Kompaktes Doppelabsperr- und Entlüftungsventil für sichere Druckentlastung in Öl- und Gasanwendungen
Die additive Fertigung ermöglicht eine nachrüstbare DB&B-Lösung, die das Bauteilvolumen um über 70 % reduziert und gleichzeitig die volle Funktionalität in ein 35 mm großes Gehäuse integriert. Die Lösung ist jetzt auf einer der Offshore-Anlagen von Vår Energi im Einsatz.
Die Gewährleistung einer sicheren und kontrollierten Druckentlastung von Ventilkammern stellt in der Öl- und Gasindustrie weiterhin eine zentrale operative Herausforderung dar. Bei installierten Systemen, insbesondere in der Gasversorgung, müssen Nachrüstlösungen strenge Anforderungen hinsichtlich Platzbedarf, Gewicht und Sicherheit erfüllen – ohne dass ein kostspieliger Austausch der bestehenden Infrastruktur erforderlich ist.
Valland SpA , ein italienischer Hersteller von kundenspezifischen Ventilen, begegnete dieser Herausforderung mit der Entwicklung des PVT-Ventils: ein kompaktes, additiv gefertigtes Doppelblock- und Entlüftungsventil (DB&B), das für die Nachrüstung an bestehenden Hauptventilen konzipiert ist.
Das von Vallands Abteilung für additive Fertigung, Valland3D , hergestellte Bauteil nutzt die additive Fertigung von Metall auf einem EOS M 290 -System und ermöglicht so ein Maß an funktionaler Integration und Kompaktheit, das mit konventionellen Fertigungsmethoden nicht erreichbar ist.
Herausforderung
Bei doppelt expandierenden Schieberventilen stellte die sichere Druckentlastung des Ventilhohlraums sowohl betriebliche als auch sicherheitstechnische Herausforderungen dar.
Die bestehende Anlage verfügte nicht über eine DB&B-Konfiguration, was die Druckentlastung zeitaufwändig und schwer zu überwachen machte und aufgrund der Kohlenwasserstoffexposition ein potenzielles HSE-Risiko darstellte.
Bei Gasanwendungen traten zusätzliche Komplikationen auf, da eine Druckentlastung über Standard-Ablassöffnungen zur Hydratbildung führen und den Prozess dadurch vollständig zum Erliegen bringen konnte.
Aus mechanischer Sicht waren die Einschränkungen gleichermaßen restriktiv:
- Die Standard-DB&B-Einheiten waren zu schwer für die vorhandenen ½"-NPT-Gewindeanschlüsse.
- wodurch das Risiko von Gewindeschäden oder -ausfällen erhöht wird
- und sind daher für eine Nachrüstung ungeeignet.
Entscheidend ist, dass herkömmliche Fertigungsmethoden – Zerspanung, Gießen oder Schmieden – nicht in der Lage waren, eine Konstruktion zu liefern, die die volle DB&B-Funktionalität, kompakte Abmessungen und ein geringes Gewicht innerhalb des erforderlichen Installationsbereichs vereinte.
Daher blieb den Betreibern oft nur eine Alternative: der Austausch des gesamten Hauptventils, was mit erheblichen Kosten und Ausfallzeiten verbunden war.
Lösung
Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelte Valland eine AM-native Lösung: das PVT-Ventil, das von Grund auf für die additive Fertigung konzipiert wurde.
Verwendung von Metall-Lasersintern auf der EOS M 290 Valland3D entwickelte aus Superduplex-F55-Material ein kompaktes Zubehörventil, das die volle DB&B-Funktionalität auf kleinstem Raum bietet. Das Ventil integriert eine erste Druckbarriere, einen Ablaufkanal, eine zweite Barriere und einen Auslass – alles auf einer Gesamtlänge von nur 35 mm.
Ein wesentlicher Vorteil der additiv gefertigten Konstruktion ist die optimierte Massenverteilung, die den Schwerpunkt näher an das Hauptventilgehäuse verlagert. Dadurch werden die mechanische Belastung der Gewindeverbindung reduziert und das Ausfallrisiko minimiert.
Der Fertigungsprozess, einschließlich der Druck- und Wärmebehandlungsparameter, wurde von Valland3D intern entwickelt und gemäß DNV-ST-B203 qualifiziert. Dadurch wird sichergestellt, dass das Bauteil die strengen Branchenanforderungen für anspruchsvolle Betriebsbedingungen erfüllt. Die Qualifizierung des Bauteils nach AMC Level 2 im Rahmen des DNV-Programms belegt, dass sowohl der Fertigungsprozess als auch das Qualitätssicherungsverfahren die Anforderungen für sicherheits- und leistungskritische Anwendungen erfüllen.
