Untersuchung der Kosten verschiedener Dichtungen für Flansche DN50 PN40
Von Peter Thomsen
Vorwort
Die Auswahl der richtigen Dichtungen im Rohrleitungs- und Apparatebau ist sehr aufwendig und kann ohne Kenntnis der Anforderungen durch die Vorschriften und Regelwerke nicht sachlich richtig durchgeführt werden. Es gibt kaum Unterstützung, was daran liegt, dass die Dichtungen nach den verschiedenen Regelwerken und Vorschriften unterschiedliche Anforderungen erfüllen müssen. Immer neue Regeln, wie zuletzt die TRBS 2141:2019-03 „Gefährdungen durch Dampf und Druck“ zur Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) und die aktuell laufende Festlegung der Dichtheitsanforderung an das Dichtsystem nach der VDI 2290:2012-06 „Emissionsminderung – Kennwerte für dichte Flanschen“ zum Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG).
Die üblicherweise Verwendung findenden Flachdichtungen aus Plattenmaterial, wie Elastomer gebundene Fasern (FA-Material), PTFE (TF-Material) und Grafit (GR-Material) werden sehr häufig von den Betreibern eingesetzt. Wegen ihrer günstigen Beschaffungspreise (Stückpreise) gegenüber Metall-Weichstoff-Dichtungen, welche die Anforderungen der Regelwerke ohne Probleme sicher erfüllen, wird auf die technischen Vorteile, den Nutzen für Betriebssicherheit und Umweltschutz verzichtet. Dichtungen haben den Nachteil, dass sie betriebswirtschaftlich als C-Artikel behandelt werden, obwohl sie sicherheitsrelevante Bauteile sind.
Ziel
Die Untersuchung hat das Ziel nachzuweisen, dass die Verwendung hochwertiger Dichtungen nicht zu Mehrkosten führt, sondern zur Kostenreduzierung beiträgt.
Dichtungen
3.1 Dichtungen aus Plattenmaterial
Die Plattenmaterialien werden nach DIN 28091-1 in verschiedene Werkstoffkategorien eingeteilt. Aus den Platten werden die gewünschten Abmessungen mit Messern, Stanzen, Wasserstrahlanlagen geschnitten. Die Dichtungen (Form FF) sind mit Schraubenlöchern (Form FF) (Abb. 1) versehen. Dichtungen ohne Schraubenlöcher (Form IBC) (Abb. 1) werden an der Schraubeninnenseite zentriert. Weitere Formen sind Dichtungen für Flansche mit Nut und Feder (Form TG) oder Vor- und Rücksprung (Form SR).
Abb. 1: Flachdichtung Form IBC und Form FF
3.1.1 FA-Material
Fasern und Füllstoffe werden mit Elastomer auf Kalandern zu einer Dichtungsplatte gewalzt. Diese Dichtungswerkstoffe sind sehr stark verbreitet. Einsatztemperaturen von -20 üblich bis 150, teilweise bis 300 °C. Die Einsatztemperaturen liegen sehr hoch über der maximalen Einsatztemperatur der Elastomer-Binder. Diese Dichtungen haben ein recht hohes Setzpotential.
3.1.2 TF-Material
Das universell beständige PTFE (Polytetrafluoräthylen) wird, mit oder ohne Füllstoff oder expandiert als ePTFE, sehr gerne in chemischen und Anlagen der Lebensmittelindustrie verwendet. PTFE kann bis zu 250 °C eingesetzt werden. Nachteilig sind seine Fließeigenschaften und dass es sich um einen Werkstoff handelt, der als Sondermüll entsorgt werden muss. Bei Bränden entsteht Flusssäure und die gefährliche PFOA (Perflouroktansäure). PTFE-Dichtungen sind relativ teuer.
3.1.3 GR-Material
Grafit ist ebenfalls ein universell verwendbarer Werkstoff der von -200 bis zu 550 °C eingesetzt werden kann. Grafit wird wegen der geringen Eigenstabilität häufig auf Metallfolien (glatte Folien, Klett- oder Spießblech oder Streckmetall) geliefert.
