Fast 30 Jahre Praxiseinsatz und kein bisschen müde. PVDF-Kunststoffrohrleitungen ohne Korrosion, Brüchigkeit oder Rissbildung

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1 Referenzartikel Global Communications Georg Fischer Piping Systems Ltd Schaffhausen Switzerland Ralph Schreiber Public & Media Relations Manager Tel +41 (0) Fax +41 (0) Mobile +41 (0) Schaffhausen, 31. März 2009 Fast 30 Jahre Praxiseinsatz und kein bisschen müde PVDF-Kunststoffrohrleitungen ohne Korrosion, Brüchigkeit oder Rissbildung Im ersten Quartal 2008 wurde der Betrieb im Stahlbeizwerk Sandvik Materials Technology AB, Schweden eingestellt. Das unabhängige schwedische Institut Swerea Kimab nutzte die Aufgabe des Werks zur Durchführung einer Praxisstudie über die Beschaffenheit von PVDF-Rohrleitungen, die fast 30 Jahre zum Transport von Flusssäure, Salzsäure und Salpetersäure dienten. Die Tests verfolgten das Ziel, Erkenntnisse über den Korrosionsstatus sowie die mögliche Korrosion der dazugehörigen Verbindungen von Kunststoffrohren nach einem langen Praxiseinsatz zu erhalten. In einer umfangreichen Testreihe wurde neben der Korrosionsbeständigkeit auch das Langzeit-Verhalten des Werkstoffs geprüft. Die Untersuchung umfasste visuelle und mikroskopische Studien, Mikrotom-Schnitte, thermische Analysen, mechanische Tests und eine Schätzung der Restspannung. Um die gewonnenen Ergebnisse werten zu können, wurden die gewonnen Daten mit dem eines fabrikneuen PVDF- Rohres von GF Piping Systems verglichen. Darüber hinaus wurden der Status der Muffenschweissungen sowie die durchgeführten Schweissarbeiten der 30 Jahre alten Rohre begutachtet.

2 PVDF ideal für extreme Einsätze In Stahlbeizbetrieben sind Rohrleitungssysteme durch den Transport aggressiver Medien hohen Belastungen ausgesetzt. Bei der Planung scheiden deshalb viele metallische Werkstoffe von Anfang an aus, da diese unbeständig gegenüber hochkonzentrierten Säuren sind. Lediglich einige Edelmetalle (Gold, Platin), hoch legierte Stähle oder spezielle Nichteisen-Legierungen eignen sich für diesen Einsatzbereich. Hingegen weisen PVC-U-, PVC-C- oder PVDF-Rohre auch beim Transport von Schwefelsäure, Flusssäure oder Salzsäure eine sehr gute Beständigkeit auf. GF Piping Systems nennt für seine Rohre und Fittings eine Nutzungsdauer von 25 Jahren. Einsatzumgebung der Rohrleitungen Sandvik Materials Technology AB, Schweden nutzte von 1978 an drei parallel verlegte PVDF-Rohrleitungen von GF Piping Systems zum Transport von konzentrierter Flusssäure (wt 71-75%), Salpetersäure (wt 68%) und Schwefelsäure (wt 96%). Im Dezember 2007 wurden die Leitungen für Salpetersäure und Flusssäure stillgelegt, aber nicht demontiert. Die Schwefelsäure-Leitung war bereits zehn Jahre zuvor ausser Betrieb gesetzt worden, wurde jedoch erst 2008 zusammen mit den anderen Leitungen abgebaut. Die PVDF-Rohre waren extern verlegt und je nach Jahreszeit einer Umgebungstemperatur ausgesetzt, die zwischen -20º C und +40º Celsius schwankt. Sie standen unter einer täglich mehrfachen Druckbelastung von 2-3 bar. Die Leitungen in dem Stahlbeizwerk wurden aus dem PVDF-Material Sygef von GF Piping Systems gefertigt und mit Muffenschweissung verbunden. Sygef wird aufgrund seiner ausgezeichneten chemischen Beständigkeit häufig für Chemikalienverteilungssysteme verwendet. Sygef ist frei von Zusätzen, Farbstoffen oder Stabilisatoren. Die Druckbewertung der PVDF-Rohrleitungen beträgt 16 bar (PN16) bei einem Durchmesser von 40 mm und einer Wandstärke von 2,5 mm. Bevor die Rohre entfernt wurden, entnahmen die Mitarbeiter von Swerea Kimab für das Testverfahren je Leitung zehn Meter Rohrmaterial mit Schweissverbindung und Bögen. 2

