Sicherheitsventile und Schutzeinrichtungen am Kryotank
Wie das Sicherheitsventilsystem eines Kryotanks funktioniert: Primär- und Sekundärventil, Berstscheibe, Ringraumentlastung, Umschaltventil und Prüfregeln.
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Ein Sicherheitsventil am Kryotank verhindert, dass der Behälter seinen maximal zulässigen Betriebsdruck überschreitet. Ein vollständiger Tank hat nicht nur eine Schutzeinrichtung, sondern ein System: Primär- und Sekundärsicherheitsventil an einem Umschaltventil, eine Berstscheibe am Innenbehälter und eine Entlastungseinrichtung für den Vakuumringraum.
Diese Einrichtungen existieren, weil eine kryogene Flüssigkeit weit unterhalb ihres Siedepunkts bei Umgebungsbedingungen gelagert wird. Wärmeeintrag ist kontinuierlich, sodass Druckanstieg der Normalzustand des Behälters ist, kein Fehler. Das Drucksicherungssystem verhindert, dass dieser normale Anstieg zu einem strukturellen Versagen wird.
Dieser Beitrag erklärt, was jede Einrichtung leistet, warum Sicherheitsventile niemals abgesperrt werden dürfen, und was am Drucksicherungssystem eines Gebrauchttanks zu prüfen ist.
Woraus besteht ein Sicherheitsventilsystem am Kryotank?
Ein vakuumisolierter Kryotank ist zwei Behälter in einem. Der Innenbehälter enthält die Flüssigkeit unter Druck. Der Außenmantel ist eine Vakuumhülle, ausgelegt für äußeren Druck, nicht für inneren Druck. Beide benötigen unterschiedlichen Schutz.
Eine Standardanordnung umfasst:
- Ein federbelastetes, selbstschließendes Primärsicherheitsventil am Innenbehälter, eingestellt auf oder unter dem maximal zulässigen Betriebsdruck
- Ein Sekundärsicherheitsventil gleicher Kapazität, sodass eines außer Betrieb genommen werden kann, ohne den Behälter ungeschützt zu lassen
- Ein Umschaltventil, das beide Sicherheitsventile trägt und so angeordnet ist, dass mindestens ein Entlastungsweg stets offen ist
- Eine Berstscheibe, auch Berstsicherung genannt, am Innenbehälter als nicht selbstschließende Rückfallebene
- Eine Ringraum-Entlastungseinrichtung, manchmal Vakuummantel-Entlastung genannt, zum Schutz des Außenmantels
- Abblaseleitungen, die an einen sicheren Ort abseits von Personal und Gebäudelufteinlässen führen
Die Ansprechdrücke werden vom Hersteller gegen das geltende Regelwerk festgelegt: PED 2014/68/EU mit EN 13458 für statische Behälter, EN 13530 für transportable, oder ASME Section VIII für den US-Markt. Sie werden in der Behälterdokumentation erfasst und sind nicht vor Ort einstellbar.
Was leistet das Primärsicherheitsventil?
Das Primärsicherheitsventil ist die Arbeitseinrichtung. Es öffnet, wenn der Dampfraumdruck seinen Ansprechdruck erreicht, bläst Dampf ab, bis der Druck fällt, und schließt dann wieder. Bei einem stillstehenden Tank oder einem mit einer Störung im Druckregelkreis kann es periodisch auslösen. Das ist das System, das seine Aufgabe erfüllt.
Zwei Punkte werden oft missverstanden:
- Der Ansprechdruck des Sicherheitsventils liegt auf oder unter dem MAWP des Innenbehälters, nicht auf einem vom Bediener gewählten höheren Druck. Braucht ein Prozess einen höheren Förderdruck, ist die Antwort ein Behälter mit höherer Druckklasse, nicht ein anderes Sicherheitsventil
- Ein häufig ansprechendes Sicherheitsventil ist ein Symptom, kein Ärgernis. Übliche Ursachen sind Wärmeeintrag durch verschlechtertes Vakuum, ein festsitzender Druckaufbauregler oder ein nicht funktionierender Economizer, und jede davon sollte untersucht werden
Wiederholtes Ansprechen verschleißt zudem den Sitz, sodass ein häufig zyklierendes Ventil beginnen kann, unterhalb seines Ansprechdrucks zu weinen.
