Sanierungsbedürftige Beschädigung am Mannlochhals eines Eindampfbehälters

Sanierungsbedürftige Beschädigung am Mannlochhals eines Eindampfbehälters. Bild: TÜV SÜD

  • Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) ist ein widerstandsfähiger Werkstoff für robuste und langlebige Behälter.
  • Bei sachgemäßer Überprüfung ist ein Betrieb von GFK-Bauteilen auch nach der voraussichtlichen Lebensdauer möglich.
  • Dienstleister können mittels Laboranalyse Empfehlungen über Weiterbetrieb, Austausch oder Sanierung geben.

Der Werkstoff GFK wird seit über 40 Jahren erfolgreich bei der Herstellung von Behältern und Rohrleitungen im Anlagenbau eingesetzt. Grund dafür ist die hohe Beständigkeit des Materials gegenüber einer Vielzahl aggressiver Medien. Bauteile aus GFK sind deshalb besonders geeignet für die Verwendung in der chemischen Industrie. Häufig anzutreffen sind sie aber auch in Klär-, Biogas- und Müllverbrennungsanlagen. Im Laufe der Jahre können verschiedene Einflüsse die Betriebstauglichkeit beeinträchtigen. Denn die Bauteile werden chemisch, thermisch und mechanisch belastet, was auf Dauer entsprechende Spuren hinterlassen kann, oder die Umgebungsbedingungen des Aufstellungsorts wirken sich negativ auf die Stabilität des Werkstoffs aus. 200.000 Betriebsstunden – etwa 23 Jahre – beträgt die rechnerische Lebensdauer von GFK-Behältern. Gegebenenfalls kann aber auch danach ein sicherer Weiterbetrieb möglich sein.

Belastbare Leichtgewichte

GFK besitzt nur ein Fünftel der Dichte von Stahl, ist aber mechanisch hochbelastbar. Das liegt am Aufbau des Verbundwerkstoffs. Für die Herstellung von GFK-Behältern werden unter anderem Vinyl- und Polyesterharz sowie Glasfasern verwendet. So entsteht ein mehrlagiges, sehr festes Laminat mit niedrigem Gewicht. Ein weiterer Vorteil: Bei der Herstellung sind flexiblere Geometrien möglich als bei Bauteilen, die beispielsweise aus metallischen Werkstoffen gefertigt werden.

Auch betriebswirtschaftlich betrachtet rentieren sich GFK-Behälter. Anlagenbetreiber profitieren nicht nur von den besonders hohen Standzeiten, sondern auch von den mechanischen Kennwerten des Werkstoffs, die hohe Lasteinleitungen sowie das Aufnehmen großer Rührwerkslasten von 50 kN und mehr ermöglichen. Bei diesen und anderen Eigenschaften schneiden Konstruktionen aus Stahl schlechter ab. Oft sind deren Oberflächen auf der Mediumseite beschichtet oder gummiert. GFK besitzt den entscheidenden Vorteil, dass der Werkstoff gegenüber dem Medium durchgängig beständig ausgeführt werden kann.

Kopfbereich des HCl-Absorbers: Rissbildungen in der Reinharzschicht der CSS
Kopfbereich des HCl-Absorbers: Rissbildungen in der Reinharzschicht der CSS.

Je nach Anwendungsfall sorgen die verwendeten Harze für die chemische Beständigkeit des GFK-Laminats. Um die Beständigkeit auf der dem Medium zugewandten Seite nochmals deutlich zu erhöhen, ist die oberste Schicht als 2,5 mm dicke sogenannte Chemieschutzschicht (CSS) ausgeführt. Kennzeichnend ist ihr hoher Harzanteil und niedriger Glasgehalt (< 30 %). Die Basis der CSS b esteht aus bis zu drei Wirrfaserlagen, die zum Beispiel im Faserspritzverfahren aufgebaut werden. Darüber befindet sich auf der Mediumseite eine hochbeständige Reinharzschicht. Auf die CSS folgt das Traglaminat. Hier ist der Glasanteil mit etwa 45 bis 60 % deutlich höher. Das ist notwendig, um die mechanische Belastbarkeit des Verbundwerkstoffs und damit des gesamten Behälters zu erzielen. Das Traglaminat wird in der Regel als Wickellaminat hergestellt.

