Dichtung unter Dampf

Mit Siliziumcarbid gefüllte PTFE-Flachdichtungen

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09.07.2018 Manche Anwendungen in der Dichtungstechnik sind speziell und selten, zeigen aber dafür die Leistungsfähigkeit von Dichtungsmaterialien umso deutlicher: Ein Metallurgie-Unternehmen berichtet von einem Projekt, bei dem es darum ging, Schmelzöfen effizienter zu betreiben.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Bei der Wärmerückgewinnung und anschließenden Energieerzeugung durch Dampf sind elektrisch isolierende Dichtungen von Vorteil. Die vorgestellten mit Siliziumcarbid gefüllten PTFE-Dichtungen sind isolierend und gleichzeitig beständig bei hohen Temperaturen und Drücken sowie gegen aggressive Chemikalien.
  • Eine geschlossen-porige Variante des Werkstoffes eignet sich besonders bei niedrigen Flächenpressungen, da sie weicher und damit unter diesen Bedingungen anpassungsfähiger ist.
  • Die Beständigkeit bleibt durch die Strukturänderung unbeeinträchtigt.

Copper pipes with steam

Dampfleitungen erfordern beständige Dichtungen, und besonders herausfordernd sind elektrisch zu isolierende Rohrleitungen. Bild: ChrWeiss – AdobeStock

Zwar ist ein Schmelzofen an sich eine bekannte technische Anlage, aber wenn es um das Schmelzen von Silizium geht, wird alles etwas komplexer. Typische Rohstoffe sind Quarzit oder Quarzsand, aber diese geben das als Siliziumdioxid (SiO2) gebundene Silizium nicht so einfach frei. Dazu ist recht brachiale Gewalt in Form von Temperaturen über 2.000 °C nötig. Diese entstehen in elektrischen Lichtbogenöfen bei niedrigen Spannungen, aber sehr hohen Stromstärken. Das entstehende Rohsilizium dient zur Legierung von Stahlschmelzen und ist auch ein Ausgangsstoff für hochreines Silizium für die Solarindustrie und Mikroelektronik. Der entstehende staubförmige Anteil kommt unter anderem zur Verbesserung von Betonsorten und beim Stabilisieren von Bohrlöchern in der Erdöl- und Gasgewinnung zum Einsatz.

Jenseits des empfohlenen Bereichs

Das geschilderte Produktionsverfahren ist sehr energieintensiv, und es entstehen erhebliche Mengen an Abwärme. Dampferzeuger nutzen diese Abwärme sinnvoll, der entstehende Dampf wird über Turbinen zur Stromerzeugung eingesetzt. Im vorliegenden Fall erzeugt der Betreiber rund 180 GWh/a, was laut Anwender dem Energiebedarf von 12.000 Haushalten entspricht – ein erheblicher Beitrag zur Energierückgewinnung.

Doch was hat das mit Dichtungsmaterialien zu tun? Die Herausforderung der Anlagenkonstruktion liegt darin, dass ein Teil der Rohrleitungen elektrisch isoliert sein muss. Auch wenn es um eine relativ geringe Isolationsspannung von 6 bis 10 V geht, wäre bei den eingesetzten hohen elektrischen Strömen ein elektrischer Kontakt gefährlich. Gleichzeitig herrschen Dampftemperaturen von 260 bis 270 °C und Drücke von 50 bis 55 bar. Der übliche Einsatz von Grafitdichtungen ist hier aufgrund der Leitfähigkeit des Grafits nicht möglich.

Eine Alternative ist das Dichtungsmaterial Top-chem 2000 des Herstellers Klinger. Dessen hohe Druckstandfestigkeit und die gute Isolationswirkung zusammen mit der Eigenschaft, dass das Material bei diesen Temperaturen nicht aushärtet, lassen die Schmelzanlage nun seit fünf Jahren sicher und zuverlässig laufen. Und das, obwohl Einsatzdruck und Einsatztemperatur bereits knapp außerhalb des vom Hersteller im p,T-Diagramm empfohlenen üblichen Einsatzbereiches liegen. Wesentlich ist jedoch, dass die mittlere elektrische Durchschlagfestigkeit des Materials rund 3.600 V/mm beträgt und somit mehr als ausreichend für die Anwendung ist.

