Sonderdruck »Industriearmaturen«September 2001

Von:Dr.-Ing. Jörg Kiesbauer

Stellventile bei kritischen Prozess- bedingungen in Raffinerien

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Typische Prozessbedingungen inRaffinerien

Eine typische Konstellation bei denProzessdaten in Raffinerieanlagen zeigtBild 1a. Die typische Kennliniencharak-teristik von Kreiselpumpen mit konstan-ter Drehzahl und die hydraulischen Anla-genverluste lassen den Ventileintritts-druck p1 mit dem Massenstrom W ab-nehmen und den Ventilaustrittsdruck p2zunehmen. Der Dampfdruck pv hängtvon der Mediumstemperatur ab.

Die Strömungszustände Kavitationund Flashing haben ihren Ursprung inAusdampfungen in der Flüssigkeit imBereich der Drosselstelle [1, 3]. Kavitati-on liegt vor, wenn das Differenzdruck-

verhältnis (gemäss IEC

60534-8-4 [1,5]) größer als der Ventil-kennwert xFz für beginnende Kavitationwird. Die Dampfblasen entstehen imVentil und zerfallen aber dort auch wie-der durch Implosion wegen p2>pv. DieKavitationszahl σi für beginnende Kavi-tation in [6] ist äquivalent zu dem Kehr-wert von xFz. Ist der Nachdruck p2 klei-ner als der Dampfdruck pv, dann ent-steht Flashing und die Ausdampfungbleibt bis in die Rohrleitung hinter demVentil erhalten (2-Phasenströmung).

Bild 1b zeigt korrespondierend mitBild 1a, dass xF abnimmt, wenn derMassenstrom W zunimmt. Die drei un-terschiedlichen Strömungsbereiche imVentil sind durch die folgenden Farbengekennzeichnet:� turbulente Strömung für xF<xFz (grü-

ner Bereich in Bild 1b)

FACHBERICHTE

Industriearmaturen · Heft 3/2001 · September 1

Stellventile bei kritischen Prozess-bedingungen in RaffinerienControl valves for critical applications in refineries

In Raffinerien werden Stellgeräte oft mit Flüssigkeiten durchströmt. Dadurch kön-nen sich kritische Betriebszustände als Folge von Kavitation oder Flashing erge-ben. Dies äußert sich z. B. in erhöhter Schallemission, in Erosion an Ventil- undRohrleitungsbauteilen oder in niederfrequenten mechanischen Vibrationen im Ven-til und der angeschlossenen Rohrleitung. Werden solche Einflüsse nicht von An-fang an richtig erfasst und ernst genommen, dann kann sich dies äußerst negativauf die Anlagen- und Prozesszuverlässigkeit auswirken, verbunden mit deutlich er-höhten „Costs of ownership“. Leider ist es gerade heutzutage üblich, Stellventile„quick and dirty“ auszulegen, weil die Phasen der Planung, des Angebots und derBestellung einem sehr starken Zeit- und Kostendruck unterliegen.

Dieser Beitrag1) stellt die wesentlichen Grundlagen solcher Probleme dar und zeigtProblemlösungen auf, die anhand von Fallbeispielen aus Raffinerien verdeutlichtwerden. Speziell zur Reduzierung von Kavitationsschall wird ein neuartiges Dros-selelement vorgestellt, das mit Erfolg gerade im Raffineriebereich immer häufigerzum Einsatz kommt.

In refineries, the process media flowing through valves are primarily liquids. With liquids, critical operating conditions caused by cavitation or flashing may occur.Symptoms are, for instance, increased noise emission, erosion of valve and pipecomponents or low-frequency mechanical vibration in the valve and the connected pipeline. Under these conditions, in particular, neglecting details canresult in negative influences on the plant performance and the costs of ownership.Unfortunately, it is a common practice nowadays to select control valves in a„quick and dirty“ fashion, because the phases of planning, bidding and order processing are connected with significant pressures of cost and time.

This article1) presents the basic principles underlying the above problems and shows how to eliminate them based on practical examples from refineries. More-over, a new throttling element is introduced, which is especially suited to the reduction of noise emission produced by cavitation. This new throttling element isimplemented in refineries with increasing success.

