Molchbare 3-Wege-Weiche mit höherer Lebensdauer

Harald Probst, Erik Peters, Reinhard Bendokat

Unter Molchen versteht man das Durchfahren einer Rohleitung mittels eines Laufkörpers, um die Rohrleitung zu reinigen, zu inspizieren oder um verschiedene Produkte einer Produktfamilie, die nacheinander durch eine einzige Rohrleitung transportiert werden, zu trennen. Weichen haben die Aufgabe, Produkt und Molch zu verzweigen. Zu den wichtigsten Armaturentypen für diese Aufgabe gehört die 3-Wege-Weiche. Sie ist für Produkte einsetzbar, die keine Vermischung oder nur geringe Kontamination erlauben und besitzt ein Küken in Zylinderform. Alle drei Schaltstellungen sind möglich, d.h. Produktströme können in drei Richtungen umgeleitet werden. Das zylinderförmige Küken ist allseitig von Kunststoff umschlossen.

Der Molch selbst kann kugelförmig, länglich oder aus einer Kombination dieser Geometrien bestehen. Als Treibmittel können Gase oder Flüssigkeiten, beispielsweise ein Spülmittel, eingesetzt werden. Speziell bei langen Rohrleitungen, bei Mehrproduktanlagen oder bei Chargenfahrweise machen sich die wirtschaftlichen Vorteile der Molchtechnik besonders bemerkbar.

Die Standard-3-Wege-Weiche besteht aus mehreren Komponenten (Abb. 1). Neben dem Gehäuse mit drei zentrierbaren Anschlussflanschen, der oberen und unteren Abdeckung und dem Küken sind noch ein zwischen Gehäuse und Küken eingelegtes PTFE-Dichtungselement (Inliner) und der pneumatische Antrieb vorhanden. Aus der betrieblichen Praxis des Einsatzes der Standardweichen sind folgende Problemfälle bekannt:

• Das zu fördernde Produkt setzt sich in allen Hohlräumen ab, insbesondere zwischen Gehäuse, PTFE-Inliner und Küken.

• Die Weiche ist den aggressiven Medien direkt ausgesetzt, was Korrosion, Verschleiß und Schwergängigkeit bis hin zum Blockieren mit Funktionsausfall zur Folge hat.

• Die Folgekosten eines Funktionsausfalls sind oftmals sehr hoch (Anlagenstillstand, Aus- und Einbau, Lagerkosten für kritische Ersatzteile, Zusatzteile, blockierter Schiffsanlegeplatz, verzögerte Abfertigung, verspätete Auslieferung, etc.).

PFA-Fluorthermoplaste haben eine hohe Dauergebrauchstemperatur von über 250 °C (Abb. 2), eine sehr große chemische Beständigkeit und eine geringe Permeation (Abb. 3). Darüber hinaus verfügt der Kunststoff über eine hohe Reinheit, gute elektrische Isoliereigenschaften und Nichtbrennbarkeit. Aufgrund dieser Eigenschaften werden PFA-Fluorthermoplaste hauptsächlich für Auskleidung von Armaturen, im chemischen Apparatebau, für Schläuche von Rauchgasentschwefelungsanlagen und für Kolonnenfüllkörper eingesetzt.

Bei der 3-Wege-Weiche mit PFA-Auskleidung lässt sich im Gegensatz zu den bisherigen PTFE-Inlinern ein gänzlich anderes Konzept realisieren (Abb. 4). Eine besondere Rolle kommt dabei dem thermoplastisch verarbeitbaren Fluorkunststoff PFA zu, der speziell bei Medien mit problematischem Polymerisationsverhalten oder bei aushärtenden und verklebenden Medien seine Stärken hat. Das Fluorthermoplast PFA ist ein teilkristallines Copolymer, bestehend aus Tetrafluorethylen und Perfluoropropylvinylether. Es wurde entwickelt, um die Verarbeitungs- und Anwendungsmöglichkeiten des klassischen PTFE zu erweitern. PFA behält die außergewöhnlichen Eigenschaften von PTFE weitgehend bei und lässt sich nach konventionellen Methoden verarbeiten.

