Die Herausforderung meistern

Hochleistungswerkstoffe gegen explosive Dekompression

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15.02.2013 Mit Schäden an Elastomerdichtungen durch explosive Dekompression haben immer mehr Unternehmen der Chemie-, Öl- und Gasindustrie sowie der Zulieferindustrie als auch im Kompressorenbau und in der Druckluftaufbereitung häufig zu tun. Herkömmliche Elastomerdichtungen können bei plötzlichem Druckabfall stark beschädigt und undicht werden. Die Folgen: Maschinenstillstandszeiten und hohe Instandhaltungskosten.

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Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Für die hohen Anforderungen an Dichtungen gegen explosive Dekompression können nur speziell für diesen Bereich konzipierte und getestete Elastomere zum Einsatz kommen.
  • Für sämtliche Anwendungen in der Erdgasförderung und hier insbesondere bei Industriearmaturen oder auch in Hochdruckanwendungen der chemischen Industrie konnten mit diesen Werkstoffen bereits erfolgreich Beschädigungen an Elastomerdichtungen durch explosive Dekompressionen verhindert und damit kostspielige Leckagen vermieden werden.

Außergewöhnlichen Belastungen ausgesetzt

Hochwertige Präzisions-Elastomerdichtungen kommen in unterschiedlichsten Bereichen der Industrie zum Einsatz und müssen zum Teil hohen Anforderungen genügen, um bestmögliche Dichtungsergebnisse zu erzielen. Bei vielen Anwendungen sind Elastomerdichtungen wie zum Beispiel O-Ringe allerdings außergewöhnlichen Belastungen ausgesetzt. Dementsprechend hoch sind auch die Anforderungen an alle verwendeten Materialien, die im Produktionsprozess zum Einsatz kommen. Viele Hersteller und Betreiber in der Chemie-, Öl- und Gasindustrie haben häufig Leckageprobleme mit Elastomerdichtungen, insbesondere bei starkem Druckabfall im Medium Gas.

Hier müssen Dichtungen gasförmige Medien wie Kohlendioxid, Erdgas, Stickstoff, Helium und Wasserstoff bei Drücken von mehr als 30 PN/30 bar und bei plötzlichem Absinken (innerhalb weniger Sekunden) speziellen Anforderungen genügen, um diese Medien sicher abdichten zu können. Einige Anwendungen können die Drücke bis zu PN 400/400 bar erreichen. Nur speziell getestete Werkstoffe können in diesen Anwendungen zum Einsatz kommen. So schreibt beispielsweise die Norm DIN EN14141 für Erdgas-Leitungen vor, dass nichtmetallische Teile von Armaturen, wie etwa elastomere Dichtungen, gegenüber explosiver Dekompression beständig sein müssen.

Solche Bedingungen herrschen in unterschiedlichen Bereichen, so beispielsweise auch in Molchschleusen an (Erd-) Gastransportleitungen und Leitungen in Chemiewerken. In diese Schleusen können verschiedene Molche die Rohre im laufenden Betrieb, also auch in Hochdruckleitungen, inspizieren und reinigen. Beim Öffnen und Schließen der Molchschleuse kommt es zu einem starken Druckaufbau und Druckabfall in sehr kurzer Zeit. Dieser Prozess kann die dort verbauten elastomeren Dichtungen beschädigen.

Was ist explosive Dekompression?

Davon sind in erster Linie Dichtungen betroffen, die gegenüber gasförmigen Medien abdichten müssen, wenn das Gas von einem hohen Druckniveau innerhalb von kurzer Zeit auf ein niedriges absinkt. Elastomere sind permeabel für Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten, so dass Gase unter Druck in das Dichtungsmaterial eindringen können. Bei einem starken Druckabfall kann das Medium nicht schnell genug aus dem Dichtungswerkstoff entweichen. Die Dichtung wird dadurch so stark beschädigt, dass sie nicht mehr abdichten kann.  Der Druckabfall ist daher die Ursache für die Beschädigung der Elastomerdichtung, die beispielsweise durch Blasenbildung an der Oberfläche visuell leicht zu erkennen ist. Dieses Phänomen ist als „explosive Dekompression“ bekannt.

Konventionelle Elastomerdichtungswerkstoffe sind für diese Anwendungen nicht geeignet werden, da ihr Widerstand gegenüber den hier auftretenden Kräften nicht ausreichend ist. Hier können nur speziell aufgebaute Elastomere zum Einsatz kommen, die sich insbesondere durch sehr gute physikalische Eigenschaften – zum Beispiel hoher Weiterreißwiderstand und Modul – auszeichnen. Diese beständigen Werkstoffe werden manchmal auch mit dem Kürzel AED (Anti-Explosive-Decompression) gekennzeichnet.

Wie das Problem lösen?

