile, Labyrinth-Hochdruckventile sowie Einzelrohr-Hochdruckventile einordnen. 　　Aus Sicht der Nutzung haben sie jeweils ihre Vorteile, doch die mehrstufigen sowie labyrinthartigen Hochdruckinnerstrukturen sind recht komplex, die Bereitstellung von Ersatzteilen sowie deren Austausch sind schwierig, wodurch die Nutzung sehr unpraktisch ist. Angesichts dieser Situationen hat die Firma Hualin eine kleine, einstufige Hochdruckventil gegen Kavitation entwickelt. Dieses Produkt verfügt über einfache Ersatzteile, wodurch ein Austausch und eine Reparatur einfach möglich sind – dadurch werden die oben genannten Probleme gut gelöst. Im Jahr 1992 erhielt dieses Produkt ein **Patent (Patentnummer: ZL92 2 20633.3)**. (Diese Hochdruckventile gegen Kavitation verfügen über eine dreistufige Drosselstruktur aus „Durchflussplatte + Einwegventil + Hüllventil“:
● Erste Drosselung – Die Verengung des Anschlussrohrs wirkt wie eine Drosselung durch eine Durchflussplatte und macht etwa 10 Prozent des gesamten Druckabfalls aus.) 　　●Zweistufige Drosselung – Die Struktur der Einzelventil-Drosselklappe macht etwa 30 Prozent des gesamten Druckabfalls aus. 　　●Dreifach-Drosselung – Zylindrische Drosselstruktur, die etwa 60 % des Gesamtdruckabfalls ausmacht. 　　Die pneumatische Membran-Vakuumvermeidungs-Hochdruckventile mit dreistufiger Drosselstruktur „Durchflussplatte + Einzelventil + Hüllenventil“ teilen den Druckabfall durch das Ventil in mehrere kleinere Abfälle auf. Jeder dieser kleineren Abfälle sorgt dafür, dass der Druck an der minimalen Drosselfläche höher ist als der Druck des gesättigten Dampfs. Dadurch wird die zerstörerische Wirkung des Siedevorgangs auf das Ventil vermieden oder verringert. Gleichzeitig kann durch den Einsatz von Düsenstrahl-Strukturen anstelle der herkömmlichen „Führungsschalen + Ventilsitze“ das Problem der leichten Lockerung der Führungsschalen endgültig beseitigt werden. Zudem kann die Düsenstrahl-Struktur die einseitige, lokale Schädigung des Ventilsitzes durch den Widerstand des Flusses verringern und somit die Geräusche beim Durchfluss reduzieren. Da die Sprühmethode durch kleine Öffnungen den größten Teil des Drosselungsdrucks am Ventil aufnimmt – etwa 60% – kann die Korrosionswirkung vom Ventilansatz auf diese kleinen Öffnungen verlagert werden. Dadurch werden die Dichtflächen geschützt und die Lebensdauer des Ventils verlängert. Die Lebensdauer kann dabei 2 bis 3 Mal so hoch sein wie bei herkömmlichen Ventilen mit hohem Druckunterschied. 　　III. Maßnahmen gegen Kavitation
(1) Die Verwendung von Hartmetall war in der Vergangenheit nicht geeignet. Stattdessen sollten Materialien verwendet werden, die eine bessere Kombination aus Härte und Zähigkeit aufweisen sowie widerstandsfähig gegen Kavitation und Abrieb sind. 　　(2) In den 1970er Jahren wurde häufig die Technik der Einbau von Düsen hinter dem Ventil verwendet, um den Druckabfall am Ventil zu verringern. Mit diesem Ansatz kann innerhalb des Ventils Widerstand erzeugt werden, wodurch ein besseres Reduzieren des Drucks erreicht wird. 　　(3) Verhinderung eines Betriebs bei kleiner Öffnungsweite, Reduzierung der Geschwindigkeit des Strömungsflüssigkeits. 　　(4) Es sollte eine Flüssigkeitsführung gewählt werden, bei der möglichst kleine Ventile wie lineare Winkelventile verwendet werden, um den Einfluss der Partikel zu verringern. 　　(5) Wirbelströmungen können zu lokaler, schwerer Erosion führen; dazu sollten Methoden zur Störung der Strömung eingesetzt werden, um dies zu überwinden. 　　(6) Durch die Verwendung einer mehrstufigen Drosselstruktur wird der Druckabfall über das Ventil in mehrere kleinere Druckabfälle aufgeteilt, wodurch die Lebensdauer des Ventils verlängert wird. 　　(7) Vergrößern des Durchmessers des Ventilstabs, um die Steifigkeit des Ventilstabs zu erhöhen und Brüche zu verhindern. 　　(8) Bei großem Durchmesser und hohem Druckunterschied sollte ein leistungsstarker Kolbenantrieb verwendet werden. 　　IV. Hinweise zur Verwendung 　　(1) Es ist entscheidend, ein Arbeiten bei geringer Öffnungsgrad zu vermeiden – denn dadurch verkürzt sich die Lebensdauer erheblich. Wenn bei der Auswahl solche Situationen auftreten, sollte man den DN- oder dg-Wert verringern.
(2) Bei Ventilen mit großem Durchmesser muss man die Ungleichgewichtskräfte sorgfältig berechnen und den geeigneten Aktor sowie die passende Federstärke auswählen, um zu verhindern, dass das Ventil nicht richtig schließt.
(3) Bei Ventilen mit kleinem Durchmesser und besonders hohem Druckunterschied sollte man Vorrichtungen zum Drosseln des Durchflusses bereithalten, damit diese im Bedarfsfall sofort eingesetzt werden können.
(4) Im Jahr 1995 berichtete das Ministerium für Chemie von einem Unfall in einer Chemiefabrik: Aufgrund eines Bruchs des Ventilkörpers schloss sich der Ventilkopf automatisch, wodurch der Druck anstieg und schließlich die Anlage explodierte. Dies führte zu schweren Verletzungen und Todesfällen. Daher sollte aus Sicht der Sicherheit vorrangig ein Strömungsabfluss-Typ (Eingang von unten, Ausgang von der Seite) gewählt werden.