Ein Drucksensor fiel im letzten Frühjahr in einer mittelgroßen Molkerei, kurz bevor ein automatischer CIP-Zyklus beginnen sollte, aus. Der Abschluss des CIP-Zyklus hätte darin bestanden, dass eine heiße Ätzlösung in einem geschlossenen Kreislauf zwischen zwei automatischen Kugelhähnen eingeschlossen worden wäre. Infolgedessen begann der Druck der heißen Ätzlösung aufgrund der expandierenden Natur der heißen Ätzlösung zu steigen. Innerhalb von weniger als zwanzig Sekunden stieg der Druck über die Auslegungsgrenze der Rohrleitung.
Der einzige Grund, warum das Rohr nicht platzte und es keine werkseitige Evakuierung gab, war ein kompaktes federbelastetes Gerät, das am Auslass des Tanks montiert ist: ein Sicherheitsventil aus Edelstahl. Infolgedessen öffnete das Ventil bei 80 psi und ließ eine kleine Menge der Ätzlösung in den Auffangabfluss ab, um sich wieder zu schließen, sobald der Druck abfiel. Das gesamte Ereignis dauerte weniger als eine Minute, und die Produktion war am Nachmittag wieder normal. Das Ventil blieb jahrelang unbemerkt, erfüllte aber seine Funktion genau wie vorgesehen. Jeder, der Fluidsysteme in der Lebensmittel-, Pharma- oder chemischen Prozessindustrie spezifiziert, muss daher verstehen, wie das Ventil funktioniert und warum das Material „Edelstahl“ in der Hygieneindustrie keine Option ist.
Der grundlegende Zweck: Automatischer Überdruckschutz
Eine automatische Druckentlastungsvorrichtung, die sich öffnet, wenn der Systemdruck einen bestimmten Sollwert (den statischen Vordruck) überschreitet, um das System durch Ableiten von Flüssigkeit, Gas oder Dämpfen zu regulieren, bis es nach Behebung dieses Zustands unter seinen Wiederverschlussdruck fällt. Im Gegensatz zu Berstscheiben, die nur einmal verwendet werden können, sind Sicherheitsventile so konzipiert, dass sie über die gesamte Lebensdauer des Systems kontinuierlich funktionieren.
Der Sicherheitsaspekt dieser Ventile ermöglicht es ihnen, in konkurrierenden gasförmigen oder dampfförmigen Anwendungen sehr schnell und vollständig (Pop-Betrieb) zu öffnen und bei Hochdruckanwendungen proportional zu öffnen, je nach Anstieg der jeweiligen Drücke, die üblicherweise bei Flüssigkeitsanwendungen auftreten, indem sie einen kontinuierlichen Anstieg im Flüssigkeits- oder Dampfbetrieb aufgrund der Entfernung von Produkt aus einem gerissenen oder undichten Rohr oder durch Bedienungsfehler ermöglichen.
Die meisten Sicherheitsventile können kompressible und inkompressible Fluide gleichermaßen handhaben, was sie zum am weitesten verbreiteten Sicherheitsventil in der Prozessindustrie macht. Alle Sicherheitsventile unterliegen einer Zertifizierung durch Dritte, einschließlich ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPV) Abschnitt VII, API 526 und 3-A Sanitary Standards für sanitäre Anwendungen.
Warum Edelstahl das Standardmaterial für den Hygienebereich ist
Das Material für ein Sicherheitsventil aus Edelstahl wird nach denselben Anforderungen ausgewählt wie der gesamte hygienische Fluidpfad: Es muss eine korrosionsbeständige Oberfläche aufweisen, die aggressiven chemischen Reinigungen, Lochfraß und Spaltkorrosion unter chloridhaltigen Bedingungen standhält, und eine Oberfläche besitzen, die elektropoliert werden kann, um Biofilmhaftung zu widerstehen. Die meisten hygienischen Sicherheitsventile werden aus Edelstahl 316L gefertigt, dem Molybdän zur Grundlegierung 304 hinzugefügt wird, um eine größere Lochfraßbeständigkeit als die reine 304-Legierung zu erzielen.
