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Aug 29, 2023

Druckentlastungsventile (PRVs) sind eine wichtige Verteidigungslinie für den Schutz von Druckbehältern in der Energiewirtschaft. Energieerzeugungsanlagen auf der ganzen Welt sind auf diese Geräte angewiesen, um Überdruckzustände zu erkennen und schnell zu entlasten, um katastrophale Schäden bei Prozessstörungen zu vermeiden. Um sicherzustellen, dass diese Ventile die erwartete Leistung erbringen, schreiben die Aufsichtsbehörden für den Maschinenbau vor, dass die Ventile regelmäßig getestet werden.

Bei einigen Installationen ist es sehr schwierig, das Ventil für Wartungs- und Testzwecke herauszuziehen. Dies gilt insbesondere für große Ventile und in der Kernenergieindustrie, wo sich Ventile innerhalb von Sicherheitsbereichen befinden können, was den Ventilzugang besonders problematisch macht. Glücklicherweise gibt es für diese Situation eine andere zugelassene Methode zum Testen von Überdruckventilen, und diese alternative Lösung ist Gegenstand dieses Artikels.

PRVs sind relativ, aber täuschend einfache Geräte. Sie bestehen aus einer am Prozess befestigten Einlassdüse, die durch eine fest auf dem Düsensitz gehaltene Scheibe blockiert wird (Abbildung 1). Die Scheibe wird durch eine Feder geschlossen gehalten, wobei sorgfältige Einstellungen vorgenommen werden, um den Sollwert des Ventils einzustellen.

1. Ein Druckbegrenzungsventil (PRV) schützt die Ausrüstung, indem es sich automatisch öffnet, um Prozessmedien abzulassen, wenn der Druck in der Einlassdüse die nach unten gerichtete Kraft der Feder überwindet. Mit freundlicher Genehmigung: Emerson

Wenn der Prozess den eingestellten Druck erreicht, gleicht die nach oben gerichtete Kraft des Prozessmediums die nach unten gerichtete Kraft der Feder aus und die Scheibe hebt sich vom Sitz ab. Das Prozessmedium wird durch den Ventilausgang entlastet, bis der Druck unter den Sollwert fällt. An diesem Punkt überwindet die nach unten gerichtete Kraft der Feder die nach oben gerichtete Kraft des Prozessmediums und das Ventil schließt.

Um sicherzustellen, dass das PRV funktioniert, wenn es in Betrieb genommen wird, schreibt die American Society of Mechanical Engineers (ASME) vor, dass Überdruckventile routinemäßig auf ihre Funktion überprüft werden. Typischerweise zieht eine Anlage bei Prozessausfällen kleinere Ventile aus ihrer Einbauposition und prüft und testet sie dann in einer Werkstattumgebung, um sicherzustellen, dass sie wie gewünscht funktionieren und beim richtigen Drucksollwert öffnen. Allerdings ist diese Testmethode in bestimmten Fällen nicht so einfach umzusetzen.

Einige Überdruckventile sind sehr groß und/oder befinden sich an schwer zugänglichen Stellen. Andere sind festgeschweißt und lassen sich nicht einfach aus dem Prozess entfernen. Ventile innerhalb nuklearer Sicherheitsbereiche stellen ein besonderes Problem dar, da der Zugang zu diesen Bereichen in der Regel eingeschränkt ist und umfangreiche Protokolle für den Zutritt strikt eingehalten werden müssen.

Um diese herausfordernden Situationen zu bewältigen, bietet ASME alternative Methoden zum Testen von Überdruckventilen an, wie im ASME Performance Test Code (PTC) 25 Druckentlastungsgeräte dokumentiert. Zu diesen Testmethoden gehört auch die Prüfung im laufenden Betrieb, die es der Anlage ermöglicht, das Überdruckventil auf Funktion zu prüfen, ohne es aus dem Prozess ausbauen zu müssen. Diese In-situ-Testmethode kann sehr genau und effektiv sein, aber nur, wenn sie korrekt und mit der richtigen Ausrüstung durchgeführt wird.

Wartung und Tests von PRVs werden in der Regel während regelmäßiger Wartungsausfälle gemäß den ASME-Richtlinien durchgeführt. Betriebsdrücke und -temperaturen werden auf wartungsfreundliche Werte gesenkt und die PRVs werden von Wartungstechnikern getestet. Für diese Art von In-Service- oder In-Situ-Tests werden Hebeunterstützungsgeräte in Verbindung mit diesen niedrigeren Systemdrücken verwendet, um zu überprüfen, ob das PRV innerhalb zulässiger Toleranzen am Sollwert arbeitet.