Warum gibt es ein Sekundärsicherheitsventil und ein Umschaltventil?
Ein Sicherheitsventil benötigt regelmäßige Prüfung und irgendwann Austausch, aber der Behälter darf während dieser Arbeit nicht ungeschützt bleiben, und das Entleeren und Erwärmen eines Kryotanks zum Ventilwechsel ist eine mehrtägige Operation.
Das Umschaltventil löst dieses Problem. Es ist ein Dreiwegeventil, manchmal Doppelmanifold- oder Wechselventil genannt, mit je einem Sicherheitsventil an zwei Ausgängen. Die interne Bauweise sorgt dafür, dass der Weg zu mindestens einem Sicherheitsventil stets offen ist, und in Mittelstellung sind beide verbunden. Es kann nicht beide Einrichtungen gleichzeitig absperren.
Die Betriebsdisziplin ist einfach:
- Das Umschaltventil vollständig auf eine Seite bewegen, um diesen Entlastungsstrang in Betrieb zu nehmen, bevor das andere Ventil entfernt wird
- Den Hebel niemals in einer Zwischenstellung belassen, außer die Herstelleranweisung definiert diese ausdrücklich als Betriebsstellung
- Beide Sicherheitsventile müssen denselben Ansprechdruck und dieselbe Abblasekapazität haben. Ein Ersatz ist keine Frage der passenden Anschlussgröße
- Die Umschaltung dokumentieren, damit die Wartungshistorie zeigt, welcher Strang wann in Betrieb war
Wofür ist die Berstscheibe an einem Kryotank?
Die Berstscheibe ist eine nicht selbstschließende Einrichtung, eine dünne Metallmembran, die bei einem festgelegten Druck birst und offen bleibt, bis sie ersetzt wird. Ihr Ansprechdruck liegt über der Einstellung des Sicherheitsventils, aber innerhalb der vom Regelwerk gegenüber dem MAWP zugelassenen Grenze, sodass bei einem normalen Überdruckereignis zunächst das Sicherheitsventil anspricht und die Scheibe intakt bleibt.
Die Scheibe existiert für Ereignisse, die ein federbelastetes Ventil allein möglicherweise nicht bewältigt:
- Ein Brandfall, bei dem äußere Wärme eine Dampferzeugung weit über der normalen Abdampfrate verursacht
- Ein Sicherheitsventil, das nicht öffnet, etwa wegen Eisbildung im Auslass
- Eine schnelle Druckexkursion, bei der die volle Entlastungsfläche sofort benötigt wird
Da eine geborstene Scheibe nicht wieder schließt, bläst der Tank seinen Inhalt ab, bis er drucklos ist. Das ist beabsichtigtes Verhalten. Der Tank ist danach außer Betrieb, bis die Berstscheibenanordnung durch das korrekte, zum Berstdruck und zur Halterung passende Herstellerteil ersetzt wurde. Eine ähnlich bewertete Scheibe eines anderen Herstellers ist nicht gleichwertig.
Was schützt den Vakuumringraum?
Diese Einrichtung wird am häufigsten übersehen und schützt vor einem ernsten Versagensmodus. Der Ringraum steht unter hohem Vakuum, und der Außenmantel ist ausgelegt, um dieser äußeren atmosphärischen Last zu widerstehen. Er ist kein Druckbehälter.
