Beim dauerhaften Korrosionsschutz setzt die chemische Industrie auf eine Kombination von vollfluorierten Fluorpolymeren und wirtschaftlichem Verarbeitungsprozess. Mit 3M Dyneon PTFE und 3M Dyneon TFM PTFE wurden Hochleistungswerkstoffe für die Pastenextrusion entwickelt, mit denen sich bis zu 6 m lange Rohrauskleidungen realisieren lassen – ganz ohne mechanische Bearbeitung und manuelle Verschweißung.
Der Korrosionsschutz von Rohren hat einen entscheidenden Einfluss auf die Total Cost of Ownership (TCO) und er leistet einen wesentlichen Beitrag zur Anlagensicherheit. Daher legen Chemieunternehmen großen Wert darauf, die wahre Leistungsfähigkeit der Rohrauskleidungen zu kennen. In umfassenden Testreihen vergleichen sie regelmäßig verschiedene Materialien und Verarbeitungsverfahren auf ihre Eigenschaftsprofile und Wirtschaftlichkeit. Ein großer deutscher Spezialchemie-Hersteller hat sich nach Abschluss seiner Untersuchungen für die beiden Hochleistungswerkstoffe 3M Dyneon-PTFE und -TFM PTFE (im folgenden PTFE und TFM PTFE genannt) festgelegt.
PTFE und TFM PTFE gehören zur Gruppe der perfluorierten Fluorpolymere. Die beiden Sinterwerkstoffe ergänzen das thermoplastisch verarbeitbare 3M Dyneon PFA. Alle drei Werkstoffe zeichnen sich durch eine nahezu universelle chemische Beständigkeit aus. TFM PTFE unterscheidet sich von klassischem PTFE durch den zusätzlichen chemischen Modifier Perfluorpropylvinylether (PPVE). Das Molekulargewicht liegt um den Faktor 5 niedriger als bei klassischem PTFE. Dies reduziert die Viskosität der Polymerschmelze deutlich. Dadurch verschmelzen die TFM-PTFE-Partikel besser zu einem dichten, porenarmen Polymergefüge.
Die bessere Partikelverschmelzung durch die reduzierte Schmelzviskosität verringert den Porengehalt um den Faktor 2. Dies verbessert die Barrierewirkung von TFM PTFE deutlich und senkt die Permeationsrate im Vergleich zu PTFE. Das erhöht den Korrosionsschutz gerade bei hohen Prozesstemperaturen signifikant. Zusätzlich bietet das Hochleistungsmaterial einen um den Faktor 3 geringeren Stretch-Void-Index. Das erhöht die Dichtigkeit in verstrecktem Zustand, da bei Dehn-/Streckvorgängen weniger Poren entstehen.
TFM PTFE, ein PTFE der 2. Generation, hat sich in der Prozessindustrie vor allem durch eine deutlich reduzierte Deformation unter Last sowie günstigeres Rückstellverhalten bei Lastwechseln als Material der ersten Wahl bei hohen Temperaturen und mechanischen Belastungen etabliert. Im Korrosionsschutz kommt der Werkstoff aufgrund der Kombination von breitem Temperatureinsatzbereich (-200 bis +260 °C) und universeller Chemikalienbeständigkeit immer häufiger zum Einsatz. Sehr gute elektrische Isolations- und Gleiteigenschaften runden das Profil ab.
Das beste Herstellverfahren
Für die Korrosionsschutzauskleidung von Behältern und Kolonnen mit den Sintermaterialien kommen oft Schälfolien zum Einsatz. Dabei wird aus einem massiven Materialblock eine Folie in der gewünschten Dicke mechanisch „abgeschält“ und anschließend zu einer kompletten Auskleidung verbunden. TFM PTFE hat hier den Vorteil einer im Vergleich zu PTFE deutlich besseren Verschweißbarkeit.
Für längere Rohrleitungen bewährt sich immer häufiger das flexible Pastenextrusionsverfahren mittels Kolbenstrangpressen. Die Verarbeiter setzen dabei Emulsionspolymerisate wie den Werkstoff E-PTFE sowie das Pendant beim TFM PTFE ein. Durch den Zusatz von Benzin wird das Feinpulver „angeteigt“ und bei Raumtemperatur extrudiert. Dabei können Verarbeiter alle Vorteile des Extrusionsverfahrens nutzen und Durchmesser sowie Wanddicke variabel einstellen. Anschließend durchläuft der Rohling einen Trocknungsprozess und wird bei 360 bis 380 °C gesintert. Mittels Pastenextrusion können Auskleidungsrohre in deutlich größeren Dimensionen und Fertigungslängen als mit den vergleichsweise komplexen isostatischen Pressen hergestellt werden. Die Anlagentechnik beschränkt hier die Auskleidungslängen in der Praxis auf rund 2 m. Mit dem Pastenextrusionsverfahren lassen sich Rohrlängen von bis zu 6 m realisieren.
