Für den Dauereinsatz konzipiert

Manfred Kluge

Auskleidungen aus dem bekannten thermoplastischen Fluorkunststoff PFA (Perfluoralkoxy) werden als Alternative zu hochlegierten, teuren Metallen für Pumpen, Armaturen, Regelventile, Behälter usw. eingesetzt. PFA hat hier PTFE, das durch Press-/Sinterverfahren verarbeitet wird, in großem Umfang abgelöst. Seinen Erfolg verdankt PFA mehreren wichtigen Vorteilen gegenüber PTFE. Das PFA wird im Transfermoulding-Verfahren verarbeitet, wodurch die Auskleidungswandstärken exakt definierbar und reproduzierbar sind. PFA ist nahezu transparent und ermöglicht so eine wesentlich zuverlässigere Qualitätskontrolle. Darüber hinaus weist PFA aufgrund seines dichten Molekulargefüges bei gleichen Wandstärken im Allgemeinen wesentlich geringere Permeationsraten als PTFE auf, hat aber die gleiche chemische und thermische Beständigkeit. Porösitäten aufgrund Produktionsschwankungen sind ausgeschlossen.

Selbst die gute Barrierewirkung von Rein-PFA mit der üblichen Wanddicke von ±3 mm reicht aber oft nicht aus, um zufriedenstellende Standzeiten der Aggregate bei besonders diffusionsfreudigen Medien wie Chlor-, Brom- oder Fluorverbindungen zu erreichen. Falls die Chemikalie die Auskleidung durchdringt, kann dies zur Korrosion am drucktragenden Metallkörper und eventuell sogar zum Ausfall des Aggregats führen. Die Erfahrung zeigt, dass eine Erhöhung der PFA-Auskleidungswanddicke auf 5 bis 6 mm bereits erheblich verlängerte Standzeiten bringt. Praktiziert wird dies zum Beispiel bei Kugelhahn- und Stellventilgehäusen. Zwischen der Durchbruchszeit, das heißt, die Zeit bis ein Medium durch den Kunststoff diffundiert und wieder austritt, und der Wanddicke besteht ein quadratischer Zusammenhang. In den meisten Anwendungen liegt die Durchbruchszeit über der Gebrauchsdauer der Aggregate, weil die den Permeationsvorgang treibenden Temperatur- und Druckgradienten nach außen hin stark abnehmen. Dies zeigt sich auch bei Pumpengehäusen, in denen die PFA-Auskleidungen mit 5 bis 6 mm ohnehin üblicherweise besonders dickwandig sind. Bei internen medienberührten Komponenten wie Absperrelementen, Schalt- und Pumpenwellen, Rotorummantelungen und Spalttöpfen können die Wanddicken jedoch aus funktionsrelevanten Gründen nicht oder allenfalls nur sehr begrenzt erhöht werden. Genau hier liegen dann die Schwachstellen des Aggregats.

Es galt also, einen noch permeationsresistenteren Auskleidungswerkstoff verfügbar zu machen. Die Werkstoffingenieure konzentrierten ihre Bemühungen auf die Schaffung einer thermoplastisch verarbeitbaren PFA-Variante mit einem wesentlich höheren Permeationswiderstand bei gleicher chemischer Resistenz und einer Temperaturbeständigkeit von -60 bis 200 °C. Mit dem Compound PFA-P (das P steht für Permeation) steht ein Werkstoff zur Verfügung, der diese Rahmenbedingungen erfüllt. Das Trägerpolymer PFA ist mit einem extrem korrosionsfesten Füllstoff angereichert. Dieser Füllstoff verlängert die Diffusionswege und wirkt als Diffusionssperre. Der Oberflächenwiderstand von PFA-P hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit entspricht dem von PFA. Als Auskleidungswerkstoff deckt er auch das gleiche Druckspektrum wie Rein-PFA ab – für Armaturen, Stellventile, Pumpen usw. also von Vakuum bis 25 bar. Sowohl das PFA-Grundmaterial als auch alle im Herstellungsprozess verwendeten Füll- und Hilfsstoffe sind FDA-konform.

Um die Permeationsbeständigkeit zu bestätigen wurde exemplarisch in Tests die Permeation von Chlorgas unter Betriebsbedingungen untersucht. Dazu wurden unterschiedlich dicke Prüfkörper aus PFA-P und Rein-PFA bei Temperaturen bis 150 °C und Druckdifferenzen bis 7 bar miteinander verglichen. Das Resultat: Über alle Betriebsbereiche wird die Permeation durch PFA-P gegenüber Rein-PFA auf etwa die Hälfte reduziert. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei den kritischen höheren Betriebstemperaturen. Auch Tests mit dem äußerst mobilen Helium als Prüfmedium zeigten eine ähnliche Reduzierung der Permeation. Tendenziell sind die Permeationsraten von Lösemitteln deutlich niedriger, sodass auch hier PFA-P deutliche Verbesserungen bringen sollte.

