Wie lässt sich der Wasserschlag in Pumpenmodulen reduzieren?

Wasserschläge in Pumpenaggregaten werden in der Regel durch eine plötzliche Änderung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit beim Anlaufen oder Abschalten der Pumpe, bei einem Stromausfall oder bei der Betätigung von Ventilen verursacht. Die Druckwelle kann zu Rohrschwingungen, lauten Schlaggeräuschen, beschädigten Rückschlagventilen, undichten Flanschverbindungen, Rissen in Messgeräten sowie wiederholten Ausfällen von Pumpendichtungen oder -lagern führen.

Aus ventiltechnischer Sicht lässt sich der Wasserschlag nicht dadurch lösen, dass man ein bestimmtes Ventil auswählt und es in der Nähe der Pumpe installiert. Das Rückschlagventil am Pumpenauslass, das Absperrventil, das Regelventil, das Bypassventil, das Entlüftungsventil und die Druckstoßdämpfungsvorrichtung müssen als aufeinander abgestimmtes System funktionieren. Ihre Durchflusskapazität, Reaktionszeit, das Verhalten der Stellantriebe sowie die Start- und Abschaltsequenz bestimmen, wie schnell die Flüssigkeitssäule beschleunigt, abgebremst oder umgekehrt wird.

Ein Ventil kann einen Druckstoß durch eine allmähliche Änderung des Durchflusses verringern, aber das falsche Ventil kann einen Druckstoß auch erst verursachen. Ein Rückschlagventil, das erst schließt, nachdem bereits ein Rückfluss entstanden ist, kann gegen seinen Sitz schlagen. Eine überdimensionierte, betätigte Absperrklappe kann den größten Teil ihrer Durchflussänderung im letzten Teil ihres Hubs bewirken. Ein Luftventil, das eine große eingeschlossene Luftblase zu schnell ablässt, kann dazu führen, dass die Wassersäule beschleunigt und gegen ein geschlossenes Ventil prallt.

In diesem Leitfaden wird erläutert, wie sich Wasserschläge im Pumpenaggregat durch die Auswahl und Abstimmung geeigneter Ventile reduzieren lassen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Rückschlagventilen am Pumpenauslass, Pumpenregelventilen, betätigten Absperrventilen, Bypass- und Rückführventilen, Überdruckventilen sowie Entlüftungs- oder Luft-Vakuum-Ventilen.

Was verursacht einen Wasserschlag in einem Pumpenaggregat?

Im stationären Betrieb erzeugt die Pumpe einen ausreichenden Differenzdruck, um Flüssigkeit durch die Anlageneinheit und die nachgeschaltete Rohrleitung zu fördern. Die strömende Flüssigkeit verfügt über Bewegungsenergie. Wenn die Pumpe oder ein Ventil diese Geschwindigkeit schneller verändert, als das Rohrleitungssystem dies auffangen kann, wird ein Teil dieser Bewegungsenergie in eine Druckwelle umgewandelt.

Die Welle breitet sich durch die Flüssigkeit aus und wird von Ventilen, Armaturen, Behältern, Abzweigungen und Änderungen des Rohrdurchmessers reflektiert. Eine reflektierte Welle kann zum Skid zurückkehren und sich mit einer weiteren Druckänderung überlagern, wodurch Druckspitzen oder vorübergehende Unterdruckzustände entstehen, die weit über dem normalen Betriebsdruck liegen.

Bei vielen Pumpenaggregaten tritt das schädlichste Ereignis nach einer Pumpenabschaltung auf. Der Vorwärtsdurchfluss nimmt ab, sinkt auf Null und kehrt sich dann aufgrund der statischen Förderhöhe auf der Auslassseite oder des Drucks einer anderen in Betrieb befindlichen Pumpe um. Ist das Auslassrückschlagventil noch geöffnet, wenn der Rückwärtsdurchfluss einsetzt, kann die Ventilscheibe in Richtung des Ventilsitzes beschleunigen und mit großer Wucht schließen.

Das Anlaufen kann ein anderes Problem verursachen. Eine Pumpe kann eine leere oder teilweise gefüllte Druckleitung schnell unter Druck setzen. Wenn sich ein Regelventil zu schnell öffnet oder eingeschlossene Luft unkontrolliert entweicht, kann die Flüssigkeitssäule an Geschwindigkeit gewinnen, bis sie auf ein geschlossenes Ventil, eine voll gefüllte Rohrleitung oder eine statische Förderhöhe trifft. Die daraus resultierende Verzögerung führt zu einem Druckstoß.

Häufige Ursachen im Zusammenhang mit Herzklappen

1. Wählen Sie das richtige Rückschlagventil für den Pumpenauslass aus

Das Rückschlagventil am Pumpenauslass verhindert einen Rückfluss nach dem Abschalten der Pumpe. Sein hydraulisches Ansprechverhalten ist einer der wichtigsten Faktoren bei der Vermeidung von Wasserschlägen im Pumpenaggregat.

