Fachbericht

Hochbelastbar und dicht

Schmalrandige Dichtungen treten millionenfach bei Verschraubungen auf. Obwohl diese Schraubverbindungen schon seit vielen Jahrzehnten im Einsatz sind, gibt es immer wieder Probleme in verschiedenen Anwendungsbereichen, weil diese Dichtverbindungen im Grunde ganz spezifische Anforderungen stellen. Die häufigsten Anwendungen findet man in der Haustechnik, speziell Wasser- und Gasversorgung und neuerdings auch bei Solarkollektoren, die über Verschraubungen mit dem Rohrsystem verbunden sind. Reicht bei Wasser dabei der Temperaturbereich nur bis ca. 85°C, so können die Temperaturen des Wärmeträgermediums 180°C bei Kollektoren durchaus erreichen. Darüber hinaus sind im Anlagen- und Maschinenbau Versorgungsleitungen für Wasser, Stickstoff, Sauerstoff, Brenngase aber auch Öl und Heiz- bzw. Kühlmedien oft durch Verschraubungen angeschlossen. Flachdichtende Verschraubungen sind demnach den unterschiedlichsten Medien, Temperaturen und Belastungen ausgesetzt.

Das Verhalten einer flachdichtenden Verschraubung

Bild 1: Typische Verschraubung

Es können zwei unterschiedliche Varianten von Verschraubungen betrachtet werden: Die Verbindung eines Spitzendes mit einem Muffenende durch Einschrauben, bei dem beide Dichtflächen während des Verschraubens gegeneinander verdreht werden oder die Verbindung von zwei Bauteilen mit flachen Dichtflächen über eine Überwurfmutter, bei dem durch Gegenhalten ein Verdrehen der beiden Dichtflächen reduziert bzw. verhindert werden kann (Bild 1). Beiden Verbindungstypen gemeinsam ist das relativ starre Verhalten der Verbindung. Erklären kann man dies am besten mit einem Gegenbeispiel, einer Flanschverbindung, bei der die langen Schrauben und die Flanschteller eine Federwirkung besitzen. Dieses Federverhalten führt dazu, dass im Falle eines Dickenverlustes der Dichtung (z.B. durch Warmsetzen) die Flächenpressung und damit die Dichtwirkung sowie die mechanische Stabilität der Verbindung in gewissem Umfang aufrecht erhalten wird. Hingegen kann bei einer Verschraubung als federndes Element lediglich nur das Rohrstück oder der Teil der Überwurfmutter angesehen werden, das unter Zugspannung steht. Hierbei wird klar, dass es sich nur um Bauteillängen von wenigen Millimetern handeln kann. Ein weiteres Problem bei Verschraubungen stellt die Dichtungsbreite dar. Teilweise ist als reelle Dichtbreite nur die Wandstärke des Bauteils (Rohr) vorhanden. Breiter gestanzte Dichtringe spiegeln hier nur Sicherheit vor, je nach Bauteil kann es zum "Zerschneiden" der Dichtung bei der Montage kommen. Drehbewegungen bei der Montage können zudem noch zu erheblichen Schubspannungen in den Dichtringen führen. Die Montage selbst wird in der Praxis sehr oft mit Rohrzangen durchgeführt, so dass mit einem definierten Anzugsmoment nicht zu rechnen ist und sehr unterschiedliche Kräfte auftreten können.

