Auf ein langes Leben

Schäden an PTFE-Kompensatoren

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15.02.2012 Veranlasst durch einen Störfall in der damaligen Hoechst AG, dessen Ursache das Versagen eines PTFE-Kompensators war, wurde der „AK-Chemie PTFE-Kompensatoren“ gegründet. Ziel war es, einen Überblick über die Grenzen der damals am Markt befindlichen Kompensatorentypen zu erlangen und eine hinreichend ausführliche Spezifikation für Mindestanforderungen an Kompensatoren zu erarbeiten.

Entscheider-Facts Für Anwender

  • Das Zeitstandverhalten von PTFE-Kompensatoren kann mit Zeitstandinnendruckprüfungen ermittelt werden, wenn das Herstellungsverfahren so optimiert ist, dass Abweichungen, wie Wanddickenunterschiede und andere Einflussfaktoren, sich in engen Grenzen halten.
  • Analog zu den Kunststoffrohren können nun den betrieblichen Erfordernissen angepasste Sicherheitsfaktoren definiert werden, die bei einer vorgegebenen Temperatur einen maximalen Betriebsdruck festlegen. Somit ist ein sicherer Einsatz von PTFE-Kompensatoren in chemischen Anlagen gewährleistet.
  • Berstversuche sind aufgrund der schlechten Reproduzierbarkeit und Fehlertoleranzen für eine Qualitätssicherung von PTFE-Kompensatoren nicht geeignet.

Der AK tagte in seiner ersten Sitzung im Mai 2000 bei Bayer in Leverkusen und setzte sich aus Vertretern von Bayer, BASF, Infracor, Dyneon und Infraserv, heute die Interessengemeinschaft Regelwerke Technik (IGR), vertreten durch TÜV SÜD Chemie Service, zusammen.

Alle Teilnehmern stellten fest, dass für PTFE-Kompensatoren nur mangelhafte Spezifikationen vorlagen. An Mustern von bereits untersuchten Kompensatoren wurden deren Mängel vorgestellt und diskutiert. Zusätzlich wurde eine Bestandsaufnahme an auf dem Markt verfügbaren 3-welligen Kompensatoren der Nennweiten DN 50, 80 und 100 durchgeführt.

Bei der ersten Konzeption einer Richtlinie für PTFE-Kompensatoren herrschte bei allen Teilnehmern Einigkeit darüber, zunächst einen chemietauglichen „Standard-Kompensator mit einer Mindestwanddicke von 2 mm“ zu spezifizieren, mit dem ein Großteil der bestehenden Anforderungen abgedeckt werden kann. Zur Vermeidung von Einschnürungen sollten die metallischen Stützringe eine Dicke von mindestens 3 mm haben. Als maßgebend für die festzusetzenden Baulängen wurden folgende Faktoren betrachtet: Dicke der Flansche, Flanschausführung zur Aufnahme der Distanzschrauben mit Durchgangslöchern oder Gewinden, Dicke der Stützringe und PTFE-Wanddicke.

Nach Ansicht des Arbeitskreises sind die häufigsten Fehlerquellen bei PTFE-Kompensatoren starke Wanddickenschwankungen oder -unterschreitungen, Kerben sowie eine inhomogene Leitrußverteilung. Derartige Herstellungsfehler sollen spezifiziert und ausgeschlossen werden. Darüber hinaus sollte die Baulänge der einzelnen Hersteller insbesondere für Neuanlagen vereinheitlicht werden. Daher wurden die Hersteller Baum Kunststoffe, Dr. Schnabel und Resistoflex kontaktiert und um eine Stellungnahme hierzu gebeten.
Um eine konstruktive Verbesserung zu erzielen, wurde von den AK-Mitgliedern beschlossen, den Herstellern eine permanente Mitarbeit im AK anzubieten. Die Hersteller stimmten zu und wurden als ordentliche Mitglieder im AK aufgenommen.

In Zusammenarbeit aller Teilnehmer wurde eine erste Werknorm bzw.
Guideline über „PTFE-Kompensatoren, Technische Lieferbedingungen, Maße“ erarbeitet, die im Mai 2004 vorlag. Die Norm gilt für die Ausführung, Herstellung und Lieferung von Kompensatoren aus virginalem Polytetrafluorethylen, die spanlos aus pastenextrudiertem Halbzeug nach ASTM D 4895 umgeformt wurden und die mit metallischen Stützringen versehen sind.

PTFE-Kompensatoren – Technische Lieferbedingungen, Maße
Diese vom AK einvernehmlich erarbeitete erste Werknorm bzw. Guideline „PTFE-Kompensatoren – Technische Lieferbedingungen, Maße“, floss in die Werknormensammlungen der chemischen Industrie ein und soll als Grundlage für die Herstellung, Prüfung und Lieferung von PTFE-Kompensatoren herangezogen werden. Als wichtigste Bestandteile dieser Norm werden die Punkte Bauteil (Kompensator), Ausführungen/Maße sowie Prüfung am Fertigteil angesehen. Unter dem Punkt „Bauteil (Kompensator)“ werden unzulässig, funktionsbeeinflussende Fehler am PTFE-Balg beschrieben. Bei elektrostatisch nicht aufladbaren PTFE-Kompensatoren wird die Rußverteilung dokumentiert.
Unter dem Punkt „Ausführungen/Maße“ werden die Maße für PTFE-Axialkompensatoren in 2-, 3- und 5- welliger Ausführung und die Maße für Losflansche festgelegt. Im Punkt „Prüfung am Fertigteil“ wird insbesondere auf Prüfung, Beschaffenheit, Maße, elektrostatische Aufladbarkeit und Berstdruckprüfung eingegangen.