In Reinstwassersystemen in der Pharma- und Halbleiterindustrie kann das 316L einen geringen Schwefelgehalt aufweisen und aus vakuumgeschmolzenen Chargen hergestellt werden, um ein einschlussfreies Material zu erzeugen. Die interne Feder, die den Einstellungsdruck des Ventils bestimmt, wird typischerweise aus hochwertigem Federstahl hergestellt und kann unter sehr korrosiven Bedingungen auch aus Hastelloy- oder Inconel-Legierungen bestehen. Die Elastomerdichtungen, die typischerweise aus EPDM, Viton oder PTFE bestehen, müssen FDA-konform sein und wiederholten SIP-Zyklen bei 130 °C standhalten. Unser Vergleich von 304 vs. 316 Edelstahl erklärt, warum sich die Mehrkosten für 316L durch eine längere Lebensdauer und ein geringeres Kontaminationsrisiko amortisieren.
Sicherheitsventil, Abblaseventil, Sicherheits-Abblaseventil: Die Terminologie verstehen
Die beiden Begriffe werden häufig verwechselt, doch bei der Spezifizierung von Geräten ist der Unterschied wichtig.
- Sicherheitsventil: Ein Ventil, das durch einen Federmechanismus betätigt wird, der seinen vollen Querschnitt sofort öffnet (Pop-Aktion), um den Durchfluss zu ermöglichen, wird typischerweise bei Gasen wie Dampf und Druckluft verwendet. Wenn der Druck seinen Sollwert erreicht, öffnet sich das Ventil schnell und bleibt offen, bis der Systemdruck unter den definierten Wiederverschluss-Sollwert fällt.
- Abblaseventil: Die Öffnung beginnt allmählich im Verhältnis zum Druckanstieg über den Sollwert. Dieser Ventiltyp arbeitet hauptsächlich mit inkompressiblen Fluiden (Flüssigkeiten). Das Ventil öffnet sich erst vollständig, wenn es einen höheren Druck als den Sollwert erreicht, normalerweise 10 % oder 25 % höher.
- Sicherheits-Abblaseventil: Dieses Gerät dient je nach Anwendung entweder als Sicherheits- oder als Abblaseventil. Bei der hygienischen Verarbeitung sind die meisten verkauften Ventile Sicherheits-Abblaseventile, die den sicheren Umgang mit Dampf bei der Reinigung und Desinfektion aller Ventile mittels SIP (zur Sicherheit) ermöglichen. Dies ermöglicht auch den Umgang mit anderen Flüssigkeiten, basierend auf der CIP-Reinigungsmethode in hygienischen Anwendungen.
Diese Doppelfunktion ist wichtig, um hohe Sauberkeitsstandards in der industriellen Anwendung aufrechtzuerhalten. Das Ventil muss so installiert werden, dass sowohl flüssige als auch gasförmige Reinigungsmittel verwendet werden können, wobei ein Ventil, das ordnungsgemäß funktioniert, d.h. nicht undicht wird oder klappert, wenn es in einer industriellen Umgebung installiert ist, wo es sowohl bei Flüssigkeiten als auch bei Gasen sauber öffnen muss. Wenn Sie den breiteren Kontext betrachten, wie Sanitärkomponenten zusammenwirken, um ein reinigbares System aufrechtzuerhalten, bietet unsere Einführung in was ein Sanitärfitting ist die grundlegenden Prinzipien, die für jede Komponente, einschließlich Sicherheitsventile, gelten.