Leckt der Innenbehälter oder eine innere Rohrleitung, gelangt kryogene Flüssigkeit in den Ringraum, nimmt Wärme auf und verdampft. Die Volumenzunahme ist sehr groß, sodass der Vakuumraum schnell unter Druck gerät, und ohne Entlastungsweg würde der Mantel versagen. Die Ringraum-Entlastungseinrichtung, meist eine federbelastete Platte oder eine Berstplatte mit Elastomerdichtung, entlastet bei einem niedrigen Druck weit unter allem, was der Mantel aushalten könnte.
Regeln für diese Einrichtung:
- Sie darf niemals überstrichen, abgeklebt, mit Dichtmittel versiegelt oder von Isolierung oder Verkleidung bedeckt werden
- Sie darf niemals durch Schnee, Eis, Vogelnester oder daran gelehntes Lagermaterial blockiert werden
- Sie darf nicht entfernt werden, um das Vakuum zu prüfen, was über den dafür vorgesehenen Evakuierungsanschluss erfolgt
- Hat sie angesprochen, ist das Vakuum verloren, und der Tank ist außer Betrieb, bis die Ursache gefunden ist
- Bestätigen Sie, dass die Einrichtung überhaupt vorhanden ist, da sie bei älteren Anlagen nach einer Reparatur mitunter fehlt
Eine ausgelöste Ringraum-Entlastungseinrichtung signalisiert ein Leck im Innenbehälter, ein anderes Problem als eine langsame Vakuumverschlechterung. Unser Beitrag zum Vakuumverlust bei Kryotanks behandelt diesen Unterschied.
Warum dürfen Sicherheitsventile niemals abgesperrt oder blockiert werden?
Das ist die wichtigste Regel an einer Kryoanlage. Eine Schutzeinrichtung, die den Behälterdruck nicht erfassen oder nicht abblasen kann, bietet keinen Schutz, und der Tank gibt kein äußerlich erkennbares Anzeichen, bis der Druck bereits gestiegen ist.
In der Praxis geschieht Absperrung auf Arten, die harmlos wirken:
- Ein vor einem Sicherheitsventil montiertes Absperrventil, geschlossen, um ein weinendes Ventil zu stoppen, statt es zu reparieren
- Ein Umschaltventil, das in einer von der Herstellerangabe nicht als Betriebsstellung definierten Position belassen wird
- Eine Kappe, ein Blindstopfen oder ein Pfropfen an einem Abblaseauslass, um Regen fernzuhalten
- Eine Abblaseleitung, verlängert mit langem oder zu klein dimensioniertem Rohr, was einen Gegendruck erzeugt, für den das Ventil nicht ausgelegt ist
- Ein Abblaseauslass, der nach oben zeigt, Wasser gesammelt hat und zugefroren ist
- Eine Ringraum-Entlastungseinrichtung, die bei Anstrich- oder Verkleidungsarbeiten abgedeckt wurde
Abblaseleitungen verdienen bei jeder Standortinspektion Aufmerksamkeit. Der Auslass muss an einen sicheren Ort führen, abseits von Wegen, Türen, Lufteinlässen und der Tankwagen-Füllposition, und frei entwässernd, damit sich kein Kondensat sammeln und gefrieren kann. Sauerstoff- und Stickstoffaustritte erzeugen am Auslass eine Anreicherungs- bzw. Verdrängungsgefahr. Wo ein Ventil vor einer Schutzeinrichtung konstruktiv erforderlich ist, wird es nach einem dokumentierten, vom Regelwerk und Hersteller definierten Verfahren verriegelt oder plombiert offengehalten.
Wie oft sollte ein Sicherheitsventil am Kryotank geprüft oder ersetzt werden?
Es gibt kein einziges universelles Intervall. Es ergibt sich aus dem geltenden Regelwerk und der nationalen Vorschrift für den Behälter sowie aus der Herstelleranleitung für die Einrichtung. Bei transportablen Behältern legen die Transportvorschriften den Zyklus der wiederkehrenden Prüfung fest, und die Arbeit an Sicherheitsventilen fällt darunter.