Dr.-Ing. Jörg KiesbauerSamson AG, Frankfurt amMain; Tel. 069-4009-464, E-Mail: drjkiesbauer@samson.de

� Kavitation für xF≥xFz und xF<1 (hell-blauer Bereich in Bild 1b)

� Flashing für xF≥1 (gelber Bereich inBild 1b)

Der Dampfdruck pv zusammen mitden Betriebsdrücken p1 und p2 und demVentilkennwert xFz bestimmt nun, ob undwo es zur Kavitation oder zu Flashingkommt. Bei relativ niedrigem Dampf-druck wird das Stellventil im kleinen bismittleren Durchflussbereich kavitierenund Kavitationsschall entwickeln. Bild1b enthält entsprechend Bild 1a für denniedrigeren Dampfdruck pv = 50 kPa diemit W fallende, grün markierte KurvexF(W). Zwischen 80 und 100 t/h kavitiertdie Ventilströmung nicht, dafür aber un-terhalb 80 t/h. Folglich liegt der Schall-pegel zwischen 10 und 70 t/h verhältnis-

1) This article is based on a presentation at the Annual meeting of German refineries in Leuna in September 2000 and was published in English language in the Ju-ne issue 2001 of the Hydrocarbon Processing magazine.

detailliert beurteilen zu können, ist dieKenntnis der genauen Prozessdaten einMuss. Dies gilt besonders für die realenNachdruckbedingungen hinter dem Ven-til. Die Höhe der Rohr- und Krümmer-druckverluste zwischen dem Ventil undz. B. einem Behälter mit konstantemDruck beeinflusst den Ventilausgangs-druck und somit die Art der Ventilströ-mung. Sie flasht oder kavitiert, wenn derBetriebspunkt in der Nähe des scharfenÜberganges von Kavitation in Flashingbei xF=1 liegt.

Die Phänomene Kavitation undFlashing

Die Basis aller Betrachtungen dieserPhänomene sind die Änderungen vonDruck und Strömungsgeschwindigkeitauf dem mittleren Strömungsweg durchdas Stellventil (Bilder 2a und b, [1]).

Kavitation

Mit steigender Druckdifferenz amStellventil bei festem Eingangsdruck p1fällt der Wert des Druckminimums imBereich der Drosselstelle vc und erreichtfür xF>xFz den Dampfdruck der Flüssig-keit pv. Wegen p2>pv zerfallen die im Be-reich um und an dem Drosselkörper ge-bildeten Dampfblasen im Ventilraum hin-ter der Drosselstelle wieder. Bild 3a ent-hält die Visualisierung des am Ventilke-gel anliegenden kavitierenden Strahleshinter der Drosselstelle vc.

Industriearmaturen · Heft 3/2001 · September

mäßig hoch zwischen 80 und 88 dB(A)(Bild 1c, grüne Schallpegelkurve). Fürden anderen Dampfdruck pv= 2000 kPaaus Bild 1a kavitiert die Strömung imoberen Durchflussbereich (Bild 1b, blaueKurve) und unter ca. 80 t/h liegt Flashingvor. Da Kavitationsschall deutlicherhöher als Flashingschall ist [1], ist dasVentil hier zwischen 70 und 100 t/h amlautesten mit Werten zwischen 85 und93 dB(A) (Bild 1c, hellblaue Schallpegel-kurve).

Um für die Festlegung des geeignetenStellventils diese Zustände möglichst

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FACHBERICHTE

Bild 1: Typische Raffineriebedingungen: Prozessdaten (a), Differenzdruckverhältnis und Kavi-tation/Flashing (b), Schallpegel (c)

Fig. 1: Typical conditions in refineries, process data (a), differential pressure ratio and cavitati-on/flashing (b), sound level (c)

1 Ventileingang, 2 vene contracta, 3 Ventilausgang

(1: valve inlet, vc: vena contracta, 2: valve outlet

Bild 2: Druck- und Geschwindigkeitsverlaufbei Kavitation und Flashing

Fig. 2: Plotted pressure and velocity duringcavitation and flashing

Je nach Kavitationsintensität könnenfolgende Probleme auftreten:� Kavitationsschall mit Maximalwerten

von 100 dB(A) (Bild 1c, [1]),� Ventilbauteile- oder Rohrleitungsbe-

schädigung durch Kavitationserosion(s. Bild 5, [1]),

� Schwingungsanregung des Drossel-körpers und des gesamten Ventils (s.Bild 8),

� und Durchflussbegrenzung, die beider kv-Wert-Ermittlung zu berücksich-tigen ist [4].