Die Erfahrungen mit Kompensatoren, die den Anforderungen dieser Spezifikationen entsprechen, sind bislang positiv, jedoch traten in Einzelfällen bei hohen Ausnutzungsgraden zum Beispiel Verformungen an Kompensatoren auf, und einige Kompensatoren barsten während des betrieblichen es.
Daher wurde der AK im November 2008 wieder einberufen, um die Vorfälle gemeinsam zu diskutieren. Die Betreiber stellten klar, dass im betrieblichen  Verformungen und das Bersten von Kompensatoren nicht akzeptiert werden können. Daher wurde versucht, eine Basis für die grenzen von Kompensatoren zu erarbeiten.

Zeitstandverhalten von PTFE-Kompensatoren
In einem ersten Ansatz sollte das Zeitstandverhalten von PTFE-Kompensatoren in Zeitstandinnendruckversuchen überprüft werden. Das Zeitstandverhalten von Rohren aus Polyolefinen – Polyethylen, Polypropylen usw. – wurde an Zeitstandinnendruckversuchen bei verschiedenen Temperaturen untersucht, und die daraus resultierenden Zeitstandkurven dienen als Grundlage für eine Lebensdauerabschätzung von Rohren unter definierten Bedingungen von Druck und Temperatur. Dass diese Abschätzungen der dauer auf einer fundierten Basis beruhen, beweist der Historien-Prüfstand in der Werkstofftechnik der TÜV SÜD Chemie Service, ehemals Farbwerke Hoechst, in dem sich noch Rohre aus Polyethylen (Hostalen GM 5010) seit 1956 ununterbrochen in der Zeitstandinnendruckprüfung bei Raumtemperatur befinden. Damals wurde für diese Rohre eine Lebensdauer von 50 Jahren vorhergesagt, die die Prüfungen mit nun 55 Jahren belegen. Neben den Zeitstandinnendruckprüfungen an Rohren aus Polyolefinen wurde 1990 begonnen, das Zeitstandverhalten von Rohren aus verschiedenen Fluorpolymeren zu untersuchen.

In einem ersten Ansatz wurde die These aufgestellt, dass sich Kompensatoren in erster Näherung wie Rohre verhalten und daher auch eine Lebensdauerabschätzung anhand von Zeitstandinnendruckprüfungen möglich sein sollte. Eine Voraussetzung hierbei ist, dass die aus der Herstellung der Kompensatoren bedingten Abweichungen, wie Wanddickenunterschiede, Kristallinitätsgrad usw., sich in engen Grenzen halten.

In einer umfangreichen Versuchsreihe wurden PTFE-Kompensatoren des Typs Fluroflex-N3, Nennweite DN 80, geprüft. Neben Berstversuchen wurden Drucksteigerungsversuche und Zeitstandinnendruckprüfungen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Versuche werden nachfolgend kurz zusammengefasst:
Berstversuche: Es zeigte sich, dass die bisher als Sicherheitsgrundlage durchgeführten Berstversuche ein ungeeignetes Mittel sind, um das Zeitstandverhalten von Kompensatoren zu beschreiben. Ebenso können Berstversuche nicht zur Qualitätssicherung herangezogen werden. In Versuchsreihen wurden nämlich Kompensatoren mit definierten Schädigungen im PTFE-Material und einwandfreie Kompensatoren geprüft. Im Berstversuch konnten keine Unterschiede festgestellt werden. In einer Zeitstandinnendruckprüfung fallen die Kompensatoren mit Schädigungen im Vergleich zu einwandfreien Kompensatoren dagegen frühzeitig aus. Ein weiterer Grund für das Versagen des Berstversuchs als Qualitätskriterium sind die Prüfbedingungen. Es wurde festgestellt, dass Hersteller eigene Prüfanweisungen hierzu haben, die teilweise zu nicht reproduzierbaren Ergebnissen führen und mit Ergebnissen aus Prüfungen anderer Hersteller bzw. Prüfinstitute nicht vergleichbar sind.

Drucksteigerungsversuche: Anhand von Drucksteigerungsversuchen wird versucht, den Beginn der Zeitstandkurve bei vorgegebener Temperatur zu bestimmen. Hierbei wird eine definierte Drucksteigerungsrate pro Zeiteinheit vorgegeben, bis der Kompensator während des Versuchs durch Bersten ausfällt. Der ermittelte Druck dient als Anhaltspunkt für das Festlegen der Prüfpunkte, mit denen die Zeitstandkurve bestimmt werden soll.
Zeitstandinnendruckprüfungen: Im AK wurde festgelegt, dass Zeitstandinnendruckprüfungen bei 150 °C in Anlehnung an ISO 9080 mit PTFE-Kompensatoren der Nennweite DN 80 durchgeführt werden sollen. Um den Prüfumfang zu minimieren, wurde definiert, dass zehn Prüfpunkte ermittelt und daraus der ertragbare Innendruck bei einer Lebensdauer von 50 Jahren extrapoliert werden sollte. Das Ergebnis dieser Prüfungen ist somit eine auf 50 Jahre extrapolierte Zeitstandkurve.

Heftausgabe: Februar 2012
Franz Hingott, TÜV Süd Chemie Service

Über den Autor

Franz Hingott, TÜV Süd Chemie Service

Franz Hingott, Leiter Kunststoffprüfung, TÜV Süd Chemie Service

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