Die 3%-Regel und die Dimensionierung Ihrer Entlastungsvorrichtung
Ein Sicherheitsventil wird von einem Ingenieur auf der Grundlage der Berechnung der erforderlichen Entlastungskapazität ausgewählt, die angibt, wie viel Fluid durch das Ventil infolge von Überdruck freigesetzt wird, um sicherzustellen, dass der Druck des Druckbehälters seinen maximal zulässigen Betriebsdruck (MAWP) nicht überschreitet. Gemäß dem ASME-Code für die Anwendung eines Sicherheitsventils in einer Einzelventilinstallation für einen Druckbehälter muss das Ventil jede Druckerhöhung durch Brand auf 110 % des MAWP begrenzen; bei mehreren Ventilen erlaubt das erste Ventil einen Druckanstieg auf 110 %, und zusätzliche Sicherheitsventile können den Druck auf 116 % ansteigen lassen, bevor sie öffnen.
Die 3-Prozent-Regel, die häufig in Bezug auf Druckentlastungsventile zitiert wird, ist keine in einem Code festgelegte Anforderung, sondern dient als praktische Richtlinie, die von API und als Teil der Prozesssicherheitspraktiken festgelegt wurde. Die Richtlinie besagt, dass der Einlassdruckabfall von der geschützten Ausrüstung zum Ventileinlass 3 Prozent des Einstellpunktdrucks des Ventils bei voller Kapazität nicht überschreiten sollte.
Wenn die 3-Prozent-Grenze überschritten wird, flattert das Überdruckventil (öffnet und schließt sich schnell), was zu Beschädigungen am Sitz, an der Feder und möglicherweise zum Bruch des Ventilgehäuses führt. In sanitären Anwendungen, bei denen das Ventil direkt auf einem kurzen Stutzen eines Tanks oder Rohrs montiert ist, ist es normalerweise unkompliziert, die 3-Prozent-Grenze einzuhalten. Die Druckverlustberechnung muss in Fällen überprüft werden, in denen die Einlassrohrleitung zu lang ist. Das Flattern eines Sicherheitsventils aus Edelstahl ist besonders schädlich; die Kombination aus hartem Sitz und polierter Scheibe wird bei Vibrationen zu fressenden Oberflächen, was den Austausch des Ventils erforderlich macht, wenn der Sitz durch Flattern beschädigt wird.
PSV vs. PRV: Eine funktionale Anleitung
Zwei häufig verwechselte Ventiltypen im Industriebereich sind das Sicherheitsventil (Pressure Safety Valve, PSV) und das Überdruckventil (Pressure Relief Valve, PRV). Der Unterschied zwischen den beiden Ventiltypen besteht darin, dass ein PSV ein schnelles Öffnen eines Ventils zum Abbau von Überdruck in Gas- oder Dampfanwendungen ermöglicht, während ein PRV ein allmähliches Öffnen eines Ventils in Flüssigkeitsanwendungen ermöglicht. Sicherheits-Abblaseventile sind als Kombination aus beiden Ventiltypen konzipiert und werden von Prozessingenieuren, die für eine kritische Sicherheitsfunktion an einem System verantwortlich sind, oft als PSV-Ventile bezeichnet.
Aus praktischer Sicht, wenn das Ventilschild eines hygienischen Sicherheitsventils als PSV-Bezeichnung hergestellt wird, wurde es typischerweise durch Design und Prüfung für den Gaseinsatz „qualifiziert“, wohingegen eine PRV-Bezeichnung typischerweise für den Einsatz in Flüssigkeitsanwendungen qualifiziert wurde. Der Hersteller hat jedoch die Möglichkeit, die doppelte Produktzertifizierung zu überprüfen. Um Verwechslungen zu vermeiden, ist es daher eine bewährte Praxis, bei der Spezifikation von Kaufanforderungen den Begriff „Sicherheits-Abblaseventil“ zu verwenden und jeden Aspekt der Fluidphase (flüssig, gasförmig oder beides) anzugeben.
Sind Edelstahlventile immer die richtige Wahl?
Ein Sicherheitsventil aus Edelstahl bietet deutliche Vorteile in hygienischen Anwendungen; insbesondere seine Korrosionsbeständigkeit, einfache Reinigbarkeit und Kompatibilität mit Rohrleitungen und Armaturen aus 316L, einem gängigen Material vieler Rohrfabriken, die für den Hygienebereich liefern. Würden Sie in einer Molkereianlage heiße Salpetersäure zur Passivierung verwenden, wäre ein Kohlenstoffstahl- oder Messingventil nach nur wenigen Monaten vollständig zerstört.
