Passendes Dichtungskonzept steigert Prozesssicherheit. Neue PTFE-Dichtung bei Absperrklappe von GF Piping Systems

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1 Fachartikel Georg Fischer Piping Systems Ltd Schaffhausen Switzerland Ralph Schreiber Public & Media Relations Manager Tel +41 (0) Fax +41 (0) Mobile +41 (0) Schaffhausen, 26. März 2009 Passendes Dichtungskonzept steigert Prozesssicherheit Neue PTFE-Dichtung bei Absperrklappe von GF Piping Systems In der chemischen Prozessindustrie, aber auch in anderen Anwendungen, kommen Armaturen sehr oft mit hoch aggressiven Medien in Kontakt. Hierbei zeigen sich schnell die Vor- und Nachteile bzw. Probleme der verwendeten Armaturenwerkstoffe. Gerade im Dichtungsbereich entscheidet sich die Frage nach Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der eingesetzten Armaturen. Bei allen verwendeten Werkstoffen sind dabei grundlegende Faktoren wie chemische Beständigkeit, Korrosionsresistenz, Temperaturbeständigkeit sowie Permeationsrate zu berücksichtigen. Diese Einflussfaktoren verschärfen sich mit steigender Konzentration der Medien und höheren Temperaturen. Als äusserst kritisch erweisen sich auch immer wieder Mischsäuren oder auch Reinigungsprozesse. Absperrklappen in der CPI Heute werden immer noch vorwiegend PTFE-ausgekleidete Metallabsperrklappen in der Chemischen Prozessindustrie eingesetzt. Kunststoffabsperrklappen konnten bislang ihr Potenzial in der CPI nicht voll ausspielen, weil Thermoplastabsperrklappen bislang am Markt nicht mit PTFE-Dichtungen verfügbar waren. Gerade hierfür wurden die Kunststoffabsperrklappen vom Typ 567/568 mit PTFE-Dichtung von Georg Fischer Piping Systems entwickelt. Somit entsteht ein homogenes Kunststoffrohrlei-

2 tungssystem, in dem die Armatur allen Anforderungen aus der CPI bei aggressiven Medien entspricht. Materialverwendung bei Absperrklappen Im Wesentlichen werden für Absperrklappen Metalle wie z.b. Sphäroguss, Edelstahl, Hastelloy oder Titan (Gehäuse, Teller und Achsen), Duroplaste (Gehäuse), Thermoplaste (Gehäuse und Tellerummantelung), PTFE (Dichtung) sowie Elastomere (Dichtung und Manschetten) verwendet. Die metallischen Werkstoffe kommen zwar in der Regel bei Anwendungen in der CPI nicht direkt mit dem Medium in Kontakt, da Metallteile wie Gehäuse oder Klappenteller mit PTFE, PFA oder Elastomeren ummantelt sind bzw. bei Achsen entsprechend abgedichtet wird. Nichtsdestotrotz kommt der grosse Nachteil der schlechten Korrosionsbeständigkeit von Metallen voll zum Tragen, da die Ummantelungs- und Dichtungswerkstoffe nicht permeationsdicht sind. Thermoplaste sind hingegen korrosionsbeständig und zeigen je nach verwendetem Werkstoff hervorragende chemische Beständigkeiten. Hinsichtlich chemischer Beständigkeit und Gleiteigenschaften erweist sich PTFE sicherlich als ein fast unschlagbarer Werkstoff. Auch die gute Temperaturbeständigkeit ist ein Vorteil. Allerdings ist es aufgrund seines fehlenden elastischen Verhaltens und des bekannten Kaltfluss-Verhaltens als Dichtungswerkstoff nur bedingt geeignet. Es sollte auf jeden Fall in Kombination mit einem Elastomerwerkstoff eingesetzt werden. Klassische Dichtelemente bestehen aufgrund ihrer hervorragenden elastischen Eigenschaften aus Elastomerwerkstoffen. Dabei kommen in der CPI vorwiegend Fluorelastomere (FPM) aber auch Perfluorelastomere (FFPM) zum Einsatz. Temperaturausdehnung Kunststoffe dehnen sich bei Temperaturänderungen stärker aus als Metalle, dies ist bei der Planung von Rohrleitungssystemen und auch bei der Auslegung der Komponenten zu berücksichtigen. Da mit PVDF im industriellen Kunststoff-Rohrleitungssystem Temperaturen bis zu 120 C möglich sind, ist die Temperaturausdehnung besonders zu berücksichtigen. Bei der Konstruktion der Absperrklappe 567/568 sind alle Medium berührten Kunst- 2