Was über alle Regelwerke hinweg gleich bleibt, ist die Praxis:
- Der Ansprechdruck wird auf einem Prüfstand von einer kompetenten Werkstatt verifiziert, oder das Ventil wird durch ein neues zertifiziertes Bauteil ersetzt
- Einrichtungen werden nach der Einstellung plombiert. Eine gebrochene Plombe bedeutet, dass die Einstellung nicht mehr verifiziert ist
- Der Ansprechdruck wird niemals vor Ort angepasst, um ein Betriebsproblem zu lösen
- Berstscheiben werden in einem festgelegten Intervall ersetzt, ebenso nach jedem Bersten, da das Material unter Druckwechseln ermüdet
- Jede Prüfung, jeder Austausch und jede Umschaltung wird dokumentiert, mit Zertifikaten im Behälterdossier
- Sichtprüfungen zwischen den formellen Intervallen erfassen Abblaseauslässe, die Ringraumeinrichtung, Korrosion sowie jedes Weinen oder Eisbildung
Ordnen Sie dies in den umfassenderen geplanten Wartungsplan ein, zusammen mit der Vakuummessung, die alle 6 bis 12 Monate erfolgen sollte. Unser Beitrag zum Wartungsplan für Kryotanks erklärt, wie die Intervalle zusammenpassen.
Was sollten Sie an den Schutzeinrichtungen eines Gebrauchttanks prüfen?
Der Drucksicherungsbereich ist der Punkt, an dem eine Gebrauchttankinspektion entweder Vertrauen aufbaut oder das Gespräch beendet.
- Typenschild-MAWP gegen den auf jedem Sicherheitsventil gestempelten Ansprechdruck, konsistent zueinander und mit dem vorgesehenen Einsatz
- Beide Sicherheitsventile vorhanden, mit übereinstimmendem Ansprechdruck und übereinstimmender Kapazität, mit intakten Plomben und lesbarer Kennzeichnung
- Umschaltventil bewegt sich über den gesamten Weg leichtgängig, ohne Hinweis, dass ein Ausgang geblindet wurde
- Berstscheibenhalterung korrekt montiert, mit Dokumentation der Scheibenbewertung
- Ringraum-Entlastungseinrichtung vorhanden, nicht überstrichen, unblockiert und unbeschädigt
- Abblaseleitungen intakt, korrekt geführt und frei entwässernd, ohne Kappen oder improvisierte Verlängerungen
- Zertifikate für die letzte Prüfung oder den letzten Austausch der Sicherheitsventile im Dokumentendossier
- Nachweis des Vakuumzustands, da ein verschlechtertes Vakuum das Sicherheitsventilsystem dauerhaft in Betrieb hält
KAF Cryogenics verkauft zertifizierte gebrauchte Kryotanks, die Inspektion, zerstörungsfreie Prüfung sowie Vakuum- und Druckprüfung bestanden haben, geliefert mit Dokumentendossier und schriftlicher Garantie. Sicherheitsventile werden vor Freigabe gegen den Behälter-MAWP und das geltende Regelwerk spezifiziert.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen einem Primär- und einem Sekundärsicherheitsventil an einem Kryotank?
Funktional besteht kein Unterschied. Beide sind vollkapazitive Sicherheitsventile mit demselben Ansprechdruck, montiert an einem Umschaltventil. Eines ist in Betrieb, während das andere für Prüfung oder Austausch abgesperrt ist. Der Zweck des Paares ist, dass der Behälter während der Wartung nie ohne Überdruckschutz bleibt.
Warum braucht ein Kryotank neben dem Sicherheitsventil auch eine Berstscheibe?