Ein herkömmliches Schwenkrückschlagventil verfügt über eine schwenkbare Scheibe, die einen relativ großen Winkel durchläuft. In einem System mit langsamer Strömungsabbremsung kann sich die Scheibe in Richtung des Sitzes bewegen, bevor der Rückstrom nennenswert wird. In einem System mit hohem Förderdruck oder schnellen Durchflusswechseln kann es jedoch vorkommen, dass sich die Strömungsrichtung umkehrt, während die Klappe noch geöffnet ist. Die Rückströmungsgeschwindigkeit beschleunigt dann die Klappe und verursacht einen harten Aufprall beim Schließen.

Das Ziel besteht nicht einfach darin, ein Ventil zu kaufen, das als schnell schließend beworben wird. Das Ziel ist es, das Schließverhalten des Ventils an die erwartete Durchflussverlangsamung anzupassen. Das Ventil sollte sich dem Sitz nähern, sobald der Vorwärtsdurchfluss abnimmt, und den vollständigen Verschluss bei begrenzter Rückwärtsgeschwindigkeit erreichen.

Geräuschloses oder axiales Rückschlagventil

Ein federunterstütztes, geräuscharmes Rückschlagventil arbeitet mit einer Kurzhub-Scheibe oder einem Kegel, der sich in Strömungsrichtung bewegt. Die Feder beginnt, die Scheibe zu schließen, sobald die Vorwärtsgeschwindigkeit nachlässt, und sorgt so dafür, dass das Ventil den Sitz erreicht, bevor sich ein nennenswerter Rückstrom entwickelt.

Diese Bauweise eignet sich häufig für kompakte Pumpenaggregate, Systeme mit hoher Förderhöhe und Anlagen, bei denen das Zuschlagen des Rückschlagventils die Hauptursache für Druckstöße ist. Die Feder muss auf den tatsächlichen Durchflussbereich abgestimmt werden, da eine zu hohe Federkraft den Druckverlust erhöht, während eine zu geringe Federkraft möglicherweise nicht die erforderliche Reaktion gewährleistet.

Zweikammer-Rückschlagventil

Ein Doppelplatten-Rückschlagventil unterteilt das Absperrelement in zwei federbelastete Platten. Jede Platte weist eine geringere Masse und einen kürzeren Hub auf als eine große herkömmliche Schwenkscheibe. Das kompakte Flanschgehäuse eignet sich besonders dort, wo Platzbedarf und Gewicht auf dem Skid eine wichtige Rolle spielen.

Das Ventil sollte so dimensioniert sein, dass es bei normalem Durchfluss ausreichend öffnet. Ein überdimensioniertes Doppelplatten-Rückschlagventil kann mit teilweise geöffneten Platten arbeiten, was zu instabilen Bewegungen, Verschleiß und unvorhersehbarem Schließverhalten führen kann.

Rückschlagventil mit geneigter Scheibe

Ein Rückschlagventil mit geneigter Scheibe verfügt über eine versetzte Scheibe und einen kürzeren Drehweg als ein herkömmliches Schwenk-Rückschlagventil. Dank dieser Geometrie kann die Scheibe früher reagieren, sobald der Vorwärtsdurchfluss nachlässt.

Bei Anwendungen mit schwierigen transienten Bedingungen kann das Ventil mit einem Öldämpfungselement ausgestattet sein. Das Dämpfungselement kann den Schließhub ganz oder teilweise steuern, einschließlich der letzten Annäherung an den Sitz. Die Einstellung sollte auf der Grundlage einer hydraulischen Analyse und von Inbetriebnahmedaten erfolgen und nicht anhand eines standardmäßigen werkseitigen Zeitgebers.

Düsenrückschlagventil

Ein Düsen- oder Axialrücklaufventil verfügt über ein stromlinienförmiges Gehäuse und eine federbelastete Axialklappe. Es verbindet ein schnelles Ansprechverhalten mit einem kontrollierten internen Strömungsweg und wird häufig für Anwendungen mit Hochdruckwasser, Kohlenwasserstoffen und Prozesspumpen in Betracht gezogen.

Der Lieferant sollte die dynamische Reaktion, den Druckverlust und die Federkennlinie des Ventils angeben. Ein statischer Öffnungsdruckwert allein reicht nicht aus, um das Verhalten des Ventils beim Abschalten der Pumpe zu beschreiben.

2. Verwenden Sie ein Pumpensteuerventil am Auslass

Am Pumpenauslass ist ein Pumpenregelventil installiert, das mit dem Pumpenmotor oder dem Frequenzumrichter abgestimmt ist. Anstatt die Rohrleitung einer sofortigen Umstellung von Null-Durchfluss auf vollen Pumpendurchfluss auszusetzen, erhöht das Regelventil den Durchfluss beim Anlaufen schrittweise und reduziert ihn vor dem normalen Abschalten ebenfalls schrittweise.

