Mediensicher bei hohen Temperaturen

Dipl. Ing. (FH) Nikolaus Kos

Seit dem Verbot von Dichtungen aus Asbest, dem „Stoff der 1000 Möglichkeiten“, wurden von den Dichtungsherstellern beträchtliche Fortschritte bei der Konstruktion neuer Materialien erzielt. Bisher war es jedoch nicht möglich, einen Werkstoff zu entwickeln, der die Vielzahl der positiven Eigenschaften von Asbest nur annähernd auf sich vereinigen konnte. So gab es bisher keinen Werkstoff, der durch eine hohe Druckstandfestigkeit und Medienbeständigkeit sowie gleichzeitig auch durch eine extreme Temperaturbeständigkeit und gute Anpassungsfähigkeit an den Flansch zu überzeugen wußte.

Nach über fünfjähriger Forschungsarbeit gelang es, mit Novatec Premium mit Kevlar®, an dessen Entwicklung der Faserhersteller DuPont beteiligt war, ein Material vorzustellen, das sich nicht nur durch besondere Eigenschaften, sondern auch durch ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis auszeichnet. Bei dem Werkstoff handelt es sich um ein Compound, dessen Hauptanteil aus Graphit (ca. 75%) besteht. Die hervorragenden Eigenschaften des Graphits als Dichtungsmaterial, wie zum Beispiel Medien- oder Temperaturbeständigkeit, sind seit Jahren hinlänglich bekannt. Durch Beimischung der DuPont-Kevlar®-Faser konnten die bisher von reinen Graphitdichtungen bekannten Schwächen eines erschwerten Einbauverhaltens und „Fließens“ bei hoher Belastung nicht nur vermieden, sondern ein nahezu bindemittelfreier Werkstoff entwickelt werden, dessen Leistungswerte in mehrfacher Hinsicht denjenigen von Asbest nahe kommen.

Im Vergleich zu Dichtungen aus konventionellen HD-Materialien konnte bei Novatec Premium mit Kevlar® eine doppelt so hohe Druckstandfestigkeit (sdE/16 ) erzielt werden. Vorteilhaft wirkt sich dies beim Einfahren der Dichtung im Flanschverbund aus, wo die ursprünglich installierten 50 N/mm² auch nach einer Temperaturbelastung von 175 °C bzw. 300 °C erreicht werden. Damit bleiben die Vorspannung der Schrauben, die Flächenpressung und der Reibschluß nahezu voll erhalten, was einer Verbesserung gegenüber HD-Materialien der 1. Generation von mehr als 100% entspricht. Nach heutigem Kenntnisstand werden diese Werte nur von Dichtungen aus expandiertem Graphit geringfügig übertroffen. Für Einsatzbereiche, wie zum Beispiel Dampferzeugung und spezielle Wärmetauscheranwendungen, die von großen Anforderungen an die Druckstandfestigkeit der eingesetzten Dichtung gekennzeichnet sind, verspricht die neue Dichtungsgeneration eine deutliche Erhöhung der Standzeiten, weniger Wartungsintervalle und größere Ausfallsicherheit.

Bei konventionellen Dichtungen werden gute Gasleckagewerte durch einen erhöhten Bindemittelanteil erzielt, was aber zwangsläufig ein Absinken der Druckstandfestigkeit nach sich zieht. Entwicklungsingenieure mußten deshalb bisher immer versuchen, einen goldenen Mittelweg zu finden, ohne bei einer der beiden Anforderungen zu große Abstriche machen zu müssen. Dieses Problem konnte bei Novatec Premium mit Kevlar® gelöst werden. Verantwortlich dafür zeichnet das Werkstoffmix aus Graphit und Kevlar®-Faser, mit dem sich trotz der Verwendung geringster Bindemittelanteile eine Gasleckagerate erzielen läßt, die bei gleichzeitig hoher Druckstandfestigkeit

(t sdE/16/175° = >35 N/mm²) deutlich unter dem Normenwert (Spezifische Leckagerate l2,0 #0,1 mg/s • m ) liegt (Abb. 1 und 2).

Bedingt durch den hohen Anteil an Graphit wird bei Novatec Premium mit Kevlar® eine gegenüber nahezu allen Medien ausgezeichnete Beständigkeit erzielt, was durch Tests in der Chemie eindrucksvoll bestätigt wird. So ist die Dichtung bei der Produktion 60%iger Essigsäure und einer Temperaturbelastung von ca. 100 °C seit nahezu einem halben Jahr ohne Probleme im Einsatz. Die hohe Medienbeständigkeit des Dichtungsmaterials läßt sich verdeutlichen, wenn man bedenkt, daß für Essigsäure in dieser Konzentration sämtliche Rohrleitungen ausschließlich aus Hastalloy statt aus normalem Edelstahl sein dürfen, um eine ausreichende Beständigkeit gewährleisten zu können. Die ausgezeichnete Medienbeständigkeit des Werkstoffs belegen auch Tests mit Acrylsäureester, Benzol und einer Reihe von Benzolderivaten (Abb. 3 und 4).

