Metalldichtungen für kritische Ventilanwendungen

FACHBEITRAG
Metalldichtungen für kritische
Ventilanwendungen
ANDREAS VOSS
Metallische Dichtungen werden da eingesetzt, wo Dichtungen aus anderen Materialien versagen. Erhältlich in
einer Vielzahl von Größen und Formen bieten sie beinahe unendliche Haltbarkeit und langfristige Dichtwirkung ohne Porosität. Sie widerstehen Temperaturen von -250 °C bis +1.200 °C sowohl im Ultrahochvakuum, als
auch unter Hochdruck. Diese Eigenschaften machen sie zur Dichtungslösung erster Wahl für Armaturen, die
in immer anspruchsvolleren Umgebungen eingesetzt werden.
I
n einer typischen Raffinerie oder Chemieanlage
sind circa 60 % aller flüchtigen Emissionen auf
undichte Ventile zurückzuführen. Von diesen Leckagen sind fast 80 % der Abdichtung der Ventilspindel
zuzuordnen. Darüber hinaus finden sich Undichtigkeiten am Ventilgehäuse, dem Ventilsitz und den
Flanschverbindungen des Ventils.
Da die Betriebsbedingungen in der Chemie, Petrochemie und anderen Industriebereichen mit steigenden Temperaturen und Drücken zunehmend
höhere Anforderungen an Ventile stellen, kommen
herkömmliche Dichtungslösungen an ihre Grenzen.
Weiche, komprimierbare Elastomerdichtungen bieten eine gute Dichtwirkung – sie sind jedoch porös
und halten oftmals nicht Temperaturen über 250 °C
stand. Bei kryogenen Temperaturen verhärten sie
und werden spröde. Metalldichtungen haben eine
deutlich breitere Temperaturbeständigkeit, sehr gute
mechanische Eigenschaften, einen Mangel an Porosität und bieten eine lange Haltbarkeit. Die mögliche
Verformbarkeit und Elastizität sind aber typische Faktoren, die die Einsetzbarkeit von metallischen Dichtungen begrenzen.
Denkt man an Metalldichtungen, kommen einem
massive Profildichtungen, kammprofilierte Dichtungen oder vielleicht auch Metallweichstoffdichtungen
wie Spiraldichtungen und gewellte Bleche mit Weichstoffauflage in den Sinn. Sie haben eine nur sehr
geringe Rückfederung und werden im Krafthauptschluss eingesetzt. Neben den Einsatzparametern
Medium, Druck und Temperatur muss die Dichtung
so auch allen Betriebskräften der Verbindung widerstehen. Leckage kann das Resultat sein oder auch
die Notwendigkeit, die Verbindung in regelmäßigen Abständen bis zum Totalausfall der Dichtung
nachzuziehen.
Alle diese Nachteile müssen heute durch den Einsatz moderner, elastischer Metalldichtungen (Bild 1)
nicht mehr in Kauf genommen werden. Die Vorteile
der Metalldichtung, ein extrem breiter Temperaturbereich, Vakuum- und Hochdrucktauglichkeit, der
Mangel an Porosität und damit eine gleichbleibend
hohe Dichtwirkung, tritt in den Vordergrund. Elastische Metalldichtungen werden im Kraftnebenschluss eingesetzt und sind so von Betriebskräften geschützt. Die heute verfügbaren elastischen
Bild 1: Elastische Metalldichtungen für unterschiedliche Anforderungen an
Zuverlässigkeit, Druckbeständigkeit und Rückfederung (v. l. o.: Feder
unterstützte Metalldichtung, C-Ring, v. l. u.: O-Ring, E-Ring)
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bietet einen spezifischen Widerstand gegen Kompression, wodurch die resultierende Anpresskraft
den Mantel in die mikroskopisch kleinen Unregelmäßigkeiten der abzudichtenden Fläche drückt. Jede
einzelne Windung der Schraubenfeder reagiert unabhängig und ermöglicht der Dichtung die Anpassung
an Unebenheiten der Gegenfläche. Diese Kombination aus Elastizität und Plastizität sorgt für eine extrem
effiziente Abdichtung, sogar unter kritischer, wiederholt auftretender Dekomprimierung der Dichtung.
