The Next Generation

Werkstoff für mehr Sicherheit im Chemikalienhandling

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29.11.2016 Betreiber verwenden und produzieren Chemikalien nicht nur, sondern müssen sie auch lagern. Hierfür gibt es Behälter wie den PE 100-RC. Dessen Material ermöglicht Spannungsrissbeständigkeit mit einer Standzeit von über 8.000 h im FNCT (Full NotchCreep Test) und kann die Betriebssicherheit im Alltag erhöhen.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Das Material PE 100-RC ermöglicht in Bezug auf Polyethylen als Weiterentwicklung des PE 100 bis Dato den höchsten bekannten Widerstand gegen langsames Risswachstum – entsprechende Ergebnisse in Form von FNCT-Werten liegen vor.
  • Darüber hinaus spielt für Behälter und ihre Einsatzmöglichkeiten nicht nur alleine die Entscheidung bezüglich des Werkstoffs eine entscheidende Rolle, sondern auch die Farbe: angefangen beim Innen- oder Außeneinsatz, bis hin zu Möglichkeiten der Energieeinsparung.

Das Jahr 2010 markiert einen Wandel im Behälterbau: die Umstellung zum PE-Werkstoff PE 100-RC. Der Ursprung dieser Materialentwicklung ist im Rohrleitungsbau zu finden, in dem sich das Material bereits als Stand der Technik etabliert hat. Aggressive Medien, die einen höheren Abminderungsfaktor besitzen sowie erhöhten Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, setzen für das Lagern und Handling besondere Anforderungen an den Behälterbau. Stahlgummierte Behälter sind an dieser Stelle mit einer verkürzten Lebensdauer zu betreiben – die Zersetzung des Behältermaterials kann gravierende Folgen für Betrieb und Umgebung mit sich bringen. Hier finden Behälter aus Polyethylen (PE) ihren Einsatz. Kunststoff im Allgemeinen ist ein verhältnismäßig junger Werkstoff; einer der chemisch am simpelsten aufgebauten Kunststoffe ist dabei PE. Seit dieser Verarbeitern auch in hoher Dichte (PE HD) zur Verfügung steht, ermöglicht jede Entwicklungsgeneration bei gleichbleibendem Sicherheitsniveau eine wirtschaftlichere Behälterauslegung. Der aktuelle Entwicklungsstand von dem PE, welches heute im Anlagen-, Behälter- und Rohrleitungsbau zum Einsatz kommen kann, ist das PE 100-RC.

Entwicklung von PE 100 zu PE 100-RC

Die allgemeinen Werkstoffeigenschaften des Ausgangsmaterials PE-100 sprechen bereits für sich: lebensmittelecht, elastisch/schlagzäh, homogener Werkstoff, kein Verbundsystem, keine Beschichtung, keine Glasfasern, chemische Beständigkeit, einfache Reinigung aufgrund der unpolaren Oberflächenbeschaffenheit sowie ein einfaches und kostengünstiges Recycling nach der geplanten Lebensdauer. Auch bei dem RC-Werkstoff handelt es sich um ein PE 100, welches die Entwickler im Herstellungsprozess jedoch dahingehend veränderten, als dass es dem langsamen Risswachstum aus der Gruppe der PE-Typen (vernetztes PE ausgenommen) den höchsten Widerstand entgegensetzt (RC = resistant to crack). Mit dieser Eigenschaft unterscheidet es sich deutlich von dem PE 100. Entwickelt wurde PE 100-RC zunächst speziell für erdverlegte Rohre, bei denen beispielsweise punktförmige äußere Belastungen im Erdreich oder Kerben, die während der Verlegung entstehen, auch nach langen Betriebszeiten nicht zu einer Rissbildung führen. Die Eigenschaft des hohen Widerstands gegenüber langsamem Risswachstum bietet auch beim Lagern von kritischen Medien im Behälterbau erhöhte Sicherheit. Hat ein Medium im Material einen Mikroriss (Spannungsriss-Beginn) erzeugt, kann man aufgrund der besseren Weiterreißbeständigkeit von PE 100-RC davon ausgehen, dass die Rissfortpflanzung in das Material hinein gehemmt ist. Dies hat einen unmittelbaren Einfluss auf die Lebensdauer der Konstruktion: „(…) Die Abminderungsfaktoren für Medieneinfluss A2B können für spannungsrissauslösende Medien abgesenkt werden.“ (DVS-Taschenbuch, Ausgabe 2016, S. 139, Anmerkung 1). So entstehen Behälter für die Lagerung von Medien, beispielsweise Schwefelsäure ≤ 96 %, die Mediengutachter für eine erhöhte Standzeit freigeben. Weiterhin haben bei einer Konstruktion aus PE 100-RC unbeabsichtigt eingebrachte Kerben beim Verarbeiten, Transport, Aufstellen oder beim Betreiben eines Behälters bei Weitem nicht den Stellenwert wie bei PE 100 oder auch PP-H.