Flashing

Die Kavitation endet und geht in Flas-hing über, wenn die Differenz p2-pv<0wird. Die Dampfblasen bleiben in deraus dem Ventil ausfließenden 2-Phasen-strömung erhalten und implodieren nichtmehr (Bilder 3b und 4a und b).

Dies führt zu einer deutlich kleinerenGemischdichte auf der Nachdruckseiteals auf der Ventileintrittsseite (reine Flüs-sigkeit). Folglich beträgt die mittlereStrömungsgeschwindigkeit im Falle vonFlashing ein Vielfaches der Ventilein-trittsgeschwindigkeit. In Bild 2b z. B. istdie Austrittsgeschwindigkeit mit ca. 40m/s deutlich höher als die Eintrittsge-schwindigkeit 2 m/s. Je höher die mittle-re Strömungsgeschwindigkeit am Venti-laustritt ist, umso stärker ist das Un-gleichgewicht zwischen Flüssigkeits-

und Dampfphase. Die Bilder 4a und 4bverdeutlichen das stoßwellenartige Aus-strömen, wodurch das gesamte Rohrlei-tungssystem zu mechanischen, nieder-frequenten Schwingungen (< 10 Hz) an-geregt werden kann.

Bei Applikationen, wo der Ventilein-gangsdruck gerade noch über demDampfdruck liegt, liegt schon beim Ein-tritt in das Ventil ein 2-phasiges Gemischaus Flüssigkeit und Dampf vor. Die zuvorbeschriebenen Erscheinungen werdendann noch verstärkt. Ähnlich wie die Ka-vitation kann auch die flashende bzw.echt 2-phasige Strömung zu erheblichenProblemen führen:� Schallentwicklung, aber mit deutlich

niedrigeren Pegeln als bei starker Ka-vitation (s. Bild 1c),

� Ventilbauteile- und Rohrleitungsbe-schädigung durch Erosion infolgeTröpfchenschlag verstärkt durch kor-rosive Anteile im Medium,

� Schwingungsanregung der gesamtenRohrleitung durch stoßwellenartigesAusströmen am Ventilausgang infolgedes Ungleichgewichts zwischen Flüs-sigkeits- und Dampfphase (Bilder4ab),

� Durchflussbegrenzung bei Flashingund zusätzlich erhebliche Durchfluss-reduktion bei 2-Phasigkeit am Ventil-eingang [2].

Maßnahmen gegen Kavitations-erosion

Die Kavitationserosion (Bild 5) ist im-mer dann wahrscheinlich, wenn die Ven-tilströmung aufgrund einer hohenDampfblasenentstehungsrate durch-flussbegrenzt ist [1] und wenn die kineti-sche Energie der aus der Drosselstelledurch den ausströmenden Kavitations-strahl mitgerissenen Dampfblasen (s.Bild 3a) ausreichend hoch ist. Die be-stimmenden Parameter sind hier der Kc-Wert (Tabelle 1), der dem Differenz-druckverhältnis entspricht [3,6 hier 1/σc],ab dem Durchflussbegrenzung beginnt,

und die Druckdifferenz p1-p2, die direktmit der kinetischen Strahlenergie ver-knüpft ist.

