Full text of DOI:10.1002/1522-2640(200111)73:11<1421::AID-CITE1421>3.0.CO;2-5

Chemie Ingenieur Technik (73) 11 | 2001
S. 1421±1423 ꢀ WILEY-VCH Verlag GmbH, D-69469 Weinheim, 2001
R o h r l e i t u n g e n 1421
0
009-286X/2001/1111-1421 $17.50+50/0
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1
997.
Vermeidung von Druckstöûen und
Kavitationsschlägen in Rohrleitungs-
systemen
A N D R E A S D U D L I K , S R I B U D I H A N D A J A N I S C H Ö N F E L D
U N D R A L F M Ü L L E R
*
2
Druckstöûe und Kavitationsschläge in
Rohrleitungen
Durch Regel- und Stellvorgänge, An- und Abfahrprozesse
und Betriebsstörungen treten in verfahrenstechnischen An-
lagen erhebliche Durchsatz- und Druckschwankungen auf.
Das Leitungssystem wird erhöht belastet und stellt somit
ein Sicherheitsrisiko dar. Stromaufwärts einer schlieûenden
Armatur führt dies zu Druckstöûen, während es stromab-
wärts der Armatur zu Kavitationsschlägen führt.
1
Problemstellung
Druckstöûe und Kavitationsschläge verursachen Schäden
an Rohrleitungssystemen. Resultierende Leckagen können
auûerdem erhebliche Schäden an Mensch und Umwelt her-
vorrufen. Um diese Druckschwankungen beherrschen zu
können, werden bei Fraunhofer UMSICHT in Oberhausen
Untersuchungen zum Druckstoû durchgeführt und daraus
neue Methoden zur Vermeidung der Druckstöûe und Kavi-
tationsschläge entwickelt. Bei der hier vorgestellten Metho-
de wird eine vorhandene Schnellschlussklappe mit einem
hydraulischen Bremssystem (¹ABS-Armaturª) ausgerüstet
und mit einer Rückschlagklappe kombiniert. Da das System
keine Hilfsenergie benötigt und sich ¾nderungen der Rohr-
leitungssystemparameter selbstständig anpasst, ist es auch
für bereits existierende Anlagen besonders geeignet.
Typische Szenarien für das Entstehen von Druck-
stöûen sind das schnelle Schlieûen einer Armatur bei Aus-
fall der Hilfsenergie und schnelle Regel- und Stelleingriffe.
Stromaufwärts der Absperrstelle wird kinetische Energie in
potentielle Energie umgewandelt, was sich in kurzzeitigen
Druckanstiegen (Druckstöûen) äuûert [1]. Dies kann an-
hand eines Beispiels verdeutlicht werden. In einer horizon-
tal verlegten überirdischen Rohrleitung mit der Gröûe DN
2
00 von der Länge 500 m, in der Wasser bei Umgebungstem-
peratur mit 3 m/s flieût, kann der Druck durch schnelles Ab-
sperren vom stationären Betriebsdruck von 6 bar auf 40 bar
ansteigen. Analog wird die Kraft, die ein Festpunkt mit z. B.
1
± 5 kN als Gewichts- und Reibungskraft stationär aufneh-
men muss, kurzzeitig auf 125 kN ansteigen.
Die Transportflüssigkeit flieût hinter der schlie-
ûenden Armatur aufgrund ihrer Trägheit zunächst annä-
hernd mit Ausgangsgeschwindigkeit weiter. Dabei sinkt der
Druck stromabwärts der Absperrstelle, und es bilden sich
.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dr.-Ing. A . D U D L I K , Dipl.-Ing. S. B. H . S C H Ö N -
*
F E L D, Dipl.-Ing. R . M Ü L L E R , Fraunhofer
Institut UMSICHT, Osterfelder Straûe 3,
D-46047 Oberhausen.

Chemie Ingenieur Technik (73) 11 | 2001
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groûräumige, expandierende Dampfblasen. Der Druck an
der Absperrstelle fällt bis auf den Sättigungsdruck der
Flüssigkeit ab und ist somit kleiner als der Systemdruck.
Dadurch wird die Flüssigkeitsströmung verzögert und
schlieûlich in Richtung der Absperrstelle beschleunigt
zur Verdeutlichung des Schadensausmaûes von Druckstö-
ûen und Kavitationsschlägen in der Praxis sowie zu deren
Vermeidung durchgeführt. Die Messgröûen Druck, Kraft,
Geschwindigkeit und Phasenverteilung werden in hoher
zeitlicher Auflösung (1 ± 5 kHz) erfasst, die Messergebnisse
werden anschlieûend mit den Vorhersagen kommerzieller
Berechnungssoftware verglichen. Als Ergebnis dieser Un-
tersuchungen werden u. a. neue Methoden zur Vermeidung
von Druckstöûen und Kavitationsschlägen entwickelt.
