Verlässlicher Werkstoff für O-Ringe in Heißwasser und Dampf

Die Kraftwerks-  und Verfahrenstechnik kennt das Problem zur Genüge: O-Ringe in Heißwasser und Dampf sind aufgrund ihrer mangelhaften Materialeigenschaften oft nicht in der Lage, den geforderten Prozesstemperaturen von 200 °C zuverlässig standzuhalten. Risse und Versprödungen sind dann typische Merkmale des Dichtungswerkstoffes und verkürzen deutlich die Einsatzdauer der Dichtung. Teure Stillstandzeiten der Anlagen sind die Folge. Sehr häufig bestimmen offensichtlich O-Ringe die Einsatzgrenzen von Pumpen und Armaturen, welche durch die Verwendung hochwertiger Edelstähle bei deutlich höheren Temperaturen eingesetzt werden könnten.

Auf der Suche nach einem geeigneten Werkstoff
Es gibt eine ganze Reihe von Elastomeren, wie zum Beispiel EPDM und FKM, die eine Temperaturbeständigkeit von über 150 °C aufweisen. Jedoch sind diese Werkstoffe teilweise aufgrund der schlechten Heißwasserbeständigkeit nicht oder nur bedingt geeignet. EPDM-Werkstoffe lassen sich beispielsweise in Heißwasser bis 150 °C problemlos einsetzen, solange der freie Zutritt von Sauerstoff verhindert oder zumindest stark begrenzt wird. Ist das nicht der Fall, zeigen sich starke Spuren eines stattgefundenen Polymerabbaus. Der O-Ring hat dann zur Luftseite hin eine rußende Oberfläche und ist stark versprödet, während er zur Wasserseite hin noch gummielastisch ist. Die Einsatzgrenzen von EPDM werden also weniger durch die Wasserbeständigkeit als vielmehr durch die Heißluftbeständigkeit definiert.
Eine bessere Heißluftbeständigkeit als EPDM und darüber hinaus eine gute Heißwasser/Dampfbeständigkeit bis 200 °C besitzen auch die Fluorelastomere FKM. Der Knackpunkt ist allerdings der Preis: Das Preisverhältnis eines EPDM zu einem FKM-Werkstoffe kann bei Faktor 10 und höher liegen.
Keiner der beiden dargestellten Werkstoffe kann offensichtlich die gewünschten Anforderungen zuverlässig und dauerhaft erfüllen. Nun steht mit  Creaflex HT-200 dem Markt ein heißwasser- bzw. dampfgeeigneter Werkstoff für einen Dauertemperatureinsatz bis 200 °C zur Verfügung. In enger Kooperation mit einem deutschen Pumpenhersteller wurde ein kostengünstiger Werkstoff entwickelt, der bei einer Einsatzdauer von mindestens  20.000 h  in Heißwasser bzw. Dampf  bei einer Dauertemperatur von 200 °C sicher standhält. Die Leistungsfähigkeit dieses Werkstoffes wurde in einer Langzeitstudie in Heißwasser unter Beweis gestellt. Die Versuchsergebnisse wurden im Anschluss von einem unabhängigen Prüflabor ausgewertet.

Versuchsziel, -ablauf und -ergebnis
Ein Ziel der Versuchsreihe war es, einen O-Ring für die Anwendungen bei Pumpen im Temperaturbereich von 200 °C zu finden. Eine weitere Aufgabenstellung für die Tests war, das Beurteilen und Qualifizieren wirtschaftlich vertretbarer O-Ring-Werkstoffe unter die Lupe zu nehmen, die unter den geforderten Randbedingungen – bei 37 bar Druck, 200 °C in Heißwasser und einer Laufzeit von 8.000 h – und darüber hinaus eine möglichst lange Einsatzdauer bieten. Der gewählte Betriebspunkt sollte dabei möglichst realitätsnah dem Einsatz von O-Ringen in Stufengehäuse-Pumpen einer bestimmten Pumpenbaureihe abbilden.
Der freie Zutritt von Sauerstoff sollte zusätzlich zu einer verschärften Testsituation führen. Denn aus der Praxis ist bekannt, dass O-Ring-Dichtungen, die bei hohen Temperaturen in Heißwasser noch zusätzlich mit Luftsauerstoff in Berührung kommen, starke Spuren eines stattgefundenen Polymerabbaus zeigen – nämlich die von Alterung.
Resultat: Der O-Ring hatte zur Luftseite hin eine rußende Oberfläche und war stark versprödet, während er zur Wasserseite hin noch gummielastisch war. Die Einsatzgrenzen werden daher in der Praxis weniger durch die Wasserbeständigkeit als vielmehr durch die Heißluftbeständigkeit definiert.
Der Prüfstand lässt sich folgendermaßen beschreiben: Auf dem Prüfstand wurden zunächst Stufengehäuse mit vier am Umfang verteilten Nuten ausgeführt, um den freien Zugang des Sauerstoffs an die O-Ringe zu gewährleisten. Dadurch wurden die Worst-case-Bedingungen simuliert.
Als nächstes wurden verschiedene Temperatur- und Druckzyklen gefahren. Aus Sicht der Dichtungstechnik sind nämlich konstante Dauertemperaturen gegenüber zyklischen Temperaturen unproblematischer. Bei zyklischen Temperaturen werden aufgrund sich ändernder Dichtspalte deutlich höhere Anforderungen an das elastische Rückstellverhalten der O-Ringe gestellt.
Das Testprogramm umfasste Durchläufe von 8.000 Teststunden, jeweils in Intervallen von 1.000 Betriebsstunden. Nach diesen Laufzeiten wurden die O-Ringe ausgebaut und mikroskopisch beurteilt. Das anschließende Auswerten der Versuche in Verbindung mit Erstellung der Einsatzdauerprognosen wurde von einem unabhängigen Werkstofflabor durchgeführt.
Creaflex HT-200 ist dabei mit einer prognostizierten Einsatzdauer von 33.000 h – das entspricht vier Jahren – unter insgesamt mehr als 60 getesteten Werkstoffen als eindeutiger Testsieger aus den Versuchen hervorgegangen. Der Versuchsaufbau, das -programm sowie die detaillierten Testergebnisse wurden in einem umfangreichen Testbericht des Kooperationspartners zusammengestellt.

Werkstoff ist nicht gleich Werkstoff!
Genormte Eigenschaften bei O-Ringen, wie das beispielsweise bei Edelstählen der Fall ist, gibt es nicht. So weist ein EPDM-Werkstoff x einer Firma A mitunter andere Werkstoffeigenschaften auf als ein gleichartiger EPDM-Werkstoff der Firma B. Genau das macht es für die Pumpenhersteller so undurchsichtig, den für ihre spezielle Anwendung geeigneten Werkstoff zu finden. Der Dichtungswerkstoff „von der Stange“ ist mitunter ein riskantes und teures Unterfangen. Das Geheimnis liegt also in der richtigen, anwendungsspezifischen Rezeptur oder anders gesagt: in einer individuellen Beratung und im zuverlässigen Service. Namhafte Pumpenhersteller vertrauen deshalb lieber auf hochwertige Spezialelastomere und Dichtungssysteme,  gepaart  mit Beratungs- und Servicekompetenz des Anbieters.

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