3 Visuelle und mikroskopische Prüfungen Bei der visuellen Kontrolle wiesen PVDF-Rohre, durch die Flusssäure oder Schwefelsäure transportiert wurden, keine Anzeichen von Korrosion auf, d.h. keine Oberflächenbeeinträchtigungen, keine Bläschen oder Ablösungen, keine Schwellungen waren ersichtlich. Lediglich leichte bräunliche Verfärbungen wiesen die Rohrleitungen für Fluss- und Schwefelsäure auf. Die Verfärbungen waren gleichmässig über die Rohrlänge verteilt, wobei die Säurepermeation bei Schwefelsäure in eine Tiefe von 0,2 mm reichte. Die Verfärbungen sind auf eine chemische Reaktion der Säure mit den Polymeren zurück zu führen. Rohrleitungen, die Salpetersäure ausgesetzt waren, zeigten hingegen keine Verfärbungen. Auch die mikroskopischen Untersuchungen konnten keine Anzeichen von Korrosion erkennen. Thermische Analyse Die auf Basis einer dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) durchgeführten Test von Schmelzpunkt und Kristallisierung zeigten, dass es keine signifikanten Unterschiede zwischen Einzelproben aus dem Rohrinneren und der Hauptmasse der Testrohre zu verzeichnen gab. Auch die Kristallinität zeigte keine Degeneration der Polymerketten. Dies deutet darauf hin, dass das PVDF-Material durch den Säurekontakt in dem Einsatzzeitraum von Jahren nicht nachgelassen hat. Ebenso wurden keine Unterschiede zwischen extern und intern verlegten Rohren festgestellt. Mechanische Prüfungen: Zugbelastung und Schlagzähigkeit Die Überprüfung der Zugbelastungen bei Raumtemperatur aller drei PVDF-Rohre und dem neuen Vergleichsrohr liess keine gravierenden Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften erkennen. Dieses Ergebnis stimmt mit den Ergebnissen der thermischen Analyse und den Mikrotom-Schnitten überein, wonach keine oder nur eine geringfügige Degeneration der eingesetzten PVDF-Rohre von GF Piping Systems stattfand. Der Schlagzähigkeitstest wurde in einem Raum durchgeführt, dessen Temperatur den Vorschriften der ISO Norm 179 entspricht. Je sechs Testexemplare wurden von jedem der drei Rohre getestet. Keine der Proben zeigte in dem Schlagzähigkeitstest irgendein Brüchigkeitsverhalten. 3

4 Untersuchte Schweissverbindungen Bei der Untersuchung der alten Schweissverbindungen stand auch die Frage nach dem Schweissen mit altem Rohrmaterial im Blickpunkt. Inwieweit lässt sich durch Säure penetriertes Material bei Reparatur- und Wartungsarbeiten noch sicher schweissen? Entsprechende Teilstücke der drei PVDF-Rohre wurden zu einem auf Säuretechnologie spezialisierten schwedischen Unternehmen geschickt. Deren Urteil fiel für alle drei Rohrstücke beim untersuchten IR-Stumpfschweissverfahren ähnlich positiv aus: mit leichtem Andruck war die jeweilige Schweissqualität durchweg gut. Lediglich bei der Flusssäure setzte im Schweissbereich eine leichte Blasenbildung ein. In den Muffen-Schweissverbindungen, die bei Rohren für Flusssäure und Salpetersäure eingesetzt wurden, konnte keine Rissbildung festgestellt werden. In den untersuchten Muffenverbindungsstellen, die Schwefelsäure ausgesetzt waren, wurden allerdings Risse in allen Muffen festgestellt. Es ist bekannt, dass Schwefelsäure beim Muffenschweissverfahren diese Folgen hervorruft. Die untersuchten Risse sind bis zu zwei Millimeter tief und stellen eine bedingte Schwächung der Komponente dar, ohne allerdings in 20 Jahren, bei einem Betriebsdruck von 2-3 bar, die Sicherheit gefährdet zu haben. Ein Plus an Sicherheit für Rohrleitungen, die zum Transport aggressiver Medien eingesetzt werden, bietet auch das von GF Piping Systems entwickelte WNF-Schweissverfahren (wulst- und nutfreies Schweissverfahren). Diese spannungsarme Verbindungstechnik wird von Fachleuten geschätzt und hat sich in der Praxis vielfach bewährt. Zudem wurde bei den Muffenverbindungen im Flusssäurebereich eine 6,5 mm tiefe Frontverfärbung festgestellt. In der Annahme, dass dies ein Zeichen der Permeation ist, lässt sich hierfür eine durchschnittliche Permeation von 1,2 mm pro Jahr errechnen (nach Fick`sches Gesetz). Grundsätzlich aber hat sich das Muffenschweissverfahren bei der Herstellung von Rohrleitungen bewährt, die beispielsweise zum Transport von Flusssäure oder Salpetersäure eingesetzt werden. 4