Um beste Endeigenschaften in der chemischen Industrie zu erzielen, wird ein besonders hochmolekulares, schwerfließendes Polymer eingesetzt. Aufgrund des hohen Molekulargewichts liegen die für die Verarbeitung bestimmenden Schergeschwindigkeiten sehr tief und erfordern deshalb das Transfer-Moulding-Verarbeitungsverfahren. Hierbei haben Schmelze und Form die gleiche Temperatur. Neben dem Aspekt, dass die Auskleidung wenig Materialspannung aufweist, hat das Transfer-Moulding den Vorteil, dass es keine Schweißnähte gibt. Da die ganze Auskleidung aus einem Stück besteht, gibt es keine Angriffsfläche für Verunreinigungen oder Chemikalien.

Zum Aufbringen der PFA-Schicht wird das auszukleidende Konstruktionsteil in einem Werkzeug fixiert. Das Werkzeug ist so gestaltet, dass zwischen den Werkzeug- und Konstruktionsteilflächen Hohlräume entstehen, die durch die PFA-Schmelze ausgefüllt werden.

In Abhängigkeit von der Länge der Fließwege und des Melt-Flow-Index MFI des PFA’s müssen die Fließquerschnitte so gewählt werden, dass eine vollständige Füllung der Form vor Erstarrung der Schmelze sichergestellt ist.

Das Werkzeug mit dem auszukleidenden Teil wird in einem Umluftofen über mehrere Stunden auf Temperaturen von bis zu 380 °C gebracht. Das PFA-Granulat wird in separaten metallischen zylindrischen Tiegeln aufgeschmolzen. Unter einer hydraulischen Presse wird der Schmelztiegel auf das Werkzeug gesetzt und das PFA bei Drücken von bis zu 200 bar eingespritzt. Sobald die Kavität vollständig gefüllt ist, setzt ein der Teilegeometrie angepasster Kühlzyklus ein. Das PFA wird hierbei weiter unter Druck gehalten. So ist es möglich, den Schrumpf in der Form durch Nachdrücken der noch nicht erstarrten PFA-Schmelze im Tiegel zu reduzieren und stärkere Einfallstellen an der Auskleidung zu vermeiden.

Sobald die PFA-Schmelze vollständig erstarrt ist, wird das Werkzeug demontiert. Vor der weiteren Bearbeitung der Auskleidung wird mit einem Durchschlagsprüfgerät bei einer Spannung von 15 000 bis 25 000 kV getestet, ob Mikrorisse oder Lunker vorhanden sind.

In die Weiche muss ein PFA-Volumen von ca. 5000 cm³ transferiert werden. Dies entspricht einem Schussgewicht von rund 11 kg. Zur Bewältigung dieses großen Volumens müssen nacheinander mehrere Schmelztiegel auf das Auskleidungswerkzeug aufgesetzt und eingespritzt werden.

Zum mechanischen Verbinden der PFA-Auskleidung mit dem metallischen Grundkörper eignen sich Schwalbenschwanznuten im Metall besonders gut. Die zusätzliche mechanische Verankerung reduziert das Abschrumpfen der Auskleidung vom metallischen Träger. Vor allem im zylindrischen Kükenbereich der 3-Wege-Weiche sind eine Vielzahl von Schwalbenschwanznuten erforderlich. In diesem Bereich ergibt sich allerdings eine Welligkeit der Oberfläche, da das PFA-Material zwischen zwei Nuten stärker abhebt als direkt über der Schwalbenschwanz-Verankerung. Eine spangebende Bearbeitung des PFAs ist somit unvermeidbar, um eine unkontrollierbare Entstehung von umlaufenden Vertiefungen und Undichtigkeit ausschließen zu können.

3-Wege-Weiche:E cav 230

PFA-Kunststoff:E cav 231

Verarbeitungsverfahren:E cav 232