Die Präsentation zum Vortrag

Dichtungsauswahl anhand der
Kennwerte nach EN 13555 am
Beispiel von PTFE
Vortrag auf der DIAM in Bochum, 05.11.2015
W.L. GORE & Associates GmbH
Sealant Technologies
Holger Schroers
Inhalt
• Motivation
• Übersicht gesetzliche Regulierungen bzgl. Leckage
• EN 13555 - Dichtungskennwerte und deren praktische Bedeutung
• Beispiele Dichtungsvergleich
• Fazit für die Dichtungsauswahl
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Emissionen
Was würden ca. 100.000-fach geringere
Emissionen für Ihr Unternehmen
bedeuten?
– Sicherere Arbeitsplätze
– Einhaltung gesetzlicher
Vorschriften
– höhere Anlagenverfügbarkeit
– Umweltfreundlichkeit
– Höhere Produktausbeute
– Strategische Vorteile
Beispiel: geringere Emission beim selben
Flansch mit der GORE® GR Dichtung im
Vergleich zu gefüllten PTFE Dichtungen
(Maßstab 100.000:1)
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Umweltschutz
Sicherheit
Vorsorgeprinzip
Schutzprinzip
IVU-RL
BVT
VDI 2440
Deutschland
BImSchG
VDI 2200
TA-Luft
VDI 2290
EN 1092-1
EN 1591-1
EN 13555
StörfallV
WHG
SFK / TRAS
DGRL
Europäische Normen (DIN EN)
EU
Übersicht Regularien am Bsp. Deutschland
AD 2000
TRBS
TRGS
Druckgeräte
Verordnung
(14. ProdSV)
BetrSichV
GefStoffV
TRwS
Übersicht ist beispielhaft und nicht vollumfänglich,
Quelle, ursprünglich: Prof. Dr. Heinrich Wilming, IBW Consulting UG; hier verändert dargestellt
DGRL = PED = Pressure Equipment Directive
IVU-RL = IPPC (96/61/EG) = Integrated Pollution Prevention and Control
BVT = BAT, BREF Notes
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Beispiel: Flanschverbindung
Definition “technische Dichtheit” in
Deutschen Regelwerken
Regelwerk
Ausführungsbestimmung
BImSchG
TA-Luft: Technische Anleitung Luft
- VDI2440: Emissionsminderung Mineralölraffinerien
- VDI 2200: Dichte Flanschverbindungen
- VDI 2290: Emissionsminderung - Kennwerte für dichte Flanschverbindungen
technisch
dicht
Bezug auf
dauerhaft
technisch
dicht
x
x
VDI 2440
VDI 2200
GefStoffV
TRGS 722: Vermeidung oder Einschränkung gefährlicher explosionsfähiger
Atmosphäre
x
x
BetrSichV
- TRBS 2151 Teil 2: Vermeidung oder Einschränkung gefährlicher
explosionsfähiger Atmosphäre
- TRBS 2141 Teil 3: Gefährdungen durch Dampf und Druck bei Freisetzung von
Medien
x
x
x
x
x
x
x
x
WHG
TRwS / ATV-DVWK-A 780: Oberirdische Rohrleitungen,
- Teil 1: Rohrleitungen aus metallischen Werkstoffen
- Teil 2: Rohrleitungen aus polymeren Werkstoffen
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Anforderungen an die Dichtung
VDI 2200 – Dichte Flanschverbindungen
2.1 Dichtheit
Absolute Dichtheit in streng physikalischem Sinn gibt es nicht! Bei einer realen Flanschverbindung
lässt sich daher lediglich technische Dichtheit erzielen. Technische Dichtheit liegt dann vor, wenn ein
für den jeweiligen Fall festgelegtes Dichtheitskriterium eingehalten wird. Dieses Dichtheitskriterium wird
in der Technik meist als Grenze zwischen dicht und undicht festgelegt und kann in Abhängigkeit von
den Dichtheitsanforderungen und dem abzudichtenden Medium verschiedene Werte annehmen.
