Dichtungsauswahl —
Typen, Werkstoffe und
korrekte Anwendung

Die Dichtungsauswahl ist eine der folgenreichsten Nebenentscheidungen bei der Rohrleitungskonstruktion und eine, die am häufigsten auf Gewohnheit statt auf ingenieurtechnischem Urteil basiert. Die Konsequenz einer falschen Auswahl ist nicht immer unmittelbar — eine Dichtung, die für den Betrieb geringfügig unterqualifiziert ist, kann bei der anfänglichen Wasserdruckprüfung und in den ersten Betriebsmonaten zufriedenstellend abdichten, um erst nach dem ersten Wärmezyklus, nach dem Relaxieren der Sitzkraft oder bei Änderung der Prozessflüssigkeitszusammensetzung zu versagen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Ursache selten offensichtlich, es sei denn, der Auswahlprozess wird zurückverfolgt.

Dieser Artikel behandelt die wichtigsten Dichtungstypen in der Prozessrohrleitungs- und Druckbehälterpraxis, die Parameter, die ihre Eignung bestimmen, und die praktische Entscheidungslogik für die Zuordnung einer Dichtung zu einem Flansch, einer Flüssigkeit und einer Betriebsbedingung. Er ist ein Begleitartikel zum Artikel über die Integrität geschraubter Flanschverbindungen, der die Schraubenkraftberechnung behandelt; dieser Artikel konzentriert sich auf die ihr vorangehende Dichtungswerkstoffauswahl.

Was eine Dichtung leisten muss

Eine Dichtung dichtet ab, indem sie sich den Oberflächenunregelmäßigkeiten auf den beiden Flanschflächen anpasst, zwischen denen sie komprimiert wird, und einen durchgehenden Kontaktweg schafft, den die druckbeaufschlagte Flüssigkeit nicht überqueren kann. Dafür muss sie:

• Sich unter Schraubenkraft ausreichend verformen, um sich der Flanschflächenoberfläche anzupassen und jeden potenziellen Leckpfad zu schließen
• Ausreichende Kontaktspannung aufrechterhalten, wenn Innendruck angewandt wird und die Flansche zu trennen droht
• Kriech- und Relaxationsbeständigkeit unter Dauerlast aufweisen, besonders bei erhöhter Temperatur, damit die anfängliche Sitzkraft nicht progressiv entlastet wird
• Chemisch verträglich mit der Prozessflüssigkeit sein — sie darf nicht von der abzudichtenden Flüssigkeit angegriffen, erweicht oder versprödet werden
• Die Betriebstemperatur ohne Verschlechterung ihrer Abdichtungs- oder mechanischen Eigenschaften überstehen

Kein einzelner Dichtungswerkstoff erfüllt alle diese Anforderungen über den gesamten Bereich der Prozessbedingungen. Die Auswahlentscheidung ist immer ein Kompromiss zwischen Sitzanforderung, chemischer Beständigkeit, thermischer Beständigkeit und Kosten.

Dichtungsparameter — m- und y-Werte

Das ASME-Regelwerk charakterisiert das Sitzverhalten von Dichtungen mit zwei Parametern, die in der Schraubenkraftberechnung (ASME VIII Anhang 2) erscheinen. Eine vollständige Behandlung ist im Artikel über Flanschverbindungsintegrität enthalten; eine kurze Zusammenfassung zum Kontext:

• m (Dichtungsfaktor) — das Verhältnis der verbleibenden Dichtungskontaktspannung zum Innendruck, das erforderlich ist, um die Abdichtung unter Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten. Höheres m zeigt eine schwerer zu haltende Dichtung an, die mehr Schraubenkraft erfordert, um gegen den Druck auf dem Sitz zu bleiben.
• y (minimale Auslegungssitzspannung) — die minimale anfängliche Druckspannung (MPa), die erforderlich ist, um die Dichtung zu setzen, sie in die Flanschfläche zu verformen und die anfängliche Abdichtung herzustellen, bevor Druck angewandt wird.

