Clean-Break-Kupplungen: Eine saubere Sache

Dr.-Ing. Wolfgang Kaul, Dipl.-Ing. Herbert Baier

Neben einem möglichst geringen Durchflusswiderstand gehören bei Clean-Break-Kupplungen zum Beispiel ein minimaler Medienaustritt beim Entkuppeln und minimaler Lufteinschluss beim Kuppeln zu den gewünschten Eigenschaften. Einseitig oder zuweilen auch beidseitig anstehender Restdruck darf trotz der Füllung mit inkompressibler Flüssigkeit nicht zur Beeinträchtigung der Kuppelbarkeit führen. Eine einfache und sichere Bedienung sowie ein geringer Betätigungsaufwand sind weitere Anforderungen an die Kupplung. Für eine lange Lebensdauer bei guter Servicefreundlichkeit muss ebenfalls gesorgt sein; oft spielt auch die Möglichkeit einer einfachen Reinigung und eines schnellen Dichtungswechsels eine Rolle.

Die Kupplungsserie BF wurde in zwei Varianten entwickelt. Für kleine Nenngrößen von ¼ bis ¾“ gibt es sie als Steckkupplung mit Kugelverriegelung und Ventilen, die sich während des Kuppelns öffnen. Der Kuppelkraftbedarf ist mediendruckbeeinflusst. Beim Kuppeln wird ein definiertes, wenn auch kleines, Hubvolumen verdrängt. Für große Nennweiten zwischen 10 und 2½0 gibt es die Baugrößen BF-025 und BF-050 als Steckkupplung mit Kugelverriegelung und separater Ventilöffnung über einen Handhebel (Abb. 1). Diese Baugrößen sind gegen Drücke bis zu ihrem Nenndruck uneingeschränkt kuppelbar.

Die Stirnflächen von Kupplung und Nippel weisen eine konkave beziehungsweise konvexe Wölbung auf. Zwischen den gewölbten Flächen ist an geschützter Position eine Stirndichtung wahlweise aus Elastomeren oder Perfluorelastomeren angeordnet, die den Nippel zur Kupplung hin und damit beide nach außen abdichtet. Als Werkstoffe werden Edelstahl 1.4571 oder gleichwertige Materialien verwendet. Weiterhin zeichnet sich die BF-Kupplung durch eine glatte, leicht reinigbare Außenkontur, große Durchflusswerte Cv, kein Medienaustritt beim Kuppeln, minimaler Lufteintritt beim Kuppeln, minimale Medienaustrittsmenge beim Entkuppeln sowie die Eignung auch für trockene Medien aus.

Das Gesamtverdrängungsvolumen von Kupplung und Nippel ist bei der BF-025 und BF-050 nahezu gleich Null und bei den kleineren Baugrößen im Vergleich zu anderen Kupplungen jeweils gleicher Nenngröße sehr klein.

Die patentierte Nippelführung ist bei diesen Kupplungen bereits beim Kuppelbeginn wirksam. Sie ermöglicht das lagegerechte Kontaktieren der Ball-Face-Stirnflächen von Kupplung und Nippel und damit das zuverlässige Dichten vor dem Öffnen der Ventile. Beim Entkuppeln erfolgt dies in umgekehrter Reihenfolge. Das verhindert ein Spritzen sowohl beim Kuppeln als auch beim Entkuppeln.

Bei den Nenngrößen 25 und 50 wurden die Handlings- und Sicherheitseigenschaften zusätzlich erweitert. Diese Sicherheits-Clean-Break-Schnellverschlusskupplungen sind bei jedem Betriebsdruck bis zum Auslegungsdruck (Nenndruck) kuppelbar und entkuppelbar und entlasten den Bediener weitgehend von körperlicher Anstrengung. Das Kuppeln, die Abdichtung nach außen sowie das Öffnen der Ventile sind voneinander getrennte Vorgänge. Zum Kuppeln sind Kupplung und Nippel ineinander zu stecken, die dann automatisch verriegelt werden. Das Dichten zwischen Kupplung und Nippel sowie das Öffnen und Schließen der Ventile erfolgt mit einem um 180° schwenkbaren Handhebel. Nach dem Entkuppeln ist die Kuppelbereitschaft sofort automatisch wieder hergestellt.

