Dichtungsauswahl anhand der Kennwerte nach EN am Beispiel von PTFE

Transkript

1 Dichtungsauswahl anhand der Kennwerte nach EN am Beispiel von PTFE Vortrag auf der DIAM in Bochum, W.L. GORE & Associates GmbH Sealant Technologies Holger Schroers

2 Inhalt Motivation Übersicht gesetzliche Regulierungen bzgl. Leckage EN Dichtungskennwerte und deren praktische Bedeutung Beispiele Dichtungsvergleich Fazit für die Dichtungsauswahl

3 Emissionen Was würden ca fach geringere Emissionen für Ihr Unternehmen bedeuten? Sicherere Arbeitsplätze Einhaltung gesetzlicher Vorschriften höhere Anlagenverfügbarkeit Umweltfreundlichkeit Höhere Produktausbeute Strategische Vorteile Beispiel: geringere Emission beim selben Flansch mit der GORE GR Dichtung im Vergleich zu gefüllten PTFE Dichtungen (Maßstab :1)

4 Übersicht Regularien am Bsp. Deutschland Umweltschutz Vorsorgeprinzip Sicherheit Schutzprinzip EU IVU-RL BVT DGRL Deutschland BImSchG TA-Luft StörfallV VDI 2440 VDI 2200 VDI 2290 EN EN EN SFK / TRAS Europäische Normen (DIN EN) AD 2000 TRBS TRGS Druckgeräte Verordnung (14. ProdSV) BetrSichV GefStoffV WHG TRwS Übersicht ist beispielhaft und nicht vollumfänglich, Quelle, ursprünglich: Prof. Dr. Heinrich Wilming, IBW Consulting UG; hier verändert dargestellt DGRL = PED = Pressure Equipment Directive IVU-RL = IPPC (96/61/EG) = Integrated Pollution Prevention and Control BVT = BAT, BREF Notes

5 Beispiel: Flanschverbindung

6 Definition technische Dichtheit in Deutschen Regelwerken Regelwerk Ausführungsbestimmung technisch dicht BImSchG GefStoffV BetrSichV WHG TA-Luft: Technische Anleitung Luft - VDI2440: Emissionsminderung Mineralölraffinerien - VDI 2200: Dichte Flanschverbindungen - VDI 2290: Emissionsminderung - Kennwerte für dichte Flanschverbindungen Bezug auf TRGS 722: Vermeidung oder Einschränkung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre - TRBS 2151 Teil 2: Vermeidung oder Einschränkung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre - TRBS 2141 Teil 3: Gefährdungen durch Dampf und Druck bei Freisetzung von Medien TRwS / ATV-DVWK-A 780: Oberirdische Rohrleitungen, - Teil 1: Rohrleitungen aus metallischen Werkstoffen - Teil 2: Rohrleitungen aus polymeren Werkstoffen x x x x x dauerhaft technisch dicht x x VDI 2440 VDI 2200 x x x x x

7 Anforderungen an die Dichtung VDI 2200 Dichte Flanschverbindungen 2.1 Dichtheit Absolute Dichtheit in streng physikalischem Sinn gibt es nicht! Bei einer realen Flanschverbindung lässt sich daher lediglich technische Dichtheit erzielen. Technische Dichtheit liegt dann vor, wenn ein für den jeweiligen Fall festgelegtes Dichtheitskriterium eingehalten wird. Dieses Dichtheitskriterium wird in der Technik meist als Grenze zwischen dicht und undicht festgelegt und kann in Abhängigkeit von den Dichtheitsanforderungen und dem abzudichtenden Medium verschiedene Werte annehmen. (=> Leckagerate / Leckageklasse / Dichtheitsklasse L N definiert in VDI 2290) 2.3 Langzeitverhalten von Flanschverbindungen Von Flanschverbindungen wird allgemein gefordert, dass sie auf Dauer dicht sein sollen. Diese geforderte Dauer kann jedoch je nach Anwendungsfall unterschiedlich sein, wobei eine bestimmungsgemäße Lebensdauererwartung auf der Grundlage einerseits täglich zu öffnender Mannlöcher und andererseits Pipelines mit z.b. 30 Jahren Mindestlebensdauer sehr unterschiedlich ausfallen kann. Die Mehrheit der Anwendungsfälle für Dichtungen bewegt sich allerdings im Lebensdauerbereich einiger Jahre. (Quelle: VDI 2200, Juni 2007)

