Sicher verbinden

Dipl.-Ing. Dirk Heinrich

Wo Flüssigkeiten, Dämpfe oder Gase schnell und sicher übertragen werden müssen, haben sich Schnellkupplungssysteme bewährt. In der chemischen Industrie sind häufig aggressive, toxische oder hochexplosive Medien im Einsatz. Hier stellen schon geringe Leckagen eine direkte Gefährdung für Mensch und Umwelt dar. Daher muss beim Trennen und Verbinden von Leitungssystemen sichergestellt sein, dass ein unkontrolliertes Entweichen der Medien ausgeschlossen ist. Die technische Herausforderung besteht darin, die Ventile beider Kupplungshälften solange geschlossen zu halten, bis im Kupplungsvorgang eine Abdichtung der Kupplungshälften nach außen erfolgt. Erst dann dürfen sich die Ventile öffnen.

Gleichzeitig finden viele Prozesse bei extremen Temperaturen statt. Um die Produktionsabläufe weiter zu beschleunigen, werden die Prozesstemperaturen in der chemischen Industrie immer weiter nach oben verschoben. Ein Beispiel ist der vermehrte Einsatz von Wärmeträgerölen bei Anlagen und Reaktoren in Temperaturbereichen oberhalb von +300 ºC.

Schon Temperaturen zwischen -40 bis circa +200 ºC stellen hohe Ansprüche an Material und Dichtheit der eingesetzten Einzelteile. Technologisch sollte diese Temperaturbreite heute für jeden Komponentenhersteller beherrschbar sein.

Bei Temperaturen von -50 bis +250 ºC sieht es bereits anders aus. Hier sind Spezialsysteme mit besonderen Dichtungswerkstoffen, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), erforderlich. Diese bieten Temperaturbeständigkeit bei gleichzeitig sehr hoher chemischer Beständigkeit. Die für diesen Temperaturbereich entwickelte TE-Serie hat sich vielfach in unterschiedlichsten Anwendungen der Chemie- und Prozesstechnik bewährt. Extreme Temperaturen erfordern hier besondere technische Lösungen: So sind einige Kupplungen der TE-Serie mit Ringgriffen für ergonomisches und sicheres Arbeiten ausgerüstet. Wichtig für die Anwender ist es, die Wärmebrücken auf die Ringgriffe so gering wie möglich zu halten. Die Ringgriffe sind deshalb über Stehbolzenschrauben an der Verriegelungshülse und am Gehäuse befestigt.

Die TE-Serie eignet sich zudem für den Einsatz im Temperatur-Grenzbereich von herkömmlichen Elastomerdichtungssystemen und wird hier unter anderem erfolgreich in der chemischen Grundstoffherstellung bei Temperaturen von rund +210 ºC eingesetzt. Gilt es, Heißdampf sicher zu verbinden, so kommen schnell weitere sicherheitsrelevante Aspekte zum Tragen: Die DIN 2825 fordert beispielsweise, bei Dampfschlauchleitungen aus Elastomeren beidseitig absperrende Kupplungen einzusetzen, um den Austritt heißer Medien zu verhindern. Ein Spritzeffekt während des Kuppelns und Entkuppelns muss zusätzlich vollständig vermieden werden. Speziell hierfür ist die Dichtungstechnik der TE-Kupplungsarmatur ausgelegt. Gleichzeitig darf die durch ein Abkühlen verursachte Kondensation kein Vakuum im beidseitig verschlossenen Schlauch entstehen lassen, da der ansonsten entstehende Unterdruck den Schlauch durch Blasenbildung zerstören könnte (Popcorneffekt). Nur exakt ausgelegte Ventilfedern, die ein Öffnen der Ventile bei einem bestimmten Unterdruck ermöglichen, können derartige Schlauchbeschädigungen verhindern. Da für Dampfleitungen überwiegend Edelstahl eingesetzt wird, sind auch die passenden Kupplungsarmaturen aus diesem Material gefertigt.

Bei chemischen Prozessen im Hochtemperaturbereich von +250 bis +450 ºC steigen die Anforderungen an die Dichtungstechnik weiter. Der verwendete Stahl und alle weiteren eingesetzten Elemente müssen auf maximale Warmfestigkeit ausgelegt sein. Die hierfür entwickelten Kupplungssysteme kommen auch in der Petrochemie zum Einsatz. Die eingesetzten Festkörperdichtungen sind auch im Niederdruckbereich absolut gasdicht. Selbst bei wiederholtem Kuppeln ist die notwendige Sicherheit garantiert. Vor dem Entkuppeln wird als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme eine Abkühlung oder das Tragen spezieller Schutzkleidung empfohlen.

