Vermeidung übermäßiger Druckanstiege von eingeschlossenem Thermoöl oder Wasser in Rohrleitungen

Wird Thermoöl oder Wasser in Rohrleitungsenden oder Rohrleitungen – z.B. bei Wartungsarbeiten – eingeschlossen und darin erwärmt, dehnt es sich stark aus und führt zu einem massiven Druckanstieg in dem betroffenen Bereich. Die Erwärmung der eingeschlossenen Flüssigkeit kann durch verschiedene äußere Einflüsse stattfinden, z.B. durch Wärmeleitung von heißem Medium aus angrenzenden Anlagenbereichen, Sonneneinstrahlung oder Erwärmung durch einen externen Brand.

Der daraus resultierende Druckanstieg kann Schäden an Armaturen sowie Rohrleitungen verursachen und im schlimmsten Fall zu einem Austritt von Thermoöl oder heißem Wasser führen.

Der Effekt der Erwärmung durch Wärmeleitung tritt vor allem auf, wenn der zugehörige Rohrabschnitt isoliert ist und somit keine Abkühlung durch Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung an die Umgebung stattfinden kann.

In der Theorie

Um ein Maß für einen Druckanstieg zu finden, betrachten wir nun eine gefüllte Rohrleitung näher. Die nachstehende Berechnung beschreibt beispielhaft diesen Druckanstieg für das Thermoöl Typ Mobiltherm 603:

Fazit: Bei einer vollständig gefüllten Rohrleitung entsteht ein Druckanstieg von ca. 6 bar pro 1 K Temperaturerhöhung für Mobiltherm 603.

Allgemein variiert der Wert für den Volumenausdehnungskoeffizient bei Thermoölen zwischen den Werten 0,00065 und 0,00095 1/K. Damit kann der Druckanstieg je nach Thermoöltyp zwischen 6 und 10 bar je Kelvin Temperaturerhöhung liegen. Bei Wasser mit 90°C ist der Volumenausdehnungskoeffizient 0,000696 1/K und liegt damit in der gleichen Größenordnung.

Auswirkungen

Je nach Aufbau des betroffenen Bereichs sind die Auswirkungen unterschiedlich. Ist der Schließdruck des Ventils kleiner als der Versagensdruck der Dichtung und befindet sich der Druckanstieg vor dem Sitz des Absperrventils, wird der Ventilteller in den Antrieb gedrückt. Dadurch tritt lediglich eine undefinierte Öffnung des Ventils auf und es kann Medium sowie Druck zwischen den beiden Bereichen ausgetauscht werden.

Anders verhält es sich, wenn der Druckanstieg hinter dem Sitz eines Absperrventils auftritt oder der Schließdruck des Ventils größer ist als der Versagensdruck der Dichtung. In diesem Fall kann der Druck nicht entweichen, sodass massive Beschädigungen am Ventil oder einem anderen Bauteil im Abschnitt mit dem hohen Druck auftreten können.

Durch den starken Überdruck hinter dem Ventilsitz, wird die Dichtfläche, die das Medium vom Antriebsbereich abtrennt, regelrecht an das Gehäuse gepresst. Zudem ist eine Veränderung am Faltenbalg zu erkennen. Am Ventil treten elastische sowie plastische Verformungen auf. Nach Versagen der Graphitdichtung tritt Thermoöl aus dem abgetrennten Bereich aus, wodurch der Druck dort abnimmt und die elastische Verformung zurückgeht. Die plastische Verformung am Ventil hingegen bleibt bestehen und öffnet dieses teilweise. Dadurch wird eine Verbindung vom Hauptsystem zur Umgebung geschaffen, wodurch es zu einer großen Leckage kommen kann.