Grundsätzlich sollte die Austrittsge-schwindigkeit unter 2 bis 3 m/s liegenund es sollten schwingungsarme Ventil-kegel-Konstruktionen zum Einsatz kom-men. Auf dieser Basis können folgendeempirische Erfahrungswerte (Faustre-geln) zur Vermeidung von Kavitations-erosionsproblemen angegeben werden:� p1-p2 < KC · (p1-pv): keine Probleme� p1-p2 ≥ KC · (p1-pv) und p1-p2 <

∆pKrit,Kav (s. Tabelle 1): keine Proble-me

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Bild 3: Visualisierung von Kavitation (a) undFlashing (b) bei Anströmung von unten

Fig. 3: Visualization of cavitation (a) und flas-hing (b) with the flow coming from below

Bild 4: Stoßwellenartiges Ausströmen beiFlashing führt zur Schwingungsanregung derRohrleitung (a: beginnende Stosswelle, b:endende Stosswelle)

Fig. 4: Propagating shock waves during flas-hing result in excitation of the pipeline (a: be-ginning shock wave, b: ending shock wave)

Maßnahmen gegen zu hohen Kavitationsschall

Bei strengen Schallauflagen sind dieStellventile so zu wählen, dass die ventil-auslastungsabhängigen xFz-Werte fürdie aktuellen Prozessbedingungen hochgenug sind, also xFz>xF.

Während der KC-Wert als Maß für diebeginnende Durchflussbegrenzung imWesentlichen von dem Ventiltyp wieHubventil oder Stellklappe festgelegt ist,unterliegt der niedrigere xFz-Wert zwarauch diesem Einfluss, aber noch viel-mehr der Detailgeometrie des Drossel-körpers. In [1] sind typische xFz-Werteauslastungsabhängig aufgeführt. Zahl-reiche Messungen zeigen, dass die Ven-tilreynoldszahl eine wichtige Rolle spielt.Diese ist in der Hilfsgröße FxFz des Dia-grammes in Bild 7 enthalten, mit dersich die xFz-Werte für verschiedensteVentiltypen und Ventilgrößen ordnen las-sen. Die schwarze Kurve stellt eine mitt-lere Approximation dar, die auch in demaktuellen Neuentwurf von IEC 534-8-4

[5] auf Vorschlag des Autors implemen-tiert wurde. Zwei Grundtendenzen las-sen sich daraus ableiten:� Mit steigendem kv-Wert fällt der xFz-

Wert,� und mit kleiner werdendem Ventil-

formfaktor Fd [4] steigt der xFz-Wert.

In dem Fd-Wert findet die Detailgeo-metrie der Drosselstelle ihren Ausdruck.Er ist umso kleiner, je kleiner der hydrau-lische Durchmesser ist. Die kleinsten hy-draulischen Durchmesser ergeben sichbei rotationsymmetrischen Ringspalten,wie sie vorzugsweise bei teilweise geöff-neten Parabolkegeln zu finden sind. Beigeöffneter Drosselfläche wird der xFz-Wert umso größer, je größer der Sitz-durchmesser bzw. je kleiner die Spalt-weite zwischen Kegel und Sitz (direktproportional zum hydraulischen Durch-messer) sind. Dagegen weisen Ventilemit einem kolbenartigen Kegel in einemKäfig wesentlich größere hydraulischeDurchmesser bzw. größere Fd-Werte auf,was sich ungünstig auf den xFz-Wertauswirkt.

Hubventile mit einer Nennweite über2“ haben in der Regel bei 75 % Ausla-stung xFz-Werte zwischen 0,2 und 0,35.Je nach Drosseltyp steigt der xFz-Wertmehr oder weniger mit abnehmenderAuslastung an. Dies ist unmittelbar mitder Abnahme des Fd-Wertes verbunden.

Tabelle 2 zeigt deutlich, dass bis aufden Parabolkegel alle anderen Kegelty-pen in typischen Raffinerieapplikationengemäß Bild 1 und 2 bei Betriebsdiffe-renzdruckverhältnissen über 0,5 bis 0,8starken Kavitationsschall entwickelnkönnen. Hier hat der Parabolkegel auf-grund seines deutlichen Anstieges beikleinen Auslastungen Vorteile. Dem stehtder Nachteil gegenüber, dass unter Kavi-tation bei einfacher einseitiger Führungstarke Vibrationen bis hin zum Kegel-abriss auftreten können. Der V-Port-Ke-gel mit asymmetrischer Öffnungsgeo-metrie neigt am wenigsten zu Vibratio-nen (Bild 8).

Bei Käfigventilen und Lochkegeln istdie Schwingungsneigung zwar ebenfallsgeringer, aber nachteilig ist die Ver-schmutzungsanfälligkeit in Form vonFress- und Klemmproblemen.