Zusätzlich würde die Verwendung eines Kohlenstoffstahl- oder Messingventils in einem Wasser-für-Injektion-Kreislauf für pharmazeutische Anwendungen genügend Spureneisen erzeugen, sodass die Leitfähigkeitsmessgeräte nicht korrekt funktionieren würden. Es gibt Grenzen für die inhärente Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl. Sowohl Kohlenstoffstahl als auch Messing korrodieren im Vergleich zu Edelstahl viel langsamer. Der Grund dafür ist, dass Edelstähle zwar eine viel höhere Korrosionsbeständigkeit als andere Metallarten aufweisen, aber unter extremen Bedingungen, wie einer hohen Chloridkonzentration oder der Einwirkung bestimmter organischer Säuren, dennoch korrodieren. Für extrem korrosive Einsatzbedingungen werden typischerweise Duplex-Edelstähle oder Nickellegierungen verwendet; Duplex-Edelstähle und Nickellegierungen werden jedoch selten für den Standard-Sanitärdienst eingesetzt.
Die wichtigste Überlegung ist, ob der gesamte Ventilkörper aus echtem Edelstahl gefertigt ist. Einige kostengünstige Ventile bestehen aus einem Edelstahlkörper und verwenden eine verchromte Kohlenstoffstahlfeder, die korrodieren und letztendlich an der Stelle der Feder versagen wird. Hersteller von Sanitärartikeln und die meisten renommierten Verarbeiter bieten eine vollständige Rückverfolgbarkeit; insbesondere stellen sie die Materialrückverfolgbarkeit und das Material für jede benetzte Komponente bereit. Wenn Sie also ein hygienisches Sicherheitsventil von einem Lieferanten wie Eagle Fittings kaufen, werden Gehäuse, Trim, Feder und Dichtungen des Ventils dokumentiert und bis zur Schmelzchargennummer des Werks zurückverfolgt.
Integration von Sicherheitsventilen in hygienische Prozesslinien
Typischerweise wird in der Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung (Molkerei) sowie in der pharmazeutischen Verarbeitung ein Sicherheitsventil nicht an einer entfernten Rohrbrücke installiert; stattdessen wird das Sicherheitsventil typischerweise direkt an den Druckbehälter oder eine kritische Transferleitung angeschlossen. Aufgrund der Anforderung einer spaltfreien/entleerbaren Verbindung wird die Tri-Clamp-Verbindung typischerweise als Anschluss für hygienische Sicherheitsventile verwendet. Darüber hinaus muss der Ventilkörper so konstruiert sein, dass er keine horizontalen Flächen oder Toträume aufweist, die das Produkt ansammeln lassen. Das Ventil muss auch so konstruiert sein, dass es nach einem Entleerungsvorgang entweder CIP-gereinigt (Cleaned-in-Place) oder manuell gereinigt werden kann, je nach Standort und Prozess. Für eine vollständige Übersicht, wie diese Geräte in ein BPE-konformes pharmazeutisches Rohrleitungssystem passen, behandelt unser Leitfaden zu pharmazeutischen Geräten, Rohren und Armaturen die Konstruktionsprinzipien, die für jede Komponente gelten, von Sicherheitsventilen bis zur Endfülltülle.
Häufig gestellte Fragen
Was ist die 3%-Regel für Überdruckventile?
Eine Richtlinie namens „3-Prozent-Regel“ besagt, dass der nicht rückgewinnbare Druckabfall durch die Einlassleitung zwischen einem geschützten Behälter und einem Sicherheitsventil 3 % des Einstellpunkts des Sicherheitsventils nicht überschreiten darf, wenn es vollständig geöffnet ist. Ein Überschreiten dieses Wertes kann dazu führen, dass das Ventil flattert oder schnell zwischen vollständig geöffnetem und vollständig geschlossenem Zustand wechselt, was zu Schäden an den Ventilkomponenten wie Sitz und Feder führt; daher wird die Einhaltung der 3-Prozent-Regel einen stabilen Betrieb der Ventile während des Entlastens fördern.