Weichere Dichtungswerkstoffe haben niedrige y-Werte (leicht zu setzen, geringe Schraubenkraft erforderlich), aber oft hohe m-Werte (schwer unter Druck zu halten). Härtere Metalldichtungen haben hohe y-Werte (schwer zu setzen, hohe Schraubenkraft), aber niedrige m-Werte (einmal gesetzt, Kontaktspannung gut aufrechterhaltend). Das Auswahloptimum ist eine Dichtung, die mit der verfügbaren Schraubenkraft für die Flanschklasse und -größe sitzt und die Abdichtung bei maximalem Betriebsdruck bei Betriebstemperatur aufrechterhält.

Asbestfreie Faserdichtungen (CNAF)

Was es ist

Plattenförmiger Dichtungswerkstoff, bestehend aus Fasern (Glas, Aramid, Kohlenstoff oder Mineralfaser), die in einer Gummi- oder Elastomermatrix gebunden, komprimiert und vulkanisiert werden und in Plattenform geschnitten werden. Der direkte Ersatz für komprimierte Asbestfaserdichtungen (CAF) nach dem Asbestverbot; moderne CNAF-Güten namhafter Hersteller approximieren die Leistung von CAF für die meisten mäßigen Betriebsanwendungen.

Wo es funktioniert

CNAF ist das Allzweck-Arbeitspferd für aufgesetzte und Vollflanschflächen bei niedrigem bis mäßigem Druck. Geeignet für Wasser, Dampf (begrenzt), Öle, Kraftstoffe und eine breite Palette von Prozesschemikalien je nach der spezifischen Matrixgummisorte. Kostengünstig, leicht vor Ort zuzuschneiden und allen Wartungsteams vertraut. Für Class-150- und -300-Flansche bei gutartigen oder mäßigen Betriebsbedingungen ist CNAF typischerweise angemessen und wirtschaftlich.

Einschränkungen

• Temperaturgrenze ist güteabhängig — Standardgüten 250–300°C, spezielle Hochtemperaturgüten bis 400°C. Über 300°C wird Kriechrelaxation signifikant und Nachtorquen nach dem ersten Aufheizen ist meist erforderlich.
• Hochdruckdampf über etwa 40 bar — CNAF wird nicht empfohlen. Spiralgewickelte Dichtungen sind die Standardalternative.
• Die m- und y-Werte für CNAF variieren erheblich zwischen Herstellern und Güten — stets Herstellerprüfdaten statt generischer ASME-Tabellenwerte für konstruierte Verbindungen verwenden.
• Anfällig für Ausblasungen bei starker Überkompression — kein Innenring zur Verhinderung des Heraustreibens.
• Wiederverwendung ist nicht akzeptabel — auch wenn visuell unbeschädigt, hat eine verwendete CNAF-Dichtung sich dauerhaft verformt und bietet bei der Wiedermontage nicht dieselbe Sitzleistung.

Spiralgewickelte Dichtungen (SWG)

Was es ist

Ein V-Profil-Metallstreifen, in abwechselnden Lagen mit einem weichen Füllmaterial gewickelt, ergibt eine halbmetallische Dichtung mit federähnlicher elastischer Rückstellung. Der Metallstreifen (typischerweise 316L Edelstahl oder Inconel für Hochtemperatur- oder Korrosionsbetrieb) bietet strukturelle Stabilität und Rückstellung; der Füller (Grafit oder PTFE) bietet Anpassung und Abdichtung. Standardspiraldichtungen für aufgesetzte Flanschflächen umfassen einen massiven äußeren Zentrierring (der auf der aufgesetzten Fläche aufsitzt und Überkompression der Wicklung verhindert) und für ASME-B16.20-konforme Dichtungen einen massiven Innenring (der Einwärtsknickung der Wicklung unter hoher Schraubenlast und Spaltkorrosion an der inneren Bohrung verhindert).

Wo es funktioniert

Die Standarddichtung für Class 300 und höher in der Prozessrohrleitungs- und Druckbehälterpraktik und weit verbreitet bei Class 150, wo der Betrieb anspruchsvoll ist. CNAF bei Hochdruck-, Hochtemperatur- und Zyklenbetrieb überlegen aufgrund deutlich niedrigerer Kriechrelaxation (besonders mit Grafitfüllung) und besserer Rückstellung nach Temperaturzyklen. Die bevorzugte Aufrüstung von CNAF für Dampfbetrieb über 40 bar, für Wasserstoffbetrieb und für jede Anwendung, bei der Dichtungsintegrität kritisch ist.