Zustandsbewertung vor Ort, Analyse im Labor

Für die Zustandsbewertung eines GFK-­Behälters ist sowohl eine äußere als auch eine innere visuelle Prüfung notwendig. Dabei können sich verschiedene Schadensbilder zeigen, wie zum Beispiel Risse oder Verformungen, aber auch die sogenannte osmotische Blasenbildung. Diese entsteht durch das Eindringen von Medium in das Laminat, kann die Glasfasern freilegen und durch sich bildende Säuren oder Laugen angreifen. Schreitet der Prozess voran, können sich die Glasfasern sogar vollständig auflösen und damit eine Destabilisierung des Behälters verursachen.

In der Prüfpraxis von TÜV SÜD zeigt sich, dass in bestimmten Fällen eine Werkstoffanalyse im Labor nötig ist, um Art und Ausmaß eines Schadens beziehungsweise die Tiefe eines Angriffs genauer zu charakterisieren. Betreiber erhalten damit eine verlässliche Entscheidungsgrundlage und können – falls notwendig – entsprechende Maßnahmen einleiten. Für die Laboruntersuchungen werden vor Ort am Behälter Proben mit Hilfe von Kernlochbohrungen gewonnen und von den neutralen, unabhängigen Experten im Institut für Kunststoffe analysiert. Die Labore sind für die Kunststoffprüfung nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert. Sind klare Aussagen zum Zustand der Glasfasern im Werkstoff erforderlich, ist der Einsatz eines Rasterelektronenmikroskops gekoppelt mit energiedispersivem Röntgenanalysator (REM-EDX) sinnvoll. Dafür wird nur sehr wenig Probenmaterial benötigt, sodass bei der Kernlochbohrung ein Durchmesser von 20 bis 30 mm genügt. Vorteilhaft ist dabei auch, dass die durch die Probenentnahme entstandenen, sehr kleinen Löcher mit geringem Aufwand wieder verschließbar sind.

HCl-Absorber: Die REM-Aufnahme der ersten Wirrfaserlage der CSS zeigt Auflösungserscheinungen an den „Seelen“ der Glasfasern.
HCl-Absorber: Die REM-Aufnahme der ersten Wirrfaserlage der CSS zeigt Auflösungserscheinungen an den „Seelen“ der Glasfasern.
 Im Elementspektrum sind Silicium (Si) und Calcium (Ca) noch sichtbar. Magnesium (Mg) und Aluminium (Al) sind in der Probe kaum noch vorhanden. Gold (Au) stammt von der Probenbedampfung.
Im Elementspektrum sind Silicium (Si) und Calcium (Ca) noch sichtbar. Magnesium (Mg) und Aluminium (Al) sind in der Probe kaum noch vorhanden. Gold (Au) stammt von der Probenbedampfung.

Wie die Prüfungen vor Ort und die Werkstoffanalysen im Labor ausgeführt werden, veranschaulicht folgendes Fallbeispiel aus der Praxis: Der Betreiber eines Müllheizkraftwerks beauftragte TÜV SÜD Industrie Service, eine wiederkehrende Prüfung von GFK-Bauteilen in der Rauchgasreinigungsanlage durchzuführen. Geprüft wurden während einer Revision verschiedene Behälter, der SO2- und der HCl-Absorber, unterschiedliche Rauchgaskanäle sowie die Beschichtung der Sole-Anlage.

Für die äußere und innere visuelle Prüfung hatte der Betreiber die Behälter zuvor entleert und gereinigt. An den Außenwandungen waren keine sichtbaren Schäden festzustellen. Anders im Innenbereich: Am Mannlochhals und Mannlochdeckel eines Eindampfbehälters wurde eine sanierungsbedürftige Beschädigung der CSS festgestellt. Die anderen Behälter der Rauchgasreinigung wiesen keine oder nur geringe, jedoch unkritische Veränderungen an der Werkstoffoberfläche auf. Je nach Behälter und Zustand wurde daher eine erneute Prüfung in einem Jahr oder in zwei Jahren empfohlen.

