Qual der Wahl

Praktischer Ratgeber zur Schlauchauswahl

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10.07.2012 Mit dem richtigen Schlauch funktioniert der Prozess sicher und kosteneffektiv. Dass falsche Schläuche den Prozess beeinträchtigen, Personal in Gefahr bringen und sich negativ auf das Endergebnis auswirken können, ist dem Anwender oft nicht bewusst. Was ist bei der Schlauchauswahl zu beachten?

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Entscheider-Facts Für Anwender

  • Verwenden Sie die Identifikation zu Ihrem Vorteil. Individualisieren Sie Ihre Schläuche mit Anhängeschildern oder Text. Das Personal kann auf einen Blick sehen, welche Funktion der Schlauch hat, was zur Sicherheit und Effizienz des Werks beiträgt.
  • Wählen Sie Hersteller aus, die vollständig rückverfolgbare Produkte anbieten. Aufgrund der Losnummern von Schläuchen, einschließlich von Fluorpolymer-Innenschläuchen und Edelstahl-Endanschlüssen kann der Hersteller Ihren potentiellen Verlust im Falle eines Rückrufs besser begrenzen.
  • Treffen Sie Ihre Entscheidungen auf Basis der echten Kosten eines Schlauchs, die sich aus dem Kaufpreis sowie den Betriebs- und Wartungskosten oder Austauschkosten nach einem gewissen Zeitpunkt für die Baugruppe zusammensetzen.

Obwohl sie so wichtig ist, wird die Auswahl der Schläuche oft erst im Nachhinein bedacht. Die Auswahl des richtigen Schlauches beginnt mit dem Verständnis für die vier Hauptteile eines Schlauchs:

  • Werkstoff und Konstruktion des Innenschlauchs,
  • Verstärkungsschichten,
  • Ummantelungen und
  • Endanschlüsse

Bei der Auswahl müssen Entscheidungen in diesen Bereichen getroffen werden bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Variablen in der Anwendung. Temperatur-, Druck- und Durchflussanforderungen sowie andere, angefangen von der chemischen Kompatibilität bis hin zur Entleerbarkeit, sind einige der Spezifikationen, die die Auswahl bestimmen.  Weitere Aspekte sind die Langlebigkeit des Schlauchs, Wartungs- und Austauschkosten sowie andere Betriebskosten.

Werkstoff und Konstruktion des Innenschlauchs

Bei der Auswahl eines Schlauchs sollte mit dem Innenschlauch begonnen werden, der mit dem Systemmedium in Kontakt kommt. Ist der Werkstoff in chemischer Hinsicht mit dem Systemmedium kompatibel? Korrodiert oder zersetzt sich der Werkstoff mit der Zeit? Ist er für den Temperaturbereich des Systemmediums geeignet? Verhindert oder begrenzt der Werkstoff Permeation und Absorption? Wird der Werkstoff des Innenschlauchs dem Reinigungsverfahren für das System standhalten, sowohl im Hinblick auf Temperatur als auch in Bezug auf Druck und Werkstoffkompatibilität der verwendeten Lösungsmittel und Reiniger?

Innenschläuche aus Metall – in der Regel Edelstahl 316L – eignen sich für allgemeine Anforderungen. Sie sind in der Regel für Temperaturen zwischen -200 und 454 °C zugelassen. Ein Metall­innenschlauch ist auch eine gute Wahl, wenn wenig Toleranz für Permeation oder Absorption besteht. Seit dem Aufkommen von Fluorpolymeren wird bei extrem ätzenden oder säurehaltigen Medien aufgrund des Korrosionsrisikos meist auf Metall verzichtet.

Silikon wurde bisher häufig für biopharmazeutische Anwendungen eingesetzt. Der typische Temperaturbereich für Silikon liegt zwischen -53 und 315 °C. Allerdings verschwand dieser Vorteil mit den Neuerungen bei der Fluorpolymer-Schlauchkonstruktion. Silikon, das in der Regel mit gängigen Lösungsmitteln nicht kompatibel ist, hat insgesamt eine begrenzte chemische Kompatibilität. Darüber hinaus ist es absorbierend, was zu Verunreinigungen führen kann.

Statt Silikon werden Innenschläuche aus Fluorpolymer bevorzugt für Biopharmazieanwendungen eingesetzt. PTFE, PFA und FEP sind drei gängige Fluorpolymere mit einem typischen Temperaturbereich von -53 bis 230 °C. Innenschläuche aus Fluorpolymer sind die chemisch inertesten Innenschläuche auf dem Markt. Sie altern nicht, sind haftabweisend und leicht zu reinigen und können der wiederholten Dampfreinigung standhalten. Wie Metall haben auch Fluorpolymere eine niedrige Absorptionsrate. Darüber hinaus haben Fortschritte in der Verwendung von Verstärkungsschichten ermöglicht, dass Innenschläuche aus Fluorpolymer weniger steif sind und eine ähnliche Flexibilität wie Silikon erreichen konnten. PTFE-Innenschläuche erfüllen die FDA-Vorschrift 21CFR Part 177.1550, USP <88> Class VI und 3-A. Ein Nachteil von Fluorpolymeren ist deren hohe Permeabilität.

