Dichtungen für Verschraubungen aus neuen Materialkombinationen

Einführung

Der Fokus in der Dichtungstechnik lag in den letzten Jahren auf der Flanschverbindung. Die Systemkomponenten Schrauben, Flansche und die dazu gehörenden Dichtungsabmessungen sind genormt. Die Flanschverbindung kann nach DIN EN 1591-1 berechnet werden, die dazu erforderlichen Dichtungskennwerte werden nach DIN EN 13555 ermittelt. Die VDI-Richtlinie 2290 definiert die technische Dichtheit im Sinne der TA-Luft, wenn die Einhaltung der Dichtheitsklasse L_0,01 mit der spezifischen Leckagerate L ≤ 0,01 mg·s^–1·m^–1 bei der Auslegung der Flanschverbindung nachgewiesen wird. Die Umsetzung in die Praxis wird durch den VCI-Leitfaden zur Montage von Flanschverbindungen in verfahrenstechnischen Anlagen beschrieben. Somit ist ein in sich geschlossenes System an technischen Regeln zur Flanschverbindung entstanden; siehe Bild 1. Einschränkend muss angemerkt werden, dass all dies Regeln nur für runde Flansche gelten.

Bild 1: Technische Regeln zur Flanschverbindung

Eine solche ganzheitliche Betrachtungsweise fehlt bisher für die Verschraubungen, siehe Bild 2. Es existiert eine Vielzahl einzelner, isolierter Regelwerke für jeweils eine ganz bestimmte Anwendung; z. B. DIN 3376 für Gaszählerverschraubungen. In der Praxis bereiten Verschraubungen jedoch häufiger Dichtungsprobleme als Flanschverbindungen, wobei es sich meist um kleine Abmessungen handelt. Der vorliegende Aufsatz gibt einen umfassenden Überblick über Problematik und Lösungsmöglichkeiten der Abdichtung von Verschraubungen.

Bild 2: Technische Regeln zur Verschraubung

Systembetrachtung

Es können generell zwei unterschiedliche Typen von Verschraubungen mit flachen Dichtflächen betrachtet werden [1]:

• Verbindung von zwei Bauteilen mit einer Überwurfmutter, welche starr mit einem Bauteil verbunden ist, so dass die Dichtflächen bei der Montage gegeneinander verdreht werden (Torsionsbeanspruchung). Auch sogenannte „Dichtstopfen“ gehören dazu, siehe Bild 3.

Bild 3: Dichtstopfen mit Dichtring an einer Chemiepumpe

• Verbindung von zwei Bauteilen mit einer Überwurfmutter, welche drehbar mit einem Bauteil verbunden ist, so dass bei der Montage durch Gegenhalten ein Verdrehen der beiden Dichtflächen reduziert bzw. verhindert werden kann, siehe Bild 4.

Bild 4: Typische Verschraubung

Charakteristisch für Verschraubungen ist das relativ starre Verhalten der Verbindung. Dies wird deutlich, wenn man das System mit einer Flanschverbindung vergleicht. Bei einer herkömmlichen Flanschverbindung steht als Federweg zum Ausgleichen von Setzvorgängen die Klemmlänge der Schrauben zur Verfügung, siehe Bild 5.

Bild 5: Flanschverbindung mit federnden Bauteilen

Dieses Federverhalten der Flanschverbindung führt dazu, dass bei einer Dickenabnahme der Dichtung (z.B. durch Setzen unter Temperatur) die Flächenpressung und damit die Dichtwirkung und die mechanische Stabilität der Verbindung in gewissem Umfang aufrecht erhalten werden kann. Bei einer Verschraubung steht als Federweg dagegen nur die Dicke der Dichtung und des verspannten Bundendes der Rohrleitung zur Verfügung, insgesamt nur wenige Millimeter; siehe Bild 6. Damit wird deutlich, dass ein Ausgleichen von Setzvorgängen des Dichtungswerkstoffs nur sehr begrenzt möglich ist.

Bild 6: Federnde Bauteile einer Verschraubung

Ein weiteres Problem bei Verschraubungen stellt die Dichtungsbreite dar. Teilweise ist als wirksame 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.

