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Feb 25, 2024

Integrierte Berstscheibenbaugruppen

Die Gerätezuverlässigkeit in vielen Systemen erfordert Sicherheitsmechanismen zum Schutz vor potenziell schädlichen Bedingungen. In diesem Artikel werden speziell entwickelte Miniatur-Berstscheibenbaugruppen untersucht

Die Gerätezuverlässigkeit in vielen Systemen erfordert Sicherheitsmechanismen zum Schutz vor potenziell schädlichen Bedingungen. In diesem Artikel werden kundenspezifische Miniatur-Berstscheibenbaugruppen untersucht, die für hohe Zyklen bei niedrigem bis hohem Druck in Anwendungen mit Hydraulik und Gasen ausgelegt sind.

Seit mehr als 85 Jahren dienen Berstscheiben als wirksamer passiver Sicherheitsmechanismus zum Schutz vor Überdruck oder potenziell schädlichen Vakuumbedingungen. Die Scheibe, eine Einwegmembran aus verschiedenen Metallen, darunter auch exotischen Legierungen, ist so konzipiert, dass sie innerhalb von Millisekunden aktiviert wird, wenn ein vorgegebener Differenzdruck erreicht wird.

Die Zuverlässigkeit der Ausrüstung im Betrieb ist für ihren Besitzer von entscheidender Bedeutung, und dies erfordert eine hohe Integrität der Druckentlastungstechnologie, die zum Schutz von OEM-Systemen mit niedrigem und hohem Druck eingesetzt wird. Daher greifen OEMs zunehmend auf integrierte Berstscheibenbaugruppen zurück, bei denen alle Komponenten vom Hersteller kombiniert werden, im Gegensatz zu losen Berstscheiben- und Haltervorrichtungen, die viel dem Zufall überlassen. Diese Baugruppen werden auf die Anwendung zugeschnitten, sind miniaturisiert und nutzen je nach Bedarf ein breites Spektrum an Standard- und exotischen Materialien.

Dieser Ansatz stellt sicher, dass die Berstscheibenvorrichtung die erwartete Leistung erbringt, erhöht die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Ausrüstung und vereinfacht gleichzeitig die Installation und den Austausch.

Separate Komponenten Traditionell waren Berstscheiben zunächst eigenständige Komponenten, die am Einsatzort mit der separaten Halterung des Herstellers kombiniert wurden. Die Installationshandlungen des Benutzers tragen wesentlich zur Funktion des Berstscheibengeräts bei. Bei unsachgemäßer Installation kann es sein, dass die Berstscheibe nicht beim erwarteten Einstelldruck platzt. Es besteht ein empfindliches Gleichgewicht zwischen der Berstscheibenmembran, ihrem Stützhalter und der Flansch-, Gewinde- oder anderen Befestigungsanordnung, die zur Befestigung der Sicherheitsvorrichtung an der geschützten Ausrüstung verwendet wird.

Aus diesem Grund ist eine integrierte Berstscheibenbaugruppe oft die bessere Wahl als trennbare Teile. Die integrierten Einheiten sind gebrauchsfertig und ohne Montage erhältlich und als Gerät zertifiziert, das bei dem gewünschten Einstelldruck funktioniert. Das einteilige Design ermöglicht eine einfachere Installation und eine schnelle Entfernung, wenn die Berstscheibe aktiviert ist.

Die Baugruppe umfasst die Berstscheibe und das Gehäuse und ist maßgeschneidert, um mit der vom Benutzer gewünschten Schnittstelle zur unter Druck stehenden Ausrüstung zusammenzuarbeiten. Die Geräte sind typischerweise mit Gewinde oder Flansch versehen oder sogar für branchenspezifische Verbindungen wie CF/KF/Biotech/VCR-Kupplungen konfiguriert. Berstscheibe und Halter werden vom Hersteller je nach Einsatzbedingungen und Dichtigkeitsanforderungen durch Schweißen, Verschrauben, Rohrstutzen, Kleben oder Crimpen verbunden.

Dieser Ansatz bietet weitere Vorteile. Integrierte Baugruppen verhindern, dass das Personal unsichere oder manipulierte Lösungen nutzt, um eine aktivierte Berstscheibe auszutauschen, um ein paar Dollar zu sparen, oder um Geräte schnell wieder einsatzbereit zu machen. Die physikalischen Eigenschaften zunehmend miniaturisierter Berstscheiben mit einer Größe von nur 1/8 Zoll können es für das Personal auch schwierig machen, die Berstscheibe aufzunehmen und in einen separaten Halter zu legen.

