Druckwechsel

Druckwechsel beschädigt Dichtungen

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29.11.2009 Mit Schäden in Dichtringen durch explosive Dekompression haben Unternehmen der Öl- und Gasindustrie sowie im Kompressorenbau und in der Druckluftaufbereitung häufig zu tun. Herkömmliche Elastomerdichtungen können bei plötzlichem Druckabfall beschädigt und undicht werden. Die Folgen sind lange Maschinenstillstandszeiten und hohe Reparatur- wie Instandhaltungskosten. Der Werkstoff Vi 890 dichtet Gase auch bei plötzlichen Druckabfall sicher ab.

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Hersteller und Betreiber von Anlagen im Bereich der Öl- und Gasindustrie sowie im Kompressorenbau stellen besondere Anforderungen an Dichtungen. Hier müssen Dichtungen gasförmige Medien wie Kohlendioxid, Erdgas, Stickstoff, Helium und Wasserstoff bei Drücken von mehr als PN30/30bar und bei plötzlichem Absinken (innerhalb weniger Sekunden) speziellen Anforderungen genügen, um diese Medien sicher abdichten zu können. Solche Bedingungen herrschen in unterschiedlichen Bereichen, so beispielsweise auch in Molchschleusen an (Erd-)Gastransportleitungen. In diese Schleusen können verschiedene eingesetzte Molche die Rohre im laufendem 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.

Blasen an der Oberfläche

Elastomere Dichtungen, zum Beispiel O-Ringe, können unter diesen Bedingungen so stark beschädigt werden, dass diese Leckagen verursachen. Solche Schäden an den O-Ringen sind an Blasen an der Dichtungsoberfläche gut zu erkennen. Dieses Phänomen ist als explosive Dekompression bekannt. Sie tritt meist erst oberhalb von PN30/30bar ein, wobei die Drücke auch bis zu PN400/400bar erreichen können. In Druckbereichen ab PN100/100bar dürfen ausschliesslich nur speziell getestete Werkstoffe zum Einsatz kommen. So schreibt beispielsweise die Norm DIN EN14141 für Erdgas-Leitungen vor, dass nichtmetallische Teile von Armaturen, wie zum Beispiel elastomere Dichtungen gegenüber explosiver Dekompression beständig sein müssen.

Explosive Dekompression

Elastomere sind permeabel für Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten, sodass Gase unter Druck in das Dichtungsmaterial eindringen können. Wie stark ein Gas in den Werkstoff diffundiert hängt im wesentlichen von dem verwendeten Basispolymer (Kautschuk), vom Gas und von der Umgebungstemperatur ab. Elastomere Dichtungswerkstoffe bestehen aus langkettigen Molekülen, den so genannten Basispolymeren sowie Füll- und Verarbeitungszusätzen, um definierte physikalische Eigenschaften einzustellen. Ausschlaggebend für ihre Elastizität ist aber die Vernetzung der langkettigen Moleküle zu einem dreidimensionalem Netzwerk. Innerhalb dieses Netzwerks können sich winzige Hohlräume ausbilden, in welche die unter Druck stehenden, abzudichtenden Gase diffundieren können. Nach einer schnellen Druckentspannung tritt das eingeschlossene Gas aus dem Elastomer heraus.

Ein erster Teil des Gases verlässt durch kontinuierliche Diffusion das Elastomer. Die restlichen Moleküle neigen dazu, sich an in jedem Werkstoff vorkommenden Schwachstellen (zum Beispiel an vorhandenen inneren Rissen) im Inneren des Elastomers zu sammeln und sich zu Blasen auszudehnen. Die Blasen zeigen normalerweise die Tendenz, harmlos wieder zusammenzufallen, sofern das Gas weiterhin nach Außen diffundiert. Ist jedoch zu viel Gas im Elastomer gespeichert (zum Beispiel bei hohen Drücken), können die Hohlräume reißen. Der Dichtring wird undicht.

In der Anwendung getestet

Speziell aufgebaute Elastomere mit hohem Weiterreißwiderstand und Modul (oder Werkstoffhärte) halten auch solchen Bedingungen stand. Dichtringe aus Vi 890 gewährleisten auch bei extremen und schnellen Druckwechseln dauerhaft Dichtigkeit. In Tests zeigte sich, dass die O-Ringe aus diesem Werkstoff, die unter Serienbedingungen hergestellt wurden, auch nach Lagerung in 100% Kohlendioxid bei etwa 57bar und 24°C oder bei 70bar und 125°C und nachfolgender Entspannung auf Umgebungsdruck mit 20 bar pro Sekunde keine Beschädigungen aufwiesen.

Für Anwendungen in der Erdgasförderung, wie beispielsweise Molchschleusen, Schiebern, Kugelhähnen und sonstigen Regelventilen konnten mit dem Werkstoff bereits erfolgreich Leckagen durch Beschädigungen an den O-Ringen verhindert werden. Auch im Hochdruck-Kompressorenbau und in der Erdölförderung überzeugte der Werkstoff schon in Langzeittests.

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Für Anwender
Im Werkstoff von Dichtungen aus Elastomeren können bei gasförmigen Medien und extremen Druckwechseln Risse auftreten.
Der Effekt wird als explosive Dekompression bezeichnet und ist als Blasen auf den O-Ringen sichtbar.
Dichtringe aus Vi 890 gewährleisten auch bei extremen und schnellen Druckwechseln Dichtigkeit.
In Anwendungen in der Erdgas- wie Erdölförderung und im Hochdruck-Kompressorenbau überzeugte der Werkstoff.

Heftausgabe: Januar-Februar 2008

Über den Autor

Michael Krüger , Leiter Anwendungstechnik, C. Otto Gehrckens
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