Metall auf Metall schließt sicher

Dipl.-Ing. Werner Kremer

Absperrklappen zeichnen sich im Vergleich zu Ventilen und Schiebern generell durch geringere Stellkräfte aus. Warum das so ist, erklärt sich aus der Funktionsweise: Bei einer Absperrklappe dreht sich die Klappenscheibe quer zur Strömung um die eigene Achse. Eine 90°-Drehung genügt zum Öffnen oder Schließen – ein wesentlicher Vorteil dieser Armaturen-bauart: Der Verschleiß ist geringer, zum Betätigen genügt ein vergleichsweise geringes Drehmoment, sprich ein kleinerer Antriebsmotor reicht aus. Mit einem geringeren konstruktiven Aufwand erfüllt die Klappe alle Funktionen einer industriellen Absperrarmatur und zeichnet sich durch kleinere Gehäuseabmessungen, die Eignung für praktisch jede Einbaulage sowie die kostengünstige Automation aus.

Im rauen Alltag der industriellen Verfahrenstechnik, gekennzeichnet durch hohe Temperaturen und Drücke, aber auch durch teilweise abrasive oder zum Auskristallisieren neigende Medien, kommen häufig nur metallisch-dichtende Absperrklappen in Frage. Doch ist Klappe nicht gleich Klappe: die konstruktiven Details entscheiden über die Standzeit einer solchen Armatur und deren Eignung für erhöhte Anforderungen der industriellen Verfahrenstechnik. Insbesondere, wenn der Betreiber erhöhte Dichtheitsanforderungen stellt, bewähren sich Flowseal-Absperrklappen Serie VIA/MS von Crane Flow (Abb. 1).

Was erhöhte Anforderungen praktisch bedeuten, zeigt das folgende Beispiel: Seit einiger Zeit setzt ein Chemieunternehmen in NRW eine Reihe von Flowseal-Absperrklappen Serie VIA/MS ein. Solche Klappen mit Doppelflanschgehäuse (ein Sonderwunsch des Betreibers) befinden sich beispielsweise im Methylchlorid-Kreislauf: Methylchlorid wird als Reaktionsgas bei einem Druck bis 5 bar im Kreislauf gefahren. Im Wirbelschichtreaktor kommt es bei unterschiedlichen Drücken zu einer Reaktion des Ausgangsstoffs Silizium mit Methylchlorid zu den gewünschten Silanen. In diesem Kreislauf arbeiten nur metallisch-dichtende Klappen: Denn Methylchlorid ist als kritisches Medium eingestuft – zwar nicht giftig, aber doch brennbar und gesundheitsschädlich; deshalb muss die Klappe eine hohe Dichtheit gewährleisten. Verfahrenstechnisch gesehen reichen die Drücke zwar nur bis etwa 5 bar. Da die Gesamtanlage aber bis zu 10 bar zugelassen ist, muss auch die Druckbeständigkeit der Armaturen entsprechend ausgelegt sein. Das ist für die gewählte Armatur aber kein Problem.

Die Absperrklappen der Serie VIA/MS sind dreifach-exzentrisch gelagert. Exzentrizität ist hier die Abweichung einer Ellipse von einem Kreis. Diese Abweichung dient bei Absperrklappen dazu, die Scheibe beim Öffnen reibungsfrei vom Sitz abzuheben; das zum Öffnen und Schließen erforderliche Drehmoment ist dadurch minimiert. Die dreifache Exzentrizität einer VIA/MS kommt so zustande: Der Sitz ist axial zur Welle versetzt und die Spindel ist zur Mitte des Gehäuses exzentrisch angeordnet, während der Sitzkonuswinkel die dritte Exzentrizität bildet (Abb. 2). Dadurch hat die metallische Lamellendichtung mit dem Gehäusesitz nur Kontakt, wenn die Klappe vollständig geschlossen ist. Die Lamelle, die als einzige Komponente Kontakt mit dem Gehäuse hat, besitzt exakt die gleiche Konusform wie der Gehäusesitz und dichtet tropfen- und gasdicht in beiden Strömungsrichtungen ab. Sie ist mit einer Dichtung aus Reingraphit fest mit der Scheibe verspannt.

Der besondere Vorteil dieser konstruktiven Lösung: Sie ermöglicht ein klemm- und reibungsfreies Aussschwenken der Scheibe aus dem Gehäusesitz. Die Dichtung schwingt unmittelbar aus dem Sitz heraus, denn der Bewegungswinkel ist so groß, dass keine Probleme wie Klemmen, Reiben oder gar ein Blockieren zu befürchten sind (Abb. 3).