„OEMs sind bestrebt, ihren Kunden die längste Lebensdauer und die niedrigsten Betriebskosten zu bieten“, sagt Geof Brazier, Geschäftsführer der BS&B Safety Systems Custom Engineered Products Division. „Der Einsatz einer integralen Baugruppe maximiert die Langlebigkeit, einwandfreie Funktion und den störungsfreien Betrieb der Druckentlastungstechnik.“

Anwendungen profitieren Die integrierte Baugruppe ist ideal für zahlreiche hydraulische, pneumatische und andere Nieder-, Mittel- und Hochdruckanwendungen, einschließlich Pumpen, Kolben- und Blasenspeicher, Motoren, Druckbehälter und Rohrleitungen. Zu den weiteren Märkten gehören OEM-Geräte für Onshore-/Offshore-Öl- und Gasanwendungen, Hochdruckreiniger, Kühlsysteme, Brandschutz und Atemgeräte.

Beispielsweise nutzt die Öl- und Gasindustrie Berstscheiben an Triplex-Pumpen für viele Feldanwendungen, einschließlich Ölförderung und Bohrlochwartungsarbeiten. Triplex-Pumpen sind Verdrängerpumpen mit drei Kolben. Die allgemein als „Schlammpumpen“ bezeichneten Geräte können in der Regel ein breites Spektrum an Flüssigkeitstypen fördern, darunter korrosive Flüssigkeiten, abrasive Flüssigkeiten und Schlämme mit relativ großen Partikeln.

Die Drücke, denen die Pumpe standhalten muss, hängen von der Tiefe des Bohrlochs und dem Widerstand der Spülflüssigkeit sowie von der Art der fördernden Bohrflüssigkeit ab. Allerdings liegen anwendungsspezifische hydraulische Betriebsdrücke typischerweise im Bereich von 5.000 bis 20.000 psi. „Eine Drei-Kolben-Pumpe läuft kontinuierlich, daher muss die Scheibe hohen Drücken standhalten können, wobei 1.000.000 Druckzyklen oder mehr leicht zu spüren sind“, sagt Brazier.

In der Öl- und Gasindustrie sowie in anderen Branchen, in denen Hydrauliksysteme zur Speicherung von Energie und zum Ausgleich von Pulsationen erforderlich sind, benötigen Standardsystemkomponenten wie Akkumulatoren Berstscheiben. Per Definition halten Akkumulatoren Hydraulikflüssigkeit unter Druck. Wenn der Druck zu stark ansteigt, besteht die Gefahr, dass das System oder sogar der Akkumulator ohne Berstscheibe einen katastrophalen Ausfall erleiden.

Sowohl medizinische Geräte als auch Atemschutzgeräte für die Brandrettung sind auf integrierte anwendungsspezifische Berstscheibenlösungen angewiesen, um die Zuverlässigkeit entscheidender Lebenssicherheit zu gewährleisten. Insbesondere medizinische Geräte müssen sehr kompakt und flach sein, und integrierte Baugruppen können dazu beitragen, diese Fähigkeit mit einem optimierten Design bereitzustellen.

In der Luft- und Raumfahrt, von Satelliten über Flugzeuge bis hin zu Drohnen, ist die maßgeschneiderte Anwendung integrierter Berstscheiben für den Einsatz mit leichten, kompakten Materialien wie Titan und Aluminium ebenfalls wichtig, da mehr Energie benötigt wird, um schwerere Fahrzeuge in die Luft zu bringen. Wenn auch eine enorme Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist Bei sehr aggressiven Bedingungen ist Titan oft das Material der Wahl. Für solche Anwendungen kann BS&B Titanberstscheiben an Titangehäuse anschweißen und eine Titanbaugruppe bereitstellen. Wenn geringes Gewicht und Wirtschaftlichkeit gefragt sind, kann eine Aluminium-Schweißbaugruppe die richtige Lösung sein.

Integrierte Baugruppen Laut Brazier sind die wichtigsten Überlegungen bei der Konstruktion von Berstscheibengeräten die richtigen Betriebsdruck- und Temperaturinformationen sowie die erwartete Lebensdauer, die häufig als Anzahl der Zyklen ausgedrückt wird, die das Gerät während seiner Lebensdauer voraussichtlich aushalten wird. Da Druck und Zyklen je nach Anwendung variieren, ist jeweils eine spezifische technische Lösung erforderlich.

„Um eine gute, hochzuverlässige, kostengünstige und anwendungsspezifische Lösung für einen OEM zu finden, müssen die richtige Scheibentechnologie, die richtige Schnittstelle (Schweißnaht, Schraubengewinde, Klemmverbindungen, einzelnes bearbeitetes Teil) und die richtigen Optionen entsprechend den Vorgaben ausgewählt werden durch die Codes und Standards“, sagt Brazier. Da die Materialauswahl des Benutzers auch die Langlebigkeit von Berstscheiben bestimmen kann, können die Geräte aus Metallen und Legierungen wie Edelstahl, Nickel, Monel, Inconel und Hastelloy hergestellt werden.

