Prüfung mit Druckluft

Dr. Joachim Lapsien, Vertriebs- und Marketingleiter CETA Testsysteme GmbH, Hilden

In einer Vielzahl von Anlagen, Maschinen und Geräten werden Kugelhähne oder auch Klappenhähne eingesetzt. Sie lassen sich grob in die Funktionsbereiche Absperren, Wegeleitung und Flussregelung einteilen. Hieraus leiten sich auch die vielfältigen Einsatzfelder der Kugelhähne ab, wie z.B. in der chemischen Prozessindustrie, Petroindustrie, Galvanotechnik, Metallindustrie, Lebensmittel- und Getränkeindustrie, Pharma- und Halbleiterindustrie, Pumpen, Armaturen, Kraftwerke und Wasseraufbereitung.

Entsprechend weit gefächert sind die industriellen Anforderungen an die Eigenschaften von Kugelhähnen, wie z.B. Hitzebeständigkeit und Flammwidrigkeit, hygienische Unbedenklichkeit, Abriebfestigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen aggressive Medien, Korrosionsbeständigkeit, Beständigkeit gegen UV- und Gammastrahlung, Abriebfestigkeit, hohe Standfestigkeit, Antistatik und Leckdichtheit. Neuere technologische Entwicklungen bei Kugelhähnen sind Stellungsrückmeldung und Positionskontrolle, motorisierte Stellungsregler, lineare Regelkennlinie, integrierte Untersetzungsgetriebe zur Verhinderung von Druckstößen beim Schaltprozess, integrierte Heizelemente zur Verhinderung von Polymerisation, lineares Regelverhalten, integrierte Messwertaufnehmer (z.B. für Druck, Feuchte, Temperatur, Durchfluss), totraumfreies Gehäuse ohne Materialeinschluss zur Verhinderung von Ablagerungen.

Ein Kugelhahn kann an unterschiedlichen Stellen Leckagen aufweisen. Mögliche Ursachen sind beispielsweise eine nicht dicht schließende Kugel in der Sperrstellung, undichte Abdichtung des Kugelzapfens und Griffs, fehlende Dichtungen, Montagefehler, undichte Übergangsverschraubungen sowie Querleckagen bei mehrwegigen Kugelhähnen. Im Folgenden wird die Leckageprüfung an Beispiel eines Absperrkugelhahns erläutert. Die hier beschriebenen Prüfverfahren lassen sich auch auf kompliziertere Bauformen übertragen.

Mit der Dichtheitsprüfung unter Einsatz von Druckluft kann die Leckdichtheit gegenüber Flüssigkeiten geprüft werden, da die Viskosität von Luft geringer ist als die von Flüssigkeiten. Mit dem Differenzdruckprüfverfahren liegen die minimal nachweisbaren Leckagen in der Größenordnung von 0,001 mbar*l/s. Hierbei wird der Druckabfall als Druckdifferenz gegen ein dichtes Referenzvolumen gemessen. Die Vorteile dieser Methode liegen in der nicht benetzenden Prüfung sowie in der guten Automatisierbarkeit.

Die Gesamtprüfung besteht aus den zeitlich aufeinander folgenden Phasen: Füllen, Stabilisieren, Messen und Entlüften. In der Füllphase wird das Prüfteil mit dem Prüfdruck befüllt. Die Stabilisierphase ist notwendig, damit Druckluftstörungen, die durch den Befüllprozess entstehen und durch Schaltvorgänge der internen Ventile des Prüfgerätes erzeugt werden, abklingen können. Zudem muss sich die Temperatur der Druckluft an die Prüfteiltemperatur anpassen. Durch den Füllvorgang wird, im Falle einer Überdruckprüfung, die Druckluft adiabatisch komprimiert, was eine Temperaturerhöhung zur Folge hat. In der Messphase wird der zeitliche Druckverlust gemessen und mit den zulässigen Toleranzen verglichen. Die Messphase muss so lang sein, dass hinreichend viele und aussagekräftige Messwerte vorliegen. Eine stabile Messphase ist dadurch gekennzeichnet, dass der leckagebedingte Druckverlust proportional zurzeit ist. Daran schließt sich der Entlüftvorgang an. Der leckagebedingte Druckverlust errechnet sich näherungsweise gemäß,