Eine sichere Anwendung von Flachdichtungen aus Weichstoffen setzt einen bestimmten Dichtungsquerschnitt voraus, gekennzeichnet durch das Verhältnis von Dichtungsbreite (b) zu Dichtungsdicke (d). Als Richtwerte hierfür gelten:

Tabelle 1: Empfohlene Drehwinkel für die Montage von Verschraubungsdichtungen

Eine Unterschreitung der genannten Richtwerte führt zu erhöhten Leckraten und vor allem zu einer deutlich reduzierten Standfestigkeit. Übliche Verschraubungsdichtungen weisen somit eine sehr ungünstige Dichtungsgeometrie auf, da die b:d - Werte zwischen 5:1 und 1:1 liegen. Daher scheiden Dichtungen aus expandiertem Graphit für den Einsatz als Verschraubungsdichtung von vorneherein aus und werden z. B. in der DVGW VP 401 [2] nicht als Verschraubungsdichtungen für Gaszähler und Druckregler zugelassen. Somit können als Werkstoffe nur Faserdichtungen, hochgefüllte PTFE-Dichtungen sowie spezielle Metall-Dichtungen eingesetzt werden.

Dichtungskennwerte

Die von den Dichtungsherstellern veröffentlichen Dichtungskennwerte für die Flanschberechnung nach DIN EN 1591-1 werden nach DIN EN 13555 ermittelt, geprüft an Probekörpern der Abmessung 92 mm x 49 mm (PN 40 / DN 40). D. h. bei einer üblichen Dichtungsdicke von 2,0 mm wird ein Breiten-Dicken-Verhältnis von 10:1 eingehalten. Daraus wird deutlich, dass diese Dichtungskennwerte nicht auf die Anwendung in Verschraubungen übertragen werden können, wo das Breiten-Dicken-Verhältnis im Extremfall 1:1 beträgt.

Aus den ungünstigen Abmessungen resultiert ein deutlich verkleinerter Arbeitsbereich der Dichtung: Einerseits wird eine relativ große Mindestflächenpressung erforderlich um ausreichend dicht zu werden, andererseits ist die maximal zulässige Flächenpressung deutlich reduziert. Im Vergleich zu einer Flanschdichtung bleibt also nur ein sehr schmaler Bereich der Flächenpressung, in welchem eine sichere Abdichtung gegeben ist. Bild 7 zeigt die zulässige maximale Flächenpressung im Einbauzustand für verschiedene Dichtungswerkstoffe (FA und PTFE) in Abhängigkeit vom Breiten-Dicken-Verhältnis. Dass die Leckagerate von Faserdichtungen unter identischen Randbedingungen mit abnehmender Dichtring-Breite zunimmt wurde bereits in [3] gezeigt.

Bild 7: Minimale und maximale Flächenpressung abhängig von den Dichtungsabmessungen

Montage

Einer fachgerechten Montage kommt wegen des reduzierten Bereichs zwischen minimaler und maximaler Flächenpressung bei Verschraubungsdichtungen eine besondere Bedeutung zu. Die meisten Verschraubungen werden von Hand, nach individuellem Gefühl und Erfahrung des Monteurs, angezogen. Für eine korrekte Montage ist jedoch der Einsatz eines Drehmomentschlüssels erforderlich. In der Praxis scheitert dies oft an den beengten räumlichen Verhältnissen. Mit der drehwinkelgesteuerten Montage wird steht eine Alternative zum Drehmomentschlüssel zur Verfügung, welche bisher noch zu wenig Beachtung findet und über die schon an anderer Stelle berichtet wurde [4]. Sie bietet sich besonders bei Instandhaltungsarbeiten und bei ungünstigen Einbausituationen an. Dazu muss die Stauchkurve (Verformung in Abhängigkeit von der Flächenpressung) des jeweiligen Dichtungswerkstoffs bekannt sein. Für eine vorher festgelegte Einbauflächenpressung kann dann bei Kenntnis der jeweiligen Gewindesteigung ein entsprechender Drehwinkel nach folgender Gleichung ermittelt werden:

Drehwinkel [°] = ( 360 / Gewindesteigung [mm] ) x Verformung [mm]

Die gewählte Einbauflächenpressung hängt vom Dichtwerkstoff, Abmessungen und Einbausituation ab. Im Allgemeinen kann von bei Verschraubungen von einer empfohlenen Einbauflächenpressung von 30 MPa ausgegangen werden. Tabelle 1 zeigt beispielhaft für drei verschiedene Dichtungswerkstoffe Richtwerte für die empfohlenen Anzugswinkel für einige gängige Verschraubungen mit Whitworth-Rohrgewinde [5].