Pilotgesteuerte Membranventile finden breite Anwendung in Wasser- und Druckerhöhungsanlagen. Auch elektrisch oder hydraulisch gesteuerte Absperrklappen und Kugelhähne können diese Funktion übernehmen, sofern ihr Stellantrieb und ihre Steuerlogik für das modulierende Ein- und Ausschalten ausgelegt sind.

Das Ventil sollte über separat einstellbare Öffnungs- und Schließcharakteristiken verfügen. Eine einzige feste Hubzeit ist möglicherweise nicht geeignet, da für das Anfahren und das Abschalten unterschiedliche Durchflussprofile erforderlich sein können.

Gesteuerte Pumpeninbetriebnahme

Beim Anlaufen ist das Pumpensteuerventil normalerweise geschlossen oder wird je nach Pumpen- und Anlagenauslegung in einer festgelegten Mindestposition gehalten. Die Pumpe läuft an und baut Druck auf, ohne die gesamte nachgeschaltete Flüssigkeitssäule sofort zu beschleunigen.

Nachdem ein ausreichender Pumpendruck oder eine ausreichende Pumpendrehzahl bestätigt wurde, beginnt sich das Ventil gemäß einer geregelten Kurve zu öffnen. Die Öffnungsgeschwindigkeit sollte eine übermäßige Beschleunigung auf der Ausgangsseite verhindern und gleichzeitig einen längeren Betrieb unter ungeeigneten Pumpenbedingungen vermeiden.

Ein Positionsendschalter oder ein Messumformer kann bestätigen, dass das Ventil die gewünschte Position erreicht hat. Das Steuerungssystem kann diese Rückmeldung nutzen, um Alarme auszulösen, den Start einer anderen Pumpe zu ermöglichen oder zu bestätigen, dass die Pumpenanlage betriebsbereit ist.

Kontrolliertes normales Herunterfahren

Während einer geplanten Abschaltung beginnt sich das Ablassventil zu schließen, während die Pumpe noch in Betrieb ist. Der Durchfluss nimmt schrittweise ab, wodurch sich die in der Rohrleitung gespeicherte Bewegungsenergie verringert.

Wenn das Ventil eine vorgegebene Position bei geringem Durchfluss oder eine fast geschlossene Position erreicht, schaltet sich die Pumpe ab. Das Rückschlagventil verhindert dann den geringen verbleibenden Rückstrom. Durch diesen Ablauf wird die Energie reduziert, die das Rückschlagventil aufnehmen muss.

Der genaue Zeitpunkt für das Abschalten der Pumpe sollte sorgfältig geplant werden. Das vollständige Schließen eines ungeeigneten Ventils bei laufender Kreiselpumpe kann zu Wärmeentwicklung, Rückstau und mechanischer Belastung führen. Bei der Abfolge müssen der zulässige Betriebsbereich des Pumpenherstellers und die Anforderungen an den Mindestdurchfluss berücksichtigt werden.

Notabschaltung der Pumpe

Bei einem Stromausfall oder einer Notabschaltung wird die normale Abfolge des kontrollierten Abschaltvorgangs umgangen. Die Pumpe kann schnell abbremsen, während das betätigte Ventil offen bleibt oder seine Steuerspannung verliert.

Aus diesem Grund kann ein normales, langsames Schließen nicht die einzige Maßnahme zum Schutz vor Druckstößen sein. Im Notfall kann ein reaktionsschnelles Rückschlagventil, ein Antrieb mit gespeicherter Energie, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, ein Hydraulikspeicher, ein Druckstoßventil oder ein Luft-Vakuum-Schutz erforderlich sein.

3. Steuerung des Hubprofils von betätigten Absperrventilen

Elektrische und pneumatische Absperrventile sind häufig in Pumpenaggregaten enthalten und dienen der Absperrung zu Wartungszwecken, der automatischen Ablaufsteuerung oder der Notabschaltung. Ihre nominelle Öffnungs- oder Schließzeit gibt ihre hydraulische Wirkung nicht vollständig wieder.

Bei einer Absperrklappe beispielsweise besteht ein nichtlineares Verhältnis zwischen dem Klappenwinkel und der Durchflussfläche. Ein Großteil der effektiven Durchflussreduzierung kann über einen relativ kleinen Teil des Endhubs erfolgen. Eine Klappe, die für ihren vollständigen Hub 30 Sekunden benötigt, kann dennoch einen starken Druckstoß verursachen, wenn sie die verbleibende Durchflussfläche erst in der letzten Sekunde schließt.

Das Steuerungssystem sollte daher nicht nur die Gesamtlaufzeit des Ventils steuern, sondern auch dessen Positions-Zeit-Verlauf. Intelligente elektrische Stellantriebe, pneumatische Stellungsregler und hydraulische Geschwindigkeitsregler können in verschiedenen Abschnitten des Hubs unterschiedliche Geschwindigkeiten bereitstellen.