wobei

Mit der nachfolgend beschriebenen Systematik wird mit Hilfe der Auswertung von Druckverhältnissen geprüft, ob der Kugelhahn in der Sperrstellung ein Grobleck aufweist. Im Falle eines Groblecks wird während der Befüllphase nicht nur die auf Dichtheit zu prüfende Kammer 1 mit Druckluft angefüllt, sondern beispielsweise auch das Kugelinnenvolumen und eventuell auch die Kammer 2. In diesem Fall würde die Dichtheit des derart angefüllten Volumens geprüft werden, was zu Falschbewertungen führt. Daher muss im ersten Schritt eine Grobleckprüfung stattfinden. Hat der Kugelhahn kein Grobleck, so schließt sich daran die eigentliche Feinleckprüfung mittels Druckverlustmessung an.

Ein im Prüfgerät integriertes Reservoirvolumen wird auf einen Druck p1 gefüllt und vom Druckregler getrennt. Dann wird das Sperrventil des internen Reservoirvolumens geöffnet und die Luft in das Prüfteil geflutet. Da sich die Luft des Reservoirvolumens auf ein größeres Volumen verteilt, stellt sich ein geringerer Druck p2 ein. Durch das Verhältnis p2/p1 kann man feststellen, welches Volumen angefüllt wird. Dieses Druckverhältnis dient der Erkennung von Groblecks. Die Druckwerte werden meist mit einem Überdrucksensor aufgenommen. Diese Prüfmethode ist bei den Dichtheitsprüfgeräten der CETA Testsysteme GmbH, Hilden, als Option möglich.

Liegt kein Grobleck vor – es wird also nur Kammer 1 – gefüllt, so gilt Gl. 2.

Es können drei Typen von Groblecks in der Sperrstellung auftreten:

Typ 1: Die Abdichtung der Kugel zur Kammer 1 ist undicht und das Kugelinnenvolumen wird mit geflutet. In diesem Fall gilt Gl. 3.

Typ 2: Die Abdichtung der Kugel zu den Kammern 1 und 2 ist undicht. In diesem Fall wird das Kugelinnenvolumen und die Kammer 2 mit angefüllt. In diesem Fall gilt Gl. 4.

Typ 3: Die Abdichtungen des Kugelgriffes oder der Übergangsverschraubungen sind undicht, so dass der Prüfdruck nach außen entweicht. In diesem Fall ist das Druckverhältnis p2/p1 = 0.

Die formelmäßigen Zusammenhänge ergeben sich aus der idealen Gasgleichung unter der Annahme konstanter Temperatur (isotherme Zustandsänderung). Im Ausgangszustand befinden sich die Volumina auf Normaldruckniveau, so dass in diese Formeln die Drücke als positive bzw. negative Unterdrücke einzusetzen sind.

Weist der Kugelhahn kein Grobleck auf, so erfolgt die Feinleckprüfung der inneren Dichtheit. Dann wird der Kugelhahn auf die Durchgangsstellung geschaltet und die Druckverlustprüfung der äußeren Dichtheit schließt sich an.

Die beiden Kammern eines Absperrkugelhahns haben je 100 cm3. Das Innenvolumen der Kugel betrage 50 cm3. Mit Hilfe der Adaption (Volumen 40 cm3) wird die Kammer 1 befüllt, während die Kammer 2 durch einen Spannzylinder abgedichtet ist. Das Prüfgerät hat ein internes Reservoirvolumen von 45 cm3, das interne Messkreisvolumen beträgt 5 cm3. Die Messleitung aus PA-Rohr hat eine Länge von 1 m und einen Innendurchmesser von 4 mm. Dies entspricht einem Leitungsvolumen von 12,6 cm3. Hat der Kugelhahn kein Grobleck, so wird ausschließlich die Kammer 1 befüllt und es stellt sich ein Druckverhältnis von 0,222 ein. Weist der Kugelhahn ein Grobleck vom Typ 1 auf (das Kugelinnenvolumen wird mit angefüllt), so ergibt sich ein Druckverhältnis von 0,178. Hat das Prüfteil ein Grobleck vom Typ 2 (das Kugelinnenvolumen und die Kammer 2 werden mit angefüllt), stellt sich ein Druckverhältnis von 0,128 ein. Besitzt das Prüfteil kein Grobleck, schließt sich die Feinleckprüfung an. Um diese bei einem positiven Überdruck von p2 = 2 bar durchzuführen, ist in diesem Fall ein positiver Überdruck von p1 = 9 bar als Startwert einzustellen. Der bereitzustellende Startdruck läßt sich durch Vergrößerung des Reservoirvolumens verringern.

