Das Ethylennetz von Infraserv Höcht umfasst mehr als 200 km und wird unterkritisch bis 48 bar betrieben. Die Nord-Süd-Pipeline von Wesseling nach Kelsterbach versorgt die Verbraucher im Industriepark Höchst und in Ludwigshafen. Außerdem sind von Wesseling aus Verbraucher im Chemiepark Knapsack an das System angeschlossen. In Wesseling und Kelsterbach betreibt Infraserv Stationen, die Ethylen in die Pipeline einspeisen oder aus ihr entnehmen bzw. verdichten. Um die Versorgungssicherheit an den Standorten zu garantieren, werden die verfahrenstechnischen Anlagen und Komponenten sowie die Elektro-, Mess-, Steuerungs- und Regeltechnik regelmäßig entsprechend dem aktuellen technischen Stand ertüchtigt. Die Infraserv-Ethylenstation im Chemiepark Knapsack bei Köln beispielsweise wurde 2019 umgebaut. Um die Beanspruchung an einer Armatur in einer Ethylenpipeline und die Erfüllung der Sicherheitsanforderungen der chemischen und petrochemischen Industrie zu prüfen, wurde hier ein Kugelhahn ausgebaut und untersucht.
Vollverschweißter Kugelhahn
Infraserv setzt im Pipelinenetz Armaturen vom Typ BBF von Böhmer ein. Im Chemiepark Knapsack wurde Böhmer beauftragt, einen in der Ethylenstation seit Juni 2008 bis Anfang 2019 eingesetzten vollverschweißten Kugelhahn DN 150, PN 40 mit Flanschanschlüssen zu prüfen. Der Kugelhahn ist mit Getriebe und Handrad ausgestattet und für den Temperaturbereich von -50 bis +120 °C geeignet.
Die Dichtfunktion ist als metallischer Sitzring mit Kunststoffeinlagen ausgeführt. Dadurch wird eine hohe Verschleißbeständigkeit und Unempfindlichkeit gegen Schmutz erreicht. Die Sitzringe sind angefedert. Die Anpresskraft der Dichtungen durch die Federn wird vom Leitungsdruck unterstützt.
Das Dichtungssystem kombiniert den Single- und Double-Piston-Effekt. Bei ersterem bewirkt das Sitzring-Design bei einem unzulässigen Überdruck im Gehäusetotraum eine automatische Entlastung in die Rohrleitung. Bei zweiterem dichten die Sitzringe jeweils unabhängig von den vorherrschenden Druckverhältnissen den Gehäusetotraum und den Rohrraum ab. Es entsteht ein redundantes Dichtsystem. Dadurch findet eine Selbstentlastung des Totraums in den Rohrraum bei geschlossener Stellung nicht statt.
Der Totraum wird über einen Entlüftungsanschluss druckentlastet. Durch den an- und abstromseitigen Sitzring ist der dichte Abschluss zum Totraum in geschlossener Stellung gewährleistet. So kann unter Betriebsdruck die Dichtheit des Kugelhahnes über den Totraum geprüft werden (Double Block & Bleed). Die Spindelabdichtung wird durch mehrere unabhängige Dichtsysteme gewährleistet, was das Ausblasen der Spindel unter Druck verhindert.
Prüfung der Armatur
Es fand eine Sicht-, Druck- und Dichtheitsprüfung des Kugelhahns statt. Zudem wurde dieser aufgeschnitten und zerlegt. Die Druck- u. Dichtheitsprüfungen wurden in Anlehnung an DIN EN 12266–1 durchgeführt. Zuerst wurde eine Festigkeitsprüfung für das drucktragende Gehäuse mit Wasser und dem 1,5-fachen Nenndruck bei 60 bar für 5 min durchgeführt. Der Kugelhahn zeigte keine Leckagen nach außen.