DRUCKUNTERSTÜTZTE METALLDICHTUNGEN
Bei den druckunterstützten Metalldichtungen gibt es
die Varianten metallische C-Ringe, O-Ringe, E-Ringe
und U-Ringe.
Bild 2: Federunterstützte Metalldichtung für ein optimales
Rückstellvermögen
Metalldichtungen mit und ohne Federunterstützung
werden immer häufiger in Ventilen eingesetzt, die
unter extremen Einsatzbedingungen effektiv funktionieren müssen.
FEDERUNTERSTÜTZTE METALLDICHTUNGEN
Das Dichtprinzip von federunterstützten Metalldichtungen (Bild 2) basiert auf der plastischen Verformung eines Mantels, dessen Verformbarkeit höher
ist als die der abzudichtenden Fläche. Der elastische
Kern der federunterstützten Metalldichtung besteht
aus einer eng gewickelten Schraubenfeder. Die Feder
Bild 3: Metallischer C-Ring
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Metallische C-Ringe Das Dichtkonzept von metallischen C-Ringen (Bild 3) basiert auf der elastischen
Verformung des C-förmigen Ringquerschnitts. Dessen Merkmale bestimmen die Drucklast der Dichtung.
Zusammen mit einer definierten Kompressionsrate
führt die Kraft zu einem spezifischen Anpressdruck
auf die Gegenfläche. Eine Oberflächenbehandlung in
Form einer weichen Silberbeschichtung kann angewendet werden, um die plastische Verformbarkeit
der Dichtung zu verbessern und gleichzeitig die zum
Erreichen der gewünschten Dichtheit notwendige
Montagekraft zu reduzieren. Die Öffnung der C-Ringe
wird normalerweise zum Systemdruck hin ausgerichtet, um mit dessen Hilfe eine druckunterstützte
Dichtwirkung zu erzielen. Diese unterstützende Wirkung nimmt unmittelbar proportional zum Anstieg
des Differenzsystemdrucks zu.
Metallische O-Ringe Sie wurden zur Abdichtung
bei Hochdruck- und Hochtemperaturanwendungen
entwickelt, die nur eine geringe Rückfederung erfordern. Sie werden aus hochfesten Metallrohren hergestellt, die maßgerecht aufgewickelt, geschnitten und
geschweißt werden (Bild 4). Die Dichtkraft lässt sich
durch Veränderung des Querschnittsdurchmessers
und der Rohrwandstärke anpassen.
Einfache metallische O-Ringe sind zur Abdichtung von
Nieder- und Mitteldruckanwendungen geeignet, da zu
hohe Drücke die Wand des O-Ringes zum Kollabieren
bringen können. Für Hochdruckanwendungen sind
selbstverstärkende metallische O-Ringe verfügbar. In
der dem Systemdruck ausgesetzten Wand befinden
sich kleine Bohrungen. Der Systemdruck dringt so
in den metallischen O-Ring ein und verstärkt diesen.
Das Risiko des Kollabierens der O-Ring-Wand sinkt.
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Als weitere Option können metallische O-Ringe mit
Inertgas gefüllt werden, dessen Druck mit einem
Anstieg der Systemtemperatur zunimmt. Durch die
dabei entstehende Unterstützung wird der Festigkeitsverlusts des O-Ring-Materials im Betrieb teilweise ausgeglichen. Gasgefüllte O-Ringe werden
in Umgebungen mit hoher Wechselbeanspruchung
eingesetzt.
Metallische E-Ringe Sie wurden für Hochtemperaturanwendungen entwickelt, bei denen eine geringe
Anpresskraft und hohe Rückfederung der Dichtung
entscheidend sind (Bild 5). Im Betrieb werden E-Ringe ebenfalls durch den Systemdruck verstärk. Die
Flächenpressung nimmt zu und die Leckage wird
minimiert. Die Geometrie der Dichtung kann den
Anforderungen einer spezifischen Anwendung entsprechend ausgelegt werden.
