Die Sicherheit von Mensch und Umwelt hat in der Prozessindustrie höchste Priorität. Doch wenn Sicherheit dazu führt, dass zum Beispiel Verladeprozesse durch den zusätzlichen Einbau von Sicherheitsarmaturen nicht über eine gewisse Geschwindigkeit hinauskommen, dann zahlt die Industrie doppelt – für die Sicherheitstechnik und den höheren Zeitfaktor. Das muss aber nicht sein, wie das Beispiel der Trockenkupplung TKU zeigt.
Der Autor: Dr. Jens Reppenhagen Geschäftsführer, RS Roman Seliger
Die Gefahr von Umweltkatastrophen ist bei der Verladung von flüssigen und gasförmigen Medien besonders groß, denn hier verlassen die Medien den fest verrohrten Bereich. Der Faktor Mensch tritt in Aktion. Medienleitungen werden getrennt oder geschlossen – teilweise mit wechselnden Schnittstellen zu den unterschiedlichen Logistikunternehmen. Die Risikofaktoren sind dabei unabhängig von der Verladesituation – ob also im Ladehof für Tanklastwagen, am Industriegleis für Kesselwaggons, oder an der Pier für Schiffe.
Zur Vermeidung der Risiken werden vermehrt Sicherheitsarmaturen wie Trocken- und Nottrennkupplungen eingesetzt, die Fehlbedienungen weitestgehend verhindern oder im Notfall zumindest die Gefahren für Mensch und Umwelt minimieren.
Trennung in der Not
Nottrennkupplungen vermeiden eine der größten Gefahrenquellen im Verladeprozess: die ungewollte und überproportionale Zugbelastung auf die Verladeleitung wie sie beispielsweise durch ein verfrühtes Losfahren von Tankwagen und Bahnkesselwagen oder ein Verdriften von Schiffen entsteht. Derartige Zugbelastungen können die Anschlussstellen und die Verladeleitung mechanisch beschädigen oder gar zerstören und dadurch bedingt sogar zu einem unkontrollierten Austritt der zu verladenden Medien mit entsprechenden Risiken für Mensch und Umwelt führen. Zur Vermeidung dieser Risiken sind Nottrennkupplungen mit zwei Funktionen ausgestattet:
- Einem definierten Trennmechanismus, der die Leitung zwischen der mobilen Einheit und dem Verladesystem unterhalb der zulässigen Belastungsgrenze trennt und
- einer spontanen Verschlussautomatik für beide Trennstellen, um das Austreten der Medien zu verhindern.
Der wohl am häufigsten eingesetzte Trennmechanismus bei Nottrennkupplungen ist der durch Kraftbegrenzung, bei dem zwei Kupplungshälften durch sogenannte Bruchbolzen über ein Flanschsystem zusammengehalten werden. Wird durch Zugbelastung die je nach Anwendung frei wählbare Streckgrenze der Bruchbolzen überschritten, so brechen die Bolzen und die Kupplung wird getrennt.
Der sofortige Verschluss der beiden Gehäusehälften wird in den meisten Anwendungen mit je einem Tellerventil realisiert. Diese stützen sich im Betriebszustand gegenseitig ab und halten den Leitungsquerschnitt geöffnet. Nach der Trennung fehlt die Abstützfunktion, sodass die Ventile federbelastet die Trennstellen verschließen.
Der Nachteil dieser Konstruktion besteht in den Druckverlusten, die durch die Umströmung der Tellerventile entstehen. Diese Druckverluste können im Betrieb teuer werden. Denn im Vergleich zu Systemen ohne Sicherheitskupplungen verlängern sich die Verladezeiten bei gleicher Pumpenleistung zum Teil erheblich. Die Konsequenz: Teure Wartezeiten für Schiffe, Züge oder Tankwagen. Zu lösen wäre dieses Problem durch höhere Pumpenleistungen, dadurch steigen allerdings die Energiekosten und das Risiko von Kavitation.