Beim SO2-Absorber, der ein halbes Jahr zuvor komplett saniert worden war, zeigte sich am auflaminierten Schutzhemd im Bereich des Gaseintritts eine größere Blase. Da diese offensichtlich keinen Einfluss auf die Standsicherheit hatte und zudem als unkritisch gegenüber abrasiven Angriffen eingestuft wurde, war eine Sanierung nicht notwendig.

Im HCl-Absorber wurden diverse Schäden festgestellt: abrasive Angriffe und an mehreren Stellen Rissbildungen in der Reinharzschicht der CSS. Auf Wunsch des Betreibers wurden fünf Kernlochbohrungen für REM-EDX-Untersuchungen entnommen, um den möglichen Grad einer Schädigung bei den Glasfasern zu analysieren. Die Rauchgaskanäle waren ohne Befund, sodass eine wiederkehrende Prüfung in zwei Jahren empfohlen wurde. Bei der Prüfung der Sole-Anlage wurden Risse und Ablösungen in der Bodenbeschichtung festgestellt. TÜV SÜD empfahl, diese Bereiche zu sanieren.

Die REM-Untersuchungen im Labor zeigten in allen fünf Proben des HCl-Absorbers optisch und mittels qualitativer EDX-Punktanalyse teils erhebliche chemische Angriffe an den Glasfasern der ersten und zweiten Wirrfaserlage. Dabei konnte ein fortschreitender Prozess beobachtet werden: von Auflösungserscheinungen an den „Seelen“ der Glasfasern bis hin zur vollständigen Zerstörung. In den EDX-Punktanalysen macht sich das bei dem Nachweis der für Glasfasern typischen chemischen Elemente Silicium (Si), Calcium (Ca), Aluminium (Al) und Magnesium (Mg) bemerkbar. In den Elementspektren sind diese Elemente dann zum Teil geringer vertreten beziehungsweise bei vollständiger Zerstörung nicht mehr nachweisbar. Das gilt besonders für das Element Magnesium. In allen fünf Proben zeigten sich auch schon beginnende chemische Angriffe am Übergang der CSS zum Traglaminat.

HCl-Absorber: Die REM-Aufnahme der ersten Wirrfaserlage der CSS zeigt die nahezu vollständige Zerstörung von Glasfasern.
HCl-Absorber: Die REM-Aufnahme der ersten Wirrfaserlage der CSS zeigt die nahezu vollständige Zerstörung von Glasfasern.
Im Elementspektrum sind Silicium (Si) und Aluminium (Al) noch sichtbar, während Calcium (Ca) und Magnesium (Mg) nicht mehr nachweisbar sind.
Im Elementspektrum sind Silicium (Si) und Aluminium (Al) noch sichtbar, während Calcium (Ca) und Magnesium (Mg) nicht mehr nachweisbar sind. Bilder: TÜV SÜD

Zum Zeitpunkt der Prüfung war die Standsicherheit des HCl-Absorbers noch nicht akut gefährdet. Unter Berücksichtigung des Alters des Prozessbehälters und der Ergebnisse der REM-EDX-Analysen empfahl TÜV SÜD jedoch eine Sanierung in spätestens zwei Jahren. Wegen der dann notwendigen, umfangreichen Sanierungsarbeiten wurde vorgeschlagen, dass die mit den Arbeiten beauftragte Fachfirma gemäß Wasserhaushaltsgesetz (WHG) zunächst ein Sanierungskonzept erstellt, welches von einem Kunststoffsachverständigen geprüft und freigegeben wird. Darüber hinaus wurde dem Kraftwerksbetreiber empfohlen, die notwendigen Laminierarbeiten von einem nach der Richtlinie DVS 2220 geprüften Laminierer durchführen zu lassen.

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