Bild 4: Metallischer O-Ring
Metallische U-Ringe Sie bieten ähnlich wie E-Ringe
eine gute Rückfederung, haben jedoch einen geringeren Verformungsbereich. Sie können eine kostengünstige Lösung für Anwendungen sein, die eine
höhere Rückfederung erfordern, als zum Beispiel ein
üblicher C-Ring erreicht.
VENTILANWENDUNGEN
Elastische Metalldichtungen werden heute in einer
Vielzahl von Ventilanwendungen eingesetzt: Als
Gehäusedichtung, im Ventilsitz, als Abdichtung druckentlasteter Ventilkegel, zur sekundären Abdichtung
von Sitzringen und zur Spindelabdichtung.
Absperrklappen werden klassisch mit weichen Dichtungswerkstoffen abgedichtet, deren Einsatzgrenzen
schnell erreicht werden. Hohe Betriebstemperaturen
zusammen mit weiteren Anforderungen wie Brandbeständigkeit („Fire-Safe“-Ausführung), längere
Lebensdauerzyklen, chemische Beständigkeit und
eine hohe Dichtwirkung werden von federunterstützten Metalldichtungen erfüllt. Im Hochtemperaturbetrieb wird als Mantelmaterial typischer Weise Nickel
oder Inconel®, bei kryogenen Temperaturen hingegen
Kupfer verwendet. Federunterstützte Metalldichtungen erlauben bidirektionalen Durchfluss und erreichen Standzeiten von mehr als 100.000 Zyklen.
Immer mehr Anwender greifen zu dreifachexzentrische Absperrklappen für Hochdruckanwendungen
von ungefähr 100 bis 150 bar. Diese bieten kompaktere Einbaumaße, ein geringeres Gewicht, geringere
Drehmomente, eine gute metallische Dichtwirkung
und einen geringeren Verschleiß für eine hohe
Lebensdauer und geringere Wartungskosten.
Dreifachexzentrische Hochdruck-Absperrklappen
werden im Sitz häufig mit einer massiven, mechanisch bearbeiteten Metalldichtung für kritische bidirektionale Anwendungen abgedichtet. Lamellierte
Dichtungen mit wechselhaft angeordneten Schichten
von Metall und Graphit bieten dagegen eine höhere
Flexibilität und eine wirksamere Dichtleistung. Diese
hochpräzisen Dichtungen besitzen komplexe Geometrien, die den Graphitfluss kontrollieren und Drücken
von bis zu 150 bar standhalten.
Doppelexzentrische Absperrklappen können ebenfalls mit einer massiven Metalldichtung im Hochdruckbetrieb bis 100 bar abgedichtet werden. Feder-
Bild 5: Metallischer E-Ring
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Bild 6: Absperrklappe mit federunterstützter metallischer
Sitzdichtung
unterstützte Metalldichtungen (Bild 6) erreichen eine
bessere Dichtwirkung bei Drücken bis 50 bar. Die
Feder kompensiert Verschiebungen zwischen dem
Sitz und der Scheibe aufgrund von thermischer Ausdehnung oder Druck. Diese Eigenschaft ermöglicht
den Einsatz für LNG, Dampf und andere extremen
Anwendungen, wo eine hohe Dichtheit und Beständigkeit über einen langen Zeitraum gefordert wird.
Einsatz bei Kugelhähnen und Sitzventilen Laminierte Graphit- und federunterstützte Metalldich-
Bild 7: Zapfengelagerter Kugelhahn: metallische Dichtungen z. B. als
Gehäusedichtung und Sekundär-Sitzringdichtung
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tungen können auch zur Abdichtung von Kugelhähnen, Durchgangsventilen, Schiebern und Class 5
und 6 Abschaltventilen genutzt werden. Gehäuse-/
Deckeldichtungen von Durchgangsventilen, Kegelventilen und Kugelhähnen wurden traditionell mit
Spiraldichtungen, Graphit-Metalldichtungen oder
Flachdichtungen aus Faserverbundmaterialien
abgedichtet, die allesamt im Krafthauptschluss
eingesetzt werden.
