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04/2011 Juni

Zuverlässigkeit und Leckagefreiheit bei Prozessleitungen

Unzuverlässige Prozessleitungen verursachen in Unternehmen erhöhte Betriebskosten, verlängerte Stillstandzeiten sowie möglicherweise auch negative Auswirkungen auf die Produktqualität. Neben den Energiekosten muss auch der Arbeitsaufwand für das Abdichten der Leckagen und die dadurch verursachten Stillstandzeiten berücksichtigt werden. Hinzu kommen Verschmutzung der Umwelt und Gesundheitsbelastungen am Arbeitsplatz.

Leckage, Rohr, Verschraubung, Fitting

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Oft treten Undichtigkeiten an Verbindungsstellen in einem System auf, wo Anschlüsse unter Last versagen. Allerdings lassen sich medienführende Systeme entwickeln und so verbessern, dass mögliche Probleme minimiert und die Gesamtleistung gesteigert wird. Zwei entscheidende Fragen betreffen

die Art der Anschlüsse, die im gesamten System zum Verbinden von Leitungen zum Einsatz kommen, und
den Kenntnisstand und die praktische Erfahrung der Mitarbeiter, die das System installieren und warten.

Jede Art von Rohrverbindung kann unter bestimmten Bedingungen undicht werden, insbesondere unter dem Einfluss mechanischer Vibrationen. Auch wenn es die „ideale“ Verbindung nicht gibt – eine Verbindung, die den absolut leckfreien Betrieb unter allen erdenklichen Systembedingungen sicherstellt – so gibt es doch Anschluss-Ausführungen und -Technologien, die zuverlässiger sind als andere. Und bei anwendungsgerechter Installation können hochwertige Verbindungen Undichtigkeiten auf weniger als 3% verringern.

Ausführungen von Rohrverschraubungen

Obwohl Rohrgewindefittings früher in großem Umfang eingesetzt wurden, haben Rohrverschraubungen heute ihre Zuverlässigkeit unter Beweis gestellt und sich einen festen Platz im Markt erobert. Es gibt sie in unterschiedlichen Ausführungen, deren spezifische Vorteile zu einem großen Teil von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung abhängen.

Die Klemmverschraubungen, die als erste entwickelten Rohrverschraubungen, bestehen aus drei Einzelteilen: Überwurfmutter, Körper und Dichtring oder Klemmring. Basis dieser Konstruktion ist eine reibschlüssige Verbindung mit dem Rohr. Ein Vorteil der Klemmverschraubungen ist, dass für ihre Montage keine speziellen Werkzeuge erforderlich sind – anders als bei Gewindefittings, die Gewindestrehler und Schneideisen erfordern, um die Gewinde herzustellen. Die Dichtkraft kann – muss aber nicht – linienförmig wirken, wobei sich der größte Teil der Dichtkraft auf eine kleine Fläche konzentriert und dadurch eine der effektivsten Metall-Metall-Dichtungen überhaupt ergibt. Aber aufgrund des Reibschlusses widersteht dieser Typ von Verbindung nur sehr geringen Drücken, er ist nur in wenigen Werkstoffen verfügbar (hauptsächlich Messing), und oft erweist er sich in Systemen, auf die Vibrationen, Temperaturwechsel und andere dynamische Einflüsse einwirken, als weniger zuverlässig.
Bördelverschraubungen bestehen ebenfalls aus drei Teilen: Überwurfmutter, Hülse und Körper mit einem Bördel oder kegeligem Ende. In manchen Fällen ist die Hülse selbstbördelnd ausgeführt, üblicherweise bei Rohren mit geringer Wanddicke oder bei weicheren Rohrwerkstoffen. Im Vergleich zu Klemmverschraubungen können Bördelverschraubungen bei höheren Drücken und in einem breiteren Bereich von Systemparametern eingesetzt werden. Sie sind in einer größeren Zahl von Werkstoffen verfügbar, und die wirksame Dichtfläche ist größer, was das Wiederverwenden bei Wartungsarbeiten ermöglicht. Allerdings sind spezielle Bördelwerkzeuge erforderlich, um die Rohrleitung für die Montage vorzubereiten. Darüber hinaus kann das Bördeln der Rohrleitung erhöhte Beanspruchungen an der Basis der Bördelung und Längsrisse bei dünnwandigen Rohren oder spröden Rohrwerkstoffen verursachen. Raue Rohrstirnflächen, hervorgerufen durch minderwertige Rohrabschneider oder falsch eingesetzte Bügelsägen, ergeben unebene Dichtflächen.
Schneidringverschraubungen erfordern keine besonderen Werkzeuge für die Montage und ertragen höhere Innendrücke als die ursprünglichen Klemmverschraubungen. Diese Konstruktion besteht aus Überwurfmutter, Körper und Klemmring(en), bei denen sich eine scharfe Schneidkante in die Oberfläche der Rohrleitung einschneidet, um für festen Halt zu sorgen. Eine zweite Dichtung wirkt auf dem langen, vertieften Oberflächenteil zwischen dem Klemmring und dem Innenkegel des Körpers.