Referenzanwendungen

Referenzanwendungen für verschiedene Mediengruppen: Auffällig ist der Einsatz im Hochtemperatur-Bereich und unter erhöhtem Druck. Bilder: Klinger

Standfeste PTFE-Dichtung für die Chemie

Der Dichtungswerkstoff ist mit Siliciumcarbid gefüllt, was dem Produkt seine Eigenschaften sowie seine charakteristisch graue Eigenfarbe verleiht. Das Material für PTFE-Flachdichtungen ist speziell für den Einsatz in der chemischen Industrie entwickelt und seit vielen Jahren in verschiedenen Anwendungen bewährt. Neben den Dichtungen für genormte Rohrleitungsflansche aus Stahl sind hier besonders die Verschraubungsdichtungen hervorzuheben.

Siliciumcarbid ist gegen konzentrierte Säuren und Laugen gleichermaßen beständig, was universellen Einsatz ermöglicht. Getrennte PTFE-Dichtungen für Säuren und Laugen sind daher nicht erforderlich. Wegen seiner herausragenden Standfestigkeit unter Temperatur eignet sich der Werkstoff auch für Rohrleitungen mit Prozessenergie, etwa für Dampf oder Wärmeträgeröle, auch im Wechsellastbetrieb bis maximal 250 °C. Somit lässt sich die Dichtungsvielfalt in der chemischen Industrie wirkungsvoll durch Standardisierung auf nur einen Dichtungswerkstoff reduzieren.

Anpassungsfähiger mit geschlossenen Poren

Druck

Verformungsverhalten von Top-chem 2000 und seiner Soft-Variante bei 2 mm Dicke: Der weichere Werkstoff ist anpassungsfähiger.

Aufgrund des Materialkonzeptes, dem hohen Füllstoffgehalt an Siliciumcarbid, kritisierten einige Anwender, dass der Werkstoff in der Praxis „zu hart“ sei. Daher hat der Dichtungsanbieter sein Sortiment mit der Variante Top-chem 2000soft abgerundet. Dieses Material weist eine höhere Anpassungsfähigkeit bei niedrigen Flächenpressungen auf, welche durch eine während des Herstellprozesses erzeugte besondere geschlossenporige Struktur möglich ist. Das Materialkonzept bleibt dabei unverändert, sodass auch die Medienbeständigkeit nicht eingeschränkt ist.

Die verbesserte Anpassungsfähigkeit zeigt sich in der höheren Dickenabnahme im niedrigen Flächenpressungsbereich bis 20 MPa. Durch die größere Verformung kann sich die Dichtung Flanschunebenheiten und Riefen besser anpassen. Bei EN-Flanschen mit glatter Dichtleiste wird typischerweise eine Einbauflächenpressung zwischen 20 und 40 MPa erreicht. Eine 2 mm dicke Dichtung aus dem weicheren Werkstoff hat unter diesen Bedingungen im eingebauten Zustand eine Dicke von 1,6 bis 1,7 mm.

Die mechanischen Kennwerte bei erhöhter Temperatur sind für die anpassungsfähige Materialvariante aufgrund der geschlossenporigen Struktur zwar geringfügig ungünstiger, liegen aber laut Anbieter noch deutlich über den Werten der meisten gefüllten PTFE-Dichtungen. Die Medienbeständigkeit ist unverändert hoch. Dichtungskennwerte für die Flanschberechnung nach EN 1591-1 sind für beide Werkstoffe auf der Dichtungsdatenbank www.gasketdata.org veröffentlicht. Beide Produkte sind als Dichtungsplatten in verschiedenen Dicken bis 3 mm erhältlich. Einbaufertige Dichtungen lassen sich daraus durch Stanzen, Plottern oder mittels Wasserstrahlschneiden in fast beliebigen Abmessungen und Geometrien herstellen.

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Heftausgabe: Juli/2018

Über den Autor

Norbert Weimer, Prokurist, Klinger; Wolfgang Abt, Produktmanagement, Klinger
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