Detektivarbeit am O-Ring

Schadensanalyse von O-Ringen

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17.05.2017 Wenn O-Ringe trotz sorgfältiger Werkstoff-Auswahl bereits nach kurzer Zeit im Betrieb ausfallen, ist guter Rat oft teuer: Erst eine treffende Analyse der Ursachen ermöglicht es, künftige Ausfälle und Leckagen zu vermeiden.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Der Ausfall eines O-Rings in einer Anwendung kann vielfältige Ursachen haben. Im Schadensfall sollten sämtliche Betriebs- und Montagebedingungen hinterfragt werden.
  • Eine erste, grobe Analyse kann durch Begutachtung des ausgefallenen O-Rings vorgenommen werden. Allerdings bedarf es stets einer weiteren, intensiveren Untersuchung.
  • Hierbei ist in erster Linie neben dem Fachwissen auch Erfahrung im Umgang mit ausgefallenen Dichtungen von Vorteil, um entsprechende Abhilfemaßnahmen einleiten zu können.

O-Ringe unterliegen im Praxiseinsatz zahlreichen Einflüssen: Medien, hohe und niedrige Temperaturen, mechanische Kräfte lassen die Dichtungen nicht nur altern, sondern können auch zu deren Ausfall führen. Auch Herstellungsfehler können dazu beitragen, dass O-Ringe undicht werden. Und häufig sind es gleich mehrere dieser Mechanismen, die in der Praxis zum Ausfall einer Dichtung führen.

Eine wichtige Einflussgröße ist der Kontakt zu Prozessmedien. Diese können in den O-Ring-Werkstoff eindringen und auf diesen physikalisch oder chemisch einwirken. Zu dem physikalischen Reaktionsmechanismus gehört in erster Linie die Volumenänderung (Bild 1). Bei einer Quellung nimmt das Elastomer das Medium auf, und es verändern sich die technologischen Werte (z. B. Abnahme der Reißfestigkeit oder Härte). Die Dichtung wird dadurch aber nicht zwangsläufig funktionsuntüchtig. Als Richtwerte können bei statischem Einbau 0 bis 30 %, bei dynamischem Einbau 0 bis 10 % Quellung zugelassen werden.

Bei einer Schrumpfung werden vom Medium Mischungsbestandteile (z. B. Weichmacher) herausgelöst. Dies kann dazu führen, dass die Verpressung der Dichtung abnimmt und es zu Leckagen kommt. Bei einer Quellung zeigt sich folgendes Schadensbild: Der O-Ring ist noch uneingeschränkt elastisch, bricht nicht nach starkem Biegen oder Dehnen und zeigt auch in gedehntem Zustand keine Risse. Der gequollene O-Ring hat gegenüber dem Ausgangszustand eine deutlich reduzierte Härte. Wird die Volumenzunahme des O-Ringes durch die Nut behindert, wirken sehr hohe Kräfte auf den O-Ring. Gleichzeitig wird er weicher, womit die mechanische Widerstandsfähigkeit gegen Spalteinwanderung, mechanische Beschädigung und Abrieb erheblich reduziert wird.

Chemische und thermische Beständigkeit

Ist die Ausfallursache ein chemischer Reaktionsmechanismus, dann führt der Kontakt des Mediums zur Zerstörung des Elastomers. Als Folge wird der Werkstoff hart und spröde und verliert seine elastischen Eigenschaften (Bild 2), was dann zwangsläufig zum Ausfall der Dichtung führt. Kennzeichen eines chemischen Angriffs sind:

  • Erhärtung oder Klebrigkeit
  • Verlust der Elastizität
  • Risse (auf der medienberührten Seite)
  • bleibende Verformung
  • Versprödung
  • Erweichung
  • klebrige Oberfläche
  • Quellung
  • Schrumpfung
  • Material bricht bei leichter Zug/Biegebeanspruchung.

