Anlagen

Vielschichtige Graphit-Dichtung

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Der Dichtungswerkstoff Novaphit MST vereint sämtliche Vorteile bestehender Graphitlösungen. Aus dem Multilayer-Aufbau resultiert eine hohe Temperatur- und Druckstabilität, kombiniert mit einer sehr guten Beständigkeit gegen aggressive Medien. Dies gibt dem Betreiber Sicherheit und Verlässlichkeit, auch beim Einsatz in kritischen Anwendungen.

Andreas Schmiedel

Der Dichtungswerkstoff Novaphit MST (Bild 1) wird auf Basis von expandiertem Graphit, ohne weiteren Zusatz von Bindemitteln gefertigt. Betrachtet man den konstruktiven Aufbau exemplarisch an der 3,0 mm starken Dichtung, zeichnet sich das Material durch fünf säurebeständige Edelstahlverstärkungen (1.4404) aus. Als jeweils äußerste Verstärkungseinlage kommt eine Streckmetalleinlage zum Einsatz. Auf diesem Weg wird die mechanische Festigkeit erheblich erhöht, ohne eine für die Anpassungsfähigkeit schädliche oder gar vollständige Trennung der äußeren Graphitlagen zu bewirken. Den Kern des Materials verstärken drei Glattblecheinlagen. Aus diesem Multilayer-Aufbau resultiert eine sehr hohe Temperatur- und Druckstabilität, kombiniert mit einer sehr guten Beständigkeit gegen aggressive Medien. Novaphit MST erweitert den Einsatzbereich der Novaphit-Familie im oberen Druck- und Flächenpressungssegment.
Gute Anpassungsfähigkeit
Dichtungsmaterialien aus expandiertem Graphit zeichnen sich insbesondere durch eine gute Anpassungsfähigkeit an raue oder fehlerhafte Flanschoberflächen aus. Dies ist auf ein großes freies Porenvolumen im Graphitwerkstoff zurückzuführen. In einem Dichtungswerkstoff sind freie Poren jedoch gleichzeitig auch von Nachteil. Vor allem aus kleinen Molekülen bestehende abzudichtende Medien nutzen die Freiräume als Leckagekanäle und geben somit dem Innendruck innerhalb des Dichtsystems nach. Daher benötigen Graphitmaterialien im Allgemeinen eine hohe Flächenpressung. Für den Entwickler stellt dies den klassischen Zielkonflikt dar. Einerseits will man bereits bei geringen Flächenpressungen eine niedrige Leckagerate erzielen, andererseits soll bei genau diesen geringen Flächenpressungen noch höchste Anpassungsfähigkeit bereitgestellt werden.
Manche Hersteller gehen zu bereits vorverdichteten Lösungen über, um auch schon bei geringen Flächenpressungen eine akzeptable Dichtheit zu erhalten. Dies geht jedoch eindeutig zu Lasten der Anpassungsfähigkeit und nimmt der Graphitdichtung einen wichtigen Vorteil. Novaphit MST hebt den Widerspruch auf, was sich in einem Stauchversuch belegen lässt. Dazu wird die Dichtung einer stetig steigenden Flächenpressung ausgesetzt und die Verformung kontinuierlich gemessen (Bild 2). Bereits bei geringen Flächenpressungen unter 5 MPa zeigen sich erhebliche Unterschiede im Verformungsverhalten. Die Novaphit MST weist ein deutlich stärkeres Setzvermögen auf als die anderen beiden getesteten Mehrlagenlaminate. Bei 20 MPa steht der Novaphit MST beispielsweise fast doppelt so viel Anpassungsvermögen zur Verfügung. Dadurch können deutlich größere Unzulänglichkeiten der Flanschoberflächen ausgeglichen werden. Diese Produkteigenschaft ist in der realen Anwendung, die nur selten aus absolut neuwertigen Flanschen besteht, ein echter Sicherheitsvorteil. Weiterhin zeigt die Grafik, dass Novaphit MST bis 200 MPa keinen Wegbrechpunkt aufweist, während man bei anderen Mehrlagenlaminaten bei ca. 180 MPa ein deutliches Versagen detektiert.
Ein Leckageversuch nach DIN EN 13555 – bei 40 bar Innendruck mit Helium – untersucht das Leckageverhalten unter den angesprochenen niedrigen Flächenpressungen. Als Vergleich dient ein weiteres TA-Luft-konformes Mehrlagenlaminat. Der Fokus wurde dabei auf den oben darge-stellten unteren Flächenpressungsbereich gelegt. Bei 5 MPa Flächenpressung zeigt Novaphit MST bereits eine um eine halbe Zehnerpotenz günstigere Leckage als das Vergleichsprodukt (Bild 3).