Den für Dichtungen angegebenen Temperaturwerten seitens der Hersteller liegen oft noch die Bewertungsmaßstäbe für asbesthaltige Werkstoffe zugrunde. Die neuen Normen (z. B. DIN 28090) beziehen sich auf Prüftemperaturen mit einer maximalen Obergrenze von 200 °C. In vielen Anwendungen, wie zum Beispiel als Kesseldichtung oder in Wärmeträgerölen, wäre es jedoch sinnvoll, den Werkstoff einer Prüfung nach bestimmten Mediengruppen und bei Betriebstemperaturen von bis zu 300 °C zu unterziehen, da dies den Praxisgegebenheiten besser entspricht. Der Anwender von Novatec Premium erhält deshalb zusätzlich spezifische Meßergebnisse und Einsatzdiagramme, die in eigenen Testreihen für bestimmte Mediengruppen und Temperaturen festgestellt wurden.

Die Zugfestigkeitseigenschaften des neuen Materials wurden auch mit Hilfe des gebräuchlichen, standardisierten Verfahrens der Einlagerungsprüfung in Heißwasser bei 200 °C ermittelt. Die Werte für Novatec Premium mit Kevlar® liegen mit einem Verlust an Zugfestigkeit von 25 % gegenüber anderen Werkstoffen, wie Asbest/It-Dichtungen (ca. 30 %) oder asbestfreien konventionellen HD-Dichtungen (ca. 45 bis 80 %), deutlich niedriger.

Aus der Praxis ist bekannt, daß sich die Sicherheit der Flanschverbindung in dem Maße erhöht, in dem die Zugfestigkeit des Dichtungsmaterials in Längsrichtung derjenigen in Querrichtung entspricht. Dieser Gleichverteilung der Zugfestigkeit wirkt jedoch der Kalanderprozeß entgegen, der üblicherweise eine Orientierung der Fasern in Längsrichtung und eine nahezu doppelt so starke Zugfestigkeit des Materials in der Längs- wie in der Querrichtung nach sich zieht. Auch in dieser Hinsicht konnten dank des Einsatzes der Kevlar®-Faser sowie eines zusätzlichen Fertigungsschritts erhebliche Fortschritte erzielt werden, was als Ergebnis eine nahezu gleiche Verteilung der Zugfestigkeit in Längs- und Querrichtung und damit eine höhere Sicherheit in der Flanschverbindung bedingt.

Die Anpassungsfähigkeit der Dichtung am Flansch wird von mehreren Faktoren bestimmt. Eine der wesentlichen Einflußgrößen ist die Oberflächenrauhigkeit (Abb. 5). Treffen zum Beispiel ein Wellental der Dichtung und ein Wellental des Flansches zusammen, ist eine Oberflächenleckage die Folge.

Auch die Spannungsverteilung in den Flanschen kann die Anpassungsfähigkeit negativ beeinflussen. Die Spannungsverteilung resultiert dabei nicht nur aus den Schraubenkräften, sondern auch aus der Temperaturverteilung, die sich im Flanschblattquerschnitt zwischen innen und außen ergibt. Mit Novatec Premium mit Kevlar® werden diese beiden Negativeffekte minimiert, was am hohen Anteil von Graphit mit seiner guten Gleit- sowie seiner ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit begründet liegt.

Novatec Premium mit Kevlar® ist nach DVGW, KTW, WRC und BAM sowie für flüssigen Sauerstoff zugelassen. Im Einbau macht sich neben der guten Stanzbarkeit auch eine gute Handhabbarkeit vorteilhaft bemerkbar, was zum Großteil auf die Beimischung der Kevlar®-Faser zurückzuführen ist. Der Lieferumfang reicht bis hin zu großformatigen Platten mit Maximalgrößen von 2 000 x 1 500 mm. Dadurch lassen sich auch große Dichtungen aus einem Stück realisieren. Dank einer serienmäßigen Antihaftbeschichtung wird ein Festkleben der Dichtung am Flansch vermieden.

Der Dichtungswerkstoff Novatec Premium mit Kevlar® verfügt über ein Eigenschaftsprofil, das nicht nur eine deutliche Verbesserung gegenüber bisherigen Hochdruckdichtungsmaterialien verspricht. Dank der besonders hohen Druckstandsfestigkeit, niedrigen Gasleckagewerten, Medien- und Temperaturbeständigkeit sowie einfacherem Handling und gutem Anpassungsvermögen am Flansch, präsentiert sich Novatec Premium mit Kevlar® dem Weiterverarbeiter und Endverbraucher als Dichtungsmaterial, mit dem mehr als 80% aller Anwendungen abgedeckt werden können. Zu den bisherigen Haupteinsatzbereichen zählen Anwendungen in der Chemietechnik, in Gegenwart von Lösemitteln, Säuren, Laugen und Gasen sowie Wärmeträgerölen, und in der Zellstoffgewinnung. Neben der minimierten Verwechslungsgefahr beim Betreiber entsprechend den unterschiedlichen Spezifikationen der Rohrklassen (Medium, Temperatur, Druck) und einer besseren Ausstichverwertung von Reststücken bietet Novatec Premium mit Kevlar® dem Anwender darüber hinaus ein attraktives Preis-Leistungs-Verhältnis.

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