Druckstandfeste PTFE-Materialien für schmalrandige Dichtungen

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1 Druckstandfeste PTFE-Materialien für schmalrandige Dichtungen Dipl.-Ing. Norbert Weimer KLINGER GmbH 1. Übersicht Der Beitrag befasst sich mit den spezifischen Anforderungen von Dichtverbindungen mit schmalrandigen Dichtungen, die millionenfach z.b. bei Verschraubungen auftreten. Obwohl diese Verbindungen schon seit vielen Jahrzehnten im Einsatz sind, gibt es immer wieder Probleme in verschiedenen Anwendungsbereichen. Die Anwendungen findet man im Sanitärbereich, d.h. im Einsatz bei Wasser als Medium und einem Temperaturbereich bis ca. 85 C. Ab er auch bei Gasversorgungen werden Verschraubungen eingesetzt. Im Anlagen- und Maschinenbau sind Versorgungsleitungen für Wasser, Stickstoff, Sauerstoff, Brenngase aber auch Öl und Heiz- bzw. Kühlmedien oft durch Verschraubungen angeschlossen. Sonnenkollektoren, bei denen Temperaturen des Wärmeträgermediums 180 C übersteigen können, werden unter anderem auch über Verschraubungen mit dem Rohrsystem verbunden. Flachdichtende Verschraubungen sind demnach den unterschiedlichsten Medien, Temperaturen und Belastungen ausgesetzt. 2. Das Verhalten einer flachdichtenden Verschraubung Es können zwei unterschiedliche Varianten von Verschraubungen betrachtet werden: Verbindung eines Spitzendes mit einem Muffenende durch einschrauben, bei dem beide Dichtflächen während des Verschraubens gegeneinander verdreht werden

2 Verbindung von zwei Bauteilen mit flachen Dichtflächen über eine Überwurfmutter, bei dem durch gegenhalten ein Verdrehen der beiden Dichtflächen reduziert bzw. verhindert werden kann (Bild 1). Bild 1: Typische Verschraubung / typical screw-connection Beiden Verbindungstypen gemeinsam ist das relativ starre Verhalten der Verbindung. Erklären kann man dies am besten mit einem Gegenbeispiel, einer Flanschverbindung (Bild 2), bei der die langen Schrauben und die Flanschteller eine Federwirkung besitzen. Bild 2: Flanschverbindung mit federnden Bauteilen / flange connection with elastic parts Dieses Federverhalten führt dazu, daß im Falle eines Dickenverlustes der Dichtung (z.b. durch warmsetzen) die Flächenpressung und damit die Dichtwirkung und die mechanische Stabilität der Verbindung in gewissem Umfang aufrecht erhalten wird. Bei einer Verschraubung kann als federndes Element lediglich nur das Rohrstück oder der Teil der Überwurfmutter angesehen werden, das unter Zugspannung steht.

3 Hierbei wird klar, daß es sich nur um Bauteillängen von wenigen Millimetern handeln kann. In der folgenden Abbildung (Bild 3) ist zu erkennen, daß die Länge der unter Zugspannung stehende Teil lediglich in etwa der Dichtungsdicke plus den Bund des rechten Anschlussstückes besitzt. Auch die Bundauflage der Überwurfmutter kann etwas federn. Bild 3: federnde Bauteillänge einer Verschraubung / elastic length in a screw-connection In der Praxis stehen also nur sehr geringen Ausgleichsmöglichkeiten für einen eventuellen Dickenverlust zur Verfügung. Ein weiteres Problem bei Verschraubungen stellt die Dichtungsbreite dar. Teilweise ist als reelle Dichtbreite nur die Wandstärke des Bauteils (Rohr) vorhanden. Breiter gestanzte Dichtringe spiegeln hier nur Sicherheit vor, je nach Bauteil kann es zum zerschneiden der Dichtung bei der Montage kommen. Drehbewegungen bei der Montage können zudem noch zu erheblichen Schubspannungen in den Dichtringen führen.