Die gesinterten Auskleidungsrohre zieht der Verarbeiter mechanisch in die Stahlrohre ein. Da der Außendurchmesser der Fluorpolymer-Rohre leicht größer ist als der Innendurchmesser der Stahlrohre, verjüngen sich die Auskleidungen beim Einziehen. Dadurch entsteht eine lose, aber dennoch eng anliegende Verbindung mit optimalem Korrosionsschutz. An den Flanschen wird das Material umgebördelt und die Rohre können ohne weitere Bearbeitungsschritte miteinander verbunden werden. Dieses Verfahren deckt mit normalen Extrusionsanlagen bereits Rohrdurchmesser bis 1000 mm ab. Für größere Dimensionen kann der Verarbeiter die Rohre längs aufschneiden, mehrere Rohre miteinander verbinden und so den Durchmesser vergrößern.
Bei den Untersuchungen des Spezialchemieherstellers setzten sich PTFE und TFM PTFE als die am besten geeigneten Werkstoffe durch. Zum Einsatz kommt TFM PTFE aufgrund der besseren Permeationseigenschaften vor allem bei höheren Temperaturen. Die Pastenextrusion ist das ideale Herstellverfahren zur Auskleidung langer Stahlrohre. Der Verarbeiter kann deutlich längere Rohrauskleidungen in einem Arbeitsschritt herstellen und die Zahl der Stoßstellen reduzieren.
Corrosion protection for pipes has a crucial influence on the total cost of ownership (TCO) in the chemical industry and makes an important contribution towards plant safety. For this reason, chemical companies are keen to know how their pipe liners actually perform in practice. They regularly compare different materials and processing methods in comprehensive test programmes to determine their property profiles and assess economic aspects. Following the latest test series, a major German manufacturer of speciality chemicals opted for 3M Dyneon PTFE and 3M Dyneon TFM PTFE (referred to below as PTFE and TFM PTFE) as its high-performance materials of choice.
PTFE and TFM PTFE belong to the group of perfluorinated fluoropolymers. These two sintered products complement the thermoplastic 3M Dyneon PFA. All three materials boast virtually universal chemical resistance. TFM PTFE differs from classic PTFE in that it also contains the chemical modifier perfluoropropyl vinyl ether (PPVE), which has a molecular weight equivalent to just one fifth of that of ordinary PTFE. This has the effect of significantly reducing the viscosity of the polymer melt and supports the fusion of the TFM PTFE particles into a dense polymer structure with few voids.
The superior particle fusion due to the lower melt viscosity literally halves the void content. This enhances the barrier effect of TFM PTFE considerably and reduces the permeation rate compared to PTFE. Corrosion protection is no-ticeably improved as a result, especially at high process temperatures. The high-performance material also boasts a stretch void index that is lower by a factor of three. This increases the density when the material is stretched because fewer voids are created in the event of stretch-ing and expansion.
TFM PTFE, which is a second generation PTFE, has become established as the preferred material in chemical and pharmaceutical processes where high temperatures and mechanical loads prevail, chiefly due to its greatly reduced deformation under load and better elastic re-covery in response to load changes. The combined advantages of a wide temperature range (-200 to +260 °C) and universal chemical resist-ance mean more and more users are coming to regard it as a viable alternative for corrosion protection. Excellent insulating and lubricating properties round off the impressive profile.
The best production processes
Skiving films are frequently employed to provide vessels and columns with anti-corrosive liners based on sintered materials. A film is „skived“ mechanically to the required thickness from a solid block of material and then at- tached to form a complete liner. TFM PTFE is far easier to weld than PTFE.
The flexible paste extrusion method using ram extruders is rapidly developing into a popular option for long pipes. Processors resort to emulsion polymers such as E-PTFE or its TFM PTFE equivalent for this purpose. The fine powder is mixed to a paste by adding naphtha and extruded at room temperature. The processors reap all the benefits of extrusion and are able to set a variable diameter and wall thickness. The blank subsequently undergoes a drying process and is sintered at 360 to 380 °C. Paste extrusion allows much longer liner pipes to be manufactured with much larger dimen-sions than with relatively complex isostatic presses. In practice, the liner lengths tend to be limited to about 2 m, owing to the available technology. With paste extrusion, on the other hand, pipes up to 6 m long are not a problem.
The processor draws the sintered liner pipes into the steel pipes mechanically. Since the outside diameter of the fluoropolymer pipes is slightly larger than the inside diameter of the steel pipes, the liners are narrowed as they are inserted. A loose, yet tightly fitting, connection that affords optimal corrosion protection is achieved in this way. By flanging the material, the pipes can be joined together without any additional processing steps. With a normal extruder, this technique is suitable for all pipe diameters up to 1000 mm. If bigger sizes are specified, the processor can cut the pipes lengthways, then join several pipes together to obtain a larger diameter.
In the tests carried out by the speciality chemical manufacturer, PTFE and TFM PTFE were identified as the most suitable high-performance materials in a benchmark survey. TFM PTFE is mainly used at high temperatures due to its superior permeation properties. Paste extrusion is the ideal production process for lining long steel pipes. Compared to isostatic presses, much longer pipe liners can be made in a single step with fewer joints.
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