Ein mit PFA-P ausgekleideter Kugelhahn KN/F-P, DN 25 wurde in einer Anwendung, in der Monochloressigsäure mit ca. 150 °C vorlag, testweise als Alternative zu Spezialarmaturen aus Sonderwerkstoffen eingesetzt. Selbst nach 1,5 Jahren Dauereinsatz zeigte dieser Kugelhahn keinerlei Ausfallerscheinung. Dabei ist er wesentlich preisgünstiger als die vormals eingesetzte Spezialarmatur. Der mit PFA-P-Auskleidung erhältliche Kugelhahn der Baureihe KN deckt mit einem Temperaturbereich von -60 bis 200 °C und einem Druckbereich von 1 mbar bis 16 bar ein breites Einsatzspektrum ab. Das KN-Baukastensystem umfasst Nennweiten von DN 15 bis DN 200 und ½ bis 8“ mit Baulängen und Flanschen nach ISO 5752–1/7005–2 und ANSI B 16.10/B 16.5 Cl. 150. Als Auskleidungswerkstoffe stehen PFA, FEP, antistatisches PFA-L und PFA-P zur Verfügung. Ob die PFA-P-Auskleidung für das komplette Aggregat oder nur für kritische Komponenten erforderlich ist, entscheidet ITT Richter nach dem jeweilige Problemfall. In vielen Fällen genügt es, einzelne Komponenten mit PFA-P statt mit PFA oder PTFE auszukleiden, während der Hauptteil des Aggregats weiterhin mit standardmäßigem PFA ausgekleidet bleibt. Die Armatur ist bauteilgeprüft, TA-Luft-konform und überdies zugelassen nach GGVSE/ADR/RID/TRT24 für den Transport gefährlicher Güter in Tanks. Je nach Applikation kann der KN mit PFA- oder Al2O3-Absperrkugel oder TF-Kugel ausgestattet werden. Mit der V-Regelkugel und der speziellen hysteresefreien Kupplung zwischen Kugelhahnschaltwelle und Antrieb wird der KN zu einem vollwertigen Regelventil für kv 0,8 bis 400.

Die PFA-P-Auskleidungen können auch zu erheblichen Standzeitverlängerungen von Pumpen beitragen. Die normale Lebensdauer einer PFA-ausgekleideten Magnetkupplungspumpe zur Förderung von Trifluoressigsäure (50 °C) betrug etwa drei Monate. Die Pumpe fiel aus, weil die Innenteile durch Permeation stark aufgequollen waren. Der metallische Grundwerkstoff wurde angegriffen, die rotierende Einheit blieb stecken. Die nun eingesetzte PFA-P-ausgekleidete Pumpe MNK läuft seit 12 Monaten ohne Anzeichen einer Werkstoffveränderung. Die Baureihe MNK bewältigt Förderströme von 1 bis 375 m³/h und Förderhöhen bis 145 m. Sie ist in Norm- und Blockbauweise für Temperaturen von -60 bis +200 °C und für Betriebsdrücke bis 16 bar, mit Zusatzausstattung auch bis 25 bar, erhältlich. Auskleidungswerkstoffe können PFA/PTFE, antistatisches PFA/PTFE, PFA-P und PP/PE-UHMW sein. Die medienseitigen Oberflächen sind komplett metallfrei.

Dank des nichtmetallischen, wirbelstromfreien Spalttopfs kann die MNK auch für Medien nahe der Siedetemperatur eingesetzt werden. So fiel beispielsweise eine in einer FKW-H2SO4-HF-Mischung bei 180 °C eingesetzte, PFA-ausgekleidete Magnetkupplungspumpe nach jeweils maximal einem Jahr wegen Kernkorrosion an allen medienberührten Bauteilen aus. Die nun laufende MNK 50–32–160, komplett PFA-P-ausgekleidet, funktioniert auch nach zwei Jahren noch ohne jegliche Reparatur. Bei einem weiteren Einsatzfall in einer H2SO4-HF-Mischung (125 °C) durchwanderte das Fluid den serienmäßigen Innenspalttopf aus modifiziertem TFM-PTFE und löste Harzanteile aus dem außenliegenden, drucktragenden CFK-Spalttopf der Magnetkupplungspumpe MNK heraus. Dieser Effekt wurde nach einigen Monaten Betriebsdauer hörbar, weil die wieder ausgehärteten Harzpartikel im Antriebsteil der Pumpe herumwirbelten. Der Spalttopf wurde gegen einen Spalttopf aus PFA-P ausgetauscht. Untersuchungen nach weiteren 6 und 12 Monaten zeigten, dass dadurch das Problem behoben werden konnte. Außer den hier beschriebenen Kugelhähnen und Pumpen können beispielsweise auch Regelventile, Schaugläser, Probenahmeventile, Kesselablassarmaturen und Sicherheitsarmaturen mit PFA-P-Auskleidung gefertigt werden.

cav 425

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