4 Die Montage selbst wird sehr oft mit Rohrzangen durchgeführt, so daß mit einem definierten Anzugsmoment nicht zu rechnen ist und sehr unterschiedliche Kräfte auftreten können. 3. Anforderungen an das Dichtungsmaterial Durch die oben genannten Belastungsarten ergeben sich besondere Anforderungen an das Dichtungsmaterial, unter Anderem: geringes Setzverhalten, auch bei Temperaturbelastung, um die Dichtkräfte aufrecht zu erhalten Randstabilität wegen der ungünstigen Ringbreiten (Dicken- / Breitenverhältnis) Schubfestigkeit bzw. Gleiteigenschaften wegen der möglichen relativbewegungen der Dichtflächen während der Montage außerdem: muß sich das Dichtungsmaterial an die Oberflächen der Dichtpartner (üblich sind metallische Oberflächen) anpassen können, damit an den Berührungsflächen keine Leckagen entstehen muß eine Querschnittsdichtheit vorhanden sein, damit auch dieser Leckageweg ausgeschlossen ist 4. Der Dichtvorgang Bei den üblicherweise verwendeten Flachdichtungen aus Faserweichstoffen (Füllstoffe, Fasern, Elastomer als Binder) geht der Dichtvorgang folgendermaßen von statten: Die Dichtung wird gepresst sie passt sich an die Oberflächen der Dichtpartner an und dichtet an den Berührungsflächen ab der Querschnitt der Dichtung wird dabei unter mechanische Spannung gesetzt und die vorhandenen Kapillaren und Hohlräume werden geschlossen dieser Vorgang braucht aber eine gewisse Zeit und geht mit einem Dickenverlust der Dichtung einher beim ersten aufheizen wird das Dichtungsmaterial nochmals etwas weicher und setzt sich erneut mit zusätzlichem Dickenverlust Sind also höhere Anforderungen an die Sicherheit der Verschraubung auch unter Temperatur- und Zeitdaueraspekten zu stellen, so sind die Standardmaterialien nicht mehr in der Lage diesen Anforderungen zu entsprechen.

5 5. Alternativen Welche Dichtungen stellen eine Alternative dar und wie sind sie zu bewerten? Dichtringe aus Gummi sie sind sehr Querschnittsdicht und haben eine hervorragende Anpassungsfähigkeit, besitzen aber zu geringe Stabilität für höhere Anforderungen bezüglich Temperatur und Verschraubungskräfte Dichtringe aus Metall sie sind sehr stabil und Querschnittsdicht, besitzen aber zu geringe Anpassungsfähigkeit für die Dichtflächen Dichtringe aus Reingraphit sie besitzen eine sehr gute Anpassungsfähigkeit, sind aber zu empfindlich beim Einbau, vertragen keine ungünstigen Dicken/Breiten-Verhältnisse Dichtringe aus PTFE sie besitzen eine sehr gute Anpassungsfähigkeit, sehr gute Querschnittsdichtheit, sehr gute Verarbeitbarkeit, aber Standardmaterialien zeigen noch zu starke Fließeigenschaften. Damit stehen die Chancen für PTFE-Dichtungen recht gut, wenn das Problem der Fliesseigenschaften gelöst wäre. Um dieses Verhalten des Fliessens zu bewerten, können folgende Eigenschaften und Messwerte dienen: Kompressibilität Restflächenpressung auf der Dichtung nach Temperaturzyklen Wir können Untergruppen entsprechend der Kompressibilität einzuteilen. Hierbei bietet sich folgende Einteilung an: Kompressibilität < ca. 3% High grade PTFE sehr gut geeignet Kompressibilität ca % Medium grade PTFE bedingt geeignet Kompressibilität ca % Soft PTFE kaum geeignet Kompressibilität > ca. 50 % Expanded PTFE nicht geeignet Die noch vorhandene Restflächenpressung nach Temperaturzyklen ist ein Maß für die Langzeitstabilität von Dichtungsmaterialien. Würde ein Dichtungsmaterial weiterhin fließen, so sinkt die Restflächenpressung.

6 6. Erfahrungen in der praktischen Anwendung Ein Anwender eines High-Grade-Materials hat für die Auswahl des richtigen Dichtungsmaterials einigen Prüfaufwand getrieben und war so freundlich, uns die Ergebnisse zur Verfügung zu stellen. Die Anwendung kommt in diesem Fall aus dem Bereich der Chemiepumpen. Entlüftungs- und Entleerungsstopfen in diesen Pumpen sind meist mit schmalrandigen Dichtungen versehen (Bild 4). Weil die Dichtungswerkstoffe jedoch universell im Chemiebereich eingesetzt werden sollen, ist PTFE die richtige Basis. Bild 4: Chemiepumpe mit Belüftungs- und Entleerungsstopfen / chemical pump with plugs for venting and draining Daher entschied man sich, gängige PTFE-Materialien zu prüfen. Versuchsaufbau: ungekammerte Flachdichtung 120 x 112 mm, Anzugsmoment 40 Nm entsprechend 15,8 N/mm² Versuchszyklus: 5 Temperaturzyklen von C übe r insgesamt 110 Stunden Messwerte: Dicke der Dichtung vor und nach dem Messzyklus und verbleibendes Restdrehmoment Die Messergebnisse sind in den untenstehenden Diagrammen zusammengefasst. Zu beachten ist, daß keine gleichen Materialdicken zur Verfügung standen. Daher wurden die Ergebnisse auf eine Dicke von 1 mm linear normiert. Die Ausgangsdicken sind zur Information aufgelistet.