ASME-zugelassene In-Service-Tests ermöglichen die Verwendung von Hebehilfsgeräten, die mit Adaptern an der Spindel des Ventils befestigt werden, zusammen mit anderen Testgeräten, um Tests zur Überprüfung des eingestellten Drucks durchzuführen. Mit der in Abbildung 2 gezeigten Ausrüstung kann eine sorgfältig überwachte Hubkraft auf die Spindel eines PRV ausgeübt werden, bis sich die Scheibe vom Sitz abhebt. Der Prozessdruck und die Hubkraft sind bekannt, sodass ein computergesteuertes System dieser Art den Sollwert des PRV bestimmen und bestätigen kann, dass er innerhalb der Toleranz liegt. Diese spezielle Art von Hebehilfsausrüstung wird als Set Pressure Verification Device (SPVD) bezeichnet.

2. Eine tragbare Hebehilfe oder Hilfshebevorrichtung ermöglicht die Funktionsprüfung eines PRV, ohne das Ventil aus dem Prozess ausbauen zu müssen. Mit freundlicher Genehmigung: Emerson

Für die Überprüfung des eingestellten Drucks im Betrieb stehen mehrere andere Arten von Hebehilfsgeräten mit unterschiedlichem Wirkungsgrad zur Verfügung. Für die meisten Anwendungen ist ein SPVD die bevorzugte Methode zur Prüfung im laufenden Betrieb.

Die Besonderheiten der SPVD-Konstruktion haben großen Einfluss auf die Genauigkeit und Bedienbarkeit des Geräts. Hochleistungs-SPVD-Einheiten nutzen eine Vielzahl von Konstruktionsmerkmalen, um eine konsistente Testausführung und genaue Ergebnisse sicherzustellen.

SPVDs verwenden hochpräzise Drucksensoren, um den Prozessdruck zu messen und die ausgeübte Hubkraft zu bestimmen. Diese Sensoren verfügen über eine automatische Kalibrierung und Diagnose durch den computerbasierten SPVD-Controller, um vor jedem Test zu bestätigen, dass die Sensoren ordnungsgemäß funktionieren.

Ein linearer variabler Differentialtransformator (LVDT) wird verwendet, um das früheste Anzeichen einer Ventilschaftbewegung im Bereich von 0,020 Zoll zu erkennen, deutlich unterhalb des Punktes, an dem das Ventil den vollen Hub erreicht. Zu diesem Zeitpunkt werden Kraft- und Druckwerte ermittelt und der Test abgeschlossen, um eine verschwenderische Abgabe des Prozessmediums zu vermeiden und Sitzschäden zu minimieren.

Das vielleicht wichtigste Merkmal eines SPVD ist ein vollautomatisches Testausführungssystem (Abbildung 3). Dieses System umfasst einen industriell gehärteten tragbaren Laptop-Computer, auf dem automatisierte Testprotokolle, einschließlich Kalibrierung und Diagnose, ausgeführt werden. Der Computer kann zertifizierte Testergebnisse ausdrucken und an bis zu fünf Überdruckventile angeschlossen werden, was die Testdurchführung vereinfacht und beschleunigt.

3. Ein Techniker führt einen vollautomatischen SPVD-Test (Set Pressure Verification Device) durch. Kalibrierungs-, Diagnose- und Testfunktionen sind in das System integriert und ermöglichen es dem Anlagenpersonal, konsistente und genaue PRV-Tests durchzuführen. Mit freundlicher Genehmigung: Emerson

Einige andere Arten von Hebevorrichtungen sind manueller und können nur von geschultem Personal bedient werden, das normalerweise vom Hersteller der Hebevorrichtung mit erheblichen Kosten bereitgestellt wird. Ein vollautomatisches SPVD ermöglicht es den meisten Anlagentechnikern jedoch, bei Bedarf Tests zur Überprüfung des PRV-Einstelldrucks durchzuführen. Die nützlichsten Hebehilfsgeräte können auf einer Vielzahl von PRVs installiert werden und nicht nur auf denen bestimmter Hersteller. Idealerweise sollte die Hebevorrichtung leicht und leicht an eine Vielzahl von Überdruckventilen anpassbar sein.

Durch die Durchführung von Selbsttests können Kosten- und Terminvorteile erzielt werden, und die vollautomatische Prüfung des PRV-Einstelldrucks trägt auch dazu bei, konsistente und genaue Testergebnisse sicherzustellen, unabhängig von der Erfahrung des Personals. SPVDs liefern in der Regel ASME-zertifizierte Testergebnisse mit einer nachgewiesenen Testgenauigkeit von weniger als +/–1 % Fehler, deutlich unter dem typischen ASME-Testgenauigkeitsschwellenwert von +/–3 %.