Eine neue Methode besteht darin, eine anpas-
(Strömungsumkehr). Die vorher gebildeten Dampfblasen
kondensieren schnell; die Flüssigkeit prallt auf die ge-
schlossene Armatur. Der hierbei entstehende Druckstoû
wird als Kavitationsschlag bezeichnet. Die Amplitude des er-
sten Kavitationsschlages stromabwärts der Absperrstelle ist
annähernd so groû wie die des ersten Druckstoûes strom-
aufwärts.
sungsfähige Steuerung auf die in der Leitung bereits vor-
handene Armatur aufzubauen. Zu diesem Zweck ist die
Absperrarmatur mit einem hydraulischen Bremssystem
(¹ABS-Armaturª) ausgerüstet, das auf die Antriebsachse der
3
Bekannte Maûnahmen zur Vermeidung
von Druckstöûen
Armatur, z. B. eine Klappe, einwirkt (s. Abb. 1).
Bekannte Möglichkeiten zur Vermeidung
von Druckstöûen in Rohrleitungssyste-
men sind z. B. die Anwendung von Wind-
kesseln, Wasserschlössern, Blasenspei-
chern sowie die Verlängerung der
Schlieû- bzw. Öffnungszeit [2]. Die letzte-
re gilt als die einfachste und vielfach
günstigste Methode. Es ist jedoch auf-
grund der technischen und rechtlichen
Anforderungen beim Betrieb von Rohr-
leitungen in der chemischen Industrie
und in Kraftwerken nicht immer möglich,
den Absperrvorgang undefiniert zu ver-
zögern.
Abbildung 1.
Links: Schema einer ABS-Armatur mit der Hilfsarmatur (Rückschlagklappe); rechts:
ABS-Armatur.
Windkessel, Wasserschlösser
oder Blasenspeicher sind zu verwenden,
wenn man das Leitungssystem nicht auf
eine Druckstufe auslegen will. Diese Ap-
plikationen werden in unmittelbarer Nä-
he stromaufwärts der Absperrarmatur
installiert. Beim Absperren flieût das Me-
dium in den Speicher hinein und wird
dadurch abgebremst.
Eine weitere Möglichkeit be-
steht in der Erweiterung von Armaturenantrieben um Ein-
richtungen, die den Schlieûvorgang verzögern, sobald etwa
das letzte Drittel des freien Strömungsquerschnitts erreicht
wird. Dies können Stoûdämpfer sein (häufig bei Rück-
schlagklappen verwendet) oder programmierbare Stel-
lungsgeber (Positioner). Es existieren ebenfalls einige pa-
tentrechtlich geschützte Erfindungen, die z. B. auf der MSR-
gestützten Steuerung von Armaturen [3] oder auf Umlenk-
mechanismen beruhen. Die industrielle Anwendung dieser
Verfahren ist jedoch den Autoren nicht bekannt.
Das hydraulische Bremssystem besteht im
Wesentlichen aus Bremsleitung, Bremsbacken und Brems-
scheibe, die mit der Drehachse der Absperrklappe fest ver-
bunden ist. Der Bremszylinder der hydraulischen Scheiben-
bremse wird mit der Rohrleitung stromaufwärts des Ventils
verbunden, so dass der Flüssigkeitsdruck in der Leitung die
Bremse aktiviert. Hierdurch wird der Schlieûvorgang verzö-
gert, wenn der Flüssigkeitsdruck zunimmt. Die Druckspitze
ist auf einen vom Benutzer gegebenen Maximaldruck be-
schränkt.
In Abb. 2 wird der Vorteil des Einsatzes einer
4
Neue Maûnahmen zur Vermeidung von
Druckstöûen
ABS-Armatur erläutert. Abb. 2 verdeutlicht, dass die ABS-
Armatur vom stationären Flieûstrom unabhängig ist und die
Druckschwankungen auf den erlaubten Maximaldruck be-
schränkt sind. Dieser Maximaldruck kann mechanisch im
voraus (in diesem Beispiel etwa 10 ± 15 bar) eingestellt wer-
den. Der Schlieûvorgang ist hiermit optimiert.