Dichten und Fixieren mit zwei Klemmringen

Schneidringverschraubungen sind üblicherweise mit nur einem Klemmring ausgeführt. Deshalb muss die Nase des Klemmrings zwei Aufgaben zugleich erfüllen: Sie muss sich in das Rohr einschneiden, um es festzuhalten, und zugleich dient sie als Dichtelement für das Anschlussstück. Dabei geht sehr leicht eine Funktion zu Lasten der anderen. Dieses Problem lässt sich lösen, wenn man diese beiden Funktionen auf zwei Klemmringe – einen zum Dichten, einen zum Fixieren auf dem Rohr – verteilt, denn diese Aufgabentrennung ermöglicht es, jedes Element optimal auf seine spezielle Funktion abgestimmt zu gestalten.

Verschraubungen mit mechanischem Halt sind üblicherweise mit zwei Klemmringen ausgestattet. Fittings dieser Art können wie eine federbelastete Dichtung wirken, was auf das Auffedern der Klemmringe während des Abdichtens zurückzuführen ist. Beim Anziehen der Verschraubung wird der vordere Klemmring elastisch verformt, während er sich beim Abdichten in die Oberflächen des Rohres und des Fittingkörpers einprägt. Über radial wirkende Kräfte klemmt der hintere Ring das Rohr in einem Bereich kurz außerhalb des Punkts ein, an dem die Nase des Klemmrings das Rohr hält, sodass die Beständigkeit gegen Vibrationen steigt.
Verschraubungen dieser Art lassen sich nach der ersten Montage lösen und wieder montieren, ohne Teile der Verschraubung selbst oder der Rohrleitung zu beschädigen. Darüber hinaus bieten einige Hersteller eine Prüflehre an, mit der sich das richtige und ausreichende Anziehen der Verschraubung bei der ersten Montage sicherstellen lässt. Ein nicht ausreichendes Anziehen von Rohrverschraubungen ist speziell bei härteren Werkstoffen wie Edelstahl eine Hauptursache für Leckagen.

Möglichkeiten bei Rohrgewindefittings

Die Fitting-Anbindung mit der besten Beständigkeit gegen Vibrationen und Ermüdung ist eine Stumpfschweißnaht. Dabei bestimmen ihre Festigkeit und die Qualität ihrer Ausführung den Grad der Fähigkeit, Belastungen dieser Art zu ertragen.

Aber stumpfgeschweißte Rohrfittings haben auch Nachteile. Die erforderlichen Schweißgeräte und die spezielle Ausbildung des Schweißers können teuer sein. Dazu kommt, dass das Anschweißen an die Systemkomponenten länger dauert als die Montage anderer Fitting-Ausführungen. Auch die erforderliche Erfahrung des Monteurs sollte in die Kalkulation einbezogen werden, denn um hochwertige Schweißnähte herzustellen, ist intensives Training notwendig. Schließlich ist die Möglichkeit für spätere Wartungsarbeiten an damit ausgestatteten Rohrleitungssystemen eingeschränkt: Die Monteure benötigen einen Schweißbrenner oder eine Bügelsäge, um das Rohrsystem aufzutrennen.
Sehr häufig werden in Prozess-Fluidsystemen Gewindefittings eingesetzt, die in unterschiedlichen Typen zur Verfügung stehen. National-Pipe-Thread-Fittings (NPT) haben sowohl kegelige Innen- als auch Außengewinde. Die Dichtwirkung entsteht dabei durch das Aufeinanderpressen der verbundenen Metallflächen an der Flanke, an der Spitze und am Grund des kegeligen Gewindes.
Aufgrund der Affinität von Metall gegenüber Metall, besonders beim Kontakt von Kohlenstoffstahl oder Edelstahl, kommt es während der Montage zu Fress- und Losreiß-Vorgängen an den Grenzflächen. Die Außengewinde von NPT-Fittings müssen deshalb bei der Montage unbedingt geschmiert oder mit einem Dichtmittel benetzt werden, das ein Schmiermittel enthält, um sie vor Beschädigung zu schützen. Verbreitet verwendet man zum Abdichten von Gewinden ein Band aus Polytetrafluorethylen (PTFE).
Zunehmende Bedeutung gewinnen die zylindrischen SAE-Gewinde (Society of Automotive Engineers). Sie fixieren lediglich das Fitting, haben aber keineDichtfunktion. Diese Dichtfunktion übernimmt ein Elastomerteil, das üblicherweise am Ansatz des Außengewindes positioniert ist. Beim Verschrauben drückt es sich gegen eine Anschlussfläche oder ebene Fläche in der Nähe des Innengewinde-Endes. Diese Gewinde-Dichtungs-Kombination bietet wie die NPT-Fittings die Vorteile einer deutlich höheren Wartungsfreundlichkeit, besseren Zugänglichkeit und Wiederverwendbarkeit der Verbindung.
Weitere Gewindetypen, die in Fluidsystemen eingesetzt werden, sind zylindrische und kegelige Gewinde der International Standards Organisation (ISO), über die Gewindegänge abdichtendes Gewinde National Pipe Thread Fine (NPTF Dryseal) sowie 37°-Grad-Army-Navy-Bördelflansch-Fittings (AN).
Fittings mit ISO-Gewinde wirken ähnlich wie NPT-Fittings mit kegeligen Gewinden, d. h. das Gewinde übernimmt gleichzeitig die Dichtfunktion, wie Fittings mit zylindrischem SAE-Gewinde, bei denen zusätzlich entweder ein Elastomer, ein gesonderter Metallring oder eine Flachdichtung zum Einsatz kommt.
Das über die Gewindegänge abdichtendes Gewinde NPTF Dryseal ist am Gewindegrund stärker abgerundet als an der Gewindespitze. Dadurch treten beim Verschrauben Presskräfte auf, die bewirken, dass der Gewindegrund die Spitzen des Gegengewindes verformt. Hinter dieser Gewindeform steht die Überlegung, dass – wenn sich Spitze, Grund und Flanke eines Gewindes berühren – immer ein durchgehender Kontakt zwischen beiden Gewinden und damit eine Abdichtung resultiert, bei der kein Schmiermittel erforderlich ist. Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Metallen wie Kohlenstoffstahl und Edelstahl neigen solche Dichtungen ungeschmiert aber zum Fressen, so dass die Installation schwierig und die Wiederverwendung unmöglich ist. 37°-AN-Bördelflansch-Fittings haben zylindrische Gewinde, ähnlich wie die SAE- und ISO-Ausführungen. Diese zylindrischen Gewinde dienen nur zum Befestigen. Die Abdichtung übernimmt ein auf das Fitting-Ende aufgebrachter 37°-Außenkegel zusammen mit einem Innenkegel am Anschlussstück.