Zur Beständigkeit von elastomeren Werkstoffen gegenüber Fluiden gibt es unterschiedliche Definitionen, aber keine Normung. Wichtigster Parameter bei der Beständigkeit ist die Volumenquellung. So lässt die aktuelle O-Ring-Norm DIN ISO 3601 im Teil 2 eine Volumenzunahme bis 15 % zu. Die Volumenquellung selbst ist noch kein sicheres Indiz dafür, ob ein Werkstoff beständig ist oder nicht. Die auftretende Wechselwirkung zwischen Elastomer und Medium kann eine chemische Komponente umfassen, und diese ist mit einer Volumenzunahme nicht immer eindeutig zu erkennen. Um eine chemische Unverträglichkeit zu erkennen, bedarf es umfangreicher Versuche. Erst wenn ersichtlich ist, wie stark sich insbesondere die Parameter Reißfestigkeit und Reißdehnung nach Einlagerung im Medium verändert haben, ist es möglich, eine Beständigkeitsaussage zu machen. Beständigkeitsangaben zum Basiselastomer erhält man entweder vom Dichtungshersteller direkt oder besser noch durch praxisnahe Versuche.

Elastomere sind über einen weiten Temperaturbereich sehr gut einsetzbar. Abhängig vom Kautschuktyp gibt es zwei Temperaturbereiche, in denen sich die Eigenschaften stark verändern: Unterhalb der sogenannten Glasübergangstemperatur verlieren Elastomere ihre Elastizität. Dieser Vorgang ist reversibel, d. h., nach Erwärmung erreicht das Material wieder seine ursprünglichen Eigenschaften.

Die obere Temperatureinsatzgrenze wird stets durch die einwirkenden Medien bestimmt. Wird die obere Temperaturgrenze dauerhaft überschritten, führt dies zur Zerstörung des Werkstoffes. Die zulässigen Einsatz-Temperaturbereiche (Bild 3) hängen vom eingesetzten Werkstoff ab und liegen zwischen -100 (PVMQ) und 325 °C (FFKM). Schäden durch starke Überhitzung erkennt man an Rissen (Bild 4), wird der Ring zu lange innerhalb der polymertypischen Temperaturgrenzen betrieben, kommt es zur Versprödung und zur bleibenden Verformung. Temperaturbedingte Schäden zeigen sich durch:

  • Risse (an der Kontaktfläche)
  • Versprödung
  • bleibende Verformung
  • glänzende Oberfläche
  • rußender Belag

Mechanische Ursachen: Häufig sind es Montagefehler

Unter den unzulässigen physikalischen Beanspruchungen sind alle Ausfallursachen zusammengefasst, die einen Ausfall erklären können, ohne dass es zu Veränderungen in der Netzwerkstruktur gekommen sein muss und der Ausfall nicht auf einen Herstellungsfehler zurückgeht. „Mechanisch“ bedeutet, dass hier auch Montagebeschädigungen enthalten sind. Typische Ursachen sind scharfkantige Einbauräume, zu geringe oder zu hohe Verpressung, Spaltextrusion, Abrieb oder explosive Dekompression. Mögliche Schadensursachen durch mechanisch/physikalische Einwirkungen sind:

  • Nutüberfüllung
  • Montagebeschädigungen
  • Abrieb
  • Spaltextrusion
  • Spiralfehler

Oft werden O-Ringe bei der Montage beschädigt, da sie prinzipiell verpresst werden müssen, um abdichten zu können. Dazu sind Verformungskräfte (z. B. Dehnen des O-Rings) bei der Montage erforderlich. Hierbei kann der O-Ring beschädigt werden, wenn dieser gegen scharfe Kanten gedrückt wird. Dies ist z. B. der Fall bei radial dichtenden O-Ringen, die ohne oder mit einer zu steilen Einführschräge montiert werden. Zusätzlich empfiehlt sich die Verwendung von Montagefetten, weil dadurch die Montagekräfte wesentlich reduziert werden. Ist dies nicht möglich, kann eine Oberflächenbehandlung das Beschädigungsrisiko deutlich senken.

Eine andere physikalische Beanspruchung ist die Widerstandsfähigkeit von

O-Ringen gegenüber hohen Drücken. Sie wird maßgeblich von der Werkstoffhärte bestimmt. Ein härterer O-Ring kann bei gleichen abzudichtenden Spalten höheren Drücken widerstehen. Mit normgerechten Einbauräumen nach DIN ISO 3601 Teil 2 für ruhende Abdichtungen können mit O-Ringen (90 ±5 IRHD) Drücke bis 70 MPa/700 bar problemlos abgedichtet werden. Voraussetzung hierfür ist die Begrenzung des Dichtspaltes „g“ auf nahezu Null.

