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Dichtungen aus Graphit für Wasserstoff

Hohe Dichtheit bewiesen
Dichtungen aus Graphit für Wasserstoff

Wasserstoff kommt immer häufiger in industriellen Prozessen zum Einsatz – Tendenz steigend. Ob bei seiner Herstellung, Lagerung, Transport oder Verwendung: Wasserstoff stellt hohe Herausforderungen an industrielle Netze und Anlagen, was etwa die sichere Abdichtung angeht. Produkte aus expandiertem Graphit bieten hier langlebige und leistungsstarke Lösungsansätze.

Diese Fakten kennt jeder: Wasserstoff ist das leichteste Element und steht an erster Position des Periodensystems der Elemente. Das farblose, geruchs- und geschmacksneutrale Gas besteht aus zwei Wasserstoffatomen, die zusammen das Wasserstoffmolekül H2 bilden. In Verbindung mit Sauerstoff reagiert es unter Energiefreisetzung zu Wasser.

Klingt simpel und nach einer Lösung für viele Probleme unserer Zeit. Für Betreiber und Anwender ist es aber gar nicht so einfach. Vielmehr stellen sich viele Fragen: Wie kritisch ist Wasserstoff? Welche Besonderheiten müssen bei der Auswahl von Dichtungen beachtet werden? Wie wirkt sich das Gas auf eine Dichtungsleckage aus? Auch Schlagworte wie „Wasserstoffversprödung“ lassen aufhorchen. Ein Themenkomplex mit viel Antwortbedarf, auch weil zunehmend die vorhandene Erdgas-Netzinfrastruktur für den Transport von nachhaltig erzeugtem Wasserstoff genutzt und so die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen verringert werden soll.

Dichtigkeit bringt Sicherheit

Entlang der Wertschöpfungskette des Wasserstoffs kommt das Gas mit Rohrflanschen, Behältern, Ventilen und anderen Komponenten in Berührung. Nur wenn diese langfristig sicher und wirksam abgedichtet sind, lassen sich Risiken und Medienverluste minimieren.

Einige Dichtungsmaterialien, die zur Abdichtung von Wasserstoff verwendet werden, sind anfällig für Alterung oder Versprödung, was ein Problem für eine langzeitstabile Dichtheit darstellt. So verspröden bekanntermaßen Dichtungen, die Elastomere enthalten, mit der Zeit, insbesondere bei höheren Temperaturen. Das Kriechen von PTFE führt zu einem Verlust der Dichtungsspannung. Diese Faktoren begünstigen eine erhebliche Zunahme der Leckage. Alle wasserstoffführenden Systeme und insbesondere ihre Dichtungen müssen deshalb nicht nur chemisch beständig, sondern auch über lange Zeit mechanisch stabil sein. Das Leckageverhalten ist entscheidend.

Expandierter Graphit

Expandierter Graphit zählt bereits seit Jahrzehnten zu den wichtigsten Materialien für die Abdichtung von Wasserstoff. Sein großer Vorteil: Er ist in einem Temperaturbereich von –269 bis etwa 900 °C chemisch beständig gegen Wasserstoff, ohne zu altern oder zu verspröden.

Bei Sigraflex-Flachdichtungen werden häufig dünne glatte oder gespießte Folien aus dem austenitischen CrNi-Edelstahl 1.4404 (316L) zur Verstärkung eingesetzt. Dieser Edelstahl gehört zu den Standardwerkstoffen in Wasserstofftechnologien.

Leckageprüfung an Dichtungen

Die Betriebssicherheit sollte an erster Stelle stehen, nicht nur kurzfristig. Flexibler Graphit steht für eine sichere, zuverlässige und langfristige Abdichtung, wie Messungen der Firma Amtec mit reinem Wasserstoff an 2 mm dicken Dichtungsmaterialien von SGL Carbon nach EN 13555 zeigen. Bei einer für Standardflansche nach EN 1092-1 typischen Dichtungsflächenpressung von 30 bis 70 MPa lagen die gemessenen Wasserstoff-Leckageraten bei 40 bar Mediendruck unter dem Grenzwert L0,01 der TA Luft 2021.