Bei vielen Fluorpolymer-Schläuchenist ein mit Kohlenstoff versetzter Innenschlauch möglich, falls der Prozess die Ableitung statischer Aufladung erfordert. Antistatik-Innenschläuche sind wichtig, da Fluid beim Passieren durch den Schlauch elektrostatische Aufladung verursachen kann. Die elektrostatische Funkenbildung kann zur Beschädigung des Schlauchs führen und eine Gefahr darstellen.

Schläuche aus Thermoplasten wie beispielsweise Polyamid, die hohen Drücken standhalten können, werden oft für Hydraulikanwendungen ausgewählt. Sie sind in Größen bis zu 1 Zoll erhältlich und haben einen typischen Temperaturbereich von -40 bis 93 °C.

Schläuche aus Gummi sind wirtschaftliche Allzweckschläuche mit einem typischen Temperaturbereich, wie thermoplastische Schläuche. Sie eignen sich nur für Niederdruckanwendungen. Ein Vorteil der Gummischläuche ist, dass diese ohne permanenten Schaden zusammengequetscht werden können.

Bevor man sich für einen Innenschlauchwerkstoff entscheidet, muss man zuerst über die Konstruktion der Innenschlauchwand Bescheid wissen. Dabei muss entschieden werden, ob die Innenschlauchwand glatt oder gewellt sein soll, so dass ein Verbiegen möglich ist. Die Entscheidung wird von den Anforderungen der Anwendung in Bezug auf die Biegbarkeit des Schlauchs sowie auf Druck-, Durchfluss- und Entleerbarkeitsanforderungen beeinflusst.

Mit einem versatzfreien Innenschlauch ist eine präzise Durchflusssteuerung möglich, da keinerlei Unregelmäßigkeiten in der Wand vorhanden sind, die Unterbrechungen erzeugen könnten. Versatzfreie Innenschläuche begünstigen außerdem die Entleerbarkeit. Der größte Nachteil ist das Knicken des Schlauchs, insbesondere bei größeren Durchmessern. Verstärkungsschichten ermöglichen eine bessere Knickbeständigkeit.

Bei der anderen Wandkonstruktion, der gewellten Wand, sind die Wände des Schlauchs so gefaltet, dass der Schlauch ohne Abknicken gebogen werden kann. Innenschläuche aus Metall und Fluorpolymer werden mit gewellter Wand angeboten. Diese Konstruktion wird gewählt, wenn Biegbarkeit entscheidend ist.

Es gibt zwei Arten von gewellten Innenschläuchen – spiralförmig und ringförmig. Die spiralförmige Konstruktion, die primär an Innenschläuchen aus Fluorpolymer zu finden ist, ist eine Wellung, die sich als Spirale über die gesamte Länge des Schlauchs zieht. In manchen Fällen muss ein gewellter Innenschlauch ausgewählt werden, da eine gewisse Flexibilität erforderlich ist, aber ein beständiger Durchfluss und Entleerbarkeit ebenso wichtig sind. Eine spiralförmige Konstruktion ermöglicht einen besseren Durchfluss als eine ringförmige Wellung.

Die ringförmige Konstruktion, die typisch für Innenschläuche aus Metall ist, besteht aus einer Serie von miteinander verbundenen Ringen. Ringförmige Metallinnenschläuche sind durch ihre tiefe Wellung extrem biegbar. Trotz ihrer Biegbarkeit eignen sich gewellte Metallschläuche nicht gut für Anwendungen, wo sie immer wieder in Bewegung sind, da die Bewegung zur Ermüdung und zum Bruch führen kann.

Verstärkungsschichten zur besseren Druckhaltung

In den meisten Fällen wird der Innenschlauch durch ein biegbares Geflecht aus Edelstahl verstärkt, das eine zusätzliche Schicht auf dem Innenschlauch darstellt. Die richtigen Verstärkungsschichten führen zu einer besseren Druckeinhaltung und höheren Flexibilität des Schlauches. Dabei müssen die Druckraten der einzelnen Schläuche miteinander verglichen werden.

