Langfristig dicht

Detlef Reichl

Dass Dichtungen aus 100 % PTFE eine sehr gute Chemikalienbeständigkeit aufweisen ist allgemein bekannt. Jeder Anwender weiß jedoch auch, dass PTFE-Dichtungen zum Kaltfluss neigen, was einen wesentlichen Einfluss auf die langfristige Dichtheit von Flanschverbindungen ausüben kann. Zur Gewährleistung niedriger Leckagenmüssen Dichtsysteme nachweislich folgende Anforderung erfüllen. Die konstruktive Ausführung des Dichtsystems muss die bestimmungsgemäße Funktion unter den Betriebsbedingungen auf Dauer erwarten lassen. Allgemeine Dichtungskennwerte müssen zur Berechnung zur Verfügung stehen und die Leckagerate von 10–4 mbar l/s m bei 30 MPa Einbauflächenpressung und 1 bar Druckdifferenz muss in der Kurzzeitprüfung nachgewiesen werden. Dies bedeutet also, dass nicht nur die Kurzzeit-Leckagerate l < 10–4 mbar l/s m sein muss, um die Hochwertigkeit der Dichtung zu belegen, sondern dass ebenfalls die dauerhafte Dichtheit für die Charakterisierung einen wesentlichen Ausschlag gibt.

Mit seinem „Prüfprogramm zum Nachweis der Hochwertigkeit nach TA-Luft“ führte das Institut für Kunststoffe der TÜV Industrie Service GmbH eine derartige ganzheitlichen Betrachtung an den Dichtungen MultiTex und MultiTex-Tape der KWO Dichtungstechnik durch. Dabei wurden die Dichtsysteme unter Beachtung von Rahmenbedingungen wie Typ des Flanschsystems (Stahl oder Kunststoff) sowie unter Betriebsbedingungen umfassenden Prüfungen zum Nachweis der Kurzzeit-Leckagerate, der Langzeit-Leckagerate (über 1500 h bei Betriebsüberdruck und -temperatur) sowie der Ausblassicherheit (nach 1500 h unter verschärften Bedingungen) unterzogen. Zusätzlich umfasste das Prüfprogramm die Beurteilung der Fertigungsqualität im Herstellerwerk und den Nachweis des geregelten Montagekonzepts sowie der Berechnungsfähigkeit anhand von Dichtungskennwerten nach DIN 28090/ prEN 13555.

Bei den Prüfungen zeigte sich, dass die multidirektionale Faserstruktur, durch ihre Auswirkungen auf die Kriechneigung und das Setzen, das Dichtverhalten dieser ePTFE-Dichtungen langfristig sogar bei Betriebstemperaturen von 225 °C sehr positiv beeinflusst. Bei den Messungen mit dem Helium-Massenspektrometer wurden in der Standardprüfung Leckageraten von l < 10–7 mbar l/s m ermittelt. Während und nach 1500-stündiger Belastung wurde die hohe Dichtheit bei der wiederholten Leckageprüfung bei Betriebsbedingungen von 225 °C und 40 bar bestätigt. Zudem erfolgte die Prüfung der Ausblassicherheit nach TÜV-Standard, wobei mindestens der 2,5-fache Betriebsüberdruck ohne irreversiblen Ausfall der Dichtung nachzuweisen war, und die Prüfung nach dem derzeit im Gespräch befindlichen VDI-Standard. Nach zusätzlicher Überprüfung der geregelten Produktion der MultiTex-Materialien wurden die Materialien vom TÜV Süd entsprechend dem Prüfprogramm als hochwertige Dichtungen nach TA-Luft und TRwS zertifiziert. Die Dichtungen erfüllen darüber hinaus die Anforderungen der Druckgeräterichtlinie 97/23/EG.

