Bewertung von Graphitflachdichtungen

Graphit hält dicht

19.03.2007 Der wirtschaftliche Erfolg einer Anlage hat viele Väter. Unbestreitbar gehören Dichtungen dazu. Doch viele Qualitätsmerkmale eines Dichtungsmaterials sind dabei nicht wirklich quantitativ erfassbar und liegen im Verborgenen. Der Beitrag zeigt, dass es sich durchaus lohnen kann, nicht nur auf den Preis zu schauen, sondern besser auf die richtige Dichtung.

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Rohrleitungen und Behälter kommen selten ohne lösbare Verbindungen aus. Flanschverbindungen werden bekanntlich mit Schrauben und Muttern verspannt sowie die eingelegte Dichtung verpresst. Die Verbindung muss einfach und schnell verschraubt und ebenso einfach und schnell wieder gelöst werden können. In der gesamten Zeit dazwischen muss die Dichtung dauerhaft technisch dicht sein, auch bei Druck- und Temperaturunterschieden. Grundsätzlich haben die drei Komponenten Flansche, Schrauben/Muttern und Dichtungen für die Verbindungsfunktion den gleichen Stellenwert. Die Dichtung hat aber nur einen geringen Anteil an den Kosten. Die kostengünstigste Möglichkeit zur Steigerung der Verbindungsqualität ist daher die Spezifikation einer hochwertigen Dichtung – auch mit Blick auf die TA Luft.

Um wettbewerbsfähig zu sein, müssen beim Einkauf alle Einsparpotenziale ausgeschöpft werden. Werden Folgekosten dabei zu wenig berücksichtigt, dann ist die Gefahr groß, dass minderwertige Dichtungen eingesetzt werden. Denn das Ausnutzen vermeintlicher Einsparungspotenziale hat einen entscheidenden Nachteil: Durch den höheren Aufwand für Montage, Dichtungsüberwachung und Demontage – aber auch durch mögliche Dichtungsausfälle – ist die Anlage weniger verfügbar und damit weniger wirtschaftlich. Anforderungen an hochwertige Dichtungen sind daher:

  • Montagefreundlichkeit
  • Demontagefreundlichkeit
  • anwendungsgerecht dauerhaft technisch dicht
  • wartungsfrei innerhalb der Serviceintervalle der Gesamtanlage
  • gesteigerte Wirtschaftlichkeit am Standort und damit verbesserte Wettbewerbssituation bei Investitionsentscheidungen

Ein minimaler Mehraufwand bei der Investition führt deshalb schnell zu einem insgesamt wirtschaftlicheren Anlagenbetrieb. Dieser Mehraufwand bedeutet keinesfalls, eine möglichst teure Dichtung anzuschaffen. Die beste Lösung liegt in der richtigen Auswahl der Dichtung. Und diese Auswahl sollte auch Überlegungen zur Standardisierung enthalten. Standardabmessungen werden nach Möglichkeit als Lagerartikel geführt – ob beim Betreiber oder beim Dichtungshersteller – und sind dadurch meist schnell und jederzeit verfügbar. Sonderabmessungen lassen sich notfalls auch selbst innerhalb kürzester Zeit herstellen – einer der Vorteile von Flachdichtungsmaterialien.

Anschließend folgt die Montage. Um auch größere Abmessungen montieren zu können, sollte eine Dichtung möglichst biegesteif sein. Beispielsweise Kammprofildichtungen können hier punkten. Allerdings besteht bei solchen Varianten mit massiven Stahlträgern das Risiko, dass beim Einbau die Weichstoffauflage beschädigt wird. Bei Graphitflachdichtungen ist das Risiko sehr gering. Zudem bieten einige verfügbare Varianten mit gut gestaltetem Aufbau eine genügend hohe Biegesteifigkeit.
Ob das gewählte Dichtungsmaterial Fehlstellen oder Korrosion am Flansch oder auch Montagefehler ausgleichen kann, stellt sich bestenfalls spätestens bei der Druckprobe heraus. Entscheidend für die Fehlerverzeihlichkeit ist, wie viel deformierbares Material die Dichtung enthält. Graphitflachdichtungen mit ausreichender Dicke erfüllen diese Kriterien – im Gegensatz zu Metalldichtungen mit relativ dünner Weichstoffauflage.

Dichtungen mit einfacher Montage

Untersuchungen haben ergeben, dass 1000 schlecht montierte Dichtungen vom Typ Sigraflex Hochdruck weniger emittieren, als eine einzige schlecht montierte Kammprofildichtung. Und das, obwohl Kammprofildichtungen mit Graphitauflage in der TA-Luft-Bauteilprüfung deutlich geringere Leckagewerte erzielen. In der Praxis sind hohe Emissionen häufig auf ein paar wenige, schlecht montierte Dichtungen zurückzuführen.

Für den Einsatz bei klassischen Rohrleitungen haben sich unter anderem wegen der guten Fehlerverzeihlichkeit Graphitflachdichtungen mit einer Materialstärke von 2 mm bewährt. Bei Anwendungen, die eine größere Anpassungsfähigkeit erfordern, werden Materialstärken von 3 mm oder 4 mm verwendet. Erstmals stehen mit Universal Pro und Hochdruck Pro TA-Luft-zertifizierte Dichtungsmaterialien zur Verfügung, die das Anwenderspektrum in diesem Bereich universell abdecken.
Die Qualität eines Dichtungsmaterials zeigt sich auch bei der Demontage. Haftet eine Graphitdichtung an, bedeutet dies einen zusätzlichen Zeit- und somit Kostenaufwand. Deshalb hat SGL Group bereits Ende der 80er Jahre ein spezielles Oberflächen-Imprägnier-Verfahren entwickelt, das auch bei den aktuellen TA-Luft-Dichtungsmaterialien ein Anhaften stark vermindert. Zwischen Montage und Demontage muss ein sicherer und langzeitstabiler Betrieb gewährleistet sein. Das spricht für den Einsatz nicht alternder Materialien – sicherlich ein Argument für die Verwendung von Graphitfolie als Weichstoff in der Dichtungstechnik. Metallverstärkungen verleihen dem Weichstoff die notwendige, mechanische Stabilität. Typische Einlagewerkstoffe sind glatte Edelstahlfolien oder Spieß-, Klett- und Streckbleche. Dabei erreichen Dichtungen mit Glattblech-Verstärkungen die beste Anpassungsfähigkeit.