Den hydraulisch kritischen Teil des Hubs verlangsamen

Der letzte Abschnitt der Verengung ist oft der wichtigste, da der verbleibende Strömungsquerschnitt klein wird und bereits eine geringe Bewegung eine große Geschwindigkeitsänderung bewirken kann. Eine Verringerung der Geschwindigkeit in diesem Bereich kann die Änderungsrate der Strömung in der Rohrleitung senken.

Das gleiche Prinzip gilt auch beim Öffnen. Ein schnelles anfängliches Öffnen kann zu einem starken Durchflussanstieg führen, wenn die vorgeschaltete Pumpe bereits einen hohen Differenzdruck aufgebaut hat. Durch die Regelung der Öffnungsgeschwindigkeit lässt sich diese anfängliche Beschleunigung begrenzen.

Positionsrückmeldung verwenden

Offene und geschlossene Endschalter melden lediglich die Endlagen. Ein stufenloser Stellungsgeber ermöglicht es der Steuerung, zu überprüfen, ob das Ventil der vorgesehenen Rampenkurve folgt.

Positionsrückmeldungen sind insbesondere während der Inbetriebnahme von großem Nutzen, da Ingenieure Druckdaten, Pumpendrehzahl und Ventilstellung auf derselben Zeitachse vergleichen können.

Fehlerposition definieren

Die erforderliche Funktion – „Fail-Open“, „Fail-Closed“ oder „Fail-in-Place“ – sollte auf der Grundlage einer umfassenden Prozessgefahren- und Transientenanalyse festgelegt werden.

Ein pneumatisches Ventil mit Federrückstellung, das sich bei Luftverlust sofort schließt, kann zwar eine Prozessisolierung gewährleisten, jedoch einen starken Druckstoß verursachen. In einer anderen Anwendung könnte das Offenbleiben des Ventils zu einem schädlichen Rückstrom führen. Die Ausfallart und die Ausfallgeschwindigkeit müssen daher als separate Auslegungsanforderungen betrachtet werden.

4. Ein Mindestdurchfluss- oder Rückführventil einbauen

Eine Mindestdurchflussleitung schützt eine Kreiselpumpe, wenn der Hauptförderstrom gering ist. Sie leitet einen Teil des Pumpenfördervolumens zurück in den Ansaugbehälter, den Vorratsbehälter oder einen anderen geeigneten Rücklaufpunkt.

Auch im Hinblick auf Wasserschläge kann der Rückführweg abrupte Übergänge abmildern. Wenn sich das Hauptablassventil schließt, bietet ein geregelter Bypass dem Pumpenstrom eine alternative Route, anstatt den gesamten Durchfluss sofort zum Stillstand zu bringen.

Der Bypass kann mit einer festen Drossel mit Absperrventil, einem betätigten Regelventil oder einem automatischen Rückführventil ausgestattet sein. Ein automatisches Rückführventil kombiniert eine Rückschlagfunktion in der Hauptleitung mit einem Bypass, der sich öffnet, sobald der Hauptdurchfluss abnimmt.

Die Bypassleitung muss auf den erforderlichen minimalen Dauerfluss der Pumpe und auf die Wärmekapazität des Rücklaufsystems ausgelegt sein. Sie sollte nicht als beliebige kleine Leitung betrachtet werden, die lediglich zur Geräuschreduzierung hinzugefügt wird.

Startup-Bypass

Ein Anlauf-Bypass kann es der Pumpe ermöglichen, einen stabilen Durchfluss herzustellen, bevor sich das Hauptablassventil öffnet. Das Bypassventil schließt sich allmählich, sobald das Hauptventil den erforderlichen Durchfluss in der Rohrleitung übernimmt.

Umgehung der Abschaltung

Während einer geplanten Abschaltung kann sich der Bypass öffnen, sobald sich das Hauptablassventil schließt. Dadurch wird der Durchfluss der Pumpe aufrechterhalten, während die Strömungsgeschwindigkeit in der nachgeschalteten Rohrleitung kontrolliert verringert wird.

5. Ein Überdruck- oder Druckbegrenzungsventil einbauen

Ein Überdruckventil sorgt für einen vorübergehenden Ableitungsweg, wenn der Druck im Pumpenaggregat einen festgelegten Sollwert überschreitet. Es kann Flüssigkeit in einen Tank, ein Ablasssystem, die Pumpensaugleitung oder einen anderen technisch vorgesehenen Niederdruckanschluss ableiten.

Das Ventil muss schnell genug öffnen, um die ansteigende Druckwelle abzufangen. Außerdem muss es nach Abklingen der Schwankung kontrolliert schließen. Ein Überdruckventil, das zu schnell schließt, kann einen sekundären Druckstoß verursachen.