Was ist der Unterschied zwischen einem Sicherheitsventil und einem Sicherheits-Abblaseventil?
Sicherheitsventile, die sich schnell durch „Popping“ öffnen, werden typischerweise an Rohrleitungssystemen für Gase/Dampf (kompressible Fluide) installiert, während Sicherheits- und Abblaseventile entweder mit Gas/Dampf oder inkompressiblen Fluiden (Flüssigkeiten) arbeiten können. Dies ermöglicht die Flexibilität, das Ventil für beide Zwecke zu verwenden, wodurch das Abblaseventil das gängige Mittel in hygienischen (reinigbaren) Prozessanwendungen für SIP (Steam In Place) oder CIP (Clean In Place) an derselben Rohrleitung ist.
Sind Edelstahlventile gut?
Edelstahlventile sind ideal für Umgebungen, die Korrosionsbeständigkeit, die Fähigkeit, eine saubere Oberfläche zu erhalten, und die Kompatibilität mit vorhandenen Edelstahlrohren erfordern. In der Hygieneindustrie wird 316L-Edelstahl als bevorzugtes Metall verwendet; es rostet nicht, wenn es Reinigungslösungen ausgesetzt wird. Darüber hinaus führt das Elektropolieren zu einer Oberfläche mit minimaler Bakterienhaftung. Die Leistung eines Edelstahlventils wird durch die Präzision des Herstellungsprozesses, die in der Ventilproduktion verwendete Legierungsqualität und die vom Hersteller bereitgestellten Materialverfolgungsinformationen bestimmt.
Was ist der Unterschied zwischen PSV und PRV?
Ein Sicherheitsventil (PSV) bezieht sich auf Ventile, die so konstruiert sind, dass sie sich bei Drucküberschreitungen in Gas-/Dampfanwendungen schnell und vollständig öffnen. Im Gegensatz dazu bezieht sich ein Überdruckventil (PRV) auf Ventile, die so konstruiert sind, dass sie sich basierend auf einem Druckanstieg allmählich öffnen und in Flüssigkeitsanwendungen eingesetzt werden. Sicherheits-Abblaseventile sind Hybridventile, die beide Funktionen erfüllen und je nach ihrem primären Nennmedium entweder als PSV oder PRV bezeichnet werden. Die Leistungsfähigkeit des Ventils kann durch das Typenschild und die zugehörige Prüfzertifizierung überprüft werden.
Ein Sicherheitsventil aus Edelstahl ist einer der unbesungenen Helden der Verfahrenstechnik, bis ein Manometer (das Sie hoffentlich installiert haben) in den roten Bereich geht. Zu diesem Zeitpunkt ist es die einzige Grenze zwischen einem intakten System und einem explosiven Versagen. In einer hygienischen Verarbeitungsanwendung fungieren das Edelstahlgehäuse, FDA-konforme Dichtungen, die Tri-Clamp-Verbindung und der dokumentierte Einstelldruck als eine einzige Sicherheitsvorrichtung, die bei der Erstinstallation jedes Mal funktionieren muss. Das Ventil, das Ihren Pasteurisierungs-Skid, Bioreaktor oder Ihre Reinigungsdampfleitung schützt, sollte auch die erforderlichen Materialzertifizierungen, Oberflächengütedaten und Testergebnisse enthalten, die Ihnen einen ruhigen Schlaf ermöglichen. Eagle Fittings bietet Sicherheitsventile mit diesen Qualifikationen und Dokumentationen, um Ihnen die Gewissheit zu geben, dass das Sicherheitsventil, das Ihren sterilen Prozess vor Hochdruck schützt, mit bekannter Herkunft und Materialrückverfolgbarkeit gebaut wurde.