Die folgenden Grafiken zeigen neben den Mittelwerten der Doppelbestimmungen der Leckageraten auch den TA-Luft-Grenzwert von L0,01 und den für Flansche mit ebener Dichtleiste nach EN 1092-1 typischen Bereich der Montageflächenpressung. Die niedrigste Leckagerate, die prüfstandsbedingt bestimmt werden konnte, lag bei 1,5·10–7 mg/(s·m). Dadurch sind die Kurven bei der höchsten Flächenpressung von 160 MPa teilweise etwas abgeknickt.

Je nach Material ist die Leckagerate von Wasserstoff bei einer Dichtungsflächenpressung von 10 bis 20…40 MPa etwas höher als die von Helium, aber oberhalb dieser Dichtungsflächenpressung ist die Leckagerate von Wasserstoff niedriger als die von Helium (Bild 1). Exemplarisch für Sigraflex Hochdruck Pro ist in Bild 2 die Leckage von Helium und Wasserstoff vergleichend dargestellt.

Am Beispiel von Sigraflex Hochdruck Pro macht Bild 3 deutlich, dass auch die Entlastungskurven der Leckageraten nach EN 13555 den für Helium bekannten typischen Verlauf zeigen, die Leckage nimmt bei Reduzierung der Dichtungsflächenpressung auch bei Wasserstoff zunächst nur wenig zu.

Für Sigraflex Universal Pro wurde auch die Leckagerate bei 16 bar Mediendruck bestimmt. Bild 4 zeigt die Leckagerate bei 16 und 40 bar Wasserstoff im Vergleich. Die Leckagerate bei 16 bar ist erwartungsgemäß niedriger als bei 40 bar. Der Knick der Leckagekurven bei 140 und 160 MPa wird wie oben beschrieben durch die Messgrenze von 1,5·10–7 mg/(s·m) verursacht.

Flanschdichtheit leicht zu berechnen

Eine Frage, die immer wieder gestellt wird, lautet: „Ist es notwendig, zusätzliche Flanschberechnungen durchzuführen?“ Das ist nicht nötig, weil die Standardberechnung für Flanschverbindungen nach EN 1591-1 unter Verwendung der mit Helium ermittelten Dichtungskennwerte nach EN 13555 auch für Wasserstoffanwendungen verwendet werden kann. Doch warum ist die Leckage von Wasserstoff nicht höher als die von Helium? Die Leckage hängt weitgehend von der Größe des Atoms beziehungsweise des Moleküls des abzudichtenden Mediums ab. Helium bildet keine Moleküle, sondern liegt als ein einzelnes Atom vor. Das Wasserstoffatom ist kleiner als das Heliumatom, existiert aber als hantelförmiges Molekül H2 und ist daher in Achsrichtung größer.

Das bedeutet, dass für Wasserstoffanwendungen bei der Berechnung von Flanschverbindungen nach EN 1591-1, die mit Helium ermittelten EN 13555-Dichtungskennwerte für Sigraflex-Dichtungsmaterialien verwendet werden können. Für die meisten Materialien sind diese Dichtungskennwerte öffentlich zugänglich, etwa unter www.esadata.org.

Langfristige Sicherheit

Bei Drücken von typischerweise bis zu 100 bar sind hochwertige, gut dichtende Sigraflex-Grafitdichtungen und -Dichtungsmaterialien für einen Temperaturbereich von -269 bis typischerweise etwa 450 oder 800 °C geeignet, je nachdem, ob Luft (Sauerstoff) vorhanden ist, oder nicht. Hohe Temperaturen können die Lebensdauer verringern.

Sigraflex-Dichtungsmaterialien tragen in zahlreichen industriellen Anwendungen dazu bei, die Emission von Wasserstoff zu reduzieren – und das nicht nur kurzfristig, sondern über viele Jahre hinweg. Gleiches gilt für gepresste Packungsringe aus flexibler Sigraflex-Graphitfolie, die etwa zur Abdichtung von Armaturen verwendet werden.

SGL Carbon GmbH, Meitingen

Halle 8.0, Stand L81


Autor: Rainer Zeuß

Produktmanagement
Expanded Graphite,

SGL Carbon

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