Natürlich sind derart geringe Flächenpressungen in der Praxis unbedingt zu vermeiden. Dennoch gibt es gerade im Apparate-bau immer wieder Fälle, in denen die notwendige Flächenpressung nicht zu erreichen ist. Des Weiteren sind auch fehlerhafte Flanschoberflächen, z. B. Welligkeiten in großen Flanschsystemen, immer wieder Ursache partiell stark reduzierter Flächen-pressung. In diesen Bereichen kann Novaphit MST seine höhere Leistungsfähigkeit voll zur Geltung bringen.
Gekapselte Poren
Bei Graphitwerkstoffen handelt es sich naturgemäß um poröse Materialien. Die Poren bilden dabei innerhalb des Graphit-werkstoffs ein heterogenes Netz aus vielen Kanälen und Hohlräumen, die zum großen Teil miteinander verbunden sind. Vor allem ein kleines Gasmolekül wird immer einen Weg durch das Gefüge finden. Je mehr Poren vorhanden sind, umso mehr Möglichkeiten ergeben sich und desto höher wird die Wahrscheinlichkeit eines schnellen Durchtritts. Eine Möglichkeit, das Porenvolumen im Material wirksam einzudämmen, besteht darin, die Poren durch ein anderes Material zu füllen. Dieses Im-prägnieren hat jedoch Nachteile. Zum einen reduziert das Füllen der Poren mit organischen Imprägnierungen die Anpassungsfähigkeit, zum anderen ergeben sich dadurch auch negative Auswirkungen auf die mechanische Temperaturstabilität.
Frenzelit entwickelte ein eigenes Verfahren zur Weiterveredelung von Graphitfolien. Diese Technologie beruht auf dem Prinzip der Kapselung der Graphitporen, wodurch den Gasmolekülen der Weg durch das Gefüge verwehrt, bzw. deutlich erschwert wird. Die Menge an Imprägniermittel, die zur Kapselung der Poren benötig wird, ist deutlich geringer als bei herkömmlichen Imprägnierungen. Weiterhin ergeben sich so gut wie keine negativen Auswirkungen auf die mechanische Stabilität des Werkstoffes, weder unter Raum- noch unter erhöhter Temperatur. Die damit erzielte Leckageverbesserung ist dennoch erheblich.
Die hohe mechanische Stabilität zeigt sich klar im Stauchversuch. Hier wird das Material mit sukzessiv steigender Flächenpressung belastet, bis ein Versagen auftritt. Bei einem Breiten-Höhen-Verhältnis von 10:1 zeigt sich weder bei Raumtemperatur noch bei 300 °C ein Versagen. Der Zerstö-rungspunkt liegt über der Prüfstandskapazität. Lediglich bei einem deutlich ungünstigeren Breiten-Höhen-Verhältnis von 5:1 kann überhaupt ein Versagenspunkt ermittelt werden. Doch auch bei einer Temperatur von 300 °C liegt dieser mit über 150 MPa noch deutlich über den in der Praxis üblichen Verpressungen.
Die Stärken des Dichtungswerkstoffs liegen nicht nur in den technischen Eigenschaften. Auch die Verarbeitbarkeit des Materials ist einfach und unkompliziert. So lässt es sich es problemlos plottern, stanzen oder mittels Wasserstrahl schneiden. Der wirkliche Vorteil zeigt sich dem Anwender jedoch in der immer wieder notwendigen Handkonfektionierung. Hier kann das Material mit allen üblichen Werkzeugen verarbeitet werden, sogar mit einer Schere. Für die Herstellung finden nur sorgfältig ausgewählte Rohstoffe Verwendung. Die notwendigen Dichtungskennwerte nach allen gängigen Normen stehen ebenfalls zur Verfügung. Weiterhin liegen diverse Zulassungen vor, beispielsweise nach TA Luft.
The gasket material novaphit MST (Figure 1) is manufactured on the basis of expanded graphite without the addition of any other bonding agents. An analysis of the structure of a 3.0 mm thick gasket reveals, for example, that the material has five acid-resistant stainless steel reinforcements (1.4404). An expanded metal insert is used for the outermost reinforcement layer on each side. The mechanical strength is increased considerably in this way, without completely separating the external graphite layers, which would have an adverse effect on adaptability. Three flat metal inserts reinforce the core of the material. This multilayer structure leads to very high temperature and pressure stability while providing very good resistance to aggressive media. novaphit MST extends the range of applications for the novaphit family in the highest internal and surface pressure segment.
