Schwimmende Ventilsitze

Klaus Rümler

Auch wenn viele Anwender besonderen Respekt vor ihnen haben, moderne Stellventile können einfach aufgebaut und wartungsfreundlich sein. Sowohl bei der Inbetriebnahme als auch in der langjährigen Einsatzpraxis sind größtmögliche Flexibilität und Reaktionsmöglichkeiten bei minimalen Kosten zu gewährleisten. Aus diesem Grund ist der innere Aufbau der Spira-Trol-Stellventile (Bild 1) völlig anders konzipiert: Der Ventilsitz ist schwimmend gelagert und wird durch einen Käfig gehalten. Alle Innenteile können mit einfachem Werkzeug ausgetauscht werden und auch nicht so erfahrene Mitarbeiter können die Arbeiten mit etwas Sorgfalt selbst durchführen.

Stellt sich bei der Inbetriebnahme heraus, dass die Einsatzdaten doch nicht ganz so sind, wie ursprünglich angenommen, muss der kvs-Wert des Ventils geändert werden. Während das bei vielen herkömmlichen Ventilen eine fast unlösbare oder zumindest eine zeitaufwendige Aufgabe darstellt, wird das Spira-Trol mit einem normalen Gabelschlüssel geöffnet. Anschließend werden der Ventilkäfig und der Ventilsitz aus dem Körper herausgenommen und die Kegelstange wird aus der Stopfbuchse gezogen. Auch dafür ist kein Spezialwerkzeug notwendig.

Die Innenteilgarnitur besteht aus Ventilsitz und Kegelstange. Bild 2 zeigt beispielhaft den Unterschied: Rechts einen sehr viel kleineren kvs-Wert mit einem Mikroströmungs-Regelkegel, links die ausgetauschten Teile. Alle anderen Bauteile wie Ventilkörper, Deckel oder Käfig bleiben dieselben.

Nachdem die Ventilsitzdichtung getauscht wurde, werden der Ventilsitz und der Käfig von Hand ins Ventil eingelegt, die Ventilstange wird vorsichtig in die Stopfbuchse eingeschoben, der Ventildeckel wird wieder aufgesetzt und die gesamten Innenteile miteinander zentriert. Nun noch die Gehäusemuttern über Kreuz wieder anziehen – fertig. Das ursprüngliche Problem – nicht mehr stimmende Ventilauslegung – ist in Minutenschnelle behoben worden. Der gesamte Vorgang ist denkbar einfach und kann sogar bei eingebautem Ventilkörper zeitsparend durchgeführt werden. Das Gleiche gilt für den Austausch der Funktionsteile nach langjährigem Betrieb: Durch die Wiederverwertung des alten Ventilkörpers reicht es aus, lediglich die Innenteile zu tauschen.

Metallisch dichtende Ventile werden vor allem bei heißen Medien eingesetzt. Metallisch dichtend heißt aber auch, dass das Ventil im Durchgang nie völlig strömungsfrei sein kann. Bei Regelventilen in Dampfanlagen ist das normalerweise kein Problem, vor allem wenn ein paar einfache Grundsätze beim Aufbau der Anlage berücksichtigt werden. In anderen Anwendungen, aber auch bei Dampf, gibt es trotzdem Fälle, wo beispielsweise ein Stellventil als Auf-/Zu-Ventil eingesetzt wird und das Ventil 100 %ig dicht schließen muss. Dichtigkeit im technischen Sinne ist aber nur mit einer Weichdichtung zu erreichen. Dabei ist der Nachteil der Weichdichtung, nämlich ihre Abnutzung im Dauerbetrieb, gerade bei hohen Temperaturen zu berücksichtigen. Die Weichdichtung muss also von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden.

Der Vorgang ist wie beim Wechsel des kvs-Wertes: Öffnen des Ventils und Austausch der Innenteile. Besonders kostensparend ist dabei, dass die Weichdichtung des Spira-Trol-Ventils nicht im Ventilkegel, sondern im Ventilsitz untergebracht ist. Der teure Austausch des Regelkegels ist daher nicht notwendig.

Die Strömungsgeschwindigkeiten in Rohrleitungen sind meist relativ niedrig. Typische Werte von Wasser sind 1 bis 2 m/s, Dampf 25 m/s, Gase 40 m/s. Diese Strömung wird innerhalb von Regelventilen jedoch durch die Regelfunktion behindert, d. h. gedrosselt. Deswegen kommt es ja auch zum Druckabfall an einem Regelventil. Um den Ventilsitz herum kann die Strömungsgeschwindigkeit sehr viel größer werden. Im Extremfall werden Geschwindigkeiten von über 300 m/s erreicht. Aber auch bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten kann es schon zu unerwünschten, starken Geräuschen kommen.

