O-Ringe zur explosiven Dekompression im Zapfenkugelhahn

Was ist explosive Dekompression?

Viele Hersteller und Betreiber in der Öl- und Gasindustrie haben mit Dichtheitsproblemen bei Elastomerdichtungen zu kämpfen, insbesondere wenn es zu einem Druckabfall kommt. Dies tritt vor allem bei Dichtungen auf, die eine Barriere gegen gasförmige Medien bilden, wenn hoch unter Druck stehendes Gas innerhalb kürzester Zeit auf ein sehr niedriges Druckniveau absinkt. Die Folge dieses Vorgangs sind häufig Beschädigungen der Viton-O-Ringe. Das Elastomermaterial reißt entweder an verschiedenen Stellen oder es bilden sich Blasen an der Oberfläche. Dieses Phänomen nennt man explosive Dekompression.

Für die hohen Anforderungen an Elastomerdichtungen gegen explosive Dekompression (AED / Anti Explosive Decompression) sind alle Zapfenkugelhähne von ZECO-Ventil sind mit Viton AED O-Ringen ausgestattet. Die meisten vorrätigen Marken sind mit zertifizierten O-Ringen nach NORSOK-Standard M-710 ausgestattet (dem führenden internationalen Standard in diesem Bereich).

Was ist ein O-Ring zur explosiven Dekompression?

Standard-Elastomer-O-Ringe bieten Leistung der FE-Klasse A bei Temperatur, Druck und Flüssigkeiten. Wasser, Aromaten, Amine, CO2, Glykol, Methanol usw. können die Matrix in der O-Ring-Nut bis zum Bersten aufquellen lassen oder das Polymer selbst chemisch angreifen. Niedrige Temperaturen (Blowdown-Situationen) erfordern spezielle ED-beständige O-Ringe, da Standard-Elastomere hart werden und seitlichen Bewegungen der Spindel nicht mehr folgen können.

Die Komponente in Ventilen, die zu dem eingeschränktesten „Betriebsfenster“ führt, sind O-Ringe aus Elastomer. Solche O-Ringe findet man vor allem in zapfengelagerten Kugelhähnen. Bei niedrigen Temperaturen werden Elastomere härter, weniger elastisch und verlieren ihr Formgedächtnis. Bei statischen Dichtungen ist die Niedertemperaturtoleranz etwas besser, da hier keine starke Abhängigkeit von der Elastizität besteht. Bei Temperaturen unter -29 °C werden Lippendichtungen empfohlen (deshalb ist „AED“ anzugeben).

Es ist zu beachten, dass in Australien Viton AED O-Ringe in allen Größen und Klassen frei spezifiziert werden, sogar im Standardbetrieb bei Standardtemperatur und sogar für schwimmende Kugeln. Sogar die Shell Oil Company spezifiziert AED O-Ringe nur für Klasse 600 und höher in ihren Zapfenventilen. Bei Klasse 150 und 300, insbesondere im Standardbetrieb bei normalen Temperaturen, tritt das Phänomen nicht auf, und es tritt auch nicht bei Ventilen der Klassen 900 und 1500 und schwimmenden Kugelhähnen bei normalen Temperaturen in kleineren Größen bis zu 100 NB auf.

Außerdem enthalten schwimmende Kugelhähne oft nur eine statische Ersatzschaftdichtung, die weniger stark beansprucht wird, und schwimmende Kugelhähne haben normalerweise keine dynamischen Sitz-O-Ringe.

Bestandteile, die besondere Aufmerksamkeit erfordern, sind Wasser, Methanol, Glykol, Amine, Ammoniak, CO2 und H2S. Wenn relativ kleine und/oder Moleküle in die offene Polymerstruktur oder das Elastomer migrieren, kommt es zu einer Quellung. Es sind zahlreiche andere ED-beständige Elastomertypen erhältlich, wie etwa Aflas®, East-O-Lion 985® (HBNR) usw., je nach Einsatz, Temperatur usw.