Good adaptability
Gasket materials made from expanded graphite are particularly good at adapting to rough or faulty flange surfaces. This is attributable to the large free pore volume in the graphite material. At the same time, however, free pores are also a disadvantage for such materials. Media consisting primarily of small molecules, for which sealing has to be provided, tend to use this free space in the material very effectively as a leakage channel and yield to the internal pressure within the sealing system as a result. This explains why graphite materials generally require an especially large amount of surface pressure to prevent leakage reliably. Development staff face a classic conflict here. The aim is, on the one hand, to achieve a low leakage rate at low surface pressure levels; on the other hand, maximum adaptability must be assured specifically at these low levels.
Some manufacturers are switching to solutions that are already compressed in advance, in order to achieve acceptable leakage resistance at low surface pressure levels. Yet this reduces adaptability considerably and means that the graph-ite gasket loses an important advantage. novaphit MST eliminates this problem, as can be demonstrated in a compression test. In this test, the gasket is subjected to steadily rising surface pressure and the resulting deformation is measured continuously (Figure 2). There are already substantial differences in deformation even at low surface pressure levels of less than 5 MPa. novaphit MST has significantly stronger creep properties than the two other multilayer laminates tested. It delivers almost twice as much adaptability at 20 MPa, for example. Much larger imperfections in the flange surfaces can be compensated for as a result. This property increases security impressively in practical applications, where absolutely new flanges are rarely encountered. The graph also shows that there are no signs of failure with novaphit MST up to 200 MPa, whereas clear fail-ure occurs at about 180 MPa with other multilayer laminates.
A leakage test investigated the impact of these properties on leakage rates at the low surface pressure levels discussed here. It was carried out with helium at an internal pressure level of 40 bar in accordance with DIN EN 13555. Another multilayer laminate that satisfies the requirements of the German fugitive emission regulation (TA Luft) was used for comparison purposes. The test focused on the lower surface pressure range outlined above. At a surface pressure level of 5 MPa, novaphit MST already has leakage rates that are half a power of ten better than the reference product (Figure 3).
It goes without saying that such low surface pressure levels definitely need to be avoided in practice. Situations nevertheless arise regularly, particularly in plant engineering, in which the necessary surface pressure level cannot be reached. In addition to this, faulty flange surfaces, e.g. unevenness in large flange systems, are frequently the cause of major localised reductions in surface pressure. novaphit MST makes the most of its greater efficiency in this context.
Encapsulated pores
Graphite materials are naturally porous. The pores form a heterogeneous network of numerous channels and cavities within the graphite material, most of which are connected to each other. Small gas molecules in particular will always find a way through the structure. The more pores there are, the more possibilities exist – and the greater the probability of rapid passage. One way to restrict the pore volume in the material effectively is to fill the pores with a different material. There are disadvantages to impregnation of this kind, however. On the one hand, filling the pores with organic impregnation agents reduces adaptability, while on the other hand this also has a negative impact on mechanical temperature stability.
Frenzelit has developed a technique of its own for processing graphite films. This technology is based on the principle of encapsulation of the graphite pores, as a result of which it is impos-sible – or at least considerably more difficult – for the gas molecules to penetrate the structure. The amount of impregnation agent that is required to encapsulate the pores is far smaller than is the case with conventional impregnation processes. In addition to this, there are practically no negative effects on the mechanical stability of the material, either at room or at higher temperatures. The improvement in the leakage rates that is achieved in consequence is nevertheless substantial.
The high level of mechanical stability is clearly demonstrated in compression testing. During this test, the material is subjected to succes-sively increased surface pressure until failure occurs. At a width-to-height ratio of 10:1, there is no failure at either room temperature or 300 °C. The destruction point is higher than the capacity of the test equipment. A failure point can only be determined at all at the much less favourable width-to-height ratio of 5:1. However, this point (.150 MPa) is still significantly higher than the pressure levels normally applied in practice, even at a temperature of 300 °C.
Owing to its technical advantages novaphit MST is also simple and straightforward to process. It can, for example, be plotted, punched or cut with a water jet without any problems. The real advantage, though, is only revealed to the user when manual finishing is required, as is frequently the case. The material is suitable for all standard tools and can even be cut with a pair of scissors. All the raw materials used in production are carefully chosen. The technical characteristics specified by all the usual standards are likewise verified and all the necessary approvals (e.g. TA Luft) have been obtained.
Online-Info www.cav.de/1310401
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