8 Anforderungen an die Dichtung nach BImSchG TA-Luft, VDI 2440, VDI 2200, VDI 2290 dauerhaft technisch dicht hochwertige Dichtung im Sinne der TA-Luft (TA-Luft Zertifikat, Bauteileversuch VDI 2440, VDI 2200) Leckagerate 10-4 mbar l/(s m), bei 1 bar absolut, He, Raumtemperatur rechnerischer Nachweis der Dichtheit (VDI 2290) gem EN mit den Dichtungskennwerten gem EN13555 Leckagerate 10-2 mg/(m s), He, bei Betriebstemperatur und Betriebsdruck

9 Anforderungen an die Dichtung Weltweit besteht das gleiche Verständnis bzgl. dichter Flanschverbindungen: Flansche sollen dicht sein Flansche sollen dicht bleiben Eine Flanschverbindung bleibt dicht, wenn keine wesentlichen Änderungen der mechanischen Eigenschaften zu erwarten sind. Bezogen auf die Dichtung bedeutet das: alterungs-, thermische- und chemische Beständigkeit der Dichtung geringes Kriechverhalten der Dichtung

10 Herausforderungen bei der Dichtungsauswahl Dichtungskennwerte nach EN keine wesentliche Veränderung der Dichtung Kausalkette GORE and designs are trademarks of W.L. Gore & Associates. Copyright October 2015 W.L. Gore & Associates, Inc. /// Vortrag DIAM

11 Sicherheitsfenster Dynamik in Flanschsystemen Leckage Q max Q Smax Kriechen der Dichtung Sicherheitsfenster Sicherheit Sicherheit Q A Q real Q (MPa) Leckage Q min Q Smin

12 EN Flansche und ihre Verbindungen Dichtungskennwerte und Prüfverfahren für die Anwendung der Regeln für die Auslegung von Flanschverbindungen mit runden Flanschen und Dichtungen Diese Kennwerte werden für die Berechnung der Flanschverbindung (Dichtheitsnachweis) benötigt. Hiermit können die Eigenschaften der Dichtungen aber auch untereinander verglichen werden.

13 Dichtungskennwerte gem. EN13555 Q min (L) erforderliche Mindest-Flächenpressung für Dichtheitsklasse L bei Montage [MPa] Q smin (L) erforderliche Mindest-Flächenpressung für Dichtheitsklasse L nach Entlastung (Betrieb) [MPa] Q A Flächenpressung der Dichtung bei Montage vor der Entlastung [MPa] Q smax maximale Flächenpressung, mit der die Dichtung bei Betriebstemperatur belastet werden darf, ohne dass eine Beschädigung erfolgt [MPa] L N Dichtheitsklasse entsprechend der Leckagerate N im Index bezeichnet die maximale spezifische Leckagerate für die entsprechende Dichtheitsklasse [mg s 1 m 1 ] P QR Kriechrelaxationsfaktor, Verhältnis der Flächenpressung der Dichtung vor und nach der Relaxation

14 P QR Kriech-Relaxations Faktor Kriechen stellt einen der wichtigsten Faktoren, in Bezug auf Anlagensicherheit und Anlagenverfügbarkeit, in Flanschverbindungen dar. P QR entspricht dem Verhältnis der Dichtungs-Flächenpressung nach Auslagerung (Kriechen, Setzen) zur ursprünglich aufgebrachten Flächenpressung beim Einbau. Beispiel: P QR von 0,80 bedeutet: Die Restflächenpressung der Dichtung beträgt 80% der ursprünglich aufgebrachten Flächenpressung Wurde eine Dichtung mit ursprünglich 50 MPa eingebaut, so beträgt die Restflächenpressung noch 40 MPa. Je mehr sich dieser Faktor der Zahl 1 (=100%) nähert, desto geringer ist das Kriechen der Dichtung (video)

15 Einfluß der Flächenpressung Q auf die Leckagerate L N L 0 L 0,1 L 0,01 L 0,001 z.b.: Verdopplung der Flächenpressung von 20 auf 40 MPa bewirkt eine Reduzierung der Leckagerate fast um den Faktor 10 L 0,0001 Q GORE Universal Pipe Gasket (Style 800), 92 x 49 x 3mm, Test nach EN13555

16 Neu: Definition Q Smax Definition Q Smax in der EN13555 bis Sommer 2013 (bis Weißdruck 07/2014): die maximale Flächenpressung, mit der die Dichtung belastet werden darf, ohne das ein mechanisches Versagen erfolgt Diese Definition zielte auf eine mechanische Beschädigung der Dichtung ab, ohne Betrachtung der Formbeständigkeit. Problem: Kriechen reduziert den Innendurchmesser (Intrusion) dies wurde bisher nicht betrachtet aber wurde bereits definiert in der Druckgeräterichtlinie Anhang I Nr. 6 c) die Möglichkeit von Schäden durch Turbulenzen oder Wirbelbildung ist gebührend zu berücksichtigen.

