Anwender, die großvolumige Absperrventile regelmäßig verwenden, berichten häufig von Problemen beim Schließen dieser Ventile in Medien mit relativ hohem Druckunterschied, wie z. B. Dampf oder Hochdruckwasser. Beim kraftvollen Schließen tritt stets eine Leckage auf, und ein dicht schließender Verschluss ist nicht möglich. Die Ursache hierfür liegt in der Konstruktion des Ventils und dem für den menschlichen Anwender zu geringen Drehmoment.

Analyse der Schwierigkeiten beim Umschalten von Ventilen mit großem Durchmesser

Die durchschnittliche maximale horizontale Kraftausstoßkraft eines Erwachsenen liegt je nach Körperbau bei 60-90 kg.

Im Allgemeinen ist die Durchflussrichtung eines Kugelventils so ausgelegt, dass der Einlass niedrig und der Auslass hoch ist. Beim Schließen des Ventils drückt der menschliche Körper das Handrad in eine horizontale Drehrichtung, wodurch sich die Ventilklappe nach unten bewegt und das Ventil schließt. Dabei müssen drei Kräfte zusammenwirken:

(1) Axiale Schubkraft Fa;

(2) Reibungskraft Fb zwischen Dichtung und Ventilschaft;

(3) Die Kontaktreibungskraft Fc zwischen dem Ventilschaft und dem Ventiltellerkern

Die Summe der Momente ist ∑M=(Fa+Fb+Fc)R

Man erkennt, dass mit zunehmendem Durchmesser auch die axiale Schubkraft zunimmt. Im nahezu geschlossenen Zustand entspricht die axiale Schubkraft nahezu dem tatsächlichen Druck im Rohrnetz (da P1-P2≈P1, P2=0).

Beispielsweise wird an einer 10-bar-Dampfleitung ein Kugelventil der Nennweite DN200 verwendet. Allein die erste Schließkraft beträgt Fa = 10 × πr² = 3140 kg, und die zum Schließen erforderliche horizontale Kreiskraft liegt nahe an der Kraftgrenze, die ein Mensch mit normaler Kraft aufbringen kann. Daher ist es für eine Person unter diesen Bedingungen sehr schwierig, das Ventil vollständig zu schließen.

Manche Hersteller empfehlen natürlich, solche Ventile umgekehrt einzubauen, was das Problem des schwierigen Schließens löst, aber dann gibt es auch das Problem, dass sie sich nach dem Schließen nur schwer wieder öffnen lassen.

Analyse der Ursachen für interne Leckagen bei Kugelventilen mit großem Durchmesser

Großkalibrige Kugelventile werden üblicherweise in Kesselausgängen, Hauptzylindern, Dampfleitungen und anderen Bereichen eingesetzt. An diesen Stellen treten folgende Probleme auf:
(1) Im Allgemeinen ist die Druckdifferenz am Kesselausgang relativ groß, wodurch auch der Dampfvolumenstrom und die Erosionsschäden an der Dichtfläche größer sind. Da der Verbrennungswirkungsgrad des Kessels nicht 100 % beträgt, weist der Dampf am Kesselausgang einen hohen Wassergehalt auf, was leicht zu Kavitation und damit zu Schäden an der Ventildichtfläche führt.

(2) Am Absperrventil nahe dem Kesselausgang und am Unterzylinder kann es aufgrund der intermittierenden Überhitzung des aus dem Kessel austretenden Dampfes während des Sättigungsprozesses, insbesondere bei unzureichender Kesselenthärtung, zu Ausfällungen im Wasser kommen. Saure und alkalische Substanzen verursachen Korrosion und Erosion an der Dichtfläche; zudem können sich kristallisierbare Substanzen an der Dichtfläche des Ventils ablagern und auskristallisieren, wodurch die Dichtigkeit des Ventils beeinträchtigt wird.

(3) Bei den Ein- und Auslassventilen der Teilzylinder ist der Dampfverbrauch nach dem Ventil aufgrund von Produktionsanforderungen und anderen Gründen hoch, mitunter aber auch niedrig. Dies führt zu Erosion, Kavitation und anderen Schäden an der Dichtfläche des Ventils.

(4) Beim Öffnen einer Rohrleitung mit großem Durchmesser ist in der Regel eine Vorwärmung erforderlich. Hierfür wird üblicherweise ein geringer Dampfstrom durchgeleitet, um die Rohrleitung langsam und gleichmäßig zu erwärmen, bevor das Absperrventil vollständig geöffnet wird. Dadurch werden Rohrleitungsschäden vermieden. Eine zu schnelle Erwärmung führt zu einer übermäßigen Ausdehnung, die Verbindungsstellen beschädigen kann. Da die Ventilöffnung in diesem Prozess jedoch oft sehr klein ist, ist die Erosionsrate deutlich höher als im Normalbetrieb und die Lebensdauer der Ventildichtfläche wird erheblich reduziert.

Lösungen für Schwierigkeiten beim Umschalten von Kugelventilen mit großem Durchmesser

(1) Zunächst empfiehlt es sich, ein balggedichtetes Kugelventil zu wählen, da dies den Einfluss des Reibungswiderstands des Kolbenventils und des Stopfbuchsenventils vermeidet und den Schaltvorgang erleichtert.

(2) Der Ventilkegel und der Ventilsitz müssen aus Werkstoffen mit guter Erosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit, wie z. B. Stellite-Hartmetall, gefertigt sein;

(3) Es wird empfohlen, eine Doppelventilscheibenkonstruktion zu verwenden, da diese keine übermäßige Erosion aufgrund der kleinen Öffnung verursacht, welche die Lebensdauer und die Dichtungswirkung beeinträchtigen würde.