Die Berstscheibe ist eine nicht selbstschließende Rückfalleinrichtung, eingestellt über dem Ansprechdruck des Sicherheitsventils, aber innerhalb der vom Regelwerk zugelassenen Grenze. Sie deckt Ereignisse ab, die das federbelastete Ventil allein möglicherweise nicht bewältigt, vor allem einen Brandfall mit Dampferzeugung weit über der normalen Abdampfrate, oder ein Sicherheitsventil, das nicht öffnet. Nach dem Bersten muss die Scheibe durch das korrekte, vom Hersteller vorgegebene Teil ersetzt werden.
Was ist die Ringraum-Entlastungseinrichtung, und warum ist sie wichtig?
Es ist eine Niederdruck-Entlastungseinrichtung am Außenmantel, die den Vakuumraum schützt. Leckt der Innenbehälter, gelangt kryogene Flüssigkeit in den Ringraum und verdampft, und der entstehende Druck würde den Mantel sprengen, der nur für äußeren Druck ausgelegt ist. Die Einrichtung darf niemals überstrichen, versiegelt oder blockiert werden, und hat sie angesprochen, ist der Tank außer Betrieb, bis die Ursache gefunden ist.
Kann ein Sicherheitsventil an einem Kryotank abgesperrt werden, um ein Weinen zu stoppen?
Nein. Das Absperren oder Blockieren einer Schutzeinrichtung entzieht einem Behälter den Überdruckschutz, dessen Druck durch Wärmeeintrag kontinuierlich steigt. Ein weinendes Ventil muss repariert oder über das Umschaltventil ersetzt werden, wobei der zweite Entlastungsstrang zuvor in Betrieb genommen wird. Jedes konstruktiv erforderliche Ventil vor einer Schutzeinrichtung muss nach einem dokumentierten Verfahren verriegelt oder plombiert offengehalten werden.
Ist ein ansprechendes Sicherheitsventil an einem Kryotank ein Fehler?
Das Ansprechen des Ventils ist das korrekt funktionierende System, aber häufiges Ansprechen ist ein untersuchungswürdiges Symptom. Übliche Ursachen sind Wärmeeintrag durch verschlechtertes Vakuum, ein festsitzender Druckaufbauregler oder ein nicht funktionierender Economizer, sodass Abdampfgas abgeblasen statt genutzt wird. Wiederholtes Zyklieren verschleißt zudem den Sitz und kann zum Weinen führen.
Wie oft müssen Sicherheitsventile an Kryotanks geprüft oder ersetzt werden?
Das Intervall wird durch das geltende Regelwerk und die nationale Vorschrift für Ihren Behälter sowie durch die Herstelleranleitung festgelegt, muss also für jeden Tank bestätigt und nicht angenommen werden. Universell ist die Methode: Prüfstandtest oder Austausch durch eine kompetente Werkstatt, Plombierung nach der Einstellung, keine Feldanpassung des Ansprechdrucks, und Zertifikate im Behälterdossier.
Wohin sollte die Abblaseleitung eines Sicherheitsventils führen?
An einen sicheren Ort im Freien, abseits von Wegen, Türen, Gebäudelufteinlässen und der Tankwagen-Füllposition. Die Leitung muss so dimensioniert sein, dass sie keinen Gegendruck erzeugt, für den das Ventil nicht ausgelegt ist, und sie muss frei entwässernd sein, damit sich am Auslass kein Wasser sammelt und gefriert. Austritte von Sauerstoff oder Stickstoff erzeugen am Auslass zudem eine Anreicherungs- bzw. Verdrängungsgefahr.
Werden gebrauchte Kryotanks mit neuen Sicherheitsventilen geliefert?
Das hängt vom Zustand und der Dokumentation der vorhandenen Einrichtungen ab. Bei KAF Cryogenics werden Sicherheitsventile an einem zertifizierten Gebrauchtbehälter inspiziert und, wo erforderlich, vor Freigabe gegen den Behälter-MAWP und das geltende Regelwerk spezifiziert und ersetzt, mit Zertifikaten im Dokumentendossier.
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