Pilotgesteuerte Überdruckventile werden häufig in Wassersystemen eingesetzt, da der Pilot den Druck erfassen und die Öffnung des Hauptventils steuern kann. Direktwirkende Ventile eignen sich möglicherweise für kleinere Systeme oder spezielle Anwendungen.

Der Einstelldruck sollte über den normalen Betriebsschwankungen, aber unter dem Druck liegen, der das empfindlichste geschützte Bauteil beschädigen würde. Die Überdruckkapazität muss anhand des transienten Durchflusses berechnet werden und darf nicht allein anhand der normalen Fördermenge der Pumpe ausgewählt werden.

Umgehungs- und Entlastungsvorrichtung für Pumpen

Bei einigen Pumpenaggregaten leitet ein Überdruck- oder Rückschlagventil überschüssigen Förderstrom zurück zur Pumpensaugseite. Diese Anordnung kann den Förderdruck begrenzen und gleichzeitig die Flüssigkeit im Prozesssystem zurückhalten.

Die Rücklaufleitung muss so verlegt und dimensioniert werden, dass übermäßige Ansaugtemperaturen, Lufteinschlüsse oder Probleme mit der hydraulischen Rückführung vermieden werden.

6. Eingeschlossene Luft mit Luftventilen regulieren

Eingeschlossene Luft verändert das hydraulische Verhalten eines Pumpenaggregats und der Druckleitung. Eine Druckluftblase kann vorübergehend Druck aufnehmen, sich dann ausdehnen und Flüssigkeit in Richtung eines geschlossenen Ventils drücken. Luft kann sich zudem an Hochpunkten ansammeln, den Durchfluss behindern und zu einer instabilen Funktion des Rückschlagventils führen.

Ein Entlüftungsventil entfernt kleine Luftansammlungen, während die Rohrleitung unter Druck steht. Ein Luft-Vakuum-Ventil lässt während des Befüllens große Luftmengen ab und lässt beim Entleeren oder beim Abschalten der Pumpe Luft einströmen.

Bei vertikalen Turbinenpumpen oder Pumpensäulen, die teilweise mit Luft gefüllt in Betrieb gehen, muss die Entlüftungsgeschwindigkeit geregelt werden. Entweicht die Luft zu schnell, kann die Wassersäule rasch ansteigen und gegen das Auslassrückschlagventil schlagen.

Langsame oder geregelte Abluftführung

Eine Drossel- oder geregelte Ablassvorrichtung begrenzt die Geschwindigkeit, mit der eine große Luftblase das System verlässt. Dadurch wird die vorrückende Wassersäule verlangsamt und die Wucht gemindert, wenn das Wasser das nachgeschaltete Ventil oder die voll gefüllte Rohrleitung erreicht.

Schnelle Luftzufuhr während des Abschaltvorgangs

Wenn der Druck nach dem Abschalten der Pumpe abfällt, kann ein Luft-Vakuum-Ventil Luft einlassen und so ein schädliches Vakuum verhindern. Die eingeleitete Luft kann die Flüssigkeitssäulen voneinander trennen und die Beschleunigung des Rückflusses verringern.

Die erforderlichen Zu- und Abluftkapazitäten sind unterschiedlich. Die Luftventilbaugruppe sollte daher für beide Betriebsrichtungen ausgelegt werden und nicht allein anhand der Rohrgröße ausgewählt werden.

Anti-Slam-Luftventil

Ein Anti-Slam-Luftventil regelt die endgültige Abgabe der Luft, sobald Wasser auf das Ventil trifft. Die verbleibende Luft wirkt als vorübergehendes Polster und mindert den Stoß, der entsteht, wenn die Wassersäule den geschlossenen Zustand erreicht.

Entlüftungsventile sollten an den höchsten Punkten des Hydrauliksystems sowie an den Stellen installiert werden, die anhand des Rohrleitungsprofils und der Transientenanalyse ermittelt wurden. Die Anbringung eines einzigen kleinen Entlüftungsventils am Pumpenaggregat reicht für eine vollständige Entlüftung einer langen Druckleitung nicht aus.

7. Setzen Sie bei Bedarf Druckhalteventile ein

Ein Druckhalteventil hält einen Mindestdruck auf der Zulaufseite aufrecht und regelt gleichzeitig den Durchfluss in das nachgeschaltete System. Es kann verhindern, dass ein Pumpenaggregat oder ein Versorgungsverteiler bei Änderungen des Bedarfs zu schnell drucklos wird.

Bei Anwendungen mit Druckerhöhungspumpen kann ein kombiniertes Pumpensteuer- und Druckhalteventil die Pumpe beim An- und Abschalten absperren und gleichzeitig während des Betriebs einen ausreichenden Druck auf der Pumpenseite aufrechterhalten.