5 Fazit Die umfangreichen Prüfungen durch das schwedische Institut Swerea Kimab ergaben, dass PVDF-Rohre von GF Piping Systems auch nach mehr als 20 Jahren Einsatz unter härtesten Bedingungen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit besitzen. Bei den untersuchten Rohren konnten ausser leichten Verfärbungen des Rohrmaterials keine Anzeichen für Korrosion, Rissbildung oder Brüchigkeit festgestellt werden. Darüber hinaus wurden auch bei Mikrotom-Schnitten der Rohrwände keine Hinweise auf lokale Brüchigkeiten des Materials beobachtet. Da Chemikalien bei entsprechenden Temperaturen oder Druckverhältnissen Spaltungen oder Trennungen von Makromolekülketten bewirken können, war es wichtig, die molekulare Struktur der Rohre zu prüfen, auch wenn sich keine signifikante Degeneration des Materials während des Einsatzzeitraums ergeben hat. Die mechanischen Eigenschaften der Rohre haben sich auch im Laufe des langen Praxiseinsatzes nicht verändert. Dieses Ergebnis stimmt mit den Resultaten der thermischen Analyse überein, nach der keine signifikante oder nicht wesentliche Degeneration stattgefunden hat. Generell empfahl das Swerea Kimab aufgrund der Untersuchungsergebnisse das Muffenschweissen als bevorzugtes Schweissverfahren für PVDF-Rohre. In der Annahme, dass die Betriebsbedingungen konstant geblieben wären wie in den Jahren zuvor, lassen die Daten über das Kriechverhalten des PVDF den Schluss zu, dass die untersuchten Rohre für einen weitaus längeren Einsatzzeitraum bei einem Sicherheitsfaktor von 2.8 oder höher prädestiniert waren. Autor: Hans-Jörg Sommer, Head of Chemical / Mechanical Advises and Claims, GF Piping Systems, Schaffhausen (Schweiz) Quelle: Swerea Kimab, Stockholm (Schweden) 5

6 Swerea Kimab ist ein Forschungsinstitut in Schweden mit insgesamt 140 Mitarbeitern. Forschung und Entwicklung finden in enger Zusammenarbeit mit schwedischen und internationalen Unternehmen aus verschiedenen Industriebereichen wie Kunststoff, Stahl, Metall, Elektronik, Papier, Kraftfahrzeug, Produktion und Energie statt. Das Departement Polymer bei Swerea Kimab kann auf mehr als 25 Jahre Erfahrung in der Korrosionsforschung bei Polymeren zurückblicken. Weitere Informationen: Georg Fischer Adding Quality to People s Lives GF Piping Systems ist eine von drei Unternehmensgruppen des Konzerns Georg Fischer und ein führender Anbieter von Rohrleitungssystemen aus Kunststoff und Metall mit weltweiter Marktpräsenz. Für die Aufbereitung und Verteilung von Wasser sowie den sicheren Transport von Flüssigkeiten und Gasen im industriellen Bereich sind Verbindungstechnologien, Fittings, Armaturen, Sensoren und Rohre im Portfolio. GF Piping Systems bietet innovative, technische führende Lösungen in den Segmenten Haustechnik, Chemische Prozessindustrie, Cooling, Life Science, Mikroelektronik, Schiffbau, Wasser- und Gasversorgung sowie Wasseraufbereitung. Verkaufsgesellschaften in mehr als 25 Ländern und Repräsentanzen in weiteren 80 Ländern garantieren einen Kundenservice rund um die Uhr. Produktionsstätten in Europa, Asien und in den USA sind kundennah und erfüllen lokale Anforderungen. Der Hauptsitz von Georg Fischer ist seit der Gründung im Jahr 1802 in Schaffhausen, Schweiz. Kennzahlen GF Piping Systems 2008 Mehr als Mitarbeiter weltweit (Stand 31. Dezember 2008) 1224 MCHF Umsatz 122 MCHF EBIT Weitere Informationen finden Sie unter 6