Auslegung der Kombination

Sicherheitsventil und Berstscheibe

Dipl.-Ing. Erhard Stork

Wer sich als SHK-Handwerker auch für Unternehmen der chemischen Industrie betätigt, der weiß, wie wichtig die richtige Absicherung von Behältern und Rohrleitungen mittels Sicherheitsventilen oder Berstscheiben in diesem Bereich ist. Die getrennte Auslegung dieser Sicherheitsarmaturen erfolgt entweder über die Leistungstabellen in den Herstellerkatalogen oder mit Hilfe spezieller Computerprogramme. Bei der Kombination beider Komponenten sind jedoch bestimmte Dinge zu beachten, ohne die eine sichere Funktion nicht gewährleistet ist. Im folgenden Beitrag wird Schritt für Schritt die exakte Auslegung beschrieben und an einem Beispiel erläutert.

Sicherheitsventile oder Berstscheiben werden üblicherweise für die Druckabsicherung von Behältern und Rohrleitungen eingesetzt. Beide Systeme haben gegenüber anderen Druckabsicherungen den großen Vorteil der Unabhängigkeit von Fremdenergie, und es ist zulässig, diese auch ohne Redundanz (d.h. mehrfach parallele Anordnung gleicher Komponenten) zu verwenden.

Kommt es infolge eines Störfalles zur Überschreitung des zulässigen Druckes, öffnet ein Sicherheitsventil und verhindert somit einen weiteren Druckanstieg. Es schließt dann bei Unterschreiten eines bestimmten Druckes und verhindert ein weiteres Austreten von Medium. Bei mehrfachem Ansprechen und erhöhtem Verschmutzungsgrad des Mediums kann ein Sicherheitsventil auch bei präzise eingeschliffenem Sitz und Kegel durch Verschleiß der Dichtflächen nicht mehr hermetisch dicht schließen. Soll ein besonders toxisches (giftiges) Medium abgesichert werden, ist es technisch nicht möglich, die dann erforderliche 100%ige Dichtheit bei metallischen Dichtflächen zu erreichen. Elastomere scheiden vielfach durch fehlende Temperatur- und Medienbeständigkeit aus oder die Dichtheit genügt immer noch nicht den hohen Anforderungen.

Eine Berstscheibe bietet in diesen Fällen 100%ige Dichtheit bei hoher Medienbeständigkeit, da hierbei Werkstoffe verwendet werden können, die für Sicherheitsventile nicht möglich sind oder zu hohe Kosten verursachen. Eine Berstscheibe öffnet bei Überschreiten des zulässigen Druckes, bleibt anschließend jedoch geöffnet, da sie sich beim Ansprechen ja selbst zerstört hat. Dieses führt dann zum Anlagenstillstand. Erst nach Auswechseln der Berstscheibe kann die Anlage wieder in Betrieb genommen werden.

Kombination bringt Vorteile

Die Kombination beider Systeme durch Anordnung der Berstscheibe vor dem Sicherheitsventil (siehe Bild) vereint die Vorteile beider Systeme: Die 100%ige Dichtheit bei hoher Medienbeständigkeit der Berstscheibe mit dem Wiederverschluß des Entlastungsquerschnitts beim Sicherheitsventil. Die Anlagen können auch nach Ansprechen der Sicherheitseinrichtung in Betrieb bleiben.

Das Regelwerk schreibt im AD-Merkblatt A1 (1/95) nun folgende Anforderungen an die Kombination vor:

Es dürfen nur nicht fragmentierende Berstelemente (splitterfrei!) eingesetzt werden,

der Abstand bzw. das Volumen zwischen Berstscheibe und Sicherheitsventil muss so groß gewählt werden, dass ein korrektes Öffnen der Berstscheibe gewährleistet ist,

die Ableitung von eventuell anfallendem Kondensat zwischen Berstscheibe und Sicherheitsventil muss möglich sein,

der Druckverlust in der Zuführungsleitung und der Berstscheibe vorm Sicherheitsventil darf 3% der Druckdifferenz zwischen dem zulässigen Betriebsdruck und dem Gegendruck des Sicherheitsventils nicht überschreiten,

es müssen Einrichtungen zum Erkennen einer angesprochenen Berstscheibe (Manometer, Alarmgeber, etc.) vorhanden sein, die gleichzeitig den Zwischenraum so belüften, daß sich kein Gegendruck aufbauen kann, der dann den Ansprechdruck der Berstscheibe verändern würde.

Sicherheitsventil in Kombination mit Berstscheibe.

Gegenüber der getrennten Auslegung von Berstscheibe und Sicherheitsventil sind bei der Kombination einige Besonderheiten zu beachten, die im Folgenden beschrieben werden. Die Auslegung erfolgt in zwei Schritten: Zuerst wird das Sicherheitsventil nach folgenden Daten ausgelegt (die Verwendung eines Computer-Auslegungsprogrammes (z.B. "SAFE" von ARI-Armaturen) ist hierbei sinnvoll):

Ansprechdruck;

Gegendruck;

Abblasemenge (Massenstrom/Volumenstrom);

Medium (flüssig/gasförmig);

Temperatur;

Funktionscharakteristik (Vollhub/Normal);

Werkstoff;

Zulassung.

Für die anschließende Auswahl der Berstscheibe gelten folgende Kriterien:

Ansprechdruck der Berstscheibe = Ansprechdruck des Sicherheitsventils;

Nennweite der Berstscheibe = Eintrittsnennweite des Sicherheitsventils;

Medium (flüssig/gasförmig);

Temperatur;

Toleranz +/-5% für die Kombination mit Vollhub-Sicherheitsventilen und +/-10% für die Kombination mit Normal-Sicherheitsventilen;

Druckstufe-Halter = Eintrittsdruckstufe des Sicherheitsventils;

Werkstoffe von Berstscheibe und Halter;

Zulassung;

Art der Überwachung (Kontrollmanometer oder Alarmgeber).

Die Forderung nach 3%igem Druckverlust ist erfüllt, wenn die Berstscheibe direkt vor das Sicherheitsventil geschaltet wird und der Querschnitt der Einspannvorrichtung der folgenden Bedingung entspricht:

A_geom · a > 1,5 · A₀ · a_w

Hierbei sind:

A_geom geometrischer Querschnitt des Berstelementes (Berstscheibe + Halter)

a Ausflussziffer des Berstelementes (Berstscheibe + Halter, nach Herstellerangabe)

A₀ engster Strömungsquerschnitt des Sicherheitsventils

a_w Ausflussziffer des Sicherheitsventils

Das folgende Rechenbeispiel verdeutlicht diesen Sachverhalt:

Sicherheitsventil DN 50:
A₀ = 1590 mm²
a_w = 0,74

Berstscheibe Type FAS DN 50:
A_geom = 2715 mm²
a = 0,73 (AD-A1)

Eingesetzt in o.g. Gleichung ergibt sich:

2715 · 0,73 > 1,5 · 1590 · 0,74

daraus folgt:

1981,95 > 1764,9

Die Druckverlust-Bedingung ist erfüllt. Da das Sicherheitsventil und die Berstscheibe einzeln bauteilgeprüft nach VdTÜV sind, ist auch die Kombination bauteilgeprüft, da alle Bedingungen aus AD-A1 eingehalten werden.

* B i l d : ARI-Armaturen, Schloß Holte-Stukenbrock

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