Alle notwendigen Bewegungsabläufe des Kuppel- und Entkuppelvorgangs verlaufen zwangsläufig in der sicherheitstechnisch notwendigen Abfolge. So lässt sich die Kupplung nur dann auf Durchfluss schalten, wenn ein Nippel angekuppelt und ordnungsgemäß im Kugelschloss verriegelt ist. Ist aber an Stelle eines Nippels eine – bei Bedarf auch druckdichte – Schutzkappe eingesteckt, so lässt sich das Kupplungsventil nicht öffnen. Ein Nippel lässt sich erst dann wieder abkuppeln, wenn vorher die Ventile vollständig geschlossen sind. Dass die Kupplungen mit relativ großen Nennweiten sich unter Druck leicht verbinden lassen, liegt am Exzentertrieb mit einem günstigen Kraftübertragungswinkel zu Beginn der Ventilöffnung.

Hinzu kommt die besondere Ventildichtungskonstruktion, die Reibung und Verdrängungsvolumina stark minimiert.

Die langen Führungen der BF-025 und BF-050 sind äußerlich am Nippel erkennbar. Zum Reinigen der Nippelstirn sind diese Führungen zurückverlagerbar (Abb. 2). Die Führungen selbst sind am Dichtvorgang unbeteiligt. Dadurch sind sie unempfindlich gegen mechanische Beschädigungen. Die Dichtstellen der Exzenterwelle in der Gehäusedurchführung sind jeweils zweifach abgedichtet. Alle weiteren Dichtungen sind auf einem Modul angeordnet, das im Bedarfsfall schnell komplett ausgetauscht, oder mit neuen Dichtungen bestückt und wieder eingesetzt werden kann (Abb. 3).

Um die Sicherheit weiter zu erhöhen, ist wahlweise ein patentiertes Codiersystem einsetzbar. Dabei verriegeln die Kugeln der Kugelverriegelung in Kugelkalotten am Nippel. Anzahl und Anordnung der Kugeln und Kalotten zueinander bilden Paare oder auch Paargruppen. Bei fehlender Übereinstimmung verriegelt das Kugelschloss nicht und die Ventile lassen sich nicht öffnen. Medienfehlleitungen oder das Vertauschen von Anschlüssen sind somit ausgeschlossen.

Die Kupplungen der Nenngröße BF-050 haben bereits erfolgreiche Testeinsätze hinter sich. Die horizontale Gebrauchslage (Abb. 1) wurde unter anderem an einem Schlauchbahnhof eines Chemie-Großbetriebs getestet. Dabei sind die Kupplungen jeweils ortsfest an den Rohrleitungen angebracht. Der Nippel befindet sich am Schlauch. Jedes erneute Kuppeln ist mit einem Medienwechsel verbunden. Das hat jeweils einen Temperatursprung für die Kupplungsteile zur Folge. Gekuppelt wird unter Betriebsdruck. Zur Erleichterung des Handlings und zum Schutz vor Verbrennungen befindet sich am Nippel ein Ringgriff. Ein am Nippel angekoppelter Balancier sorgt für den Massenkraftausgleich von Schlauch, darin befindlichem Medium und Nippel. Das ermöglicht das mühelose Zusammen- und Auseinanderführen von Nippel und Kupplung. Eingeleitet wird das Entkuppeln durch den Druck beider Daumen auf die Verriegelungshülse der Kupplung, während die anderen Finger den Ringgriff umfassen. Eine Schiene, an der der Balancier verfahrbar ist, ermöglicht das kraftarme Querbewegen des Schlauches von einer Anschlussstelle zur anderen.

Die vertikale Gebrauchslage (Abb. 4) fand bei einer Bahncontainerbetankung mit hochtoxischen Medien Einsatz. Die Medien werden teilweise erst bei 70 °C flüssig. Kupplung und Schlauch sind daher zusätzlich beheizt. In diesem Fall ist der Nippel am Container ortsfest angebracht. Die Kupplung befindet sich flexibel am vertikalen Schlauch. Für den Bediener befindet sich die Kuppelstelle etwas unterhalb Fußhöhe. Im Anschluss an den Verladevorgang erfolgt eine Spülung mit Stickstoff. Das entfernt auch nahezu alle Medienreste aus den produktdurchströmten Innenräumen der Kupplung und des Nippels. Auf diese Weise wird beim Entkuppeln der rein physikalisch unvermeidbare Medienaustritt so weit reduziert, dass zukünftig auf das Anlegen von Ganzkörper-Schutzanzügen verzichtet werden könnte. Eine optionale Handlingshilfe, wie sie in Kürze bei der LKW-Top-Verladung in einem Chemiebetrieb zum Einsatz kommt, ermöglicht zudem ein müheloses Kuppeln und Entkuppeln.

E cav 285