(=> Leckagerate / Leckageklasse / Dichtheitsklasse LN definiert in VDI 2290)
2.3 Langzeitverhalten von Flanschverbindungen
Von Flanschverbindungen wird allgemein gefordert, dass sie auf Dauer dicht sein sollen. Diese
geforderte Dauer kann jedoch je nach Anwendungsfall unterschiedlich sein, wobei eine
„bestimmungsgemäße“ Lebensdauererwartung auf der Grundlage einerseits täglich zu öffnender
Mannlöcher und andererseits Pipelines mit z.B. 30 Jahren Mindestlebensdauer sehr unterschiedlich
ausfallen kann. Die Mehrheit der Anwendungsfälle für Dichtungen bewegt sich allerdings im
Lebensdauerbereich einiger Jahre.
(Quelle: VDI 2200, Juni 2007)
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Anforderungen an die Dichtung
nach BImSchG
TA-Luft, VDI 2440, VDI 2200, VDI 2290
dauerhaft technisch dicht
• „hochwertige Dichtung“ im Sinne der TA-Luft (TA-Luft Zertifikat, Bauteileversuch VDI 2440, VDI 2200)
• Leckagerate 10-4 mbar•l/(s•m), bei 1 bar absolut, He, Raumtemperatur
• rechnerischer Nachweis der Dichtheit (VDI 2290)
• gem EN 1591-1
• mit den Dichtungskennwerten gem EN13555
• Leckagerate 10-2 mg/(m•s), He, bei Betriebstemperatur und Betriebsdruck
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Anforderungen an die Dichtung
Weltweit besteht das gleiche Verständnis bzgl. dichter Flanschverbindungen:
• Flansche sollen dicht sein
• Flansche sollen dicht bleiben
Eine Flanschverbindung bleibt dicht, wenn keine wesentlichen Änderungen
der mechanischen Eigenschaften zu erwarten sind.
Bezogen auf die Dichtung bedeutet das:
alterungs-, thermische- und chemische Beständigkeit der Dichtung
geringes Kriechverhalten der Dichtung
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Herausforderungen bei der Dichtungsauswahl
Dichtungskennwerte
nach EN 13555
keine wesentliche
Veränderung der
Dichtung
Kausalkette
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Leckage
Kriechen der Dichtung
QA
Qreal
Q (MPa)
Sicherheit
Qmax
QSmax
Sicherheit
Sicherheitsfenster
Leckage
Sicherheitsfenster – Dynamik in Flanschsystemen
Qmin
QSmin
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EN 13555
„Flansche und ihre Verbindungen
Dichtungskennwerte und Prüfverfahren für die Anwendung
der Regeln für die Auslegung von Flanschverbindungen mit
runden Flanschen und Dichtungen“
• Diese Kennwerte werden für die Berechnung der
Flanschverbindung (Dichtheitsnachweis) benötigt.
• Hiermit können die Eigenschaften der Dichtungen aber
auch untereinander verglichen werden.
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Dichtungskennwerte gem. EN13555
Qmin (L)
erforderliche Mindest-Flächenpressung für Dichtheitsklasse L bei Montage [MPa]
Qsmin (L)
erforderliche Mindest-Flächenpressung für Dichtheitsklasse L nach Entlastung (Betrieb) [MPa]
QA
Flächenpressung der Dichtung bei Montage vor der Entlastung [MPa]
Qsmax
maximale Flächenpressung, mit der die Dichtung bei Betriebstemperatur belastet werden darf, ohne dass eine
Beschädigung erfolgt [MPa]
LN
Dichtheitsklasse entsprechend der Leckagerate — N im Index bezeichnet die maximale spezifische Leckagerate für
die entsprechende Dichtheitsklasse [mg s–1 m–1]
PQR
Kriechrelaxationsfaktor, Verhältnis der Flächenpressung der Dichtung vor und nach der Relaxation
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PQR
Kriech-Relaxations Faktor
Kriechen stellt einen der wichtigsten Faktoren, in Bezug auf
Anlagensicherheit und Anlagenverfügbarkeit, in Flanschverbindungen dar.