Diese Anordnung ist sinnvoll, wenn das direkte Einleiten des Pumpenauslasses in ein Niederdrucknetz zu einer übermäßigen Beschleunigung führen würde oder wenn die Pumpe für einen stabilen Betrieb einen Mindestgegendruck benötigt.

8. Koordination mehrerer Pumpen und ihrer Rückschlagventile

Bei Parallelpumpenanlagen kann es zu Wasserschlägen kommen, selbst wenn jede einzelne Pumpe scheinbar ordnungsgemäß ausgestattet ist. Wenn eine Pumpe ausfällt, versorgen die noch in Betrieb befindlichen Pumpen den gemeinsamen Druckverteiler weiterhin mit Druck. In der Abzweigung der ausgefallenen Pumpe kann es zu einer plötzlichen Durchflussumkehr kommen.

Jeder Pumpenzweig sollte mit einem Rückschlagventil ausgestattet sein, dessen Ansprechverhalten den Bedingungen im gemeinsamen Sammelrohr entspricht. Das Steuerungssystem sollte außerdem verhindern, dass sich mehrere große Absperrventile gleichzeitig öffnen oder schließen, es sei denn, die Transientenanalyse bestätigt, dass das System die kombinierte Durchflussänderung verkraften kann.

Durch gestaffelte Pumpenstarts wird die Geschwindigkeit, mit der der Durchfluss im Sammler ansteigt, verringert. Beim Abschalten kann das System die Pumpendrehzahl reduzieren oder das jeweilige Regelventil schließen, bevor die jeweilige Pumpe angehalten wird.

Bei der Auswahl eines Rückschlagventils sollte der Betrieb bei geringem Durchfluss berücksichtigt werden, wenn mehrere Pumpen in Betrieb sind. Ein überdimensioniertes Rückschlagventil öffnet sich bei reduziertem Durchfluss in der Abzweigung möglicherweise nicht vollständig und kann zu einem Flattern der Scheibe oder zu erhöhtem Verschleiß führen.

Empfohlene Reihenfolge für die Inbetriebnahme von Pumpen und Ventilen

Die richtige Abfolge hängt vom Pumpentyp, der Systemförderhöhe und der Ventilanordnung ab. Eine typische gesteuerte Abfolge für eine Zentrifugal-Druckerhöhungspumpenanlage könnte die folgenden Schritte umfassen.

1. Überprüfen Sie den Durchflussweg. Vergewissern Sie sich, dass die Saugabsperrventile geöffnet sind, der Mindestdurchflussweg frei ist und sich das Druckregelventil in der vorgesehenen Startposition befindet.
2. Entlüften Sie die eingeschlossene Luft. Öffnen oder aktivieren Sie die erforderlichen Entlüftungs- und Vakuumvorrichtungen gemäß der Systemanleitung.
3. Starten Sie die Pumpe. Bringen Sie die Pumpe auf die erforderliche Drehzahl, während Sie den Ansaugdruck, den Förderdruck und den Zustand des Motors überwachen.
4. Überprüfen Sie den Druckaufbau. Öffnen Sie das Hauptablassventil erst, wenn die Pumpe den erforderlichen Differenzdruck aufgebaut oder die programmierte Drehzahl erreicht hat.
5. Öffnen Sie das Ablassventil schrittweise. Halten Sie sich dabei an die vorgesehene Öffnungskurve, anstatt das Ventil einfach sofort vollständig zu öffnen.
6. Umschaltung vom Bypass auf den Hauptstrom. Wird ein Anlauf-Bypass verwendet, schließen Sie diesen schrittweise, während sich das Hauptablassventil öffnet.
7. Stellen Sie einen stabilen Betrieb sicher. Überprüfen Sie die Ventilstellung, die Stabilität des Ventils, den Durchfluss, die Vibrationen und den Druck hinter dem Ventil, bevor Sie die Pumpe für betriebsbereit erklären.

Empfohlene Abfolge beim normalen Herunterfahren

1. Reduzieren Sie den Systembedarf, soweit möglich. Verringern Sie die Pumpendrehzahl oder bereiten Sie die nächste in Betrieb zu nehmende Pumpe vor, bevor Sie die ausgewählte Pumpe außer Betrieb nehmen.
2. Öffnen Sie bei Bedarf den Mindestdurchflussweg. Halten Sie einen ausreichenden Pumpendurchfluss aufrecht und reduzieren Sie gleichzeitig den Abfluss in die Hauptleitung.
3. Schließen Sie das Durchflussregelventil langsam. Verwenden Sie die programmierte Positions-Zeit-Kurve und überwachen Sie den Durchflussdruck.
4. Stellen Sie die Pumpe an der festgelegten Ventilposition ab. Der Abschaltpunkt sollte auf der Grundlage des Betriebsbereichs der Pumpe und der Transientenanalyse festgelegt werden.
5. Das Rückschlagventil sollte eine verbleibende Rückwärtsbewegung auffangen können. Das Rückschlagventil sollte den Schließvorgang ohne hohe Rückwärtsgeschwindigkeit oder heftigen Aufprall der Scheibe abschließen.
6. Bei Bedarf Luft zuführen. Der Luft-Vakuum-Schutz sollte anspringen, wenn in der Pumpensäule oder der Rohrleitung die Gefahr einer Unterdruckbildung besteht.
7. Überprüfen Sie, ob die Absperrung endgültig erfolgt ist. Vergewissern Sie sich vor der Absperrung zu Wartungszwecken, dass die Anzeige für geschlossene Ventile erscheint, der Druck stabil ist und keine Rückdrehung vorliegt.