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Bild 5: Gehäuseerosion eines Drehkegelven-tils durch Kavitation

Fig. 5: Erosion in a rotary plug valve body in-duced by cavitation

Tab. 1: Grenzen zurVermeidung vonKavitationserosion

Table 1: Limit va-lues for preventingcavitation erosion

Bild 6: Mehrstufige Axialkegelausührungen zur Vermeidung von Kavitationserosion (SamsonVentilserien 255 und 251)

Fig. 6: Multistage axial plug prevents cavitation erosion (Samson Valve Series 255 and 251)

� p1-p2 ≥ KC · (p1-pv) und p1-p2 ≥∆pKrit,Kav (s. Tabelle 1): Probleme mit1-stufigen Stellventilen

� p1-p2 ≥ KC · (p1-pv) und p1-p2 > 25bar: mehrstufige Hubstellventil-Aus-führung (z. B. Axialkegel, Bild 6) zuempfehlen

Wie kann man nun die Vorteile der ein-zelnen Kegeltypen so kombinieren, da-mit der Kavitationsschall auf ein Mini-mum reduziert wird?

Bild 9 zeigt ein neuartiges, in ein Stan-dardventilgehäuse integrierbares Dros-selsystem. Dieses System wurde unterZuhilfenahme von Strömungssimulatio-nen (CFD) und Messreihen optimiert. Eshat folgende Eigenschaften:� Die Sitzgröße ist nicht reduziert, um

den Ringspalt zwischen Sitz und Ke-gel möglichst klein zu halten. Dadurchist der hydraulische Durchmesserbzw. der Fd-Faktor klein, was sich po-sitiv auf den xFz-Wert-Verlauf aus-wirkt. Außerdem erfolgt über einengrößeren Hubbereich ein kontinuierli-cher Druckabbau, wie in Bild 10a zusehen.

� Zur Vermeidung von mechanischenVibrationen ist der Kegel im Gehäuseund im Sitz nahe am Schwingungs-entstehungsort doppelt geführt (Bild9 Kennzeichnung A).

� Der Sitz enthält eine „hochgezogeneSitzdichtkante“ (Bild 9 Kennzeich-nung B), was den xFz-Wert bei großenVentilöffnungen anhebt, weil die Wir-belstrukturen bzw. Ablösungszonen

unterhalb des Kegels günstig beein-flusst werden (Bild 10d).

� Die Dichtkante ist am Kegel hinter-dreht (Bild 9 Kennzeichnung C). DieseMaßnahme steigert den xFz-Wert beikleinen Auslastungen, weil die Wirbel-strukturen bzw. Ablösungszonenoberhalb des Kegels günstig beein-flusst werden (Bild 10c).

� Zusätzlich können noch Festdrosselnvor dem Kegel im Sitz integriert wer-den, die den xFz-Wert bei hohen Aus-lastungen zusätzlich anheben (Bild 9Kennzeichnung D).

� Der Kegel kann natürlich auch druck-entlastet ausgeführt werden (undzwar durch ein sich oberhalb des Ke-gels befindendes Zylinderrohr unddurch ein am Ventiloberteil fixierteskolbenartiges Gegenstück mit dazwi-schen liegender Abdichtung zur Er-zeugung eines unter dem Vordruckstehenden Raumes (Verbindungsboh-rungen zum Vordruck am Kegel) zurp1-Druckentlastung, was wenigerverschleiß- bzw. verschmutzungsan-fällig ist als bei typischen Käfig-Druckentlastungssystemen)

� Für Druckdifferenzen über 1000 kPabei starker Kavitation (xF > 0,7) wirdder Kegel bzw. Sitz stellitiert oderbesser gehärtet ausgeführt.

Bild 11 verdeutlicht anhand der ge-messenen xFz-Wert-Verläufe, dass einsolches System erst bei merklich höhe-ren Differenzduckverhältnissen Kavitati-onsschall entwickelt als ein V-Port- oderein Kolben/Käfig-Kegel.