Vor diesem Hintergrund spielt die funktionale Auslegung des PVT-Ventils eine zentrale Rolle. Das Bauteil basiert auf einer Doppelblock- und Entlüftungskonfiguration, die eine sichere Absperrung und kontrollierte Druckentlastung ermöglicht und gleichzeitig die Kompatibilität mit bestehenden Systemen gewährleistet.
„Durch additive Fertigung konnten wir das Bauteilvolumen im Vergleich zur kleinsten mit subtraktiven Verfahren realisierbaren Konstruktion um mehr als 70 % reduzieren. Auf einer Länge von nur 35 mm integrierten wir vier unabhängige interne Kanäle: erste Barriere, Ablauf, zweite Barriere und Auslass. Das ist mit herkömmlichen Verfahren schlichtweg unmöglich.“
Gianluca Acquistapace, AM-Manager, Valland3D
Ergebnisse
Die Vorteile des PVT-Ventils zeigen sich am deutlichsten in seiner Leistung unter realen Betriebsbedingungen. Durch die vollständige Doppelblockier- und Entlüftungsfunktionalität (DB&B) in einer extrem kompakten Bauform löst das Ventil eine seit Langem bestehende Herausforderung im praktischen Einsatz, die mit herkömmlichen Ansätzen nicht zu bewältigen war.
Aus betrieblicher und sicherheitstechnischer Sicht sind die Vorteile erheblich. Das PVT-Ventil ermöglicht eine sichere und überwachte Druckentlastung des Hohlraums und reduziert so die Kohlenwasserstoffbelastung für die Bediener deutlich. Gleichzeitig werden Probleme wie die Hydratbildung während der Druckentlastung vermieden, die den Prozess unterbrechen oder verzögern könnten. Dadurch berichten die Bediener von einer deutlichen Reduzierung der für jeden Eingriff benötigten Zeit, was zu effizienteren und besser planbaren Feldarbeiten führt.
Über diese betrieblichen Verbesserungen hinaus beweist die Lösung ihre volle industrielle Einsatzreife. Der Fertigungsprozess wurde gemäß DNV-ST-B203 qualifiziert, und mehr als 100 Einheiten wurden bereits produziert, getestet und im Feld eingesetzt. Umfangreiche Validierungen, darunter Druck-, Emissions- und Brandschutzprüfungen, bestätigen die Eignung der Komponente für anspruchsvolle Anwendungen in der Öl- und Gasindustrie. Der Feldeinsatz auf einer Offshore-Anlage von Vår Energi bestätigt die Leistungsfähigkeit der Lösung unter realen Betriebsbedingungen.
Die wirtschaftliche Bedeutung der Lösung liegt vor allem in ihrer Nachrüstbarkeit. Da das PVT-Ventil an bereits in Betrieb befindlichen Ventilen installiert werden kann, entfällt der kostspielige Austausch ganzer Hauptventile. Dies reduziert nicht nur die Investitionskosten, sondern minimiert auch Ausfallzeiten und Betriebsunterbrechungen.
„Das PVT-Ventil arbeitet mit einer Doppelblock- und Entlüftungskonfiguration. Primäre und sekundäre Barrieren werden durch Nadelventile und einen dazwischenliegenden Entlüftungsstopfen gebildet. Es kann mit der gleichen Einlassschnittstelle wie das Ventil, an dem es installiert wird, konstruiert werden und ist somit für die Nachrüstung bereits in Betrieb befindlicher Anlagen geeignet.“ Daniele Brambilla, Engineering Manager, Valland
Fazit
Mit dem PVT-Ventil demonstriert Valland, wie additive Fertigung Lösungen ermöglicht, die nicht nur inkrementelle Verbesserungen darstellen, sondern bisher unrealisierbare Produkte.
Durch die Kombination von Designfreiheit, Materialleistung und Prozessqualifizierung entwickelte Valland3D ein kompaktes, nachrüstbares DB&B-Ventil, das direkt auf reale HSE- und betriebliche Herausforderungen in der Öl- und Gasindustrie eingeht.
Das Projekt unterstreicht die Rolle der additiven Fertigung von Metallen als Innovationstreiber für stark eingeschränkte Anwendungen, bei denen die konventionelle Fertigung an ihre Grenzen stößt.