Der häufigste Schaden zeigt sich als Extrusion am O-Ring. Bild 5 gibt die Grenzsituation wieder: Unter hohem Druck wird der O-Ring in die „D“-Form verpresst und ein Teil des Querschnitts zwischen die abzudichtenden Maschinenteile gedrückt. Bei zu hohem Druck kann das Material aber abscheren oder extrudieren (Bilder 6 und 7).  Dieser Schaden kann bei Medienkontakt und dadurch zu großer Werkstoffquellung auftreten. Zusammengefasst erkennt man den Schadensmechanismus bei mechanisch/physikalischen Einwirkungen an folgenden Eigenschaften:

  • noch volle Gummielastizität
  • Materialausbrüche
  • Extrusionsfahnen
  • keine äußere Einwirkung erkennbar
  • starke Veränderung der Form
  • Risse, Blasen, Einschnitte
  • Abflachungen

Doch nicht nur in der Anwendung selbst sind die Ursachen für einen Dichtungsausfall zu suchen, sondern bereits bei der Herstellung: Als häufigste Fehler sind hier Anrisse bzw. radiale Fließlinien, eine Vorstufe zu Anrissen, zu nennen. Ebenso ist eine Untervulkanisation (dadurch mangelnde Werkstoffelastizität) ein ernstzunehmender Herstellungsfehler. Herstellungsfehler äußern sich durch Risse, Fließfehler, Oberflächenfehler, Fremdmaterial  (Schmutz, Trennmittel, Austriebreste), Materialmangel und Untervulkanisation.

Vorgehensweise bei der Schadensanalyse

Häufig ergeben sich erste Hinweise zur Schadensursache durch eine sorgfältige Recherche zur Historie der Armatur. Weichen beispielweise die tatsächlichen Einsatzbedingungen von den vorgegebenen Spezifikationen ab? Zur Ursachenfindung sind dennoch chemische und physikalische Untersuchungen am geschädigten Teil, ggf. im Vergleich zu einem Referenzmaterial, z.B. durch FT-IR-Spektroskopie, chromatographische Methoden und Elementaranalyse, unerlässlich. Allerdings ist ein hoher analytischer Aufwand nicht immer gerechtfertigt, so dass man sich auf Untersuchungsmethoden beschränken muss.

Um die Ursache eines Schadens zu ermitteln, werden die Ergebnisse der einzelnen Untersuchungen bewertet und mit den Ergebnissen der Bestandsaufnahme verknüpft. Dies kann nur mit entsprechender Erfahrung und Fachwissen durchgeführt werden. Lassen sich Schäden nicht eindeutig einer Ursache zu zuordnen, so kann es hilfreich sein, einzelne Ursachen auszuschließen. Allerdings sollte die Festlegung der Schadensursache nicht alleine durch das Ausschlussprinzip begründet werden. Liefert die Schadensanalyse mehrere Schadensursachen, sollte hinsichtlich der primären Schadensursache und den begünstigenden Einflüssen bewertet werden. Ist die Ausfallursache ermittelt, müssen geeignete Maßnahmen zur Abhilfe eingeleitet werden. Diese können verschiedene Bereiche wie Konstruktion, Werkstoffauswahl, Fertigungsprozesse, Prüfverfahren und Prüfbedingungen betreffen.

Fazit: Der Ausfall eines O-Rings in einer Anwendung kann vielfältige Ursachen haben. Sämtliche Betriebs- und Montagebedingungen sollten hinterfragt werden. Eine erste, grobe Analyse kann durch Begutachtung des ausgefallenen O-Rings vorgenommen werden. Allerdings bedarf es stets einer weiteren, intensiveren Untersuchung. Hierbei ist in erster Linie neben dem Fachwissen auch Erfahrung im Umgang mit ausgefallenen Dichtungen von Vorteil, um nicht nur die Ursache des Ausfalls zu ermitteln, sondern auch entsprechende Abhilfemaßnahmen einleiten  zu können. Hier hilft die enge Zusammenarbeit mit der Anwendungstechnik eines Herstellers oder Fachhändlers.

CT-Trendbericht Dichtungen aus Ausgabe Juni 2016. 

Heftausgabe: Mai 2017

Über den Autor

Michael Krüger ist Leiter Anwendungstechnik bei C. Otto Gehrckens
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