Nachteile der Rohrgewindefittings

Verbindungen mit dickwandigen Rohren, die in Prozess- ebenso wie in Instrumentierungsleitungen eingesetzt werden, haben einen typischen Nachteil. Druckverluste oder Druckabfall aufgrund von Reibung an der Innenfläche von Rohrsystemen können dazu führen, dass in Anwendungen nicht die erforderlichen Strömungsbedingungen erreicht werden. Dieser Effekt lässt sich durch Anwendung der Reynoldszahl in Verbindung mit der Innen-Geometrie verdeutlichen.

Die Reynoldszahl (Re) ergibt sich durch Multiplikation des Innendurchmessers des Rohres (D) mit der mittleren Strömungsgeschwindigkeit (V) und der Dichte der Flüssigkeit (p) sowie anschließende Division durch die dynamische Viskosität (µ). Zur Bestimmung des internen Reibungsfaktors muss zunächst die Reynoldszahl für die strömende Flüssigkeit im System berechnet und dann mit der relativen Rauigkeit der Rohroberfläche kombiniert werden.
Mit dieser Formel durchgeführte Tests zeigen, dass aufgrund der unterschiedlichen inneren Oberflächenrauigkeit der dickwandigen Rohre und der Präzisionsrohre die Strömung in den dickwandigen Rohren oft turbulenter ist und einen höheren Druckverlust bewirkt. Um die Strömung umzulenken, sind 45°- oder 90°-Winkel erforderlich. Diese bewirken abrupte Änderungen des Innendurchmessers und raue Kanten, die die Turbulenzen und den Druckverlust weiter erhöhen. Obwohl auch für Präzisionsrohre Winkelstücke erhältlich sind, haben die gebogenen Präzisionsrohre sanftere Übergänge und verursachen damit niedrigere Druckverluste und weniger Turbulenzen.

Sowohl Rohrverschraubungen als auch Rohrgewindefittings haben ihren Platz in Prozesssystemen. Fest steht aber, dass Rohrverschraubungen – speziell die mit mechanischem Halt – für zuverlässige, dauerhafte und leckagefreie Verbindungen bestens geeignet sind.

Entscheider-Facts
Für Anwender

  • Rohrverschraubungen – speziell die mit mechanischem Halt – sind für zuverlässige, dauerhafte und leckagefreie Verbindungen bestens geeignet.
  • Die Dichtkraft bei Klemmverschraubungen kann – muss aber nicht – linienförmig wirken, wobei sich der größte Teil der Dichtkraft auf eine kleine Fläche konzentriert und dadurch eine der effektivsten Metall-Metall-Dichtungen überhaupt ergibt.
  • Im Vergleich zu Klemmverschraubungen können Bördelverschraubungen bei höheren Drücken und in einem breiteren Bereich von Systemparametern eingesetzt werden.
  • Die Fitting-Anbindung mit der besten Beständigkeit gegen Vibrationen und Ermüdung ist eine Stumpfschweißnaht.
  • Sowohl Rohrverschraubungen als auch Rohrgewindefittings haben ihren Platz in Prozesssystemen.
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