Beschädigtes Schrägsitzventil
Unbeschädigtes Schrägsitzventil

Unsere Handlungsempfehlung

Für einen sicheren Betrieb der Anlagen ist folgendes erforderlich:

  • Für den Fall, dass ein Ventil ein geschlossenes Rohrleitungsende (aufgeschweißte Kappe oder Blindflansch) absperrt, muss dieses während dem Betrieb geöffnet sein. Es wird empfohlen, diese Ventile in ihrer korrekten Position zu sichern, z.B. mit einer Kunststoffsicherung.
  • Für den Fall, dass das Ventil an einem Rohrleitungsende nicht geöffnet werden kann, darf das Rohrleitungsende nach dem Ventil nicht isoliert werden und das Rohrleitungsende darf nicht vollständig mit einer Flüssigkeit gefüllt sein. Es muss ein Gaspolster vorhanden sein.
  • Für den Fall, dass zwei Ventile in einem Rohrabschnitt hintereinander verbaut sind und aus sicherheitstechnischen Gründen beide geschlossen sein müssen („double block“), empfehlen wir die Installation eines Prüf- und Entleerventils im Zwischenraum. Damit kann der Zwischenraum entleert, der Leitungsabschnitt mit Luft gefüllt und durch das kompressible Medium ein übermäßiger Druckaufbau verhindert werden.
  • Für den Fall, dass zwei Ventile hintereinander in Entleerleitungen eingebracht sind, muss auf die korrekte Schließreihenfolge geachtet werden.

Die vorstehenden Maßnahmen sind von besonders großer Bedeutung, wenn Ventile und Stutzen isoliert werden.

Durch Serviceeinsätze (z.B. Wartung) oder zeitweise geschlossene Schnellschlussklappen auf Grund von Sicherheitsschaltungen kann es zu temporären Einschlüssen von Thermoöl kommen. Hier muss darauf geachtet werden, dass diese Zustände so kurz wie möglich gehalten werden, um Druckanstieg oder Vakuum zu vermeiden. Zusätzlich wird eine Drucküberwachung oder andere Maßnahmen empfohlen.

Beispiele: Reserveanschluss mit Schweiß-Rohrkappe oder Abschluss- und Blindflansch

Dies wird beispielsweise an ungenutzten Anschlüssen von Verteilern umgesetzt oder um temporär genutzte Anlagen mit dem Gesamtsystem zu verbinden.

Da die angeschweißte Rohrkappe und die Flansch-Weichdichtung-Blindflansch-Verbindung als technisch dicht gelten, empfehlen wir das Ventil während des normalen Betriebs immer geöffnet zu lassen. Das Prüf- und Entleerventilventil muss während des Betriebs geschlossen sein.

Reserveanschluss mit Schweiß-Rohrkappe
Reserveanschluss mit Abschluss- und Blindflansch
 

Beispiele: Zwei Ventile hintereinander im Rohrleitungssystem

Aus sicherheitstechnischen Gründen sind zwei Ventile hintereinander verbaut, genannt „double block“.

Anwendung findet dies beispielsweise bei Anbindung des Gesamtsystems an ein Ausdehnungsgefäß. Für den Fall, dass das Ausdehnungsgefäß vom System getrennt werden muss, müssen immer beide Absperrventile geschlossen sein. Dies ist notwendig, da die Redundanz und die damit verbundene Sicherheit höchste Priorität haben.

Um einen Einschluss von Thermoöl zwischen den beiden Absperrorganen zu vermeiden, muss zwischen ihnen ein Prüf- und Entleerventil installiert werden. Damit kann der Zwischenraum entleert, der Leitungsabschnitt mit Luft gefüllt und durch das kompressible Medium ein übermäßiger Druckaufbau verhindert werden.

Anbindung zum Ausdehnungsgefäß

Beispiele: Zwei Ventile hintereinander mit offenem Leitungsende

Dieser Fall tritt beispielsweise an Entleerleitungen von Behältern auf. Um ein Einschluss von Thermoöl zu verhindern, muss beim Schließen der Ventile auf die Reihenfolge geachtet werden: Zuerst muss das Absperrorgan geschlossen werden, das sich näher am Medium befindet. Erst wenn aus dem offenen Leitungsende kein Thermoöl mehr austritt, darf das zweite, außenliegende Ventil geschlossen werden.