Zusätzlich zu der industriellen Forderung nach zuverlässigen Prüfgeräten wird häufig eine komplette Lösung gefordert, d.h. ein Prüfstand mit Prüfteilaufnahme und integrierter Messtechnik. Hier werden häufig halbautomatische und modular aufgebaute Prüfstände eingesetzt.

In einem mobilen Unterschrank, der als Unterbau für die Vorrichtung dient, sind der Schaltschrank, die Wartungseinheit sowie die Ventilinsel integriert. Verschiedene Typen von SPS-Steuerungen können eingebaut werden. Als Schutzeinrichtungen sind Varianten mit 2-Hand-Start, mit Schutztür als auch mit Lichtgitter möglich. Die Prüfteilaufnahme und die Adaption werden jeweils prüfteilspezifisch festgelegt. Durch die Integration des optimal zur Prüfaufgabe passenden Prüfgerätes ergibt sich ein vollständiger Prüfstand. Optional können Einrichtungen für die Signierung der Prüfteile sowie für Auswertungen und Dokumentation der Messergebnisse integriert werden.

Nach lagerichtigem Einlegen des Kugelhahns in die Prüfteilaufnahme und Start der Vorrichtung wird automatisch die Schutzvorrichtung aktiviert. Die Spannzylinder fahren an den Kugelhahn und dichten ihn ab. Über die SPS und das Prüfgerät wird der Prüfablauf selbstständig gesteuert. Über einen Spannzylinder wird der Kugelhahn befüllt. In einem ersten Prüfschritt erfolgt die Prüfung der inneren Dichtheit in der Sperrstellung. Nach der Grobleckprüfung folgt die Feinleckprüfung. Durch einen elektrisch angesteuerten mechanischen Versteller wird der Kugelhahngriff von der Sperrstellung auf die Durchgangsstellung umgeschaltet und die äußere Dichtheit wird auf Feinlecks geprüft. Am Ende der Prüfung wird das Messergebnis ausgewertet, und das Prüfteil wird entsprechend als i.O. bzw. n.i.O Teil bewertet.

Mit der Hilfe der folgenden Maßnahmen lassen sich die Messwerte optimieren und die Gesamtprüfzeit reduzieren: Durch die Verwendung von Füllkörpern kann das mit Druckluft zu befüllende Volumen verringert werden. Dies kann durch entsprechende konstruktive Maßnahmen bei der Auslegung der Spannzylinder und der Adaption erreicht werden.

Bei kleinvolumigen Kugelhähnen kann das Volumen im Messsystem durch den Einsatz von kurzen und dünnen PA-Rohren verringert werden. Hierdurch kann sich eventuell eine Verlängerung der Füllphase aufgrund des geringen Innendurchmessers des PA-Rohres ergeben. Die Prüfungen sollten immer bei einer einheitlichen Temperatur stattfinden, da ansonsten die Messwerte infolge thermisch bedingter Druckänderungen verfälscht werden. Unterstützend wirken hier eine thermische Isolierung der Messleitungen sowie der Schutz der Prüfeinrichtung vor Sonneneinstrahlung und Zugluft. Das Druckluftnetz sollte so ausgelegt sein, daß kein Nachdrücken der Adaption durch Änderungen an anderen Verbrauchsstellen eintritt. Sind die Kugelhähne verschmutzt, z.B. durch Öl, Fett, oder durch Späne aufgrund des Herstellungsprozesses, so sollte die Entlüftung des Kugelhahns am Ende der Dichtheitsprüfung nicht über das Prüfgerät erfolgen. In diesen Fällen bietet sich die Entlüftung über ein externes 3/2-Wege-Ventil an, das durch das Prüfgerät oder die SPS angesteuert werden kann.

CETA Testsysteme, Hilden

QE 542