Dieses neuartige Drosselelement wur-de beispielsweise in einer typischen Raf-finerieapplikation (Tankwagenverladungmit Personaleinsatz in unmittelbarerVentilnähe) eingesetzt, um für die vorge-gebenen Betriebspunkte Schallpegelunter 70 dB(A) einzuhalten (Bild 12). Derpraktische Einsatz bestätigte die aufdem Prüfstand durchgeführten Messun-gen.

In einer anderen Raffinerie führte einDrehkegelventil zu großen Lärm- undErosionsproblemen bei maximalen Ven-tileintrittsdrücken p1 = 1500 kPa und xF= 0,5 bis 0,9. Nach 1| Jahren war das

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Bild 7: xFz in Abhängigkeit von Fig. 7: xFz as a function of

Tab. 2: Schallverhalten verschiedener 1-stufiger Hubventilkegel

Table 2: Noise behaviour of various single-stage globe valve plugs

Bild 8: Unterschiedliches Vibrationsverhalten (quer zur Kegelstangenrichtung) bei V-Port- undParabolkegel

Fig. 8: Differences in vibration behaviour (horizontal to the plug stem direction) of V-port plugversus parabolic plug

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Ventilgehäuse durch Kavitation stark erodiert (s. Bild 5, kriti-sche Kavitation) und wurde durch ein gleiches Drehkegelventilersetzt. Dies wurde von einem unabhängigen Fachinstitut beilaufendem Prozess regelmäßig auf Materialabtrag mittels ther-mografischer Messsensorik zur Visualisierung der Wandstär-kenveränderung infolge Verschleiß untersucht. Nach weiteren

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Bild 9: Neuartiges Drosselsystem zur Minimierung von Kavitations-schall durch die Maßnahmen ABCD (A: Vibrationsvermeidung, B [C]Strömungstechnische Erhöhung von xFz bei größeren [geringeren]Ventilöffnungen, D: Anhebung von xFz bei größeren Öffnungen durchmehrstufigen Druckabbau)

Fig. 9: New type of throttling system for standard valve bodies to mi-nimize noise caused by cavitation via the features ABCD (A: Vibrationreduction, B [C] Increase of xFz by fluid dynamics theory for greater[lower] plug openings, D: Increase of xFz for greater plug openings viamultistage pressure change)

Bild 10: Gemessene xFz-Wert-Verläufe für Sitzdurchmesser 80 mmmit Drosselsystem aus Bild 9 und V-Port-Kegel aus Bild 8

Fig. 10: Plotted xFz values for seat diameter of 80 mm with throttlingsystem as shown in Fig. 9 and V-port plug as shown in Fig. 8

Bild 11: CFD-Simulationen für zwei Kegelpositionen (kv 5 :ac und kv80: bd): Isobaren und Geschwindigkeitsvektoren

Fig. 11: CFD simulations for two plug positions (Cv 5.9 :ac and kv 94:bd): Isobars and velocity vectors

1| Jahren und hohen „Costs of Ow-nership“ für diese Ventilmessstelle miteinem Vielfachen der ursprünglichenVentilanschaffungskosten zeigte dasDrehkegelventil den gleichen Verschleißwie das erste und wurde schließlichdurch ein Hubventil mit dem oben be-schriebenen neuen Kegel- bzw. Sitzde-

sign ersetzt. Dieses neue Ventil hat nunalle vorherigen Probleme eliminiert.

Maßnahmen bei FlashingIm Falle von Flashing oder 2-Phasen-

strömung ist die Wahl einer ausreichendgroßen Ventilnennweite zur Begrenzungder mittleren Strömungsgeschwindigkeit

auf der Nachdruckseite oberste Pflicht,um die dargestellten Probleme auf einMinimum zu reduzieren. Als Maximal-wert sollten erfahrungsgemäß 60 m/snicht überschritten werden [2]. Bei Appli-kationen mit zusätzlich korrosiv wirken-den Medien ist zudem die richtigeWerkstoffauswahl von Bedeutung.Außerdem sollte die Sitzgröße um min-destens eine Stufe reduziert sein, um derStrömung auf der p2-Seite möglichstschlagartig sehr viel zu Raum zur Verfü-gung zu stellen.

