Revolutionäre Dichtungstechnologie der Zukunft

Federunterstützte Metalldichtung, Kombination Elastischer und plastischer, definierter Verpressung im Kraftnebenschluss

Elastische Metalldichtungen kommen zum Einsatz, wenn die Umgebungsbedingungen für herkömmliche Dichtungen zu extrem sind. Dies gilt insbesondere für Anwendungen, in denen Wasserstoff verwendet wird. Die aktuell verfügbaren elastischen Metalldichtungen mit Federunterstützung finden zunehmend Verwendung in statischen Wasserstoff Dichtungsanwendungen, beispielsweise in Wasserstofftanks für Brennstoffzellenantriebe. Auch bei der Förderung von Öl oder Gas werden Hochleistungsdichtungen benötigt.

Elastische Metalldichtungen werden dort eingesetzt, wo Dichtungen aus anderen Materialien versagen. In einer Vielzahl von Größen und Formen erhältlich, bieten sie beinahe unendliche Haltbarkeit und langfristige Dichtwirkung ohne Porosität. Typische Temperaturbereiche erstrecken sich von -250 °C bis +1.200 °C. Diese Dichtungen finden Anwendung von Ultrahochvakuum bis Hochdruck und sind heliumdicht bis zur Nachweisgrenze für Massenspektrometer.

Aufgrund ihrer Eigenschaften sind elastische Metalldichtungen die bevorzugte Dichtungslösung für Wasserstoffanwendungen, da Wasserstoffmoleküle wesentlich kleiner sind als Heliummoleküle. Das Produkt eines europäischen Dichtungsproduzenten, hergestellt aus diesem Material, wird zunehmend in anspruchsvollen Kryogen- und H2-Anwendungen eingesetzt. Die Dichtungslösung st ideal für das zukünftige Energiemedium Wasserstoff geeignet.

Dichtungskennwerte des Kraft-Weg-Diagramms, definiertes Verpressen der Dichtung im Kraftnebenschluss

Die Vorteile der Metalldichtung, darunter ein breiter Temperaturbereich, Vakuum-, UHV- und Hochdrucktauglichkeit sowie die Abwesenheit von Porosität und somit eine konstant hohe Dichtwirkung, stehen im Vordergrund. Elastische Metalldichtungen werden im Kraftnebenschluss eingesetzt und sind somit vor den Betriebskräften des Flansches geschützt. Die heute verfügbaren elastischen Metalldichtungen mit Federunterstützung werden vermehrt in statischen Wasserstoff-Dichtungsanwendungen eingesetzt, wie beispielsweise in Wasserstofftanks für Brennstoffzellenantriebe, die unter extremen Einsatzbedingungen effektiv, sehr langlebig und mit minimalen Leckagen sicher funktionieren müssen.

Das Prinzip federunterstützter Metalldichtungen

Das Funktionsprinzip von federunterstützten Metalldichtungen beruht auf der plastischen Verformung eines Mantels, dessen Verformbarkeit höher ist als die der zu versiegelnden Fläche. Der elastische Kern der federunterstützten Metalldichtung besteht aus einer eng gewickelten Schraubenfeder. Diese Feder erzeugt eine Kraft und Elastizität als Widerstand gegen die Verpressung. Dadurch drückt die resultierende Anpresskraft den Dichtungsmantel in die Mikrostruktur der Dichtfläche. Jede einzelne Windung der Schraubenfeder reagiert unabhängig und ermöglicht der Dichtung, sich an Unebenheiten der Dichtfläche anzupassen. Diese einzigartige Kombination aus Elastizität und Plastizität gewährleistet eine effiziente Abdichtung, selbst unter kritischen Bedingungen mit wiederholter Dekomprimierung der Dichtung.

Typische H2-Anwendungen von Hochleistungsdichtungen

Um einen erheblichen Temperaturbereich abzudecken und gleichzeitig in verschiedenen Anwendungsfällen einen sicheren H2-Dichtungsbetrieb zu gewährleisten, ist es entscheidend, dass die Dichtung mit dem Flansch über einen breiten Bereich von Relativbewegungen elastisch zurückfedert – und dabei unter allen Betriebsbedingungen zuverlässig vor Wasserstoffdurchlässigkeit geschützt ist. Diese Anforderung bedeutet, dass die Dichtung eine effektive elastische Rückfederung aufweisen muss. Die Elastizität der Rückfederung steigt nahezu linear mit dem größeren Querschnitt der Dichtung, wobei die Anpresskraft (Y2-Parameter der Dichtung) eine entscheidende Rolle in der Konstruktion der Dichtung für Wasserstoff spielt. Im Allgemeinen lässt sich feststellen, dass mit zunehmendem Dichtungsquerschnitt auch die Verpresskraft der Dichtung bzw. der Y2-Parameter in N/mm des Dichtungsumfangs steigt. Hierbei müssen auch die Flanschsteifigkeit sowie die Qualität, Anzahl und Durchmesser der Flanschbolzen bei der Konstruktion angemessen berücksichtigt werden.

Zum aktuellen Zeitpunkt wurden Hochleistungsdichtungen erfolgreich in verschiedenen Anlagen zur Gasgewinnung und Wasserstoffanwendung getestet und für den Einsatz vorgesehen. Im Bereich der H2-Dichtungen und den zugehörigen Anforderungen an zulässige Leckagen gibt es derzeit weder eine Regulierung nach Standards noch eine Konstruktionsstandardisierung erkennbar. Daher konstruiert und bietet ein renommierter Dichtungshersteller Hochleistungsdichtungen individuell für jede Anwendung an, um minimalste H2-Leckagen in Abhängigkeit von den Durchmessern zu gewährleisten.