3 stoffkomponenten aus dem gleichen Werkstoff wie das entsprechende Rohrleitungssystem. Diese dehnen sich bei Temperaturwechsel dem entsprechend auch gleich aus. Durch einen Spalt vom Innengehäuse zum Aussengehäuse ist eine ungehinderte Ausdehnung gewährleistet. Die speziell auf einzelne Funktionen ausgelegten Dichtungskomponenten gleichen geringfügige Relativbewegungen aus. Chemische Beständigkeit und Permeation als entscheidender Faktor Bei Absperrklappen unterscheiden sich die verwendeten Werkstoffe vor allem in Ihrer chemischen Beständigkeit und Permeationsrate, was letztendlich in der Summe einen entscheidenden Einfluss auf die Dichtheit nach innen und aussen sowie auch auf Umweltbelastungen hat. Das Konstruktionsprinzip der Absperrklappe Typ 567/568 und die herbei verwendeten Werkstoffe zeigen im Hinblick auf chemische Beständigkeit und Permeation deutliche Vorteile. Die wichtigste Grösse für eine Permeationsbetrachtung ist die Permeationsrate, welche die auf die Einheitsdicke bezogene Gasdurchlässigkeit angibt. Sie wird durch Temperatur, Mediumskonzentration sowie Wandstärke bestimmt bzw. beeinflusst. Die Absperrklappe Typ 567/568 besitzt ein dickwandiges einteiliges Innengehäuse aus PVDF mit integrierter FPM-Flanschdichtung mit hervorragender chemischer Beständigkeit. Beide Werkstoffe besitzen im Vergleich zu den PTFE-Manschetten der Metall- bzw. Duroplastabsperrklappen bessere Permeationsraten. Die Achsabdichtung der Absperrklappe Typ 567/568 ist im Vergleich zu den Metall- und Duroplastabsperrklappen mit mehr Dichtelementen ausgestattet und vollständig gegenüber dem Medium abgekapselt, was Korrosion an der Achse vermeidet und somit die Prozesssicherheit erhöht. In der Summe zeigt die Absperrklappe Typ 567/568 somit eine bessere Permeationsrate und chemische Beständigkeit. Doppelexzentrisches Funktionsprinzip und spezielles Dichtungssystem Bestimmte Chemikalien verursachen eine Quellung der Elastomere (EPDM/FPM) Zudem wird die werkseitig aufgebrachte Schmierung, die für eine optimale Funktion erforderlich ist, von den Dichtflächen gelöst. Beide Effekte sind dafür verantwortlich, dass der Teller im Extremfall nicht mehr über die Durchgangsdichtung gleitet und somit ein dichtes Schliessen mit normalem Betätigungsmoment mindestens er- 3