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Anforderungen an das Dichtungsmaterial

Durch die oben genannten Belastungsarten ergeben sich besondere Anforderungen an das Dichtungsmaterial, unter anderem: geringes Setzverhalten, auch bei Temperaturbelastung, um die Dichtkräfte aufrecht zu erhalten; Randstabilität wegen der ungünstigen Ringbreiten (Dicken- / Breitenverhältnis); Schubfestigkeit bzw. Gleiteigenschaften wegen der möglichen Relativbewegungen der Dichtflächen während der Montage. Außerdem muss sich das Dichtungsmaterial an die Oberflächen der Dichtpartner (üblich sind metallische Oberflächen) anpassen können, damit an den Berührungsflächen keine Leckagen entstehen. Des Weiteren muss eine Querschnittsdichtheit vorhanden sein, damit auch dieser Leckageweg ausgeschlossen ist

Der Dichtvorgang

Bei den üblicherweise verwendeten Flachdichtungen aus Faserweichstoffen (Füllstoffe, Fasern, Elastomer als Binder) geht der Dichtvorgang folgendermaßen von statten: Die Dichtung wird gepresst, sie passt sich an die Oberflächen der Dichtpartner an und dichtet an den Berührungsflächen ab. Der Querschnitt der Dichtung wird dabei unter mechanische Spannung gesetzt, die vorhandenen Kapillaren und Hohlräume werden geschlossen. Dieser Vorgang braucht aber eine gewisse Zeit und geht mit einem Dickenverlust der Dichtung einher. Beim ersten Aufheizen wird das Dichtungsmaterial nochmals etwas weicher und setzt sich erneut ¿ mit zusätzlichem Dickenverlust. Sind also höhere Anforderungen an die Sicherheit der Verschraubung auch unter Temperatur- und Zeitdaueraspekten zu stellen, so sind die Standardmaterialien nicht mehr in der Lage, diesen Anforderungen zu entsprechen.

Alternativen

Welche Dichtungen stellen eine Alternative dar und wie sind sie zu bewerten? Dichtringe aus Gummi - sie sind sehr querschnittsdicht und haben eine hervorragende Anpassungsfähigkeit, besitzen aber zu geringe Stabilität für höhere Anforderungen bezüglich Temperatur und Verschraubungskräfte Dichtringe aus Metall - sie sind sehr stabil und querschnittsdicht, besitzen aber zu geringe Anpassungsfähigkeit an die Dichtflächen Dichtringe aus Reingraphit - sie besitzen eine sehr gute Anpassungsfähigkeit, sind aber zu empfindlich beim Einbau, vertragen keine ungünstigen Dicken/Breiten-Verhältnisse Dichtringe aus PTFE - sie besitzen eine sehr gute Anpassungsfähigkeit, sehr gute Querschnittsdichtheit, sehr gute Verarbeitbarkeit, aber Standardmaterialien zeigen noch zu starke Fließeigenschaften. Damit stehen die Chancen für PTFE-Dichtungen recht gut, wenn das Problem der Fließeigenschaften zu lösen wäre. Um das Verhalten des Fließens zu bewerten, können folgende Eigenschaften und Messwerte dienen: Kompressibilität sowie Restflächenpressung auf der Dichtung nach Temperaturzyklen Es lassen sich Untergruppen entsprechend der Kompressibilität folgendermaßen einteilen: Kompressibilität ca. 50% : Expanded PTFE, nicht geeignet Die noch vorhandene Restflächenpressung nach Temperaturzyklen ist ein Maß für die Langzeitstabilität von Dichtungsmaterialien. Würde ein Dichtungsmaterial weiterhin fließen, so sinkt die Restflächenpressung.