Als erstes richtet sich das Augenmerk natürlich auf die Ventilauslegung. Der kvs-Wert (Durchflusswert) ist zu prüfen. Ein weiterer Parameter ist die Größe des Ventilkörpers, der ja üblicherweise so gewählt werden sollte, dass die Strömung im Austrittsflansch nicht zu schnell ist. Aus Kostengründen darf der Ventilkörper aber nicht beliebig groß dimensioniert werden. Hilft gar nichts anderes mehr, und so ist es in der Praxis häufig, wird zur Geräuschminderung etwas konstruktiver Aufwand betrieben und ein Lochkegel eingesetzt. Auch dies kann bei den Spira-Trol-Ventilen nachträglich erfolgen, indem Ventilsitz und Kegelstange einfach durch die entsprechenden, Geräusch mindernden Innenteile ersetzt werden.

An eine Stopfbuchse, in der sich ja die Ventilstange bewegt, werden zwei unterschiedliche Anforderungen gestellt: Die Stopfbuchse muss sicherstellen, dass kein Medium nach außen dringen kann. Am liebsten würde man daher die Stopfbuchse so dicht wie möglich machen und in der Praxis die Stopfbuchsmutter so stark wie möglich anziehen. Das aber geht nicht, denn die Ventilstange soll sich möglichst leicht in der Stopfbuchse bewegen können; nur die leichte Bewegung ermöglicht gute Regelgüte und gute Wiederholbarkeit. Man stelle sich vor, dass die Stopfbuchse zu fest sitzt: Es würde eine erhöhte Kraft durch den elektrischen oder pneumatischen Antrieb benötigt werden, um einen kleinen Hub der Ventilstange hervorzurufen. Bei hohem Kraftaufwand ist aber die Gefahr groß, über das eigentliche Ziel hinauszu schießen, d. h. es kommt zu Regelschwankungen und Hysterese-Effekten.

Eine Stopfbuchse für den rauen Prozesseinsatz muss daher einigen konstruktiven Anforderungen Rechnung tragen. Vor allem wenn man bedenkt, dass auch Stopfbuchsen zur guten Abdichtung weiche Bauteile enthalten, die besonders stark bei schmutzigen Betriebsbedingungen, hohen Temperaturen und häufiger Bewegung der Ventilstange beansprucht werden. Um all diesen Einflüssen vorzubeugen, sind die Spira-Trol-Stopfbuchsen mit Abstreifeinrichtungen zum Medium als auch zur Umgebung hin ausgerüstet. Die Stopfbuchse selber ist Feder-vorgespannt, so dass lange Dichtigkeit gewährleistet ist. Ein Nachziehen der Stopfbuchse ist normalerweise nicht notwendig. Auch der Austausch der eigentlichen Dichtungselemente kann ohne Spezialwerkzeug erfolgen.

Vor allem in nicht optimal aufgebauten Dampfanlagen kommt es immer wieder zu Wasserschlägen: Wassertropfen werden mit hoher Geschwindigkeit durch die Rohrleitungen gerissen. Trifft ein solcher Wassertropfen auf den Regelkegel eines Ventils, kommt es zu entsprechend starken seitlichen Beanspruchungen. Um der Beschädigung durch Wasserschlag vorzubeugen, sind die Regelkegel daher durch die Stopfbuchse besonders lange geführt. Ähnlich wie der lange Radstand eines hochklassigen Autos, führt dies zu Langzeitstabilität und besonderer Laufruhe. Ist der Wasserschlag doch einmal so stark, dass es zu einem Verbiegen der Ventilstange kommt, merkt der Praktiker das in der Regel an zwei Auswirkungen: Das Ventil schließt nicht mehr so dicht wie gewohnt und die Ventilstange reibt in der Stopfbuchse stärker durch ihre Unwucht und es kommt daher zu Regelungenauigkeiten bis hin zu Undichtigkeiten.

Auch bei solch einem durch Wasserschlag beschädigten Regelventil können Ventilkörper und Ventiloberteil normalerweise weiter verwendet werden, während lediglich die Stopfbuchse und die Ventilstange auszutauschen sind. Ventilstange und Ventilkegel werden bei der Fertigung nach dem Zusammenführen nochmals überdreht, so dass absolute Rundheit gewährleistet ist. Zusammen mit der exakt fluchtenden Ausrichtung beim Zusammenbau des Ventils sorgte dies für eine besonders gute Standzeit.

Spira-Trol-Ventile stehen in Werkstoffen wie Grauguss, Sphäroguss, Stahlguss und Edelstahl zur Verfügung. Die meist verwendeten Nennweiten sind DN 15 bis DN 100, die Nenndrücke liegen bei PN 16 bis PN 40. Je nach Anwendung werden unterschiedliche Ausführungen eingesetzt: weich oder metallisch dichtend, Stopfbuchse mit PTFE, Graphit oder Faltenbalg. Für die globalen Anforderungen gibt es Ausführungen nach DIN oder ANSI.

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