Für die Verbindung wird ein kleberfreies Verfahren angewendet

Üblicherweise werden Graphit- und glatte Edelstahlfolien miteinander verklebt. Diese Verbindungstechnik wirkt sich aber negativ auf die Belastungsfähigkeit und Langzeitstabilität des Dichtungsmaterials aus, wie beispielsweise Erweichen bei höherer Temperatur, Versprödung, Alterung und Zersetzung. Um diese negativen Einflüsse zu vermeiden, wird ein kleberfreies Verfahren angewendet. Starke Adhäsionskräfte, die sich unter Druck und Temperatur zwischen Graphit und Edelstahl aufbauen, machen die Verbindung möglich. Dieser kleberfreie Verbund erlaubt hohe maximale Flächenpressungen auch unter Temperatur und bietet beispielsweise auch eine hohe Ausblassicherheit. Dichtungsmaterialien mit Spieß- oder Klettblech sind zwar nicht so hoch belastbar, sie kommen jedoch – im Gegensatz zu Materialien mit Streckblech – typischerweise ohne Klebefuge aus, und haben sich daher in der Praxis vor allem für Standardanwendungen über viele Jahre bewährt.

Neben der Verbindungstechnologie zwischen Graphitfolien und Edelstahlverstärkungen ist das Oxidationsverhalten der verwendeten Graphitfolien ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt. Graphit altert zwar nicht, jedoch kommt es bei hohen Temperaturen zur Verbindung zwischen Luftsauerstoff O2 und Kohlenstoff C, dem einzigen Bestandteil von Graphit. Das entstehende Kohlendioxid CO2 entweicht und führt somit zum Substanzverlust der Dichtung.
Bei minderwertiger Graphitfolie tritt eine technisch relevante Oxidation bereits deutlich unter 400°C auf, bei hochwertiger Graphitfolie ab etwa 400°C. Abhängig von der Anwendung können jedoch auch Betriebstemperaturen von über 500°C erreicht werden. Entscheidend sind die Graphitfolienqualität und die jeweils dazugehörige Oxidationsrate in Bezug auf die gewünschte Einsatzdauer. Großen Einfluss auf die Oxidationsrate hat auch die Kammerung der Graphitfolie, welche immer durch die Flanschdichtleisten gegeben ist und durch Bördel verbessert wird.
Die Oxidationsbeständigkeit der am Markt verfügbaren Graphitfolien ist stark unterschiedlich und kann letztendlich über ein langzeitstabiles Verhalten oder das Versagen einer Dichtverbindung entscheiden. Gute Graphitfolie zeigt bei 450°C beispielsweise die gleiche Oxidationsrate wie eine hochwertige Graphitfolie mit APX-Technologie bei 550°C.

Auch bei großen Abmessungen noch sicher dicht

In Reaktoren und Behältern werden oftmals Dichtungen mit großen Abmessungen benötigt. Um solche Dichtungen möglichst aus einem Stück fertigen zu können, werden Dichtungsplatten beispielsweise im Format 1,5 m x 1,5 m angeboten. Da die das Dichtungsmaterial verstärkenden zumeist 50 µm oder 100 µm dünnen Edelstahlfolien am Weltmarkt nur in Breiten bis maximal 1000 mm erhältlich sind, müssen zwei Folienbahnen zusammengefügt werden, um die gewünschte Breite von 1,5 m zu erreichen. Dafür gibt es zunächst mehrere Möglichkeiten: Die Folienbahnen können beispielsweise stumpf aneinander gelegt werden. Damit gefährdet man allerdings die Stabilität einer Dichtung, da in einer Richtung im Stoßbereich keine Metallverstärkung des Graphits mehr vorliegt. Deshalb können zwei Edelstahlfolien auf herkömmliche Weise nur durch Punkt- oder Rollschweißen überlappend verbunden werden. Das Verfahren wirkt sich jedoch negativ auf die Dichtheit aus, denn im Überlappungsbereich bilden sich in mindestens einer Richtung Leckagekanäle aus, die zu einem Leckageanstieg um den Faktor 10 und mehr führen können.

Bei SGL Group werden Edelstahlfolien stumpf durch Laserschweißen verbunden – Stoß an Stoß. Das Verfahren wird für Dichtungen mit Glattblech wie für Spießblech gleichermaßen verwendet. Durch diese Technologie werden über den ganzen Dichtungsumfang, auch im Bereich der Schweißnaht, gleichmäßig niedrige Leckageraten erreicht. Die Innovation bei der Herstellung von Dichtungen ist eine der Grundlagen für den Erfolg des Anlagenbetreibers. Viele Qualitätsmerkmale eines Dichtungsmaterials sind dabei nicht wirklich quantitativ erfassbar und liegen im Verborgenen. Um so wichtiger ist es, sich auf den Hersteller und dessen eigenen Qualitätsanspruch verlassen zu können.

Heftausgabe: März 2007

Über den Autor

Rainer Zeuß, Vertrieb und Anwendungstechnik,
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