Herausforderung bei Flanschverbindungen von Stahl-Email-Apparaten

Stahl-Email-Apparate-Flanschverbindungen weisen aufgrund der Fertigung erhebliche Unebenheiten an den Dichtflächen auf – diese können mehrere Millimeter betragen. Eine zuverlässige Abdichtung dieser Unebenheiten stellt eine große Herausforderung dar, was sich auch in der begrenzten Auswahl geeigneter Dichtungen widerspiegelt. 

Bislang existiert keine standardisierte Montageanleitung für die verschiedenen Dichtungstypen. Stattdessen gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Vorgaben, obwohl sich die Dichtungen technisch oft nur geringfügig unterscheiden. Zusätzlich stellt die neue TA Luft [1] Anforderungen an einen Dichtheitsnachweis, der bisher nicht erbracht werden konnte. Ein Grund dafür liegt in der speziellen Konstruktion der Verbindungen: Anders als bei Stahl-Email-Rohrleitungen kommen hier keine Losflansche und Schrauben zum Einsatz, sondern sogenannte Klammerschrauben. 

Vor diesem Hintergrund haben sich Betreiber, Apparatebauer und Dichtungshersteller zusammengeschlossen, um eine einheitliche Montagevorgabe zu erarbeiten. 

Gegenstand der Untersuchungen 

Folgende Geräte, Vorrichtungen und Einzelteile kamen zum Einsatz: 

1. Stahl-Email-Apparateflansche mit Vorschweißbunden nach DIN 28139-2 [2], Form M, emaillierte Böden, Deckel und Zwischenringe in Nennweite DN600 
2. Klammerschrauben nach DIN 28152-2 [3], M24, Festigkeitsklasse 5.6 
3. Hüllendichtungen mit Einlagen nach DIN 28148 [4] 
4. Flachdichtungen in gestanzter Form bzw. als Dichtungsband ausgeführt 
5. Vakuumkammer, ca. Ø 1.000 x h 500 mit Helium-Leckdetektor 
6. Umluftofen 1m³, max. 300 °C mit Chargierwagen 

Die Böden der Prüfaufbauten liegen in zwei Ausführungen vor: Zum einen werden Bauteile mit üblichen Geometrietoleranzen eingesetzt, zum anderen speziell gefertigte Böden, die die maximal zulässigen Toleranzen gemäß DIN-Norm vollständig ausnutzen. Die zugehörigen metallischen Vorschweißbunde wurden entsprechend bearbeitet – durch Fräsen auf Maß und anschließende Emaillierung. 

Die Montage der Klammerschrauben erfolgt gemäß den Vorgaben der VCI-Montageanleitung [5], mithilfe von Akku-Drehmomentschraubern. Vier der eingesetzten Klammerschrauben sind dabei als kraftkalibrierte Messschrauben ausgeführt. 

Versuchsdurchführung 

Der Ablauf der Prüfungen lehnt sich stark an das Prüfschema der typbasierten Bauteilprüfung der VDI2290:2024-05 (Entwurf) [6] an. 

Analog zur VCI-Montageanleitung für Stahl-Email-Rohrleitungen [7] findet nach der Erstmontage mit der Flächenpressung QI eine Warmlagerung bei Ttest1=100 °C über 48 h statt. Der Prüfaufbau kann anschließend auf Raumtemperatur abkühlen und es wird auf QI nachgezogen. Nach Ermittlung der Leckage L1 bei pB=10 bar wird eine Warmlagerung bei Ttest2=200 °C über 48 h durchgeführt. Nach erneuter Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgt die Leckagemessung L2 bei pB=10 bar. 

Mit Einhaltung des TA-Luft Leckagegrenzwertes von L0,01=1,0∙102 mg/m∙s wäre nun der Dichtheitsnachweis erbracht. In diesem Projekt soll die Dichtung zusätzlich an ihre Leistungsgrenze gebracht werden und es erfolgt eine Wiederholung des Nachziehens auf QI mit anschließender Warmlagerung bei 200 °C. 

Nach der abschließenden Demontage wird die Dichtung auf mögliche Beschädigungen hin untersucht. Eine Empfehlung für den Einsatz unter den angewendeten Montage- und Prüfbedingungen kann nur erfolgen, wenn keinerlei Schäden festgestellt werden. 

Als Beschädigungen gelten unter anderem Materialrisse, Durchdringungen (z. B. Löcher) sowie abgescherte oder herausgelöste Einlagen. 

