Herausforderungen an den Dichtungswerkstoff

Damit Ventile wirklich dicht sind

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Der Transfer von Flüssigkeiten und Pulvern zwischen Magazinen, Tanks und Reaktionsgefäßen ist ein anspruchsvolles Einsatzgebiet für die beteiligten Dichtungen. Aggressive Chemikalien, ob flüssig oder pulverförmig, sowie Reinigungsverfahren bringen es recht bald ans Licht, wenn die Ventildichtung chemisch unbeständig oder mechanisch wenig beanspruchbar ist. Welche Optionen der Chemieingenieur hinsichtlich der Werkstoffe von Ventildichtungen hat, zeigt der folgende Artikel.

David Holt

Für den Chemieingenieur ist das Ventil zwischen zwei Anlagenteilen nicht selten eine Quelle von Verfahrensproblemen. Ein ungestörter Fluss von Flüssigkeiten oder Pulvern/Schüttgut zwischen den einzelnen Anlagenteilen ist unverzichtbar. Wird dieser Fluss behindert, hat dies Schwankungen im Reaktionsablauf und der Produktqualität und schlimmstenfalls Produktionsunterbrechungen zur Folge. Eine Ursache solcher Flussprobleme können fehlerhafte Dichtungen sein. Quellung, durch die das Ventil schwer gängig wird, Dichtungsabrieb, der das Produkt kontaminiert, und Durchflussprobleme bei schlecht sitzender Dichtung sind frühe Warnzeichen hierfür.
Bei der Wahl einer Dichtung für eine Anwendung, bei der diese Kontakt mit Chemikalien hat, müssen eine Reihe von Faktoren berücksichtigt werden: die Verträglichkeit des Elastomerwerkstoffs mit den Prozess- und Reinigungschemikalien (z. B. auch Lösemitteln), die Temperatur des Prozesses, bei Flüssigkeiten die Viskosität und bei feinen Pulvern die Neigung zu Agglomeration, außerdem die Reinigungsverfahren. Weiterhin wichtig sind die mechanischen Spannungen, denen die Dichtung durch Druck und Querbewegungen bei der Ventilbetätigung ausgesetzt ist. Angesichts der großen und weiter wachsenden Auswahl an Elastomerwerkstoffen für Dichtungen sollte es möglich sein, die ideale Ventildichtungslösung zu finden. Um jedoch überraschende Probleme zu vermeiden, sollten Prozess- und Anlageningenieure nicht nur die technischen Leistungsdaten des Elastomers berücksichtigen, sondern auch einige seiner chemischen Eigenschaften.
Die unerwünschte Quellung einer Elastomerdichtung entsteht hauptsächlich durch die Absorption von Flüssigkeiten. Die oft zitierte Weisheit „Gleiches löst Gleiches auf“ bietet da einen wichtigen Anhaltspunkt. Ein Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPDM) beispielsweise ist ein „unpolares“ Elastomer und darf daher nicht zur Abdichtung gegen unpolare Lösemittel wie Hexan eingesetzt werden. Bei polaren Flüssigkeiten wie Wasser ist EPDM dagegen geeignet.
Auch lohnt es sich, bei einem Fluorpolymer (FPM) das angewandte Vernetzungssystem zu kennen, um nicht den falschen Typ zu wählen. Dies ist die Vulkanisierung genannte chemische Reaktion, in der die Polymerketten miteinander verbunden werden. Häufig verwendete FPM-Werkstoffe sind die bekannten „A“- und „B“-Typen. Fluorelastomere vom Typ A werden meist in einer Kondensationsreaktion vulkanisiert; bei dieser fällt Wasser als Reaktionsprodukt an. Dies ist wichtig zu wissen in Anwendungen, bei denen Fluorelastomere in Dampfatmosphären (z. B. bei der Reinigung) eingesetzt werden, denn bei Erwärmung kann sich die Vernetzungsreaktion umkehren, wodurch die Struktur des Werkstoffs aufgebrochen wird und die Dichtung versagt. Ein Frühzeichen für eine solche Unverträglichkeit des FPM sind Oberflächenrisse. Dies kann zunächst so aussehen, als sei die Dichtung versprödet. Die Oberflächenrisse entstehen jedoch nicht durch Aushärtung, sondern durch verringerte Zugfestigkeit des Elastomers. Bei Anwendungen, in denen die Dichtungen Wasserdampf ausgesetzt sein können, sollte man daher lieber ein peroxidvernetztes Fluorelastomer einsetzen. Das Peroxidvernetzungssystem ist eine Reaktion unter Beteiligung freier Radikale und als solche nicht reversibel. Es ist also für Umgebungen mit Dampfreinigungsprozessen besser geeignet.
Standardisierung auf Perfluorelastomere