Grundprinzip der Trockenkupplung
Trockenkupplungen ermöglichen ein schnelles An- und Abkuppeln gefüllter und unter Betriebsdruck stehender Schlauch- und Rohrleitungen ohne signifikanten Austritt bzw. Verlust des Fördermediums. Sie kommen überall dort zum Einsatz, wo der Mensch und/oder die Umwelt vor dem Austreten gefährlicher Medien (ätzend, toxisch, explosiv etc.) geschützt, oder umgekehrt sensible Medien (z. B. Lebensmittel sowie Produkte in Pharma und Feinchemie) vor einer Kontamination durch die Umwelt bewahrt werden müssen. Zur Vermeidung dieser Risiken sind Trockenkupplungen mit folgenden Grundfunktionen ausgestattet:
- Mediendichte Verschlussmechanik für beide Kupplungshälften im ungekuppelten Zustand
- Mediendichte Verbindung der Kupplungshälften im gekuppelten Zustand
- Die Zwangsreihenfolgen: Beim Kuppeln: Mediendichtes Verbinden der Kupplungshälften vor Öffnung der Verschlussmechaniken Beim Entkuppeln: Mediendichtes Verschließen der Kupplungshälften vor der Trennung der Kupplungshälften
Der wohl am häufigsten eingesetzte Trockenkupplungstyp besteht aus zwei Kupplungshälften (Vaterteil und Mutterteil), die mit je einem Absperrventil ausgestattet sind. Das Kuppeln beider Hälften erfolgt in einer Drehbewegung von insgesamt etwa 120°. Im ersten Abschnitt der Drehbewegung werden die Gehäusehälften mediendicht miteinander verbunden. Erst im weiteren Abschnitt der Drehbewegung folgt ein über Wendelnuten übersetztes Verschieben der Ventile in den „Bauch des Vaterteils“, womit ein ringförmiger Strömungskanal freigegeben wird. Beim Abkuppeln erfolgt die Drehbewegung in entgegengesetzter Richtung: Der Strömungskanal in beiden Gehäusehälften wird verschlossen und erst dann werden die Kupplungshälften getrennt.
Strömungsoptimierte Kupplungen
Für zeitkritische Verladevorgänge existieren verschiedene Lösungen zur Vermeidung höherer Pumpenleistungen beim Einsatz von Sicherheitskupplungen. Eine einfache Lösung ist der Einsatz von Kupplungen mit größeren Nennweiten. Hierbei müssen jedoch teilweise mehrere Nennweiten übersprungen werden, um einen ausreichenden Effekt zu erzielen. Damit verbunden sind Platz- und Gewichtsprobleme, aber häufig kein preislicher Vorteil im Vergleich zu den technischeren Lösungsansätzen.
Eleganter ist der Einsatz von strömungsoptimierten Kupplungen. Sie weisen zwar immer noch störende Elemente im Strömungskanal auf, diese sind jedoch so geformt und aufeinander abgestimmt, dass sie einen möglichst geringen Druckverlust erzeugen. Bei der Auslegung hilft ein Blick auf natürliche Vorbilder und der konsequente Einsatz von Strömungssimulationsprogrammen.
Mit Strömungsoptimierungen können erhebliche Durchsatzsteigerungen bei gleichem Druckverlust (Zeiteffizienz), resp. Druckverlust-reduzierungen bei gleichem Durchfluss (Energieeffizienz) erzielt werden.
Voller Durchfluss gewährleistet
Noch effektiver ist der Einsatz von FullFlow-Kupplungen wie beispielsweise der TKU von Roman Seliger. Bei diesem Typ sind die Sicherheitsventile im Betriebszustand vollständig aus dem Strömungsraum entfernt. Da beide Seiten der Kupplung identisch sind, es also weder Vater- noch Mutterteil gibt, lassen sich Schlauchleitungen mit der TKU problemlos in beiden Fließrichtungen einsetzen – mit vollem Durchfluss und bei niedrigen Druckverlusten. Die Trockenkupplung TKU besteht aus zwei baugleichen Kupplungshälften, die im entkuppelten Zustand durch jeweils ein Absperrventil auf Kugelhahnbasis verschlossen werden. Die Verbindung beider Kupplungshälften wird über sogenannte Knaggen realisiert. Durch eine 90°-Drehung der beiden Kupplungshälften relativ zueinander wird die Verbindung sichergestellt. Nach dem Ankuppeln lassen sich die beiden Kugelhähne über jeweils einen Hebel betätigen, und der volle Strömungs-querschnitt wird freigegeben. Eine integrierte Verriegelungsfunktion verhindert ein Abkuppeln bei geöffnetem Strömungsquerschnitt und damit das unkontrollierte Leerlaufen der Schlauchleitung beziehungsweise des Behälters.
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