Kritische Medien sicher abdichten

Undichte Industrieventile verursachen immense Kosten und dies nicht nur, weil das entweichende Produkt verloren ist. Schwerer wiegt fast noch der Aufwand, das undichte Ventil aufzuspüren und einer Instandhaltung zu unterziehen. In den USA sind seit 1990 mit der Clean Air Act Amendment (CAAA) und mit der Environmental Protection Agency (EPA) Emissionsgrenzwerte festgelegt worden, die mittlerweile als Stand der Technik anerkannt sind. In Deutschland hat eine vergleichbare Zielrichtung die erste allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz von 1986, die sogenannte TA-Luft. Diese legt in Ziffer 3.1.8.4 Anforderungen an die Dichtheit von Spindeldurchführungen von Ventilen und Schiebern fest, wenn flüssige organische Stoffe oder Stoffgemische mit bestimmten giftigen oder krebserzeugenden Anteilen gehandhabt werden. Durch diese Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft sind viele Bemühungen durchaus erfolgreich gewesen, Emissionen zu reduzieren.

Darüber hinaus wird mit der in Vorbereitung befindlichen Vorlage der deutschen VDI-Richtlinie 2440, „Emissionsminderung von Mineralöl-Raffinerien“ versucht, einen weiteren Ansatz zu schaffen, zulässige Leckagen in bestimmten Bereichen zu definieren.

Durchführungen von Kegelstangen für Stellgeräte können die gestiegenen Anforderungen an die Dichtheit sicher erfüllen, wenn bei der Abdichtung auf einen Metallbalg zurückgegriffen wird. Bei der Dimensionierung bieten die langjährigen Erfahrungen des Herstellers im Umgang mit Metallbälgen hohe Sicherheit. Die ersten Metallbälge, damals noch als „Metallschlauch“ bezeichnet, wurden bereits nach der Jahrhundertwende 1905 zum Einsatz gebracht. Die breitere Verwendung dieses Konstruktionselementes verhinderten bisher jedoch die hohen Kosten.

Hier sollte man dem Aspekt Wirtschaftlichkeit besondere Beachtung schenken. Undichte Systeme verschlingen Geld, wenn man an den Produktverlust, Stillstandszeiten und die Gefährdung der in der Peripherie tätigen Mitarbeiter denkt.

Als Alternativen zu den Metallbälgen sind Packungskombinationen aus Polytetrafluorethylen, Perfluorelastomer etc. im Einsatz. Diese sind jedoch auch teuer und unterliegen dazu erheblichen Einschränkungen beim Einsatz bei erhöhter Temperatur. Der Einsatz von Schmiermitteln, die Rauhigkeit der Kegelstange, die Temperatur, die Verpressung und Vorspannung der Packung, Gleitgeschwindigkeit, stick slip-Effekte und anderes mehr sind weitere Einflußgrößen, die die Funktion solcher Abdichtungen erschweren. Hinzu kommen nachteilige Auswirkungen auf das Verhalten des Regelventils. Auch die Begleitumstände der Montage einer Packung beeinflussen deren Funktionsfähigkeit. Die Gleichwertigkeit von Packungslösungen mit Metallbalg-Abdichtungen, die verschiedene Bescheinigungen dokumentieren, unterstellt beispielsweise bei der TA-Luft lediglich, daß das geprüfte System keine Permeation besitzt, die über 10 * 10-5 mbar l/s m liegt. Bei höheren Temperaturen kann dieser Grenzwert jedoch nicht eingehalten werden. Vielfach ging man dazu über, jenseits von 200 °C deutlich größere Leckagen vorzugeben.

Stellgeräte mit Metallbalg-Ausführung (Abb. 1) zeichnen sich dadurch aus, daß sie in Anlagen mit aggressiven und toxischen Medien druckdicht, temperatur- und korrosionsbeständig, wartungsfrei, betriebssicher und damit auch wirtschaftlich sind.

Auch in anderen Bereichen, z. B. bei der Energieversorgung mit Dampf, hat der Einsatz des Metallbalgs Vorzüge.

In der 1. Phase der CAAA 1992/93 betrug die zulässige Leckrate noch 10 000 ppm. Bereits 1994 wurde dieser Wert auf 500 ppm reduziert. Metallbälge ermöglichen es dauerhaft, Leckraten von 10-8 mbar l/s in einem Temperaturbereich von -200 °C bis +400 °C einzuhalten. Die „European Valve Conference on Fugitive Emissions“ hat das Erreichen einer „zero emission“ durch die Verwendung eines Metalbalges als Lösung erwähnt. Und diese Leckrate ist noch dazu weitestgehend unabhängig vom Betriebsdruck.

Der Idealfall für eine Dichtung ist derjenige, daß sie berechenbar ist. Das heißt, die Belastbarkeit, die Lebensdauer können berechnet und mit hoher Wahrscheinlichkeit beim Metallbalg vorhergesagt werden. Durch entsprechende Prüfungen sind diese Berechnungen statistisch abgesichert.

Die Betriebstemperatur spielt beim Metallbalg keine einschneidende Rolle (Abb. 2). Die Funktion und Dichtheit bleiben sicher und dauerhaft bestehen. Das gilt im übrigen auch für Anwendungen im Kältebereich. Bei hohen Temperaturen gibt es dazu kaum Alternativen auf der Packungsseite. Lösungen auf Basis von Werkstoffen wie PTFE und dessen Modifikationen können entsprechende Temperaturbereiche nicht annähernd erreichen. Grafit bietet zwar die Möglichkeit, noch bei Temperaturen über 200 °C sicher abzudichten, verursacht jedoch erhebliche Probleme bei der Einhaltung der geforderten Leckagen über einen längeren Zeitraum. Ein weiterer wichtiger Vorteil von Metallbälgen ist, daß sie ihre Dichtwirkung über die gesamte Lebensdauer unverändert beibehalten (bei Packungen reduziert sich hingegen ihre Anfangsdichtheit mit jedem durchgeführten Ventilhub). Bedeutsam wird diese Tatsache dann, wenn man sich vor Augen führt, daß Metallbälge in Stellgeräten auf eine hohe Lastspielzahl von 100 000 Vollhüben ausgelegt sind. Ein Vollhub ist definiert als eine Bewegung von der Schließstellung in die 100% Offenstellung und Rückkehr in die Ausgangslage. Eine Regelarmatur, die üblicherweise keine Vollhübe ausführt, sondern in einem engen Bereich kleine Regelhübe vollzieht, erfährt durch eine derart hohe Lastspielzahl einen exponentialen Anstieg ihrer Lebensdauer. Im Vergleich hierzu geben viele Hersteller nur 1000 Hübe als Lebensdauer oder seltener 10 000 Hübe an. Bei einem Einsatz im Auf-/Zubetrieb könnten 1000 Lastwechsel auch ausreichend sein.

Ein Diagramm über den typischen Verlauf der Lebensdauer eines Metallbalges zeigt Abbildung 3. Hier ist die Lebensdauer in Abhängigkeit der Hubauslastung eines Stellgerätes wiedergegeben. Die hohe Dichtheit bleibt dabei über den gesamten Bereich der Lebensdauer aufrechterhalten.

Weitere Informationen cav-203