In einer Raffinerie ergaben sich für ein4“-Ventil mit den nachstehenden Be-triebsdaten folgende Schwierigkeiten:

Im Ventil und in den Krümmern vorund hinter dem Ventil (Bild 13a) kam eszur Erosion unterstützt durch Korrosion.Die Auswertung der vorliegenden Be-triebsdaten einschließlich der Enthalpie-daten ergab, dass die mittlere Aus-gangsgeschwindigkeit bei dem norma-len Durchfluss und bei ca. 13 % Aus-dampfung ca. 250 m/s betrug. Damitwar der Erosionsverschleiß durch Tröpf-chenschlag praktisch unvermeidbar.

Nachteilig ist auch die Anordnung desVentils zwischen zwei Krümmern auf ei-ner kurzen Distanz.

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Bild 12: Raffineriebeispiel (Tankwagenbeladung) mit hohen Schallpegelanforderungen(p1=1100 kPa, p2=400 kPa, Q = 30 ... 144 m3/h Öl, xF = 0,64, LpA,a < 70 dB(A) !)

Fig. 12: Practical example from a refinery with high noise reduction requirements (p1=160 psi,p2=58 psi, Q = 54905 ... 263000 lb/h oil, xF = 0.64, external sound pressure level Lpe,a < 70dB(A) !)

Bild 13: Ventil- und Rohrisometrieänderungin einer Raffinerieanlage (a: vorher, b: nach-her)

Fig. 13: Changes in the valve and pipe iso-metry in a refinery system (a: before, b: after)

Ventil wurde mittig in die lange Rohrlei-tung vor dem 1. Krümmer eingebaut(Bild 13b). Hier waren die „Costs of Ow-nership“ bedingt durch Anlagenstillstän-de, Umbauarbeiten und „teure“ Berater-Institutionen letztlich 10 mal so hoch wiedie Erstinvestition für das 4“-Ventil, be-vor das neue Ventil zum Einsatz kam.

An einer anderen Stelle dieser Raffine-rie traten massive Schwingungsproble-me auf, die sogar zum Einreißen vonRohrleitungsträgern führten. Das ur-sprünglich eingesetzte Drehkegelventilhatte eine zu kleine Nennweite (12“), sodass die zu hohen Strömungsgeschwin-digkeiten die in den Bildern 4ab visuali-sierten Strömungsvorgänge und damiteine starke Rohrleitungsanregung be-wirkten, die aufgrund des hohenDruckrückgewinnes bei Drehkegelventi-len noch verstärkt wurden. Abhilfeschaffte ein Hubventil mit größererNennweite (20“, Bild 14). Auch hier wur-den hohe Anlagenkosten auf der Seitedes Anwenders erzeugt, weil vorher einfür die vorhandenen Betriebsbedingun-gen nicht geeignetes Stellgerät ausge-wählt wurde.

Literatur

[1] Kiesbauer, J.: An improved predictionmethod for hydrodynamic noise in controlvalves. Valve World magazine, Vol. 3, Is-sue 3, June 1998, pp. 33 – 49

[2] Diener, R.; Friedel, L.; Kiesbauer, J.: Aus-legung von Stellgeräten bei Zweiphasen-strömung (Sizing of ontrol valves for two-phase flow). AutomatisierungstechnischePraxis, Vol. 42, Issue 3, pp. 26 – 34

[3] Stiles, G. F.: Cavitation In Control Valves,Instruments & Control Systems (p. 2086-2093, November 1961)

[4] Sizing Equations for Fluid Flow under in-stalled conditions, International StandardIEC 534-8-2-1: 2000 (International Elec-trotechnical Commission, Geneva, Swit-zerland)

[5] Prediction of noise generated by hydro-dynamic flow, International Standard IEC534-8-4: IEC 65B WG 9 (Secretary) 130B,2000

[6] Considerations for Evaluating Control Val-ve Cavitation, Instrument Society of Ame-rica Recommended Practice, ISA-RP75.23

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Die Probleme wurden beseitigt durchein 8“-Stellventil mit einem vibrationsar-men V-Port-Kegel mit kvs 80 linear (Ha-stelloy gegen Korrosionsangriff). Das

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Bild 14: Hubstellventil mit vibrationsarmemV-Port-Kegel (Samson 3254)

Fig. 14: Globe valve with low-vibration V-Port plug (Samson 3254)