4 schwert wird bzw. nicht mehr möglich ist. Ist der Teller bei diesem Vorgang bereits in geschlossener Stellung, kann das Losbrechmoment auf ein Vielfaches des Normalen ansteigen. Die Lösung beider Problemfälle ist das doppelexzentrische Funktionsprinzip in Verbindung mit einer Durchgangsdichtung im PTFE/FPM-Werkstoffverbund, die neu in der Absperrklappe Typ 567/568 aus PVDF erhältlich ist. Durch das doppelexzentrische Funktionsprinzip bei der Armatur von GF Piping Systems wurden die Kontaktflächen zwischen Medium und Elastomeren markant reduziert. Dieses Prinzip hat sich bereits seit der Markteinführung 2005 bewährt und ermöglicht erst die Verwendung einer PTFE-Durchgangsdichtung. Ein bis zu 50 % geringeres Betätigungsmoment gegenüber zentrischen Klappen konnte durch die Doppelexzentrik in Verbindung mit der Druckunterstützung der Durchgangsdichtung erzielt werden. Der Teller berührt die Dichtung in offener Stellung nicht. Mit dem PTFE-Mantel der Durchgangsdichtung wird der Reibungskoeffizient auch ohne Schmierung auf konstant niedrigem Niveau gehalten. Die FPM-Hinterlage kompensiert den Kaltfluss und das schlechte Rückstellverhalten von PTFE. Die Quellung ist insgesamt reduziert. Für Anwendungen in der CPI ergeben sich dadurch gleich zwei wichtige positive Aspekte: ein gleichmäßiges Betätigungsmoment, das ein sicheres Öffnen und Schliessen erlaubt sowie eine lange Lebensdauer durch markant reduzierte Abnutzung. Verschiedene Dichtungstypen Beim Transport aggressiver Medien spielt das Dichtungssystem einer Absperrklappe eine zentrale Rolle. Aus diesem Grund wird bei GF Piping Systems jede Dichtfunktion einzeln betrachtet und jede Dichtung für ihre spezielle Funktion optimal gestaltet. Im Wesentlichen kommen bei der Absperrklappe Typ 567/568 drei getrennte Dichtelemente zum Einsatz: 1. Dichtung im Durchgang: Die PTFE-Profildurchgangsdichtung bietet höchste Prozesssicherheit und ist an die Doppelexzentrik der Absperrklappe Typ 567/568 angepasst; 2. Dichtung nach aussen: eine doppelte, beidseitige, interne Achsendichtung; 3. Dichtung zum Anschlusselement: die spezielle Profildichtung mit verbreiteter Auflagefläche. 4

5 1. Durchgangsdichtung Die beidseitige Dichtheit im Durchgang wird über einen Dichtungsring mit speziell angepasster Dichtgeometrie sichergestellt. Das Dichtelement wird durch das Öffnen und Schliessen einer ein- bzw. auslaufenden mechanischen Belastung sowie einer erhöhten chemischen Belastung durch das Medium belastet. Die Absperrklappe Typ 567/568 berücksichtigt die auftretenden Einflussfaktoren und bietet ein Optimum zur Reduktion der mechanischen Belastung. Durch die Befestigung im Innengehäuse steht das Dichtelement nicht in der Hauptströmung, hierdurch wird der Verschleiss reduziert. Das doppelexzentrische Konstruktionsprinzip wirkt sich in der Offenstellung zudem positiv auf die Abnutzung des kontaktlosen Sitzes aus. Während der Schliessbewegung wird der Teller in den letzten acht Grad in den Dichtsitz gepresst. Dies führt zu einer gleichmässigen Pressung über den gesamten Umfang. Hierdurch wird die Standzeit des Dichtsitzes erhöht und das Betätigungsmoment reduziert. Bei den meisten Dichtprinzipien von Absperrklappen ist eine relativ hohe Grundpressung zwischen Dichtelement und Teller erforderlich. Dies ist eine Hauptursache für den starken Verschleiss und die damit verbundene geringere Lebensdauer des Dichtelements. Aus diesem Grund wurde bei der Absperrklappe Typ 567/568 zu der Doppelexzentrizität eine druckunterstützte Durchgangdichtung eingesetzt. Dies bedeutet, dass die Pressung vom Mediumsdruck abhängt. Eine geringere mechanischen Belastung, eine geringere Pressung, ein geringerer Verschleiss, ein geringeres Betätigungsmoment sowie eine höhere Lebensdauer sind die offensichtlichen Vorteile hieraus. Alles in allem resultiert dies in höherer Sicherheit. 2. O-Ringe Lagerbüchse Die Abdichtung nach aussen im Achsbereich erfolgt über O-Ringe. Diese unterliegen einer dynamisch-rotierenden Belastung bei Betätigung der Absperrklappe sowie teilweise einer chemischen Belastung durch das Medium. Das Dichtungssystem der O- Ringe bietet einige Vorteile. Es ist zudem so konstruiert, dass die Achse nicht mit dem Medium in Kontakt kommt. Die Verwendung von Norm-O-Ringen ermöglicht einen einfachen Austausch bzw. Anpassung an die Anwendungen, wie z.b. auch bei der Absperrklappe Typ 567/568. Hier kommt als O-Ring-Material ein spezielles FPM zum Einsatz, das hinsichtlich 5