Graphit allerdings neigt durch Wärmeeinwirkung zur
Entspannung. Sie bedingt ein regelmäßiges Nachziehen der Verbindung und kann schlimmstenfalls bis
zum Versagen der Dichtung führen. Federunterstützte Dichtungen und C-Ringe im Kraftnebenschluss
haben sich als eine bessere Lösungen für Ventile
erwiesen, die unter kritischen Bedingungen wie
Hochtemperatur und Hochdruck arbeiten, geringe
Emissionen erfordern und ein gewisses Maß an
Bewegung in den Verbindungsstellen erfahren oder
aber unter kryogenen Temperaturen Lastwechseln
unterzogen werden.
Die Abdichtung druckentlasteter Kegel in Durchgangsventilen und Class 5 und 6 Abschaltventilen
geschieht durch dynamische Dichtungen, die sich
mit dem Kegel bewegen. Hergestellt mit Bohrungen
zum Druckausgleich, reduzieren diese Ventilkegel
Drehmomentanforderungen, so dass kleinere Antriebe verwendet werden können. Gleichzeitig werden
jedoch sekundäre Leckagewege geschaffen. Für
Ventile im Hochtemperaturbetrieb und der Forderung
nach geringen Emissionen kann eine dynamisch wirkende federvorgespannte Metalldichtung am oberen Ende des Ventilkegels installiert werden, um so
Leckage nach außen zu verhindern.
Die sekundäre Abdichtung des Sitzringes von primär
metallisch abgedichteten, zapfengelagerten Hochdruck-Kugelhähnen stellt ein häufiges Problem in
der Ventilindustrie dar. Die allgemeine Lösung stellt
eine Dichtung zwischen dem Ventilgehäuse und
dem Sitzring dar, der durch Federkraft gegen die
Ventilkugel gedrückt wird. Verwendet werden dafür
herkömmlich Tellerfedern, Schraubenfedern oder
formgepresstes Graphit. In einigen Fällen wird für
Hochtemperaturanwendungen auch keine Sekundärdichtung eingesetzt.
Je nachdem, wieviel Bewegung des Sitzringes gefordert wird, können elastische Metalldichtungen wie
federunterstützte Dichtungen, E-Ringe, U-Ringe oder
C-Ringe zum Einsatz kommen (Bild 7). Auch ist der
Einsatz speziell ausgelegter formgepresster GraphitRinge möglich.
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Federvorgespannte Dichtungen für rotierende, steigende Spindeln oder Linearventile bieten vollen
metallischen Kontakt, Dichtheit bis 10-5 mbar . l/s
und erlauben axiale Schaftbewegung. Zur Abdichtung
von Ventilspindeln sind auch spezielle PackungsringSets verfügbar, die flüchtige Emissionen zuverlässig
verhindern und den harten Betriebsbedingungen in
chemischen, petrochemischen und kerntechnischen
Anlagen widerstehen (Bild 8).
Einige der genannten Anwendungen beinhalten
dynamische oder semi-dynamische Abdichtungen,
für die metallische Dichtungen in der Regel nicht
geeignet sind. Die richtige Auswahl der Materialien
und Beschichtungen kann die Reibung reduzieren,
die Verschleißfestigkeit erhöhen und vor Korrosion
schützen. Traditionelle Beschichtungen bestehen
galvanisch aufgetragen aus Gold, Nickel oder Silber.
Modernere Beschichtungen sind thermische Sprays,
PVD oder CVD.
Bild 8: Regelventil: Einsatz von metallischen Dichtungen in
statischen und semidynamischen Anwendungen
Autor
ANDREAS VOSS
Ventilspindeln, die wie bereits erwähnt die größte
Ursache für flüchtige Emissionen darstellen, werden
weiterhin mit Graphit oder PTFE-Stopfbuchsringen
abgedichtet. Keines dieser Materialien ist jedoch für
den Einsatz in kryogenen Anwendungen oder bei
Hochtemperatur in sauerstoffhaltiger, oxidierender
Umgebung geeignet.
Market Manager
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