Speziell für Anwendungen gegen explosive Dekompression wurden verschiedene High-tech-Werkstoffe entwickelt und intensiv geprüft. Um den Anforderungen an die Dichtbeständigkeit gegen die individuellen Medien in den jeweiligen Anwendungen gerecht zu werden, genügt den Herstellern oder Betreibern eine Widerstandsfähigkeit gegenüber explosiver Dekompression alleine nicht. Deshalb wurden verschiedene Spezial-Compounds für unterschiedliche  Anforderungen entwickelt: zwei FKM-, ein HNBR- und zwei FFKM-Werkstoffe. Vier der fünf Compounds erfüllen dabei die NorsokStandard-M-710-Anforderungen zur Beständigkeit gegen explosive Dekompression.

Alle fünf Dichtungswerkstoffe gewährleisten auch bei extremen und schnellen Druckwechseln eine dauerhafte Dichtleistung. Die Werkstoffe weisen – neben einer hohen chemischen und thermischen Beständigkeit – mit 90 Shore A eine hohe Härte auf, die insbesondere bei hohen Drücken einer möglichen Spaltextrusion entgegenwirkt und so eine explosive Dekompression vermeidet.

Neben zwei chemisch sehr resistenten FKM-Werkstoffen – einer davon erfüllt die Norsok-M-710-Anforderungen zur Beständigkeit gegen explosive Dekompression – hat der Hersteller auch ein HNBR-Compound entwickelt. Der Dichtungswerkstoff HNBR 895 ist gekennzeichnet durch eine sehr gute chemische Beständigkeit, vor allem gegen Öle und Kraftstoffe. Neben einer sehr guten Hitze- und Witterungsbeständigkeit  weist dieses Compound eine hohe mechanische Festigkeit auf. Dieser Spezial-HNBR erfüllt ebenfalls die Norsok-M-710-Anforderungen und eignet sich ideal für einen langfristigen, leckagefreien  Einsatz in der Öl- und Gasindustrie.

Für Tieftemperaturanwendungen ist das spezielle FFKM-Compound Perlast ICE G90LT geeignet. Dieser Werkstoff erfüllt den Norsok-Standard M-710 und entspricht weiterhin den Anforderungen nach API 6A & 6D. In Abhängigkeit von dem auftretenden Druck des abzudichtenen Mediums kann dieser Dichtungswerkstoff sogar bis -80 °C eingesetzt werden. Der Perlast-Forschungsabteilung ist es gelungen, durch das gezielte Verändern der molekularen Polymerstruktur bei diesem Werkstoff auch eine langanhaltende Tieftemperaturbeständigkeit zu erzielen und somit eine dauerhafte Dichtungsfunktion im Tieftemperatureinsatz überhaupt erst zu ermöglichen. Neben diesen Produktmerkmalen weist dieses Compound durch die geringe Durchlässigkeit (Permeabilität) ein äußerst geringes Quellungsverhalten auf und ermöglicht daher eine längere Einsatzdauer in Ventilen, Pumpen und Gleitringdichtungen.

Fazit: Für die hohen Anforderungen an Dichtungen gegen explosive Dekompression können nur speziell für diesen Bereich konzipierte und getestete Elastomere zum Einsatz kommen. Für sämtliche Anwendungen in der Erdgasförderung und hier insbesondere bei Industriearmaturen oder in auch Hochdruckanwendungen der chemischen Industrie konnten mit diesen Werkstoffen bereits erfolgreich Beschädigungen an Elastomerdichtungen durch explosive Dekompressionen verhindert und damit kostspielige Leckagen vermieden werden. Das Problem der explosiven Dekompression darf allerdings nicht isoliert betrachtet werden, sondern muss immer im Kontext  mit den Anforderungen und der Resistenz des Dichtungswerkstoffes gegenüber dem abzudichtenden Medium gesetzt werden. Die Medienbeständigkeit ist deshalb bei der Auswahl des richtigen Dichtungswerkstoffes auch in diesen Einsatzgebieten unabdingbar. Deshalb ist es wichtig, mit erfahrenden Herstellern zusammenzuarbeiten, die auch über eine entsprechende Werkstoffauswahl und dem entsprechenden Know-how auf diesem Gebiet verfügen. Nur so kann der Konstrukteur und Anwender eine optimale Dichtungslösung für seine Anwendung erhalten.?

Die DIN EN 14141 können Sie hier bestellen. Zu einem Datenblatt der Hochleistunsgwerkstoffe des Herstellers geht‘s hier und zur nBHR Group, die Anwendern unabhängigen Rat von Experten aus dem Flüssigkeitshandling, technischem Services und Wissenstransfer bietet, finden Sie hier.

Heftausgabe: Februar 2013
Michael Krüger, Leiter Anwendungstechnik, C. Otto Gehrckens

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Michael Krüger, Leiter Anwendungstechnik, C. Otto Gehrckens
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