Ein weiterer Vorteil dieser Scheiben- und Sitzgeometrie: Die Drehmomente sind reproduzierbar, auch nach langer Betriebsdauer und unterschiedlichen Temperaturanforderungen. Darüber hinaus muss für das reibungsfreie Öffnen nur ein vergleichsweise niedriges Drehmoment aufgewendet werden, der Antrieb lässt sich also kleiner dimensionieren. Weil der Verschleiß sehr gering ist, muss die Klappe seltener gewechselt oder überholt werden. Auch nach langer Einsatzzeit schließt die Absperrklappe zuverlässig und beidseitig dicht.

Ein besonderes Kennzeichen dieser metallisch-dichtenden Absperrklappen ist auch die selbst zentrierende, schwimmende Scheibe: Herkömmliche metallisch-dichtende Klappen sind mit einer verstifteten Scheibe ausgerüstet. Bei Temperaturänderung kann es dabei zu einseitigen Verspannungen der Scheibe kommen – mit allen daraus möglichen Folgen wie Undichtigkeit und Verklemmen. Die hohen zusätzlichen Kräfte, die auf den Stift wirken, führen zu einer Bruchgefahr. Die selbst zentrierende, schwimmende Scheibe der Flowseal VIA/MS hingegen schafft bei Wärmeausdehnungen der Welle keine Probleme. Die besondere Konstruktion der Scheibenlagerung stellt sicher, dass die Scheibe ohne Befestigungselemente in der korrekten Position gehalten wird. Dadurch passt sich die Lamellendichtung auch dann dem Gehäusesitz exakt an, wenn sich die Spindel aufgrund von Temperaturänderungen dehnt oder zusammenzieht. Sie schließt reibungsfrei, ohne Klemmgefahr und mit einem konstanten, reproduzierbaren Betriebsdrehmoment.

Die Klappen haben sich bei allen Einsätzen mit Flüssigkeiten und Gasen bewährt. Besonders positiv schätzen Anwender die beidseitige, bis zum vollen Betriebsdruck reichende Gasdichtigkeit: Hauptgrund dafür sind die innerhalb der Klappe realisierten kurzen Hebelarme, die ein Durchbiegen der Welle verhindern. Gleichgültig, auf welcher Seite Druck anliegt, verändert sich dadurch die innere Geometrie der Klappe nicht. Ergebnis ist Dichtigkeit auch in der nicht bevorzugten Richtung (scheibenseitiger Druck).

Der Dichtungsring ist schichtweise aufgebaut, mit drei Dichtungsringen aus Edelstahl und zwei Ringen aus Graphit. Das bedeutet 3-fache Sicherheit gegen Leckage. Die Graphitscheiben bieten Elastizität, dadurch wird jede Edelstahllamelle gegen den Sitz gepresst. Die sichere Abdichtung erfolgt durch Metall auf Metall. Auch alternative Lamellendichtungen gehören zum Lieferprogramm. Für Anlagen, die mit brennbaren Medien arbeiten, verfügt die Klappe standardmäßig über die Fire-Safe-Prüfung nach API 607 4th Edition. Die Wellendichtung erfüllt die Vorgaben der TA-Luft. Typische Anwendungen sind Dampf, Heißgas und die Petrochemie.

Halle 8.0, Stand O25-O29

Eine weichdichtende Absperrklappe für höhere Temperaturen? Auch das gibt es: Bei den Flowseal-Absperrklappen Serie HP kommt zur Abdichtung kein Elastomer zum Einsatz, sondern ein Plastomer (Hartkunststoffe TFE bzw. RTFE), das bis max. 260 °C einsetzbar ist. Solche Hochleistungsklappen sperren im geschlossenen Zustand sowohl gasförmige (Gas, Erdgas, Dampf) als auch flüssige Medien (Wasser, Heißwasser, Seewasser, Diesel- und Flugbenzin) zuverlässig ab. In Offenstellung erlauben diese High Performance-Klappen aufgrund des besonderen Scheibenprofils einen maximalen Durchfluss und gewährleisten eine gleichprozentige Kennlinie, was gegenüber der linearen Kennlinie oft ein vorteilhafteres Regelverhalten bietet.

Durch die Konstruktion des Weichsitzes mit einem elastischen Kern ist die Klappe blasendicht gegen Druck aus beiden Richtungen. Dieses Design, bei der die Dichtung abhängig vom Druck des Mediums entweder statisch oder hydraulisch gegen die Scheibenkante gepresst wird, garantiert eine Abdichtung nicht nur bei hohen, sondern auch bei niedrigen Drücken, bis hin zum Vakuum. Die feuersichere Variante für brennbare Medien (Fire Safe Design) ist mit zwei sich ergänzenden Sitzausführungen ausgestattet: Im normalen Betrieb gewährleistet der Weichsitz ein blasendichtes Absperren gegen beide Strömungsrichtungen. Im Falle eines Feuers dichtet der zusätzliche Metallsitz beidseitig entsprechend den Anforderungen an feuersichere Armaturen zuverlässig ab.