Bei der Verarbeitung hochwertiger chemischer Produkte haben manche Hersteller damit begonnen, ihre Dichtungen auf Perfluorelastomere (FFPM) zu standardisieren. Dabei werden die höheren Kosten durch die vergrößerte Produktivität wieder wettgemacht. FFPM-Dichtungen sind beständig gegen organische Lösemittel sowie gegen viele aggressive Chemikalien, Öle und Flüssigkeiten. Außer ihrer Hochtemperaturbeständigkeit haben bestimmte Perfluorelastomere auch eine gute Flexibilität bei niedrigen Temperaturen, geringe Haftung und – besonders wichtig bei der Anwendung in Ventilen – einen sehr geringen Reibbeiwert. Bis vor kurzem wiesen Perfluorelastomere nur eine relativ geringe Säurebeständigkeit auf, was zu übermäßiger bleibender Druckverformung und einem höheren Wartungsaufwand führte. PPE hat dieses Problem nun durch den Verzicht auf säureempfindliche Füllstoffe und ein optimiertes Vernetzungssystem gelöst. Interessanterweise verfügt das säurebeständige Perfluorelastomer auch über eine geringe Durchlässigkeit und ist daher weniger anfällig für Quellung, was den Wartungsintervallen für die Ventildichtungen zugute kommt.
Die Dichtungen in den High-Containment-Ventilen der Reihe ChargePoint des Herstellers Powder Systems Ltd. sind aus FFPM. Hier kommen zwei große Perlast-Elastomerdichtungen als Sitz für die Klappen im aktiven und passiven Teil des Halbklappenventils zum Einsatz. Diese sind so ausgelegt, dass die Klappen sich drehen können, während die Dichtung ortsfest bleibt. Der geringe Reibbeiwert der Perlast-Dichtungen sorgt für eine glatte Schließbewegung des Ventils und eine leichte Bedienung für den Endanwender.
Ventildichtungen aus Verbundwerkstoff
Bei manchen Ventilanwendungen ist die Chemikalienbeständigkeit von FFPM natürlich nur dann von Nutzen, wenn auch die Konstruktion der Ventildichtung bestimmten pragmatischen Gesichtspunkten genügt. Die Verarbeitung hoch viskoser, aggressiver Chemikalien kann erhebliche mechanische Ansprüche an die Ventildichtung stellen, wie die folgende Fallstudie zeigt.
Ein Chemieunternehmen bekam ein hoch viskoses Zwischenprodukt in Tankwagen angeliefert, das dann über eine Reihe von Schnellkupplungsventilen in Lagertanks umgefüllt wurde. Aufgrund der hohen Aggressivität des in dem Produkt enthaltenen Lösemittels wurde als Ventildichtung eine Verbundlösung verwendet, bei der eine Dichtung aus Polytetrafluorethylen (PTFE) durch einen federnden Kern zusätzlich Elastizität erhielt. PTFE verfügt über eine hervorragende Chemikalienbeständigkeit, seine Dichtkraft reicht aber oftmals aufgrund seiner geringen Elastizität nicht aus. Mit dem Verbundkonzept lässt sich dieses Problem lösen. Ein zweiter, manchmal auch ein dritter Werkstoff verbessern hierbei die Eigenschaften des Basismaterials. In diesem Fall verlieh der federnde Kern der PTFE-Dichtung eine gewisse Elastizität, sozusagen ein Gedächtnis. Diese PTFE-Verbunddichtung hielt über einen Zeitraum von sechs Monaten ungefähr 40 Ventilspiele lang durch, dann begann sie zu lecken.
Bei der Untersuchung des Problems stellte sich heraus, dass die PTFE-Dichtung an dem Punkt deformiert war, wo sich die Ventilklappe um ihre Spindel drehte. Die Belastung an diesem Punkt deutete auf eine ungleichmäßige Spannungsverteilung hin, die möglicherweise zurückzuführen war auf Verschleiß in den Spindellagern, fehlerhafte Betätigung des Ventils oder allgemeine Belastungskräfte in dieser Ventilkonstruktion. Durch die Deformation der Dichtung konnte Produkt austreten bzw. in diesem Fall das Absperrventil umgehen. Die physikalischen Eigenschaften der Dichtungskonstruktion waren nicht in der Lage, diese Verbiegung der Dichtung zu kompensieren.
PPE erhielt den Auftrag, die Ventildichtung neu zu konzipieren. Wichtig war dabei, dass die Dichtung gegen die aggressiven Lösemittel beständig sein musste und dennoch robust genug, um den mechanischen Anforderungen der Ventilbewegung standzuhalten. Ein möglicher Ansatz war die Verwendung des Perfluorelastomerwerkstoffs Perlast für die gesamte Dichtung. Da man aber nicht auf den hervorragenden Reibbeiwert des PTFE verzichten wollte, versuchte man dieses mit dem flexiblen Perlast zu kombinieren. In dem neuen Verbund aus PTFE und Perlast-Perfluorelastomer besaß die innere Dichtungsoberfläche eine ausreichend geringe Reibung, die für eine glatte Bewegung des Ventils notwendig ist, und war im Querschnitt dennoch klein genug, um die federnde Wirkung des Perfluorelastomers zu nutzen. Mit der inneren Dichtungsoberfläche aus PTFE behielt die Dichtung ihre gute Chemikalienbeständigkeit und geringe Reibung, hatte an der äußeren Oberfläche aber dennoch genügend Federkraft, um die Deformation des PTFE erheblich zu reduzieren. Gleichzeitig war auch die äußere Fläche noch genügend chemikalienbeständig.
Wie dieses kurze Beispiel zeigt, lassen sich Ventilprobleme im chemischen Anlagenbau umgehen, wenn man der Wahl des Elastomers und dem Aufbau der Dichtung genügend Beachtung zukommen lässt.
cav 424

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