6 Gleitreibungseigenschaften sowie chemischer Beständigkeit und Permeationsrate optimiert ist. Diese O-Ringe garantieren somit gleichbleibende Betätigungsmomente sowie beste Dichtheit nach aussen auch bei aggressiven Medien. Sowohl nach aussen als auch zum Teller hin befinden sich jeweils zwei O-Ringe. Diese zweifache Abdichtung bietet einerseits doppelte Sicherheit, andererseits befindet sich nur ein O-Ring in Mediumskontakt. Im Vergleich zu Absperrklappen mit Manschetten weist das O-Ring-Dichtsystem einen wesentlich geringeren Verschleiss auf, weil an Manschetten aufgrund der konstruktiv bedingten höheren Verpressung sehr oft ein stärkerer Abrieb im Achsbereich feststellbar ist. 3. Flanschdichtung Als Flanschdichtung zum Anschlusselement wird ein spezieller O-Ring mit verbreiteter Auflagefläche verwendet. Diese Profildichtung hat im Vergleich zur Flachdichtung einige entscheidende Vorteile. Die einfache Montage ist hier besonders hervor zu heben, da ein Verschieben, Umklappen oder eine spezielle Ausrichtung der Dichtung nicht notwendig ist. Auch bei systembedingten Temperaturwechseln oder Druckschwankungen ist die Profildichtung in Bezug auf Dichtheit gegen aussen der Flachdichtung überlegen. Dadurch dass die Flanschdichtung nur statischen Belastungen ausgesetzt ist, kommt der chemischen Beständigkeit der Elastomere eine wichtige Rolle zu. Durch Verwendung von O-Ring-Standardabmessungen bei der Profildichtung, besteht bei der Absperrklappe Typ 567/568 die Möglichkeit, die Flanschdichtungen kostengünstig gegen höherwertige Elastomerwerkstoffe wie FFPM (Perfluorelastomer) auszutauschen. Dies erhöht die chemische Beständigkeit erheblich und eröffnet so neue Anwendungsmöglichkeiten der Armatur. Ergänzung der Produkfamilie Typ 567/568 Mit der neuen PVDF/PTFE-Kunststoffabsperrklappe Typ 567/568 besitzt GF Piping Systems nun die Möglichkeit, ein homogenes Kunststoffrohrleitungssystem mit Rohren, Fittings und Absperrklappen für schwierige Anwendungen anzubieten. Es entstehen daraus viele Vorteile wie beispielsweise die einfache und schnelle Montage vor Ort, eine entsprechende Verbindungstechnik sowie die gleichmässige Ausdehnung des Materials unter Temperatureinfluss, da die einzelnen Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sind. Die doppelexzentrische Bauweise erlaubt es, die drei Dichtungen zu trennen und jede für sich an die jeweilige Dichtfunktion bestmöglich 6

7 anzupassen. Längere Einsatzdauer und weniger Wartungsaufwand wirken sich positiv auf der Kostenseite aus. Mit der neuen PVDF/PTFE-Absperrklappe kann die von der chemischen Prozessindustrie geforderte Prozess- und Betriebssicherheit rundum erfüllt werden. GF Piping Systems wird in den nächsten beiden Jahren sukzessive sein Absperrklappensortiment erweitern, um dem Anwender auch weiterhin die für ihn optimale Komplettlösung anbieten zu können. Autoren: Timo Jäckle, Projektmanager Armaturen, GF Piping Systems, Schweiz Karl-Heinz Mayer, Projektmanager Absperrklappen, GF Piping Systems, Schweiz Christian Neye, Produktmanager Absperrklappen, GF Piping Systems, Schweiz Wolfgang Paul, Projektmanager Armaturen, GF Piping Systems, Schweiz 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 7