Um eine größtmögliche Energiezufuhr zu erreichen, werden viele Anlagen mit Wärmeträgerölen in Temperaturbereichen von bis zu +310 ºC betrieben. Bei herkömmlichen Hydraulik-Steckkupplungen treten bei dieser Hitze erhebliche Dichtungsprobleme auf. So blockieren beispielsweise angebackene Rückstände des vercrackten Öls den Mechanismus der Verriegelung oder die Kupplungsdichtsysteme werden durch quellende Dichtringe verklemmt. Die Folge: ein präzises Abdichten beim Entkuppeln bleibt aus, weil Ventile in geöffneter Stellung verbleiben und das Medium unkontrolliert austreten kann.

Gleichzeitig steigen die Sicherheitsstandards. Der Bediener muss vor Verbrühungen geschützt sein. Bei der Entwicklung der bei Wärmeträgerölen eingesetzten Kupplungen (Serie 11 für Nennweiten von 12 bis 19 mm) setzten die Entwickler einen Schwerpunkt auf den automatisch einrastenden Verriegelungsmechanismus: eine unempfindliche, einfach lösbare zweiseitige Klinkenverriegelung mit wärmeisolierten Griffelementen aus warmfestem Kunststoff. Glatte Flächen reduzieren zusätzlich den Reinigungsaufwand.

Im anderen Temperaturextrem, bei ganz kalten Temperaturen bis zu -253 ºC, führt die eisige Kälte zum Verspröden von Werkstoffen und Dichtungsmaterialien. Hier sind die Elastomere im Allgemeinen überfordert und es muss alternative Dichtungstechnik zum Einsatz kommen. Als mögliche Lösung bietet sich ein Dichtungskonzept an, das entweder auf Kunststoff oder auf Metall basiert. So wird bei Prozessen bis -196 °C teilweise mit Kunststoffen gedichtet. Bei Temperaturen von -196 bis -253 °C wird Metall als Dichtungswerkstoff verwendet.

Typische Anwendungen in der chemischen Industrie bei Tieftemperaturen sind die Beförderung oder Lagerung von unterschiedlichen Gasen im Hochdruckbereich sowie von Flüssigkeiten im Niederdruckbereich. So kommen im Tieftemperaturbereich beispielsweise vakuumsuperisolierte Behälter für den Transport und die Lagerung von Stickstoff, Helium, Sauerstoff und Wasserstoff sowie Transferleitungen für die genannten Gase zum Einsatz. Die Aufgabe besteht darin, Flüssigstickstoff aus einem Vorratsbehälter zu einem Probenlagerungsbehälter bei einer Temperatur von -196 ºC durch einen Schlauch zu befördern. Der Druck beträgt zwischen 1,5 bar und 3 bar. Nach Abschluss der Befüllung wird die vereiste Kupplung durch die umgebende Luft aufgetaut und kann dann wieder getrennt werden.

In der Regel wurden diese Trennstellen mittels Verschraubung verbunden. Anwender wünschten jedoch hier den schnellstmöglichen Wechsel der Flüssigstickstoff-Vorratsbehälter bei gleichbleibender Sicherheit.

Während eines Testzeitraums von zwei Monaten kam deshalb eine Schnellverschlusskupplung von Walther-Präzision zum Einsatz. Die Anwender prüften sowohl die Gasdichtheit als auch insbesondere die Temperaturverträglichkeit des neuen Verbindungssystems. Alle Systemtests verliefen positiv. Das Ergebnis: Zeit- und damit Kostenersparnis sowie mehr Flexibilität durch schnellere Wechsel.

In vielen anderen Prozessen im Tieftemperaturbereich vereisen die Kupplungen nicht. Eine Anwendung mit Zukunft ist die Speicherung von Wasserstoff in flüssiger Form. Um Wasserstoff sowohl als Brenngas für die Zukunftstechnologie Brennstoffzelle als auch als Ausgangsprodukt für unterschiedliche industrielle Anwendungen zur Verfügung zu stellen, ist eine Zwischenspeicherung notwendig. Bei einer Temperatur von -253 ºC beansprucht flüssiger Wasserstoff nur noch rund ein Fünftel des Volumens des gasförmigen Zustands. Entscheidend ist hier eine zuverlässige vakuumisolierte Speicherung.

Auch beim Betanken mit Wasserstoff zählen besonders Alltagstauglichkeit, Robustheit und Zuverlässigkeit. Die unter anderem in Wasserstofftanks der Linde AG eingesetzten vakuumisolierten Betankungssysteme von Walther-Präzision verfügen über metallische Dichtungen. Der gesamte Kuppelvorgang wird mit Sensoren überwacht. Damit ist Sicherheit für Mensch und Umwelt während des Kupplungs-, Betankungs- und Entkupplungsprozesses gewährleistet. Auch ist durch die Vakuumisolierung der Medienleitung eine Vereisung des Systems innerhalb der Kupplung ausgeschlossen.

Online-Info www.cav.de/0809458