Erfahrungen in der praktischen Anwendung

Ein Anwender des High-Grade-Materials Klinger top-chem-2000 hat für die Auswahl des richtigen Dichtungsmaterials einigen Prüfaufwand getrieben und war so freundlich, die Ergebnisse zur Verfügung zu stellen. Die Anwendung kommt in diesem Fall aus dem Bereich der Chemiepumpen. Entlüftungs- und Entleerungsstopfen in diesen Pumpen sind meist mit schmalrandigen Dichtungen versehen (Bild 4). Weil die Dichtungswerkstoffe jedoch universell im Chemiebereich eingesetzt werden sollen, ist PTFE die richtige Basis. Daher entschied man sich, gängige PTFE-Materialien zu prüfen. Versuchsaufbau: ungekammerte Flachdichtung 120 x 112 mm, Anzugsmoment 40 Nm entsprechend 15,8 N/mm² Versuchszyklus: 5 Temperaturzyklen von 20-120°C über insgesamt 110 Stunden Messwerte: Dicke der Dichtung vor und nach dem Messzyklus und verbleibendes Restdrehmoment Die Messergebnisse sind in den Diagrammen Bild 5 und Bild 6 zusammengefasst. Zu beachten ist, dass keine gleichen Materialdicken zur Verfügung standen. Daher wurden die Ergebnisse auf eine Dicke von 1 mm linear normiert. Die Ausgangsdicken sind zur Information aufgelistet. Im ersten Diagramm (Bild 5) ist ersichtlich, dass nach den Temperaturzyklen nur das High-Grade-Material kaum einen Dickenverlust aufgewiesen hat. Aus dem Diagramm zum Verlust an Drehmoment (Bild 6) ist zu erkennen, dass durch den geringen Dickenverlust während der Temperaturzyklen auch der Verlust an Drehmoment am geringsten ist. Zu bemerken ist, dass die lineare Normierung der Ergebnisse über die Dicke nicht exakt der Realität entspricht und dünnere Ausgangsdicken immer noch besser bewertet werden. Da das Klinger top-chem-2000 zu den dickeren Materialien gehört, sind die Ergebnisse daher besonders positiv zu beurteilen. In der Realität werden aus Montagegründen meist Dichtungen in 2 mm und 3mm Dicke eingesetzt, wie bei der Chemie-pumpe unter den Schraubenstopfen (Bild 7), so dass die Bedeutung der Ergebnisse und die Unterschiede zwischen den Materialien noch ausgeprägter sind. Die Prüfergebnisse haben eindeutig gezeigt, dass für die Stopfendichtungen, deren Querschnitt ca. 2 x 2 mm beträgt, nur ein Dichtungsmaterial mit den Eigenschaften des Klinger top-chem-2000 in Frage kommt, weil es in der Lage ist, die Restflächenpressung aufrecht zu erhalten.

Weitere Anwendungen des hochbelastbaren PTFE-Materials bei Verschraubungen

Außer in dem oben beschriebenen Beispiel haben sich die besonderen Vorteile des Materials noch bei weiteren Anwendungen bewährt: In Fernwärmeverteilstationen eines namhaften deutschen Energielieferanten werden die Verschraubungen nur noch mit Klinger top-chem-2000 abgedichtet. Nach 3 Jahren Testphase und nun über 10 Jahren Feldeinsatz sind die Erfahrungen so positiv, dass man dort keine Risiken mehr eingeht. Früher inspizierte Servicepersonal einmal im Jahr alle Stationen im Verteilnetz und musste regelmäßig Verschraubungen nachziehen. Als man dann auf vollisolierte Stationen umbauen und die Inspektionsintervalle auf 5 Jahre verlängern wollte, war die Unsicherheit groß, eventuelle Leckagen nicht rechtzeitig zu entdecken. Daher wurden verschiedenste Lösungen geprüft und das High-Grade PTFE-Material dann eingesetzt. Bei Sonnenkollektoranlagen sind die Verschraubungen wie eingangs beschrieben teilweise sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Auch hier hat sich die Stabilität des Dichtungsmaterials bei den kritischen Bedingungen in der Verschraubung bewährt. Vor allem die Temperaturwechselbeständigkeit und das Fehlen von Materialalterung sind zusätzlich zur Stabilität der Verschraubung maßgebende Faktoren für den Einsatz von Klinger top-chem-2000. Die bisherigen Erfahrungen zeigen, dass mit leistungsfähigen Dichtungen auf der Basis von druckstandfesten PTFE-Dichtungsmaterialien die Einsatzgrenzen von flachdichtenden Verschraubungen erweitert und höhere Betriebssicherheiten erzeugt werden können. lg

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