SPVD ist oft die bevorzugte Wahl, um eine Reihe anspruchsvoller PRV-Testprobleme anzugehen. Einige Ventile sind sehr groß oder lassen sich nicht leicht entfernen, sodass ein Test im laufenden Betrieb eindeutig die kostengünstigste Option ist (Abbildung 4). Dies kann insbesondere bei großen Überdruckventilen der Fall sein, die in die Prozessrohrleitung eingeschweißt sind.

4. Mit dem Crosby SPVD von Emerson wird ein Betriebstest an diesem Sicherheitsventil der American Society of Mechanical Engineers (ASME), Abschnitt III, Klasse 2, durchgeführt. Die Installation und Prüfung des SPVD schränkt den Betrieb des PRV nicht ein, wenn Prozessbedingungen erfordern, dass das Ventil im Betrieb geöffnet wird. Mit freundlicher Genehmigung: Emerson

In Kernkraftwerken befinden sich viele große PRVs in Sicherheitsgebäuden, zu denen der Zugang äußerst eingeschränkt ist. Für kritische PRVs in diesen Bereichen können SPVD-Hebeunterstützungsköpfe und -Adapter dauerhaft an den Ventilen installiert werden, wobei die Testkabel außerhalb der Sperrzone verlegt und an eine Computersteuerung angeschlossen werden.

Da diese Art von Hebevorrichtung die Ventilleistung im Normalbetrieb oder bei Überdruckbedingungen nicht beeinträchtigt, kann das PRV weiterhin bei Bedarf betrieben werden. Tests können von außerhalb des Sicherheitsgebäudes aus der Ferne durchgeführt werden, indem einfach die Kabel an ein Testsystem angeschlossen und der Test ausgeführt wird. Eine solche Installation ermöglicht es einer Anlage, unter normalen Bedingungen sicher zu arbeiten und ihre kritischen PRVs bei Bedarf zu testen und gleichzeitig jegliche mögliche Strahlenbelastung zu vermeiden.

Ein gut konzipiertes Hebehilfsgerät ist eine wertvolle Ergänzung zum PRV-Wartungswerkzeugsatz einer Anlage. Jedes PRV muss sich regelmäßigen In-Service-Testanforderungen gemäß dem ASME Operation and Maintenance of Nuclear Power Plants-Code unterziehen. Der Code erlaubt die Verwendung von Hebehilfsgeräten zur Durchführung von Überprüfungstests des eingestellten Drucks, was besonders in Situationen nützlich ist, in denen das Entfernen des Ventils aus seiner Einbauposition nicht praktikabel ist. Das richtige Hebehilfsgerät ermöglicht es dem Anlagenpersonal, geplante Wartungsarbeiten bei Ausfallereignissen oder in anderen Fällen während des Betriebs sicher durchzuführen und sicherzustellen, dass kritische PRVs gemäß Entwurf mit korrekt eingestellten Sollwerten funktionieren.

Ein vollständig automatisiertes SPVD ermöglicht es dem Anlagenpersonal, diese Tests konsistent und genau durchzuführen, sodass Benutzer PRV-Tests planen und ausführen können, ohne dass ein externer Anbieter beteiligt sein muss. Dies spart Zeit und Kosten und beseitigt die Abhängigkeit von einem einzigen Anbieter als Dienstleister. SPVD bietet Kernkraftwerken auch die Möglichkeit, ihre kritischen Überdruckventile aus der Ferne zu testen und gleichzeitig eine Exposition in Sicherheitsbereichen zu vermeiden.

Wenn das Anlagenpersonal vor einer PRV-Testherausforderung steht, sollte es Hebeunterstützungsgeräte wie ein SPVD als mögliche Lösung in Betracht ziehen. Sie erfüllen die ASME-Anforderungen für eingestellte Druckverifizierungstests, und der vollautomatische Betrieb von SPVD garantiert zuverlässige Testergebnisse und bietet gleichzeitig viele weitere in diesem Artikel erwähnte Vorteile.

—June DelGrosso ist Vertriebsleiter für North America Nuclear and Navy bei Emerson für seine Durchflusskontrollprodukte. Sie hat für eine Vielzahl von Unternehmen gearbeitet und Positionen wie Ventil- und Instrumentenkonstruktionsingenieurin, Produktentwicklungsmanagerin und globale technische Produktleiterin inne.

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