Zur Verbesserung des Handlings und der Dichteigenschaft, wird das Material häufig imprägniert. Die Imprägnierungen können zum Verkleben auf den Flanschen führen. Das Material hat sich als universeller Dichtungswerkstoff durchgesetzt, weil es nicht zum Fließen neigt.
3.2. Metall-Weichstoffdichtungen
Diese Dichtungen zeichnen sich durch eine Reduzierung des Diffusionsquerschnittes durch metallische Tragkörper oder Wicklungen aus. Je nach Werkstoffkombination ertragen sie Temperaturen von -200 bis 550 oder mehr °C. Sie sind wegen des höheren Werkstoffaufwandes teurer als Weichstoffdichtungen. Durch niedrige erforderliche Flächenpressungen und hohe Stabilität haben sich diese Dichtungen als Problemlöser bewährt. Die Funktion ist abhängig von der Geometrie. Leider werden diese Dichtungen sehr häufig in schlechter Qualität aus Billiglohnländern importiert, was immer wieder zu Betriebsstörungen oder Unfällen führt.
3.2.1 Wellringdichtungen
Ein Blech, meistens 0,5 mm dick, wird in konzentrischen Kreisen gewellt und beidseitig mit Weichstoff belegt (Abb. 2).
Abb. 2: Wellringdichtungen mit und ohne Stützring
Günstigste Metall-Weichstoffdichtung mit hervorragender Dichteigenschaft. Die Normung ist kümmerlich.
Bei der Montage wird der Weichstoff von beiden Seiten in die Welltäler gedrückt, was diese stabil hält. Mit Stützring versehen (Bild 2), können diese Dichtungen in den sich mehr und mehr durchsetzenden Leichtbauflanschen verwendet werden.
3.2.2 Spiraldichtungen
Ein Metallband wird zusammen mit Weichstoff, meistens Grafit oder PTFE gewickelt. Zusätzlich werden die Dichtungen für Verwendung in Rücksprüngen oder in nicht kammernden Flanschformen, wie keiner oder glatter Dichtleiste, mit Druck- und/oder Zentrierringen versehen (Abb. 3).
Abb. 3: Spiraldichtung
Spiraldichtungen werden sehr häufig in Anlagen mit imperialen Flanschen (ASME) eingesetzt.
3.2.3 Kammprofildichtungen
In Bleche werden in konzentrischen Kreisen die Kämme eingedreht und mit Weichstoffauflagen belegt (Abb.4).
Abb.4: Kammprofildichtung
Ähnlich der Wellringdichtung wird der Weichstoff in die Kammtäler eingepresst und hält sich stabil. Kammprofile benötigen nur geringe Flächenpressungen, ertragen sehr hohe Flächenpressungen und sind damit fast unzerstörbar. Sie sind als die technisch besten Dichtungen anerkannt und bis 400 bar in glatten Flanschen genormt. Die aktuelle europäische Normung (EN 1514-6) ist unpräzise und führt zur Produktion von schlechten Dichtungen. Wegen der üblichen Lieferdicke von 5 mm werden sie nur ungern in Altanlagen eingesetzt. Diesen Dichtungstyp findet man sehr häufig in schlechter Qualität mit entsprechenden Folgen.
Kosten
Neben dem Preis entstehen für die Verwendung weitere Kosten für Beschaffung, Logistik, Qualitätssicherung, Entwicklung, Montage, Nachziehen, Wartung, Überprüfung und durch Medienverlust durch Leckage. Die Monteurstunde wurde mit 40,- € angesetzt, was den Kosten von Billiglohnschlossern entspricht. Die Werte wurden mit mehreren erfahrenen Monteuren, Technikern und Ingenieuren abgestimmt. Die Kosten wurden insgesamt niedrig angesetzt und werden allgemein höher eingeschätzt.