17 Neu: Definition Q Smax Neue Definition seit Sommer 2013 (Weißdruck 07/2014, EN13555): maximale Flächenpressung, mit der die Dichtung bei den angegebenen Temperaturen belastet werden darf, ohne dass ein Kollaps oder mechanisches Versagen, eine Bruchstauchung, eine unzulässige Intrusion der Dichtung in die Bohrung oder eine Beschädigung der verpressten Dichtungsfläche auftritt, so dass die Dichtung zu versagen droht. Für eine Dichtung DN40/PN40 darf der Innendurchmesser nicht kleiner 43,1mm werden (Original 49mm), andernfalls muss Q Smax entsprechend reduziert werden. Für einige Dichtungstypen muss der Q Smax Wert nun erheblich reduziert werden. Q Smax steht in Korrelation zu P QR In der Industrie wird derzeit diskutiert, wie man diese häufig eingesetzten Dichtungen nun behandelt (TA-Luft-Nachweis, rechnerischer Dichtheitsnachweis, VDI 2290).

18 Neu: Q Smax und Verknüpfungen zu anderen Regelwerken, Klärungsbedarf LEITFADEN zur Montage von Flanschverbindungen in verfahrenstechnischen Anlagen - Januar 2013 Rev. Version 08/2011 VERBAND DER CHEMISCHEN INDUSTRIE e.v. ( Hierin ist definiert (Anhang C): Der Q Smax -Wert muss bei Raumtemperatur mindestens 150 MPa betragen Dieser Wert wird nach neuer Definition des Q Smax von einigen betroffenen Dichtungen bei weitem nicht mehr erreicht. Umsetzung des neuen Q Smax Wertes?

19 Neu: Q Smax und Verknüpfungen zu anderen Regelwerken, Klärungsbedarf EN Flansche und ihre Verbindungen runde Flansche nach PN aus Stahl mit geringerem Q max müssen die Ratings nachgerechnet werden? (wurde betrachtet bei 20 C) Dieser Wert wird nach neuer Definition des Q Smax von einigen betroffenen Dichtungen bei weitem nicht mehr erreicht. Umsetzung des neuen Q Smax Wertes?

20 Neu: Q Smax und Verknüpfungen zu anderen Regelwerken, Klärungsbedarf AD 2000 B7 und Dichtungskennwerte nach EN Es gibt keine spezifischen Teststandards für AD 2000 B7 Dichtungskennwerte. Die 2015 Ausgabe verweist auf EN als Prüfnorm (1) und gibt Tabelle 9 aus der VDI 2200 (2) als Umrechnungsmethode an. Bitte beachten Sie, dass die VDI 2200 besagt, dass eine Umrechnung aufgrund der unterschiedlichen Messmethoden ungültig ist. [ ] für einen Festigkeits-, Dichtheits- und TA-Luft-Nachweis [können] lediglich die Verfahren nach DIN EN und AD 2000 in Verbindung mit DIN EN sowie FE-Analysen eingesetzt werden." (3) (1) Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter: AD 2000-Merkblatt B7, Berechnung von Druckbehältern, Schrauben, Seite 4, , April 2015 (2) Verein Deutscher Ingenieure e. V.: VDI2200, Dichte Flanschverbindungen: Auswahl, Auslegung, Gestaltung und Montage von verschraubten Flanschverbindungen, Seite 36, Tabelle 9, Juni 2007 (3) Verein Deutscher Ingenieure e. V.: VDI2290, Emissionsminderung - Kennwerte für dichte Flanschverbindungen, Seite 8, Juni 2012

21 Kriechbeständigkeit (P QR ) und Q Smax Test bei 34,5 MPa (5000 psi) Einbauflächenpressung, 230 C (446 F) für 15 Minuten Nachher Vorher % größer 4% 34% 69% 54% 75% 125% GORE GR Gefüllt (Silica) Gefüllt (Glasmikrokugel) Gefüllt (Bariumsulfat) Mikrozellular Gesintert Dichtungskennwerte gem. EN aus (Stand: Sommer 2015) GORE GR (eptfe) PTFE gefüllt (Silica) PTFE gefüllt (Glasmikrokugeln) PTFE gefüllt (Bariumsulfat) PTFE Mikrozellular PTFE gesintert anderes eptfe Stress Level [MPa] Temperatur [ C] P QR [MPa] 0,88 0,73 0,64 0,90 0,48 0,25 0,75 0,37 0,23 0,85 0,37 0,22 0,83 0,15 0,88 0,56 0,34 Q Smax [MPa] * *) diese Werte zeigen den alten Stand und entsprechen nicht der aktuellen Definition des Q Smax gem EN und sollen bis zum Jahresende 2015 auf der aktualisiert sein