Laut Brazier kann es für eine Vielzahl von Branchen wichtig sein, dass Berstscheiben sowohl bei Standard- als auch bei exotischen Materialien eine miniaturisierte Rückknickfähigkeit aufweisen. „Wenn Wirtschaftlichkeit im Vordergrund steht, werden Knickscheiben typischerweise aus Materialien wie Nickel, Aluminium und Edelstahl hergestellt. Wo aggressive Bedingungen erforderlich sind, können exotischere Materialien wie Monel, Inconel, Hastelloy, Titan und sogar Tantal verwendet werden“, sagt er. In fast allen Fällen werden Berstscheiben mit umgekehrter Knickung eingesetzt, da sie die Alternativen hinsichtlich der Lebensdauer übertreffen.

Bei einer Konstruktion mit umgekehrter Knickung ist die Kuppel der Berstscheibe zur Druckquelle hin umgekehrt. Der Berstdruck wird durch eine Kombination aus Materialeigenschaften und der Form der gewölbten Struktur genau gesteuert. Durch die Druckbelastung der Umkehrknickscheibe kann sie Betriebsdrücken von bis zu 95 % des minimalen Berstdrucks standhalten, selbst unter Druckwechsel- oder pulsierenden Bedingungen. Das Ergebnis ist eine längere Lebensdauer, Genauigkeit und Zuverlässigkeit.

„Die Prozessindustrie setzt seit Jahrzehnten auf Umkehrknickscheiben. Jetzt ist die Technologie für OEMs in Miniaturform mit einem Berstdurchmesser von nur 1/8 Zoll von BS&B erhältlich. Bis vor Kurzem war es unmöglich, Festplatten dieser Größe und Leistung zu bekommen“, sagt Brazier.

Die Miniaturisierung der Umkehrknicktechnologie bringt jedoch ihre ganz eigenen Herausforderungen mit sich. Um dieses Problem zu lösen, hat BS&B neuartige Strukturen entwickelt, die die Umkehrung der Berstscheibe so steuern, dass sie immer auf vorhersehbare Weise aktiviert wird. Bei dieser Art von Design wird typischerweise auch eine Schwächungslinie in die Berstscheibenstruktur eingebracht, um einen bestimmten Öffnungsströmungsbereich zu definieren, wenn die Umkehrscheibe aktiviert wird, und außerdem eine Fragmentierung des „Blütenblatts“ der Scheibe zu verhindern.

„Umgekehrtes Knicken und damit die Kompression des Materials bewirkt einiges. Erstens ist die Zyklenfähigkeit viel besser. Zweitens ermöglicht es Ihnen, bei dickeren Materialien einen geringeren Berstdruck zu erzielen, was zu einer höheren Genauigkeit und Haltbarkeit beiträgt“, sagt Brazier.

Berstscheiben mit kleiner Nenngröße reagieren empfindlich auf die detaillierten Eigenschaften der Öffnung, durch die sie platzen. Dies erfordert eine strenge Kontrolle normaler Abweichungen im Plattenhalter. „Bei Druckentlastungsgeräten kleiner Größe wird der Einfluss aller Merkmale sowohl der Berstscheibe als auch ihres Halters verstärkt“, erklärt Brazier. „Mit dem richtigen Design des Halters und der richtigen Auswahl der Berstscheibe werden die Erwartungen des Kunden erfüllt und übertroffen.“

Aus Kosten-, Gewichts- und anderen Gründen hat BS&B laut Brazier immer mehr Anfragen nach Gehäusen aus Kunststoff und Verbundwerkstoffen erhalten. Da Kunden häufig daran gewöhnt sind, bestimmte Arten von Armaturen in ein Rohrleitungssystem zu integrieren, können unterschiedliche Anschlüsse vorhanden sein am Gehäuse verwendet. Gewinde sind beliebt, aber BS&B verwendet zunehmend auch andere Verbindungsarten, um die Berstscheibenbaugruppe an der Anwendung zu befestigen. Sobald die integrierte Baugruppe das Werk verlässt, besteht das Ziel darin, dass der eingestellte Druck nicht mehr verändert werden kann.

„Wenn Sie sich darauf verlassen, dass jemand eine lose Scheibe in ein System einbaut und sie dann festhält, indem er oben drauffädelt, besteht immer noch die Möglichkeit einer Undichtigkeit oder die Scheibe könnte lecken, es sei denn, jemand befolgt die Installationsanweisungen und wendet das korrekte Drehmoment an bei dem vorgesehenen Berstdruck nicht aktiviert werden“, erklärt Brazier. „Beim Einschweißen in eine Baugruppe ist die Berstscheibe von Natur aus dicht und der eingestellte Berstdruck ist festgelegt.“

Während OEMs in ihren hydraulischen und pneumatischen Geräten seit langem auf Berstscheiben vertrauen, stellen Umgebungen mit hohem Druck und hoher Zyklenbelastung eine besondere Herausforderung dar. Glücklicherweise können OEMs mit der Verfügbarkeit integrierter, miniaturisierter Berstscheibenlösungen, die auf die Anwendung in einer Vielzahl von Standard- und exotischen Materialien zugeschnitten sind, die Gerätesicherheit, Konformität und Zuverlässigkeit selbst unter extremen Arbeitsbedingungen erheblich verbessern. •