PQR entspricht dem Verhältnis der Dichtungs-Flächenpressung nach
Auslagerung (Kriechen, Setzen) zur ursprünglich aufgebrachten
Flächenpressung beim Einbau.
Beispiel: PQR von 0,80 bedeutet:
•
•
Die Restflächenpressung der Dichtung beträgt 80% der ursprünglich
aufgebrachten Flächenpressung
Wurde eine Dichtung mit ursprünglich 50 MPa
eingebaut, so beträgt die Restflächenpressung
noch 40 MPa.
Je mehr sich dieser Faktor der Zahl 1 (=100%)
nähert, desto geringer ist das Kriechen der Dichtung
(video)
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Einfluß der Flächenpressung Q
auf die Leckagerate LN
L0
L0,1
L0,01
L0,001
z.B.: Verdopplung der Flächenpressung von 20 auf 40 MPa bewirkt
eine Reduzierung der Leckagerate
fast um den Faktor 10
L0,0001
Q
GORE® Universal Pipe Gasket (Style 800), 92 x 49 x 3mm, Test nach EN13555
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Neu: Definition QSmax
Definition QSmax in der EN13555 bis Sommer 2013 (bis Weißdruck 07/2014):
„…die maximale Flächenpressung, mit der die Dichtung belastet werden darf, ohne das
ein mechanisches Versagen erfolgt… “
Diese Definition zielte auf eine mechanische Beschädigung der Dichtung ab, ohne
Betrachtung der Formbeständigkeit.
Problem: Kriechen reduziert den Innendurchmesser (Intrusion)
dies wurde bisher nicht betrachtet
aber wurde bereits definiert in der Druckgeräterichtlinie Anhang I Nr. 6 c)
“ die Möglichkeit von Schäden durch Turbulenzen oder Wirbelbildung ist
gebührend zu berücksichtigen. “
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Neu: Definition QSmax
Neue Definition seit Sommer 2013 (Weißdruck 07/2014, EN13555):
„maximale Flächenpressung, mit der die Dichtung bei den angegebenen Temperaturen
belastet werden darf, ohne dass ein Kollaps oder „mechanisches Versagen“, eine
Bruchstauchung, eine unzulässige Intrusion der Dichtung in die Bohrung oder eine
Beschädigung der verpressten Dichtungsfläche auftritt, so dass die Dichtung zu
versagen droht.“
Für eine Dichtung DN40/PN40 darf der Innendurchmesser nicht kleiner 43,1mm werden
(Original 49mm), andernfalls muss QSmax entsprechend reduziert werden.
Für einige Dichtungstypen muss der QSmax Wert nun erheblich reduziert werden.
QSmax steht in Korrelation zu PQR
In der Industrie wird derzeit diskutiert, wie man diese häufig eingesetzten Dichtungen
nun behandelt (TA-Luft-Nachweis, rechnerischer Dichtheitsnachweis, VDI 2290).
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Neu: QSmax und Verknüpfungen zu anderen
Regelwerken, Klärungsbedarf
LEITFADEN zur Montage von Flanschverbindungen in verfahrenstechnischen Anlagen
- Januar 2013 – Rev. Version 08/2011
VERBAND DER CHEMISCHEN INDUSTRIE e.V.
(www.vci.de)
Hierin ist definiert (Anhang C):
„Der QSmax -Wert muss bei Raumtemperatur mindestens 150 MPa betragen“
Dieser Wert wird nach neuer Definition des QSmax von einigen betroffenen Dichtungen bei
weitem nicht mehr erreicht.