Die Logistikkosten wurden auf die Beschaffung von 100 Stück bezogen. Die Kosten für die Wartung/Prüfung werden in vielen Anlagen bisher nur gering oder gar nicht anfallen, weil entsprechende Arbeiten nur selten durchgeführt werden, obwohl die gültigen Regeln diese verlangen. Zusätzlich wurden noch die Kosten für den vorbeugenden Aufwand zur Vermeidung von an den Dichtflächen anhaftenden Werkstoffen und die Demontage mit einbezogen. Die tatsächlichen Kosten für die Beschaffung, Lagerung und Ausgabe dürften die tatsächlichen Kosten noch deutlich erhöhen.
Die folgende Tabelle (Tab. 1) zeigt die Bewertung, die sich aus den Diskussionen ergeben hat.
Tab. 1: Dichtungskosten
Bei der Betrachtung der Gesamtkosten einer Flanschverbindung fällt auf, dass diese durch die Montage und Prüfkosten bestimmt werden. Die anteiligen Kosten der Bauteile liegen bei einer „schwarzen“ Dichtverbindung bei ca. 15 bis 20 %, bei einer „weißen“ Verbindung um ca. 25 bis 30 % (Abb. 5). Der Anteil der Dichtung liegt bei FA-, Grafit-Material oder Wellringdichtungen unter 1 %, bei PTFE-Material, Spiral- oder Kammprofildichtungen zwischen 2 und 4 %.
Abb.5: Kosten einer Dichtverbindung DN50 PN40 aus Stahl oder Edelstahl
Bewertungsergebnisse
Die „billigen“ Flachdichtungen erweisen sich über die Jahre als relativ teuer, während sich die „teuren“ Metall-Weichstoffdichtungen als die günstigere Variante herausstellen. Es fällt auf, dass die Kosten der Dichtungen im Wesentlichen aus dem Nachziehen bei der Montage und vor allem aus der Prüfung/Wartung resultieren. Insgesamt verursachen die Metall-Weichstoffdichtungen deutlich weniger Kosten für flüchtige Emissionen. Gefährliches Nachziehen im Betrieb ist für die Metall-Weichstoffdichtungen nicht erforderlich, kommt aber bei schlechter Montage auch vor.
Ergebnis
Die kaufmännische Betrachtungsweise der Beschaffung der Dichtungen über den Stückpreis ist nicht sinnvoll. Die Qualität der Dichtungen steht im Vordergrund auch mit Blick auf die Kosten. Hochwertige Dichtungen, wie Metall-Weichstoffdichtungen erweisen sich mittel- und langfristig als das richtige Mittel zur Erfüllung der Anforderungen der Richtlinien, Gesetze, Verordnungen und Regeln. Besonders die Anforderungen der HSE (Health-Safety-Environmental) werden von ihnen erfüllt. Das Poster unter www.flangevalid.com, Downloads, Poster, Dichtungen, Dichtungsauswahl gibt weitere Hinweise zur Regelkonformität.
Weitere interessante Informationen zu verschiedenen Themen finden Sie auf der Homepage. Zur technischen Beratung stehe ich gerne zur Verfügung.
Haftungsausschluss:
Die Inhalte der Regeln sind zum Teil zitiert, zum Teil in den Worten der Regeln wiedergegeben, die
Anmerkungen und Auslegungen beruhen auf langjähriger Erfahrung, dienen der Entscheidungshilfe und begründen keinen Anspruch auf Gewährleistung.
Der Autor
Peter Thomsen (Jahrgang 1960) aus Bremen ist Spezialist für Rohrleitungs-, Apparate- und Dichtungstechnik, Inhaber der Peter Thomsen-Industrie-Vertretung und Gesellschafter in mehreren Unternehmen. Er ist zudem Inhaber diverser Patente zu Dichtungen, Flansch- und Schraubenverbindungen und deren Montage. Daneben engagiert sich Peter Thomsen in Organisationen und Verbänden wie EN, DIN, ASME, ISO, VDI, DVGW und AGFW.