Spezial-FKM-Compound Vi 900 für die Öl- und Gasindustrie

Dichtungskomponenten unter rauen Bedingungen

Die Förderung von Öl oder Gas ist in Explorations- und Transportregionen, insbesondere in Gebieten mit Niedrigtemperaturen wie Alaska, Kanada und der Nähe des Nordpols, äußerst komplex, zeitaufwendig und kostenintensiv. Die Ölindustrie spielt eine entscheidende Rolle am Polarkreis, wo die zu fördernden Gas- und Ölreserven von großem Interesse sind. Obwohl die Förderung von arktischem Öl hauptsächlich in Alaska stattfindet, wurden auch in den arktischen Regionen Kanadas, Grönlands und anderswo erhebliche Erdöl- und Erdgasvorkommen entdeckt. In diesen Regionen ist die Beständigkeit gegenüber Tieftemperaturen eine essenzielle Voraussetzung und stellt einen absoluten Grenzbereich für Elastomerdichtungen in diesem Anwendungsgebiet dar.

Gemeinsamkeiten aller Ölbohrungen sind die extremen Anforderungen an das verwendete Material und die eingesetzten Komponenten. Bohrköpfe müssen beispielsweise hohen Bohrschlammdruck, Vibrationen, starken Druckschwankungen und aggressiven chemischen Substanzen standhalten. Bei Tiefenbohrungen (Downhole Drilling) müssen die Materialien sogar hohen Drücken bei gleichzeitig extremen Temperaturen von bis zu 200 °C widerstehen können. Der Einsatz ungeeigneter Elastomer-Dichtungen in diesen Bereichen, wie beispielsweise in den Ventilsteuerungen für Motoren oder Auslösemechanismen und Messgeräten, kann zu schweren Schäden an einer gesamten Maschineneinheit führen und die Förderung muss unterbrochen werden.

Ein durch Explosive Dekompression beschädigter O-Ring

Eine Herausforderung besteht darin, dass der Bohrkopf und die gesamte Antriebstechnik während der Bohraktivität nur sehr begrenzt überwacht werden können. Die Bedingungen mehrere Kilometer unter der Erdoberfläche sind alles andere als technologiefreundlich. Zudem gestaltet sich ein Austausch der Dichtungen bei Bohrtiefen von über 2.500 m äußerst schwierig. Bei der Verwendung von Richtbohrtechnik sind sogar Tiefen von 5.000 m erschließbar, und Rohrlängen von bis zu 11.000 m sind möglich. Ein Produktionsstopp unter diesen Bedingungen hätte fatale Folgen, da die Ausfallzeiten die Produktivität und Rentabilität erheblich beeinträchtigen. Die laufenden Plattform- und Crew-Kosten belaufen sich auf etwa 200.000 Euro pro Tag. Es können jedoch auch Kosten von bis zu 500.000 Euro täglich entstehen. Daher müssen die in diesen Extrembedingungen eingesetzten Komponenten äußerst zuverlässig arbeiten.

Elastomerdichtungen finden in verschiedenen Anwendungsbereichen Anwendung, darunter nicht nur in der Exploration, sondern auch im Transport, der Lagerung und Verarbeitung von Öl und Gas sowie in der nachgelagerten Produktion chemischer und petrochemischer Erzeugnisse. Diese Bereiche umfassen eine Vielzahl von technischen Bauteilen und -gruppen. Elastomerdichtungen spielen eine entscheidende Rolle sowohl in den Antriebsmotoren der Bohrköpfe als auch in Gasfiltern, Ventilen, Verrohrungen, Armaturen, Pumpen oder Kompressoren. Sie sind somit wesentliche, sicherheitsrelevante Komponenten in diesen Systemen.

Explosive Dekompression (AED oder RGD)

In diesen Anwendungsbereichen stehen viele Betreiber in der Gas- oder Chemieindustrie sowie Hersteller von Zulieferbauteilen oft vor Herausforderungen hinsichtlich Leckagen bei Elastomerdichtungen, insbesondere bei einem signifikanten Druckabfall im Gasmedium. Elastomerdichtungen müssen in solchen Fällen speziellen Anforderungen gerecht werden, wenn sie gasförmigen Medien bei Drücken von über 30 PN/30 bar und plötzlichem Druckabfall (innerhalb weniger Sekunden) ausgesetzt sind. In diesen Anwendungen dürfen nur Werkstoffe zum Einsatz kommen, die speziellen Tests standhalten.

Die Norm DIN EN 14141 für Erdgasleitungen schreibt vor, dass nichtmetallische Teile von Armaturen, einschließlich Elastomerdichtungen, gegenüber explosiver Dekompression beständig sein müssen. Dies betrifft verschiedene Komponenten wie Pumpen, Kompressoren, Rohrleitungen, Verbindungen, Armaturen oder Ventile.

Aufgrund der hohen Kräfte in solchen Anwendungen können herkömmliche Elastomerdichtungswerkstoffe nicht ausreichend widerstandsfähig sein. Daher kommen speziell konzipierte Elastomere wie AED- oder RGD-Dichtungswerkstoffe („Anti-Explosive-Decompression“ oder „Rapid Gas Decompression“) in diesen Anwendungen zum Einsatz. Diese Werkstoffe widerstehen den anspruchsvollen Bedingungen, und die Beständigkeit gegenüber Explosiver Dekompression kann durch Tests nach NORSOK M-710 Rev. 3 (Annex B) und/oder ISO 23936-2 nachgewiesen werden.