Beste Ergebnisse beim FNCT

Wegen der hohen Weiterreißunempfindlichkeit von PE 100-RC, bedarf es in einem herkömmlichen Zeitstand-Innendruckversuch einer sehr langen Prüfzeit, um diese Eigenschaft (Widerstand gegen langsames Risswachstum) festzustellen. Zur deutlichen Verkürzung des Prüfzeitraums kommt der sogenannte FNCT (Full Notch Creep Test) zum Einsatz. Dieser Test bestimmt im Prinzip das Kerbverhalten beziehungsweise die Weiterreißempfindlichkeit des Materials. Für die Ermittlung dieser Eigenschaft kerbt der Tester einen Prüfkörper mit den Abmessungen von beispielsweise 100 x 10 x 10 mm mittig auf allen vier Seiten auf gleicher Höhe mit einer Klinge bis in eine Tiefe von 1,7 ± 0,2 mm ein. Diesen Probekörper setzt das Personal im Anschluss bei 80 °C in einer Netzmittellösung (2 % Arkopal N-100) einer Zugbelastung von 4 N/mm² aus. Die einzelnen PE-Typen müssen dem Test mit Mindestzeiten ohne Bruch widerstehen, damit es möglich ist, sie den entsprechenden PE-Typen zuzuordnen. Die Mindestwerte für die entsprechenden Rohstoffe sind in dem DVS-Taschenbuch, Ausgabe 2016, in der DVS 2205-1 Beiblatt 1 auf Seite 139 festgelegt. Eine Gegenüberstellung zeigt den deutlichen Unterschied zwischen PE 100-RC und anderen PE-Typen bezüglich des Widerstands gegenüber dem langsamen Risswachstum: PE 100-RC besitzt eine Mindeststandzeit von 8.760 h, womit sich die Mindeststandzeit im Vergleich zum PE 100 um das ca. Dreißigfache erhöht.

Von der Farbe zum Einsatzbereich

Behälter aus PE 100-RC sind aus verschweißten Tafeln oder Wickelrohr standardmäßig in den Farben Schwarz, Blau und Weiß erhältlich. Dabei finden die Behälter in den verschiedensten Bereichen Einsatz, dazu gehören die Chemieindustrie, Pharmaindustrie, Umwelttechnik, Recyclingtechnik, Energietechnik, Klärwerke, Solarenergie sowie Biogasanlagen. Neben optischen Fragen hat jede Farbe ihre speziell auf den Einsatzbereich bezogenen Vorteile: Während der FNCT-Wert als auch die chemische Beständigkeit bei allen drei Farben auf einem gleich hohen Niveau liegen, entscheiden Unterschiede in der Wärmeabsorption, der Lichtabsorption sowie der Witterungsbeständigkeit über den geplanten Einsatzbereich. Gerade weil PE zu der Kunststoffgruppe der Thermoplaste gehört (altgriechisch thermós = heiß, plássein = formen), ist die Bauteiltemperatur ein entscheidender Faktor für die Statik beziehungsweise konstruktive Gestaltung der Behälter. Durch die Wärmeabsorption der Sonneneinstrahlung können bei den unterschiedlichen Farben schwankende Oberflächentemperaturen auftreten. Bei Feststoffsilos oder in Bioreaktoren, wo aufgrund des Verfahrens keine freie Konvektion im Behälterinneren stattfinden kann, ermöglicht PE 100-RC weiß einen entscheidenden Vorteil: Es senkt die Temperatur der örtlichen Bauteil-Durchwärmung ab. Damit verringert sich die Beeinflussung der Statik oder Störung im Verfahrensprozess. Je nach Farbton absorbieren beziehungsweise streuen Behälter einen unterschiedlich großen Anteil des Lichts. Während ein schwarzer Behälter sämtliche Wellenlängen des Lichts absorbiert und somit ein Maximum an Licht „verschluckt“, streut ein weißer Behälter sämtliches Licht. Insbesondere in geschlossenen Räumlichkeiten mit mehreren Behältern ist es möglich, durch den Einsatz von weißen Behälterkonstruktionen Lichtenergie einzusparen. Bei beispielsweise Abwasseranlagen, die von vielen Betreibern aufgrund der hellen Farbe in PP-H gebaut wurden, bietet PE weiß somit eine wirtschaftliche Alternative.

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Heftausgabe: Dezember 2016

Über den Autor

Michael Wille, Statik/Konstruktion, Gerhard Weber Kunststoff-Verarbeitung; Dieter Eulitz, Anwendungstechnik Halbzeuge, Technical Service Center, Simona
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