4
.1 Druckstoûvermeidung mit ABS-Armatur
Bei Fraunhofer UMSICHT in Oberhausen werden seit
Jahren experimentelle (an der UMSICHT eigenen Druck-
stoû-Versuchsanlage) und theoretische Untersuchungen

Chemie Ingenieur Technik (73) 11 | 2001
R o h r l e i t u n g e n 1423
Abbildung 2.
klappe eingesetzt. Beim Schlieûen des
Hauptventils wird die Kavitationsblase
zwischen den beiden Armaturen einge-
schlossen. Durch kleine Bohrungen in
der Rückschlagklappe oder durch langsa-
mes Wiederöffnen des Hauptventils kann
die Kavitationsblase wieder aufgefüllt
werden.
Zeitlicher Druckverlauf beim schnellen Absperren einer Wasserleitung ohne
links) bzw. mit ABS-Bremssystem.
(
Durch die Kombination der
beiden Methoden ist eine Möglichkeit ge-
geben, Druckstöûe sowohl stromaufwärts
als auch stromabwärts schnell schlieûen-
der Armaturen zu vermeiden. Die Druck-
stöûe werden somit reduziert, während
Kavitationsschläge infolge Dampfbla-
senzerfall völlig vermieden werden.
Die zeitliche Abhängigkeit von
Abbildung 3.
Zeitlicher Kraftverlauf beim schnellen Absperren einer Wasserleitung ohne (links)
bzw. mit ABS-Bremssystem.
Druck und Ventilstellung ist in Abb. 4
dargestellt. Zur besseren Darstellung
sind die Druckmessprotokolle von P02
(stromaufwärts) und P03 (stromabwärts)
in dieser Abbildung um 3 bar verschoben
dargestellt. Ebenfalls wird die Messzeit
der Versuche mit bzw. ohne Bremse um
Abbildung 4.
0
,5 s zeitlich verschoben. Es ist deutlich
Die zeitliche Verläufe von Druck und Ventilstellung stromaufwärts und
stromabwärts der Absperrarmatur ohne (links) bzw. mit ABS-Bremssystem und
Rückschlagklappe; v = 4,0 m/s.
0
zu erkennen, dass beim Versuch mit
Bremse und Hilfsarmatur stromaufwärts
ein Maximaldruck von 10 bar erreicht
wird, während die Dampfblase stromab-
wärts der Armatur nicht kollabiert und
der Druck auf Sättigungsdruck verharrt,
bis die Hauptarmatur langsam wieder ge-
öffnet wird oder die Dampfblase langsam
durch Bohrungen in der Scheibe der
Rückschlagklappe wieder aufgefüllt ist.
Der ausgeführte Ventilschlie-
ûungsprozess ist immer der schnellste
ohne das Risiko des Rohrschadens. Beide
Methoden in Kombination wie auch jede für sich sind passi-
ve Sicherheitssysteme für jedes Rohrsystem.
Die Armatur schlieût so schnell wie möglich, ohne
eine vorher eingestellte Maximalbelastung des Leitungssys-
tems zu überschreiten. Wie in Abb. 3 dargestellt, gilt dies
nicht nur für den Leitungsinnendruck, sondern auch für
den Lasteintrag in Rohrhalterungen (hier: Festpunkt 100 m
stromaufwärts der Absperrarmatur).
Eingegangen am 9. August 2001 [K 2917]
Das beschriebene System benötigt keine zusätz-
Literatur
liche Energiequelle. Weiterhin passt es sich an ¾nderungen
der Rohrsystemparameter wie z. B. veränderliche Rohrlei-
tungslänge, Strömungsgeschwindigkeit oder physikalische
Eigenschaften der Flüssigkeit selbsttätig an. Diese ist bei
klassischen Dämpfungssystemen, die den Ventilschluss ver-
schieben, nicht der Fall. Somit gilt diese neue Methode auch
für bereits existierende Anlagen als besonders vorteilhaft.
[
1] W Y L I E , E . B. ; S T R E E T E R , V. L . ; S U O, L .
Fluid Transients in Systems; Prentice-Hall Inc.,
Englewood Cliffs, New Jersey/USA 1993.
[2] KOT T M A N N, A .
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sen 1992.
[
3] F R O E H L I C H , K . - P.
4
.2 Vermeidung von Kavitationsschlägen
DDR Wirtschaftspatent Nr.: DD-PS 201041/4.
Zur Vermeidung von Kavitationsschlägen stromabwärts der
Absperreinrichtung wird als Hilfsarmatur eine Rückschlag-