22 Auf dieser, von der Fachhochschule Münster, Forschungsbereich Dichtungstechnik, erstellten und gepflegten Homepage finden Sie aktuelle EN13555 Kennwerte für Dichtungsmaterialien der Normreihen EN 1514 und EN Der Inhalt dieser Webseite wird in regelmäßigen Abständen aktualisiert. Die Datenbank wurde in enger Zusammenarbeit mit der Dichtungsherstellenden Industrie entwickelt. Die Kennwerte sind entweder von Prüfinstituten ermittelt oder im Falle von firmeneigenen Tests stichprobenartig geprüft, um die notwendige Objektivität und Zuverlässigkeit der Kennwerte zu wahren. Hinweis: Bei den Datenblättern ist darauf hinzuweisen, dass die einzelnen Tests unter verschiedenen Randbedingungen (Dichtungsdicke, Anfangsflächenpressung und Prüfdruck) durchgeführt wurden und deshalb nicht direkt miteinander vergleichbar sind. (Quelle: Zitat von der Homepage) Möglich, wenn die gleichen Parameter verglichen werden Die Dichtungskennwerte werden bis aktualisiert (neue Definition des Q Smax )

23 EN Template für Dichtungs-Kennwerte

24 Mindestflächenpressung Q min und Q Smin Beispiel Kunststoffflansche, Einbauflächenpressung Q A = 10 MPa Wettbewerber eptfe Dichtungsplatte 92 x 49 x 3 GORE and designs are trademarks of W.L. Gore & Associates. Copyright October 2015 W.L. Gore & Associates, Inc. /// Vortrag DIAM Quelle: Dichtungskennwerte gem. EN (Stand: Sommer 2015)

25 P QR bei Low-Stress-to-Seal Dichtungen Beispiel Kunststoffflansch, Einbauflächenpressung Q A = 10 MPa Vergleich bei 10 MPa nicht möglich, keine Daten vom Wettbewerber vorhanden Vergleich bei 30 MPa zeigt signifikant bessere Werte für GORE Style800 je geringer Q A desto geringer ist P QR (desto mehr Kriechen) Wettbewerber Low-Stress-to-Seal Dichtung Quelle: gasket parameters according EN (Stand: Sommer 2015)

26 Fazit zum Vergleich der Dichtungskennwerte Q Smin vergleiche die selbe Dichtungsdicke vergleiche die selbe Druckstufe und Einbauflächenpressung Q A je geringer Q min umso größer wird das Sicherheitsfenster

27 Fazit zum Vergleich der Dichtungskennwerte Q Smax vergleiche die selbe Dichtungsdicke vergleiche die selbe Temperatur je größer Q Smax umso größer wird das Sicherheitsfenster je größer Q Smax umso höher kann Q A gewählt werden

28 Fazit zum Vergleich der Dichtungskennwerte P QR vergleiche die selbe Dichtungsdicke vergleiche die selbe Temperatur und Stress-Level Q A je höher die Temperatur je höher P QR umso weniger Kriechen, umso geringer P QR (umso mehr Kriechen) umso höher die Restflächenpressung, je dicker die Dichtung umso weniger Leckage, umso geringer P QR (umso mehr Kriechen) umso weniger Nachziehen, je höher Q A umso größer die Anlagensicherheit umso höher P QR (umso weniger Kriechen)

29 Fazit bei der Dichtungsauswahl gute Anpassungsfähigkeit gute alterungs-, thermische- und chemische Beständigkeit keine Kontamination geringe Leckage (L N ) *) große maximal zulässige Flächenpressung der Dichtung (Qsmax) *) kleine minimal zulässige Flächenpressung der Dichtung (Qsmin) *) große Einbauflächenpressung (Q A ) *) großer Kriechrelaxationsfaktor (P QR ) (= wenig Kriechen) *) Dichtung so dünn wie möglich und so dick wie nötig *) Vergleichen Sie auf

30 Vielen Dank! Sie finden uns auf der DIAM - Stand FF 60 holger.schroers@wlgore.com