Bei gasförmigen oder flüchtigen Medien besteht eine ernsthafte Hochdruckbeschränkung, wenn leichte Komponenten der Flüssigkeit mit der Zeit in das Elastomer diffundieren und sich bei schneller Dekompression in der Matrix ausdehnen, bevor sie wieder ausdiffundieren können. Der Effekt wird als explosive Dekompression (ED) bezeichnet und tritt bei besonders niedrigem Druck auf, wenn CO2 oder H2O vorhanden sind.

Dichtungen gegen explosive Dekompression (AED)

AED-Dichtungen und AED-O-Ringe sind von PPE in einer Reihe von Elastomerwerkstofftypen erhältlich, darunter HNBR, FEPM (Aflas®), FKM und FFKM unter den Markennamen EnDura®, Perlast® und Perlast® ICE.

Neben Viton ist HNBR (das von Natur aus AED-beständig ist) ein weiteres akzeptiertes O-Ring-Material. In der Klasse 1500 und höher werden von großen Unternehmen wie Shell im Allgemeinen viel teurere Lippendichtungen spezifiziert. Bei größeren Größen von Zapfenventilen sind jedoch mindestens Nylon- oder PEEK-Stützringe unmittelbar hinter dem Viton-O-Ring erforderlich (eine Praxis, die bei chinesischen Designs mit westlichen Abzeichen nicht angewendet wird).

Der Einsatz mit Kohlendioxid ist beispielsweise ein Einsatzfall, bei dem ED-resistente O-Ringe für Zapfenkugelhähne erforderlich sind. Abgesehen davon, dass vermieden werden muss, dass flüssiges Kohlendioxid in der Kugelbohrung eingeschlossen wird, sollte der Konstrukteur bei der Materialauswahl für die übrigen Komponenten, aus denen ein Ventil besteht, sorgfältig vorgehen.

Elastomere enthalten Hohlräume und starre Einschlüsse, die während der Herstellung entstehen. Flüssigkeiten, die mit dem Material in Kontakt kommen, werden absorbiert und verteilen sich im gesamten Material. Bei hohem Druck bleibt die Flüssigkeit flüssig; wenn der Druck abfällt, dehnt sich die Flüssigkeit zu einem Gas aus, das mechanische Schäden wie Extrusion und Blasenbildung verursachen kann und eine schnelle Gasdekompression (RGD) erfährt, die oft als explosive Zersetzung bezeichnet wird. Daher sind ED-beständige O-Ringe erforderlich.

Das Problem bei einigen Dichtungsmaterialien ist die explosive Dekompression (RGD). Bei Anwendungen mit mehrfacher Dekompression, bei denen der Druck zyklisch erhöht und verringert wird, können sich Risse bilden und bei Belastungen wachsen, die viel niedriger sind als die Bruchpunkte. Wenn die Anzahl der Zyklen höher ist als die Anzahl der Ermüdungszyklen bis zum Versagen, werden die Risse größer und das Material versagt schließlich.

Explosive Dekompressionstests

PPE ist ein führender Hersteller und Entwickler von Dichtungslösungen gegen explosive Dekompression (AED). Die Materialentwicklungslabors von PPE in Großbritannien und Houston verfügen über moderne ED-Testeinrichtungen für Gummi in der Industrie.

Die Hochdruckprüfstände können verschiedene Dichtungsgeometrien über einen beliebigen Zeitraum, eine beliebige Anzahl von Druckentlastungszyklen und bei jeder Temperatur bis zu 250 °C (482 °F) mit bis zu 13,8 MPa oder 20.000 psi unter Druck setzen. Die Anlagen können zum Testen von Materialien anhand verschiedener Industriestandards oder zum Durchführen kundenspezifischer Tests verwendet werden, um den tatsächlichen Einsatz vor Ort zu simulieren.

Die Prüfstände bei PPE sind in der Lage, Tests nach Normen wie TOTAL GS PVV 142, NORSOK M710, NACE TM0297 und ISO 23936-2 durchzuführen. Die O-Ring-Trägereinsätze sind austauschbar, um verschiedene Quetschgrade in Stirn- und Kolbengeometrien zu berücksichtigen.

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