Ein Vergleich der Flexibilität ist schwieriger. Dazu muss man den Biegeradius kennen. Alle Schläuche haben einen Mindestbiegeradus, mit dem gemessen wird, wie weit ein Schlauch gebogen werden kann, bevor er knickt. Allerdings spielt bei der Flexibilität nicht nur der Biegeradius eine Rolle. Die zum Biegen eines nicht druckbeaufschlagten Schlauchs erforderliche Kraft muss ebenso berücksichtigt werden. Ein Schlauch mit einem guten Biegeradius ist nicht sehr hilfreich, wenn die zum Biegen erforderliche Kraft zu groß ist.

Schutz durch Ummantelungen
Eine Ummantelung ist eine Außenschicht zum Schutz der darunterliegenden Schichten, aber auch des Personals und der umliegenden Geräte. Ummantelungen sind aus Werkstoffen wie Silikon und Gummi erhältlich und sind ein entscheidender Bestandteil des Schlauchs.

Die gängigste Umhüllung für allgemeine Zwecke besteht aus Silikon. Silikonummantelungen verhindern das Ausfransen des Edelstahlgeflechts von Verstärkungsschichten, dies kann durch Abrieb entstehen. Ausgefranste Geflechte schwächen den Schlauch, stellen ein Bruchrisiko dar und können die Hände des Anwenders verletzen. Silikonummantelungen können zusätzlichen Schutz vor Verbrennungen für Anwender bieten, die Schläuche anfassen oder berühren, in denen sich sehr heiße Flüssigkeiten befinden. Sie bieten außerdem Isolierung zur Beibehaltung der Prozesstemperatur.

Silikonummantelungen sind eine besonders gute Wahl für biopharmazeutische Anwendungen. Aufgrund ihrer glatten Oberfläche lassen sie sich problemlos reinigen. Durch die Ummantelung der Edelstahlverstärkung werden Bakterienansammlungen in den Vertiefungen des Geflechts verhindert.

Darüber hinaus gibt es Ummantelungen für Spezialanwendungen. Für höchsten Schutz vor Verbrennungen gibt es eine feuerfeste Ummantelung, eine mit Silikongummi beschichtete Glasfaserummantelung. Die feuerfeste Ummantelung ist lose mit dem Schlauch verbunden und kann hängenbleiben und reißen. Eine andere Art der Umhüllung, nämlich Biegebegrenzungen, verhindert, dass der Schlauch über seinen Biegeradius hinaus gebogen wird.

Nachteilig bei Ummantelungen ist jedoch, dass diese zusätzliche Kosten verursachen, die Flexibilität einschränken und den Schlauch dicker machen; dies kann sich nachteilig beim Verlegen und Ausrichten auswirken. Bei den meisten Anwendungen ist das Ziel bei der Auswahl der Ummantelung, den kleinsten Durchmesser zu erreichen und die Flexibilität des Schlauchs nicht zu verringern.

Endanschluss entscheidet über Leistung

Endanschlüsse, die in der Regel aus Metall gefertigt sind, sind der Bereich, wo es zu den meisten Leckagen kommt. Für Metallschläuche gibt es verschiedene Endanschlussmöglichkeiten. Die Endanschlüsse sind angeschweißt, so dass das Produkt völlig und permanent abgedichtet wird.

Bei Fluorpolymerschläuchen muss man zwischen dem Verpressen und dem Ankrimpen der Endanschlüsse entscheiden. Bei dem Verpressen wird Druck auf den Schlauch selbst ausgeübt, während beim Krimpen der Endanschluss zusammengedrückt wird. Das Krimpen bietet den Vorteil, dass es weniger zu Schäden am Schlauch kommt, da der Druck sorgfältig und kontrolliert ausgeübt wird.

Bei vielen chemischen Anwendungen müssen Endanschlüsse aus Fluorpolymer für medienberührte Oberflächen verwendet werden. Eine Lösung heißt „flare-through“, da der Innenschlauch aufgeweitet ist, so dass er die gesamte innere Oberfläche der Metall­endanschlüsse bedeckt. Der Hauptvorteil der Flare-through-Methode ist, dass es keinen Absatz bzw. keine Absenkung zwischen dem Innenschlauch und dem Fitting gibt; dies gewährleistet einen glatten Durchfluss und eine medienberührte Oberfläche ganz aus Fluorpolymer. Allerdings empfiehlt sich diese Methode nicht für Anwendungen bei hohen Temperaturen.

Eine andere Lösung heißt Einkapselung, da der Endanschluss aus Edelstahl vollständig – innen und außen – in Fluorpolymer eingekapselt ist. Diese Methode zeichnet sich durch geringere Kosten und eine bessere Verfügbarkeit aus. Ein Nachteil ist eine verringerte Öffnungsgröße, was zu einem erhöhten Risiko für verringerten Durchfluss und Einschlüssen führt.

Heftausgabe: Juli 2012
Patrick Werrlein, Produktmanager Schlauchprodukte Swagelok Company

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Patrick Werrlein, Produktmanager Schlauchprodukte Swagelok Company
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