In der Praxis sind bei der Montage folgende Punkte zu beachten:

• Die Verschraubungsdichtungen müssen ein einwandfreies Schnittbild aufweisen. Überstehende Stanzgrate verfälschen das Montageergebnis und können zu Undichtigkeiten führen.
• Das Gewinde der Verschraubung ist mit einem geeigneten Mittel zu schmieren, nicht jedoch die Dichtungsfläche!
• Die Verschraubung wird zunächst handfest angezogen, so dass die Dichtung ohne Spalt flächig sicher anliegt. Anschließend erfolgt die Montage mit dem Schraubenschlüssel und dem vorgesehen Drehwinkel.

Vergleich verschiedener Dichtungsmaterialien für Verschraubungen

Welche Eigenschaften soll man vergleichen, wenn es um Verschraubungen geht?

Es existiert keine Prüfnorm für Dichtungskennwerte für Verschraubungsdichtungen. Die DIN EN 13555 schreibt die Maße der Dichtungen in Tabelle 2 vor.

Bild 8:    DIN EN 13555 Prüfdichtung im Vergleich zu Verschraubung 23 + 16 * 2

Damit ist die Vorgehensweise auf die Geometrie von Verschraubungsdichtungen nicht zu 100% übertragbar.
Vergleiche unterschiedlicher Dichtungsmaterialien können unter realen Temperatur- und Druckverhältnissen in einer Art modifiziertem Prüfstandversuch auf ihr Langzeitverhalten hin untersucht werden. Dieses Vorgehen ist sehr zeitaufwändig, da sich eine Stabilisierung der Leckage Rate erst nach mehreren Zyklen einstellen wird; Minimum 300 Std./Versuch.

Modifizierter Prüfstandversuch, Messung der Leckage im Vergleich KLINGERSIL^®C-4240 zu CENTELLEN^® HD 3822

Der modifizierter Prüfstandversuch zur Ermittlung von Kennwerten an Verschraubungsdichtungen 23*16*2 mm wurde unter folgenden Bedingungen durchgeführt.
An die Vorgehensweise nach DIN EN 13555 angelehnt, wurden spezielle EN 13555 PQR-Versuche an Verschraubungsringen 23*16*2 mm mit 30 MPa Anfangsflächenpressung (30 MPa siehe Drehwinkelmethode) bei den Temperaturen 23°C, 95°C und 150°C durchgeführt.

Mit den entstandenen jeweiligen Restflächenpressungen entsprechend den Temperaturabstufungen wurde nachfolgend jeweils bei fünf Temperaturzyklen, mit einem Innendruck von 10 bar Stickstoff, die Messung der Gas-Leckagen durchgeführt
Die Steifigkeit des Prüfgerätes war von 500 kN/mm auf 1500 kN/mm erhöht, da Verschraubungen sehr viel steifer sind als Standardflansche.

Messungen konservativ: Es wird eine Gasleckage mit Stickstoff gemessen, mit diesen Parametern sollte der „worst case“ simuliert werden.

Bild 9: Leckagelangzeitversuch KLINGERSIL^®C-4240 Verschraubung 23*16*2 mm

Im Ergebnis der Versuche stellt sich temperaturabhängig eine Gasdichtheit von 0,008 bis 0,09 [mg/(s*m)] ein, die über mehrere Zyklen nahezu konstant bleibt. Dies ist angesichts der niedrigen Flächenpressungen ein sehr gutes Ergebnis und zeigt, dass das KLINGERSIL^®C-4240 auch in kleinen Verschraubungen sicher und zuverlässig sowohl Flüssigkeiten als auch Gase abdichtet und dabei alle gesetzlichen Vorgaben erfüllt.

Vergleich KLINGERSIL^®C-4240 zu CENTELLEN HD 3822

Bild 10: Leckagelangzeitversuch KLINGERSIL^® C-4240 Verschraubung 23*16*2 mm

Bild 11: Leckagelangzeitversuch CENTELLEN^® HD 3822 Verschraubung 23*16*2 mm

Schon bei der Ermittlung der Restflächenpressungen ergab sich ein unerwartetes Bild, da die Restflächenpressungen der Zellulosefaser basierten Dichtung größer waren als die der Aramidfaser basierten Dichtung. Dementsprechend ist der PQR-Wert auch höher.

Geringerer PQR-Wert = Größere Leckage!