7 Im ersten Diagramm (Bild 5) ist ersichtlich, daß nach den Temperaturzyklen nur das High-Grade-Material kaum einen Dickenverlust aufgewiesen hat. Ergebnisse Dickenverlust in % / result thickness loss in % 50,00 45,00 nach Einbau normiert auf 1mm Dicke (linear) /after mounting standardised to 1mm thickness (linear) nach Testzyklus normiert auf 1mm Dicke (nur warmverf.) / after testcycle standardused to 1mm thickness (only hot compression) 40,00 35,00 30,00 % 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 Material 1 Material 2 Material 3 Material 4 Material 5 Material 6 Material 7 High-Grade- Material Material 8 Material 9 Bild 5: Ergebnisse Dickenverlust / results thickness loss 70,00 60,00 Verlust an Drehmoment, normiert auf 1 mm Dicke (linear) / loss of torque, standardised to 1 mm thickness (linear) 50,00 40,00 % 30,00 20,00 10,00 0,00 1,4 1,2 1 0,8 mm 0,6 0,4 0,2 0 Material 1 Material 2 Material 3 Material 4 Material 5 Material 6 Material 7 High-Grade- Material Ausgangsdicke (zur Information) / origin thickness (for information) 1,11 1,11 1,1 1,03 1,03 1,04 0,85 0,7 0,49 Material 8 Material 9 1,24 Bild 6: Drehmomentverlust und Ausgangsdicke / loss of torque and initial thickness

8 Aus dem Diagramm zum Verlust an Drehmoment (Bild 6) ist zu erkennen, daß durch den geringen Dickenverlust während der Temperaturzyklen auch der Verlust am Drehmoment am geringsten ist. Zu bemerken ist, daß die lineare Normierung der Ergebnisse über die Dicke nicht exakt der Realität entspricht und dünnere Ausgangsdicken immer noch besser bewertet werden. Da das High-Grade-Material zu den dickeren Materialien gehört, sind die Ergebnisse daher besonders positiv zu beurteilen. In der Realität werden aus Montagegründen meist Dichtungen in 2 mm und 3mm Dicke eingesetzt, wie bei der Chemiepumpe unter den Schraubenstopfen (Bild 7), so daß die Bedeutung der Ergebnisse und die Unterschiede zwischen den Materialien noch ausgeprägter sind. Bild 7: Stopfen mit Dichtring, Querschnitt 2,1 mm Breite und 2,0mm Dicke / plug with gasket ring, cross section 2,1 mm width and 2,0 mm thickness Die Prüfergebnisse haben eindeutig gezeigt, daß für die Stopfendichtungen, deren Querschnitt ca. 2 x 2 mm beträgt, nur ein Dichtungsmaterial mit den Eigenschaften eines High-Grade-Materials in Frage kommt, weil es in der Lage ist, die Restflächenpressung aufrecht zu erhalten. 7. Weitere Anwendungen des hochbelastbaren PTFE-Materials bei Verschraubungen Außer in dem oben beschriebenen Beispiel haben sich die besonderen Vorteile des Materials noch bei weiteren Anwendungen bewährt: In Fernwärmeverteilstationen eines namhaften deutschen Energielieferanten werden die Verschraubungen nur noch mit dem High-Grade-PTFE-Material abgedichtet. Nach 3 Jahren Testphase und nun über 10 Jahren Erfahrung sind die Erfahrungen so positiv, daß man dort keine Risiken mehr eingeht. Früher inspizierte Servicepersonal einmal im Jahr alle Stationen im Verteilnetz und

9 mussten regelmäßig Verschraubungen nachziehen. Als man dann auf vollisolierte Stationen umbauen und die Inspektionsintervalle auf 5 Jahre verlängern wollte, war die Unsicherheit groß eventuelle Leckagen nicht rechtzeitig zu entdecken. Daher wurden verschiedenste Lösungen geprüft und das PTFE-Material dann eingesetzt. Bei Sonnenkollektoranlagen sind die Verschraubungen teilweise sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Auch hier hat sich die Stabilität des Dichtungsmaterials bei den kritischen Bedingungen in der Verschraubung bewährt. Vor allem die Temperaturwechselbeständigkeit und das Fehlen von Materialalterung sind zusätzlich zur Stabilität der Verschraubung maßgebende Faktoren für den Einsatz des Materials. Die bisherigen Erfahrungen zeigen, daß mit leistungsfähigen Dichtungsmaterialien auf der Basis von druckstandfesten PTFE-Dichtungsmaterialien die Einsatzgrenzen von flachdichtenden Verschraubungen erweitert und höhere Betriebssicherheiten erzeugt werden können.