Basierend auf den Erfahrungen aus den ersten Versuchsreihen hat sich folgende Vorgehensweise als zielführend erwiesen: 

Die Montage beginnt mit der niedrigsten vorgesehenen Flächenpressung und wird anschließend mit der höchsten durchgeführt. Führen beide Montagen zu positiven Ergebnissen, gilt der dazwischenliegende Bereich als zulässiges Einbaufenster. Bei negativen Ergebnissen wird die jeweilige Flächenpressung in Schritten von 5 MPa erhöht bzw. verringert. 

Die Leckageprüfungen werden – abweichend vom üblichen Vorgehen – bereits wenige Stunden nach Erreichen eines stabilen Leckageniveaus oder beim Überschreiten des zuvor auf den Umfang der Dichtung bezogenen Grenzwertes beendet, sofern keine signifikante Änderung der Leckage mehr zu erwarten ist. 

Ergebnisse 

Die bisherigen Versuchsergebnisse verdeutlichen die teils erheblichen Unterschiede in der Leistungsfähigkeit der untersuchten Dichtungen: Während einige Hüllendichtungen bereits erfolgreich ihre Tauglichkeit unter Beweis gestellt haben, konnten Flachdichtungen bislang weder auf normgerechten noch auf maximal tolerierten Prüfaufbauten eine ausreichende Dichtheit erzielen. Zudem traten bei den Flachdichtungen teils erhebliche mechanische Schäden auf. 

Doch auch innerhalb der Gruppe der Hüllendichtungen zeigen sich deutliche Unterschiede: Besonders Dichtungstypen mit integrierter Diffusionsbarriere in Kombination mit stark ausgeprägtem metallischem Wellring verursachten überdurchschnittlich hohe Leckagen. 

Ob und inwieweit der Wellring selbst einen negativen Einfluss ausübt, ist derzeit noch nicht abschließend geklärt. Bisherige Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass lediglich Ausführungen mit schwach ausgeprägtem Wellring und Grafit-Glattblechauflage durchgängig positive Ergebnisse liefern. 

Ein ähnliches Bild zeigt sich bei den erzielten Restflächenpressungen: Einige Hüllendichtungen erreichen stabile Werte von mindestens 5 MPa, in der Regel sogar deutlich darüber. Im Gegensatz dazu lagen die Restflächenpressungen der getesteten Flachdichtungen deutlich niedriger; in Einzelfällen waren Klammerschrauben nach der Prüfung sogar locker. 

Die maximal getestete Flächenpressung von 25 MPa führte bei allen Hüllendichtungen zur Zerstörung der PTFE-Hülle, sodass anzunehmen ist, dass die obere Grenze der zulässigen Flächenpressung bei etwa 20 MPa liegt. Unter Berücksichtigung sowohl der unteren Grenze (Vermeidung unzulässiger Leckage) als auch der oberen Grenze (Vermeidung von Hüllenschäden oder Einlagenversagen) erscheint eine Montageflächenpressung von 15 MPa als sinnvoller Zielwert. 

Zwischenfazit 

Auf Grundlage der bisherigen Versuchsergebnisse lassen sich bereits erste Empfehlungen für die zukünftige Auslegung von Dichtungen ableiten: Der Einsatz von Diffusionssperren sowie – mutmaßlich – stark ausgeprägten metallischen Wellringen in Kombination mit Grafitauflagen ohne Glattblecheinlagen wirkt sich bei Hüllendichtungen tendenziell negativ auf die Dichtwirkung aus und sollte daher kritisch hinterfragt werden. 

Flachdichtungen aus reinem oder gefülltem PTFE konnten bislang nicht überzeugen. Die Ursache liegt vor allem in ihrem strukturellen Aufbau und dem ausgeprägten Kriechverhalten unter Belastung. Einzelne Hersteller arbeiten derzeit an entsprechenden Optimierungen. In Verbindung mit einer hochwertigen und exakt durchgeführten Montage erscheint eine zuverlässige Abdichtung in Zukunft dennoch realistisch. 

Abschließend lässt sich festhalten – wie auch bei vielen anderen Flansch-Dichtungskombinationen –: Eine dauerhaft dichte und betriebssichere Flanschverbindung ist nur durch eine geeignete Dichtungsauswahl, eine sorgfältige konstruktive Auslegung sowie durch eine fachgerechte Montage durch qualifiziertes und erfahrenes Personal erreichbar.