Ventilschließzeit: Warum eine Zahl nicht ausreicht

In Projektspezifikationen wird häufig festgelegt, dass ein Ventil innerhalb von 10, 20 oder 30 Sekunden schließen muss. Diese Gesamtzeit ist für die Auswahl des Stellantriebs hilfreich, gibt jedoch keinen Aufschluss darüber, wie das Ventil den Durchfluss verändert.

Zwei Ventile mit derselben Gesamtschließzeit können sehr unterschiedliche Drucktransienten erzeugen. Ein Stellantrieb bewegt sich möglicherweise mit konstanter Wellendrehzahl, während ein anderer im Endhub langsamer wird. Der Ventiltyp und die eingebaute Durchflusskennlinie beeinflussen ebenfalls, wie viel Durchfluss in der jeweiligen Position verbleibt.

In der Spezifikation sollte daher das erforderliche Schließprofil definiert werden, beispielsweise eine schnellere Anfangsbewegung, gefolgt von einem kontrollierten Endschluss, oder eine Positionsrampe, die bei der transienten Modellierung festgelegt wurde.

Die Schließzeit im Notfall kann sich ebenfalls von der normalen Schließzeit unterscheiden. Ein Absperrventil kann eine schnelle Anfangsbewegung nutzen, um gefährliche Durchflussmengen zu reduzieren, und eine gedämpfte Endbewegung, um Wasserschläge zu begrenzen, vorausgesetzt, die Prozesssicherheitsanalyse akzeptiert diese Anordnung.

So diagnostizieren Sie das Ventil, das den Wasserschlag verursacht

Ein lautes Schlaggeräusch unmittelbar nach dem Abschalten der Pumpe deutet häufig auf ein Zuschlagen des Rückschlagventils hin, doch das Geräusch allein reicht nicht aus, um die Ursache zu identifizieren. Druck, Ventilstellung, Pumpendrehzahl und Durchfluss sollten mit einer Abtastrate aufgezeichnet werden, die hoch genug ist, um das transiente Ereignis zu erfassen.

Überprüfen Sie den zeitlichen Ablauf zwischen dem Abschalten des Motors, dem Erreichen des Durchflusses von Null, dem Schließen des Rückschlagventils und dem ersten Druckspitzenwert. Tritt die Druckspitze auf, wenn das Rückschlagventil den Sitz erreicht, ist die Schließreaktion wahrscheinlich eine Mitursache.

Tritt der Druckspitzenwert während der Bewegung des betätigten Ventils auf, vergleichen Sie die Spitze mit der Ventilstellung. Eine Druckwelle nahe der Endstellung „geschlossen“ deutet darauf hin, dass das Ventil den verbleibenden Durchflussquerschnitt zu schnell schließt.

Wiederholtes Klopfen beim Anfahren kann auf eingeschlossene Luft, ein instabiles Rückschlagventil, ein schlecht eingestelltes Druckregelventil oder mehrere Flüssigkeitssäulen hinweisen, die sich nach getrennter Befüllung vereinigt haben.

Inbetriebnahme des Ventilsystems

Der Wasserschlagschutz muss bei der Inbetriebnahme überprüft werden. Bei Werksprüfungen kann zwar bestätigt werden, dass sich Ventil und Stellantrieb korrekt bewegen, jedoch lassen sich dabei die Länge der installierten Rohrleitung, die statische Förderhöhe, die Trägheit der Pumpe und die reflektierten Druckwellen nicht nachbilden.

Beginnen Sie die Prüfung nach Möglichkeit bei reduziertem Durchfluss oder einer geregelten Pumpendrehzahl. Notieren Sie den Ansaugdruck, den Förderdruck der Pumpe, den Druck hinter der Pumpe, den Durchfluss, die Pumpendrehzahl sowie die Positionen aller betätigten Ventile.

Führen Sie vor der Prüfung der Notabschaltungen die geplanten Start- und Abschalttests durch. Passen Sie die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten der Ventile, die Positionsrampen und die Steuerung der Überdruckventile in kontrollierten Schritten an.