Umsetzung des neuen QSmax–Wertes ?
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Neu: QSmax und Verknüpfungen zu anderen
Regelwerken, Klärungsbedarf
EN 1092-1
Flansche und ihre Verbindungen – runde Flansche nach PN aus Stahl
mit geringerem Qmax
müssen die Ratings
nachgerechnet werden ?
(wurde betrachtet bei 20°C)
Dieser Wert wird nach neuer Definition des QSmax von einigen betroffenen Dichtungen bei
weitem nicht mehr erreicht.
Umsetzung des neuen QSmax–Wertes ?
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Neu: QSmax und Verknüpfungen zu anderen
Regelwerken, Klärungsbedarf
AD 2000 B7 und Dichtungskennwerte nach EN 13555
Es gibt keine spezifischen Teststandards für AD 2000 B7 Dichtungskennwerte.
Die 2015 Ausgabe verweist auf EN 13555 als Prüfnorm(1) und gibt Tabelle 9 aus der
VDI 2200(2) als Umrechnungsmethode an. Bitte beachten Sie, dass die VDI 2200
besagt, dass eine Umrechnung aufgrund der unterschiedlichen Messmethoden ungültig
ist.
„[…] für einen Festigkeits-, Dichtheits- und TA-Luft-Nachweis [können] lediglich die
Verfahren nach DIN EN 1591-1 und AD 2000 in Verbindung mit DIN EN 1591-1 sowie
FE-Analysen eingesetzt werden." (3)
(1) Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter: AD 2000-Merkblatt B7, Berechnung von Druckbehältern, Schrauben, Seite 4, 7.1.2.4, April 2015
(2) Verein Deutscher Ingenieure e. V.: VDI2200, Dichte Flanschverbindungen: Auswahl, Auslegung, Gestaltung und Montage von
verschraubten Flanschverbindungen, Seite 36, Tabelle 9, Juni 2007
(3) Verein Deutscher Ingenieure e. V.: VDI2290, Emissionsminderung - Kennwerte für dichte Flanschverbindungen, Seite 8, Juni 2012
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Kriechbeständigkeit (PQR) und QSmax
Nachher
Vorher
Test bei 34,5 MPa (5000 psi) Einbauflächenpressung, 230 C (446 F) für 15 Minuten
4%
34%
GORE®
GR
Gefüllt
(Silica)
% größer
69%
54%
Gefüllt
Gefüllt
(Bariumsulfat)
(Glasmikrokugel)
Dichtungskennwerte gem. EN 13555 aus www.gasketdata.org
Mikrozellular
125%
Gesintert
(Stand: Sommer 2015)
GORE® GR
(ePTFE)
PTFE gefüllt
(Silica)
PTFE gefüllt
(Glasmikrokugeln)
PTFE gefüllt
(Bariumsulfat)
30
30
20
30
Stress Level [MPa]
Temperatur [°C]
75%
PTFE Mikrozellular
PTFE gesintert
anderes ePTFE
30
30
25
150
230
25
150
250
25
150
250
25
150
250
25
150
25
100
250
PQR [MPa]
0,88
0,73
0,64
0,90
0,48
0,25
0,75
0,37
0,23
0,85
0,37
0,22
0,83
0,15
0,88
0,56
0,34
QSmax [MPa] *
225
120
180
140
80
180
80
40
160
120
80
200
100
100
*) diese Werte zeigen den alten Stand und entsprechen nicht der aktuellen Definition des Q Smax gem EN 13555
und sollen bis zum Jahresende 2015 auf der www.gasketdata.org aktualisiert sein
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www.gasketdata.org
Auf dieser, von der Fachhochschule Münster, Forschungsbereich Dichtungstechnik, erstellten und
gepflegten Homepage finden Sie aktuelle EN13555 Kennwerte für Dichtungsmaterialien der Normreihen
EN 1514 und EN 12560. Der Inhalt dieser Webseite wird in regelmäßigen Abständen aktualisiert.