Tabelle 2: PQR bei Temperatur in [°C] KLINGERSIL^® C-4240 vs. CENTELLEN^® HD 3822

Bild 12: Vergleich Leckageverläufe 300 h KLINGERSIL^®C-4240 zu CENTELLEN^® HD 3822

Im Vergleich der Leckageverläufe zeigte sich, dass KLINGERSIL^®C-4240 eine deutlich niedrigere Leckage aufweist. Beide Dichtungsmaterialien erfüllen unter den Versuchsbedingungen die Anforderungen der DIN 3535-6. Die Gasleckage der KLINGERSIL^®C-4240 bei 23°C ist geringer als die Warmleckage der CENTELLEN^® HD 3822. Die Warmleckage der KLINGERSIL^®C-4240 hat schon nach wenigen Zyklen einen nahezu waagerechten Verlauf. Das bedeutet, dass KLINGERSIL^®C-4240 eine bessere Langzeitperformance als CENTELLEN^® HD 3822 aufweisen wird.

Modifizierter Prüfstandversuch, Messung der Restflächenpressung und Ermittlung des PQR-Wertes im Vergleich KLINGERSIL^®C-4240 zu anderen Verschraubungsdichtungen 23 * 16 * 2 mm

Der Vergleich der PQR-Werte verschiedener Dichtungsmaterialien stellt vergleichsweise schnelle Vorgehensweise dar, da jeder Versuch pro Temperatur und Prüfling nur ca. 4,5 h in Anspruch nimmt.

Testablauf:
Montage bei 30 MPa, Ermittlung der Restflächenpressung bei 23°C, danach Erwärmung auf Betriebstemperatur 95°C und 4 Std. Haltephase der Auslagerung, dann Messung der Restflächenpressung, Wiederholung der Vorgehensweise bei 150°C.

Bild 13: Vergleich PQR-Werte KLINGERSIL^®C-4240 zu CENTELLEN^® HD 3822 und anderen KLINGER Qualitäten

Aus den Messungen wird ersichtlich, dass lediglich Verschraubungsringe aus KLINGER^®top-chem 2000 und KLINGERSIL^®C-4430 höhere PQR-Werte haben als KLINGERSIL^®C-4240.

Das neue Dichtungsmaterial liegt in der Anwendung als Verschraubungsring auf dem Niveau der KLINGERSIL^®C-4400, die seit vielen Jahren ihre hervorragenden Eigenschaften unter Beweis gestellt hat.

Der PQR-Wert der CENTELLEN^® HD 3822 liegt im Bereich bis 95°C unter dem PQR-Wert von KLINGERSIL^®C-4240

Im Gegensatz zu den Erwartungen zeigt der Vergleich zu anderen marktüblichen Fabrikaten, dass KLINGERSIL^®C-4240 unter den beschriebenen Bedingungen ein deutlich besseres PQR-Verhältnis aufweist. Damit ist auch für den Einsatz ein besseres Langzeitverhalten zu erwarten.

Bild 14: Vergleich PQR-Werte KLINGERSIL^®C-4240 zu anderen CNAF-Qualitäten

Tabelle 4: PQR bei Temperatur in [°C] KLINGERSIL^®C-4240 vs. andere CN AF-V

Fazit

Selbst bei zyklischer Langzeitmessung an sehr ungünstiger Geometrie einer Verschraubung 23*16*2 mm bei 23°C, 95°C und 150°C, bei einer hohen Steifheit des Prüfstandes für Einsatz in Verschraubungen im Trinkwasser und Heizung/Gasbereich hat KLINGERSIL^®C-4240 unter diesen Bedingungen nahezu die gleiche Performance wie KLINGERSIL^®C-4400.

Daraus folgt, dass kein anderes der untersuchten Faserplattenmaterialien mit Trinkwasserfreigabe im deutschen Markt eine bessere technische Performance als KLINGERSIL^®C-4240 aufweist und DVGW DIN 3535-6, DIN 30653 (HTB bis 5 bar) plus H2-ready zertifiziert ist.

Neben den bewährten Werkstoffen wie z.B. KLINGER^®top-chem 2000, steht mit dem Dichtungsmaterial KLINGERSIL^®C-4240 ein sehr hochwertiger Werkstoff für den Einsatz im Trinkwasser, als KTW-BWGL konforme Dichtungslösung sowie im Sanitärbereich zur Verfügung, der über alle erforderlichen Zulassungen des DVGW verfügt, um auch im Gasbereich sowie in Fernwärmeanwendungen sicher und zuverlässig eingesetzt zu werden.

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