Überprüfen Sie nach jeder Anpassung, ob die Änderung den gesamten transienten Verlauf verbessert und nicht lediglich dazu führt, dass die Druckspitze in einen anderen Teil des Systems verlagert wird.

Für eine Transientenuntersuchung erforderliche Ventildaten

Ein zuverlässiges hydraulisches Transientenmodell erfordert mehr als nur die Nennweiten der Ventile. Der Analyst benötigt die Abhängigkeit zwischen Ventilstellung und Durchflusskapazität sowie das tatsächliche Öffnungs- und Schließprofil.

Für Rückschlagventile sind die Masse der Scheibe, der Hub, die Federkennlinie, der Öffnungsdruck sowie die verfügbaren Daten zum dynamischen Schließen anzugeben. Für Pumpensteuer- und Absperrventile sind der Cv- oder Kv-Wert in Abhängigkeit von der Position, die Hubzeit des Stellantriebs, die Verhalten bei Ausfall sowie etwaige Bereiche mit variabler Drehzahl anzugeben.

Die Angaben zu Überdruckventilen sollten den Einstelldruck, den Vollöffnungsdruck, die Durchflussleistung und das Schließverhalten umfassen. Die Angaben zu Luftventilen sollten die Ansaugleistung, die Abluftleistung sowie etwaige Drossel- oder Rückschlagvorrichtungen enthalten.

Was Einkäufer in die Angebotsanfrage für Ventile aufnehmen sollten

So vergleichen Sie Angebote für Ventile

Angebote für Ventile sollten unter gleichen hydraulischen Bedingungen verglichen werden. Ein kleineres Rückschlagventil, ein kleinerer Stellantrieb oder ein kleineres Überdruckventil kann kostengünstiger erscheinen, weil der Anbieter einen anderen Durchfluss, Luftdruck oder Differenzdruck zugrunde gelegt hat.

Bitten Sie jeden Rückschlagventilhersteller, zu erläutern, wie sich die vorgeschlagene Konstruktion verhält, wenn der Vorwärtsdurchfluss nachlässt. Allgemeine Aussagen wie „schlagfreier“ oder „geräuscharmer“ Betrieb sollten durch die Ventilgeometrie, Federdaten oder Anwendungsberechnungen untermauert werden.

Bei angetriebenen Ventilen sollten Sie das gesamte Hubprofil vergleichen und nicht nur die Gesamtbetriebszeit. Prüfen Sie, ob die Geschwindigkeitsregelung in Öffnungs- und Schließrichtung unabhängig voneinander möglich ist und ob der Antrieb den letzten Teil des Hubs verlangsamen kann.

Im Angebot sollte angegeben werden, welches Unternehmen für das Ventil, den Antrieb, den Stellungsregler, das Vorsteuersystem, die Endschalter und die Funktionsprüfung verantwortlich ist. Ein komplett montiertes Paket sorgt für klarere Zuständigkeiten bei der Inbetriebnahme.

Für Pumpensteuerungssysteme fordern Sie bitte die Steuerungsbeschreibung und das Verriegelungsschema an. Die Ventilhardware kann einen Wasserschlag nicht verhindern, wenn die Schalttafel die Pumpe in der falschen Reihenfolge startet und stoppt.

Wartungsmaßnahmen zur Aufrechterhaltung des Überspannungsschutzes

Ein Ventilsystem, das bei der Inbetriebnahme einwandfrei funktioniert, kann nach und nach seine Fähigkeit zur Schwingungsdämpfung verlieren. Rückschlagventilfedern, Lager, Scharniere und Dämpfungsdämpfer unterliegen einem Verschleiß. Pneumatische Drehzahlregler können verschmutzen, und Filter der Vorsteuerung können verstopfen.

Rückschlagventile sollten auf freie Beweglichkeit der Scheibe, Verschleiß der Sitzfläche und Anzeichen wiederholter Stöße überprüft werden. Eine plötzliche Veränderung des Schließgeräuschs ist oft ein frühes Anzeichen dafür, dass sich das Ansprechverhalten des Ventils verändert hat.

Pneumatische und hydraulische Antriebe sollten regelmäßig auf ihren Hub und ihre Laufzeit überprüft werden. Vergleichen Sie die gemessene Bewegung mit dem genehmigten Inbetriebnahmeprofil.

Die Schwimmer und Drosselöffnungen des Luftventils sollten sauber bleiben. Ein verstopftes Luftventil kann die Entlüftung oder den Unterdruckschutz beeinträchtigen, während eine beschädigte Drosselvorrichtung Luft zu schnell ablassen kann.

Druckbegrenzungsventile müssen einer Funktionsprüfung unterzogen werden, um den Öffnungsdruck, die Durchflusskapazität und das kontrollierte Wiederschließen zu überprüfen. Absperrventile in den Entlastungsleitungen müssen in ihrer vorgeschriebenen Betriebsstellung verbleiben.

Häufig gestellte Fragen