Die Datenbank wurde in enger Zusammenarbeit mit der Dichtungsherstellenden Industrie entwickelt. Die
Kennwerte sind entweder von Prüfinstituten ermittelt oder im Falle von firmeneigenen Tests
stichprobenartig geprüft, um die notwendige Objektivität und Zuverlässigkeit der Kennwerte zu wahren.
Hinweis: Bei den Datenblättern ist
darauf hinzuweisen, dass die einzelnen
Tests unter verschiedenen Randbedingungen (Dichtungsdicke, Anfangsflächenpressung und Prüfdruck)
durchgeführt wurden und deshalb nicht
direkt miteinander vergleichbar sind.
(Quelle: Zitat von der Homepage)
Möglich, wenn die gleichen
Parameter verglichen werden
Die Dichtungskennwerte werden bis 01.01.2016 aktualisiert
(neue Definition des QSmax )
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EN 13555 Template für Dichtungs-Kennwerte
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Mindestflächenpressung Qmin und QSmin
Beispiel Kunststoffflansche, Einbauflächenpressung QA = 10 MPa
Wettbewerber
ePTFE Dichtungsplatte
92 x 49 x 3
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Quelle: www.gasketdata.org
Dichtungskennwerte gem. EN 13555 (Stand: Sommer 2015)
PQR bei Low-Stress-to-Seal Dichtungen
Beispiel Kunststoffflansch, Einbauflächenpressung QA = 10 MPa
Vergleich bei 10 MPa nicht möglich, keine Daten vom Wettbewerber vorhanden
Vergleich bei 30 MPa zeigt signifikant bessere Werte für GORE® Style800
je geringer QA desto geringer ist PQR (desto mehr Kriechen)
Wettbewerber
Low-Stress-to-Seal Dichtung
Quelle: www.gasketdata.org
gasket parameters according EN 13555 (Stand: Sommer 2015)
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Fazit zum Vergleich der Dichtungskennwerte
QSmin
•
•
vergleiche die selbe Dichtungsdicke
vergleiche die selbe Druckstufe und Einbauflächenpressung QA
je geringer Qmin umso größer wird das Sicherheitsfenster
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Fazit zum Vergleich der Dichtungskennwerte
QSmax
•
•
vergleiche die selbe Dichtungsdicke
vergleiche die selbe Temperatur
je größer QSmax umso größer wird das Sicherheitsfenster
je größer QSmax umso höher kann QA gewählt werden
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Fazit zum Vergleich der Dichtungskennwerte
PQR
•
•
vergleiche die selbe Dichtungsdicke
vergleiche die selbe Temperatur und Stress-Level QA
je höher die Temperatur
umso geringer PQR (umso mehr Kriechen)
je dicker die Dichtung
umso geringer PQR (umso mehr Kriechen)
je höher QA
umso höher PQR (umso weniger Kriechen)
je höher PQR umso weniger Kriechen,
umso höher die Restflächenpressung,
umso weniger Leckage,
umso weniger Nachziehen,
umso größer die Anlagensicherheit
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Fazit bei der Dichtungsauswahl
•
gute Anpassungsfähigkeit
•
gute alterungs-, thermische- und chemische Beständigkeit
•
keine Kontamination
•
geringe Leckage (LN) *)
•
große maximal zulässige Flächenpressung der Dichtung (Qsmax) *)
•
kleine minimal zulässige Flächenpressung der Dichtung (Qsmin) *)
•
große Einbauflächenpressung (QA)
•
großer Kriechrelaxationsfaktor (PQR) (= wenig Kriechen) *)
•
Dichtung so dünn wie möglich und so dick wie nötig
*)
*)
Vergleichen Sie auf www.gasketdata.org
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Vielen Dank !
Sie finden uns auf der DIAM - Stand FF 60
www.gore.de/dichtungen
[email protected]
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