Gestanzte Dichtungen aus MultiTex-Platten wurden bei der Prüfung ebenso erfasst, wie MultiTex-Tape ePTFE-Bänder, die zur Vor-Ort-Herstellung von Dichtungen dienen. Beide Dichtungstypen bestehen aus multidirektional orientiertem ePTFE, das in einem speziellen Verfahren thermisch und mechanisch behandelt wird und so seine Eigenschaften erhält. Im Gegensatz zu herkömmlichem ePTFE, das nur Fasern in eine Richtung aufweist, also monodirektional orientiert ist, bewirkt die hier vorliegende multidirektionale Faserstruktur die Stabilisierung des Materials gegen den eigentlich für reines PTFE charakteristischen Kaltfluss. Die PTFE-Fasern wirken dabei den mit steigender Flächenpressung zunehmenden Fließkräften in Längs- und Querrichtung entgegen und beginnen erst bei hohen Kräften sich zu verändern. Die Verteilung der PTFE-Fibrillen in die verschiedenen Orientierungsrichtungen spielt dabei eine wichtige Rolle. Sie ist einerseits durch äußerst stabile Längsfasern mit verantwortlich für die Ausblassicherheit der Dichtung, da hier keine Längen- und damit Durchmesserveränderung auftritt, andererseits nehmen die Fasern starken Einfluss auf die maximal zulässige Flächenpressung (sVO bzw. QCRIT), die hier bei ca. 180 MPa liegt. Durch die hohe Belastbarkeit sind große Einbauflächenpressungen realisierbar, die mögliche Setzvorgänge bereits während der Montage ausgleichen und in vielen Fällen ein normalerweise erforderliches Nachziehen unnötig machen. Gleichzeit bewirkt dies, bei Auswahl der kleinst möglichen aber ausreichend dicken Dichtung, die Entstehung einer ideal dünnen Dichtung im Einbauzustand. Das Ergebnis ist jedoch nicht nur die geringere Kriechrelaxation der Dichtung, sondern auch die damit verbundene höhere Ausblassicherheit sowie eine wesentlich geringere Leckagerate.

Hohe Anpassungsfähigkeit und Kompressibilität sind ein weiteres Charakteristikum dieses ePTFE-Typs. Dabei wirken sich Faserstruktur und Materialaufbau zusätzlich äußerst positiv auf das Rückstellverhalten der Dichtungen aus. Prozentual liegt das Rückstellverhalten hier in der Größenordnung von expandiertem Graphit. Der effektive Rückstellweg ist durch den vorherigen wesentlich höheren Setzbetrag jedoch weitaus größer, da sich der Wert prozentual auf das vorher ermittelte Setzverhalten bezieht. Je höher also der Setzbetrag ist, desto größer ist auch der Weg zurück, bei gleichem Rückstellverhalten. Bei wechselnden Belastungen, die auf das gesamte Dichtsystem (Flansche, Schrauben, Dichtung) Einfluss nehmen, wirkt sich dieses Verhalten äußerst positiv aus. Beispielsweise können Wechselbelastungen in thermisch beanspruchten Bauteilen kompensiert werden, bei denen herkömmliches monodirektional orientiertes ePTFE nicht ausreichend abdichten würde. Die geprüften Einsatzmöglichkeiten reichen somit von tiefen Temperaturen bei flüssigem Sauerstoff bis zu hohen Temperaturen im Bereich gefährlicher Medien.

Bei gleichen Eigenschaften bieten MultiTex-Tape-ePTFE-Bänder den Vorteil der wirtschaftlicheren Einsatzfähigkeit durch Reduzierung der Lager- und Bestellkosten, sowie durch flexible Einsatzfähigkeit auch bei komplizierten Dichtungsformen. Durch die veränderlichen Längen beim Einsatz der Bänder lassen sich Dichtungen mit Durchmessern auch über 3 m realisieren, bzw. mit bis zu 100 m auf einer Spule viele Bauteile in Serie bestücken, ohne mit großem Materialverlust rechnen zu müssen. Für den Einsatz in Flanschsystemen mit eingeschränkter Schraubenkraft ist die Breite des Bandes so variabel, dass auch bei geringen Schraubenkräften hohe Flächenpressungen erzielt werden können. Voraussetzung ist hierbei stets die Richtige Wahl von Dichtungsbreite und -dicke, um die maximalen Belastbarkeiten von Flanschen und Schrauben nicht zu überschreiten, sondern die Elastizität der Bauteile möglichst optimal zu nutzen. Bei geregelter Montage können somit auch Dichtungen aus Bändern mit niedrigen Leckageraten und hoher Ausblassicherheit bei Betriebsbedingungen bis 225 °C und 40 bar direkt vor Ort hergestellt werden, die ebenso wie die gestanzten Dichtungen alle Anforderungen der TA-Luft erfüllen.

cav 404