Die innere Dichtheitsprüfung mit Prüfung der Sitzdichtheit auf der Single-Piston-Seite (Eingangsseite) erfolgte mit Luft bei 0,5 bar sowie mit dem 1,1-fachen Nenndruck bei 44 bar. Dabei waren am Totraum und an der Double-Piston-Seite (Ausgangsseite) Blasenzähler angeschlossen, um die Leckagen zu ermitteln. Bei der 0,5-bar-Prüfung traten keine Leckagen innerhalb von 2 min auf. Bei der 44-bar-Prüfung zeigte sich eine Leckage am Totraum. Diese betrug 1 Blase/ca. 2 s (30 Blasen/min) bei einer Wassersäule von 50 mm. Zur Double-Piston-Seite hin war keine Leckage feststellbar. Zur Beurteilung der Leckagemenge wird die DIN EN 60534–4 für die höchste Genauigkeitsklasse VI herangezogen. Bei einem Prüfdruck von 44 bar und einem Sitzdurchmesser von 150 mm beträgt der Leckagefaktor 4. Daraus resultiert eine erlaubte Leckagemenge von 352 Blasen/min.
Die innere Dichtheitsprüfung wurde auf der Double-Piston-Seite mit Blasenzählern am Totraum und der Single-Piston-Seite bei den gleichen Druckstufen durchgeführt. Es traten keine Leckagen innerhalb von 2 min auf. Bei der Double-Block-&-Bleed-Prüfung wurden die Eingangs- und Ausgangsseite mit Luft bei 40 bar beaufschlagt und am Totraum mit einem Blasenzähler die Leckage ermittelt. Diese betrug 1 Blase/8 s (7,5 Blasen/min) bei einer Wassersäule von 50 mm, was die Dichtheit des Kugelhahns belegt. Bei der Double-Block-&-Bleed-Prüfung über den Totraum wurde dieser mit Druck beaufschlagt, um den Öffnungsdruck der Single-Piston-Dichtung zu ermitteln. Diese entlastete bei 10 bar.
Zur Überprüfung der äußeren Dichtheit der Spindelabdichtung wurde der Kugelhahn mit einem Stickstoff-Helium-Gemisch bei 40 bar gefüllt. Es wurden der Prüfanschluss am Totraum und der Dichtmitteleinspritzkopf an der Spindelabdichtung geprüft. Ebenso wurde die Heliumkonzentration in der Glocke und damit die Leckage durch die Spindelabdichtung gemessen. Es zeigten sich keine Auffälligkeiten, die Armatur kann als dicht angesehen werden.
Kugelhahn frei von Beschädigungen
Nach den Druck- und Dichtheitstests wurde der Kugelhahn aufgetrennt und in einzelne Bauteile zerlegt. Die Dichtungssitze, die Spindel und die Lagerschraube waren frei von Korrosion. Die O-Ringe waren nicht beschädigt. An der Spindelverschraubung fanden sich leichte Korrosionsrückstände. Die Dichtungen waren optisch in einem sehr guten Zustand. Die Deltaringe und die O-Ringe im Rücken der Dichtung (Abdichtung zwischen Gehäuse und Dichtung) waren unbeschädigt, ebenso die Kugel selbst.
Die O-Ringe wurden im Labor untersucht und mit neuwertigen O-Ringen verglichen. Es wurden Härte (International Rubber Hardness Degree, Verfahren M nach ISO 48–2), Dichte (nach ISO 2781), Innendurchmesser und radiale Schnurstärke bestimmt und eine Sichtprüfung und eine Infrarotspektroskopie zur Polymerbestimmung durchgeführt.
Die Analyse ergab keine Hinweise auf Einschränkungen bezüglich der Gummielastizität und auf unzulässige Oberflächenveränderungen. Eine gefundene leichte Rillenstruktur erklärt sich herstellungsbedingt. Als minimale radiale lokale Schnurstärke wurden 5,12 mm zur Nennschnurstärke von 5,33 mm gemessen, was als unkritisch eingestuft wird. Der O-Ring war demnach voll funktionsfähig und besaß beim Ausbau noch erhebliche Lebensdauerreserven. Unter den Betriebsbedingungen eines trockenen und sauberen Ethylengastroms ist der Kugelhahn auch nach einer Betriebszeit von mehr als 10 Jahren noch immer als dicht anzusehen.
Infraserv GmbH & Co. Höchst KG, Frankfurt am Main
Autoren:
Dr. Sirko Ogriseck
Projektleitung, EMSR,
Infraserv Höchst
Gerald Manzke
Projektleitung, EMSR,
Infraserv Höchst
Jürgen Rompel,
Energiemanagement,
Infraserv Höchst