Füllerauswahl

• Grafitfüllung — geringere Kriechrelaxation, bessere Leistung bei erhöhter Temperatur und Zyklenbetrieb, feuerbeständig (nicht brennbar). Bevorzugt für Dampf, Kohlenwasserstoffe und allgemeinen Hochtemperatur-Prozessbetrieb. Grafit ist nicht für stark oxidierende Betriebsbedingungen geeignet (rauchende Salpetersäure, konzentrierte Schwefelsäure) — das Grafit wird angegriffen.
• PTFE-Füllung — ausgezeichnete chemische Beständigkeit, geeignet für aggressiven Chemiebetrieb, wo Grafit nicht verträglich ist, und für Anwendungen, bei denen Metallionenkontamination durch Grafit ein Problem darstellt (pharmazeutisch, lebensmittelgerecht). Höhere Kriechrelaxation als Grafit bei erhöhter Temperatur. Temperaturgrenze etwa 260°C für Standard-PTFE-Güten.

Kritische Montageanforderung

Der Zentrierring muss vorhanden sein — er lokalisiert die Dichtung konzentrisch auf der aufgesetzten Fläche und verhindert, dass sich die äußeren Windungen beim Verschrauben abwickeln. Eine spiralgewickelte Dichtung, die ohne Zentrierring auf einem Aufsetztflansch installiert wird, wird sich außermittig verschieben und dichtet möglicherweise nicht ab. Für ASME Class 300 und höher ist auch der Innenring obligatorisch — er verhindert, dass sich die inneren Windungen unter hoher Schraubenlast einwärts beulen und dass die Innenbohrung der Dichtung als Spalt wirkt.

Kammprofildichtungen

Was es ist

Ein massiver Metallkern mit konzentrischen Rillen in beide Flächen, überlagert mit einer dünnen weichen Belaglage (typischerweise Grafit oder PTFE). Die Rillen graben sich unter Schraubenkraft in die Flanschfläche ein und liefern positiven mechanischen Formschluss sowie eine hochzuverlässige Metall-zu-Metall-Abdichtung, die vom weichen Belag unterstützt wird. Im Gegensatz zu spiralgewickelten Dichtungen ist die Kammprofile eine starre metallische Dichtung, die sich nicht wesentlich verformt — die Abdichtungswirkung erfolgt durch das Eingraben der Rillen in den weichen Belag und die Flanschfläche statt durch Massenkompression des Dichtungswerkstoffs.

Wo es funktioniert

Kammprofildichtungen werden dort eingesetzt, wo spiralgewickelte Dichtungen keine ausreichende Abdichtungsleistung bieten können: sehr hohe Druck- und Temperatursombinationen, Wärmetauscher-Rohr-zu-Mantel-Verbindungen und Längsnahtflansche, großkalibrige Verbindungen, wo die Aufrechterhaltung der Schraubenlast über die gesamte Dichtungsfläche anspruchsvoll ist, und Betriebsbedingungen, die die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten erfordern. Sie sind erheblich teurer als spiralgewickelte Dichtungen und erfordern höhere Schraubenlasten zum Setzen, bieten aber niedrigere Kriechrelaxation, bessere Toleranz gegenüber Flanschflächenunregelmäßigkeiten und längere Lebensdauer bei Zyklenbetrieb.

Ringdichtungen (RTJ)

Was es ist

Ein massiver Metallring — mit ovalem oder achteckigem Querschnitt — der in präzisionsbearbeitete Nuten in der Flanschfläche eingesetzt wird. Unter Schraubenkraft wird der Ring in die Nut gedrückt, verformt sich leicht plastisch und erzeugt eine Metall-zu-Metall-Abdichtung auf den Nutanlageflächen. Der ovale Ring macht Kontakt an zwei Linien auf der Nutfläche; der achteckige Ring macht Kontakt über zwei flache Lagerflächen und erreicht höhere Sitzeffizienz bei gleicher Schraubenlast.

Wo es funktioniert

RTJ ist der Standard für Class 600 und höher in der Öl- und Gas-, Petrochemie- und hochintegrierten Druckpraxis. Die Metall-zu-Metall-Abdichtung bietet die höchste Lecktightheit aller Standard-Dichtungstypen und ist die Standardspezifikation für Wasserstoffbetrieb, Hochdruckdampf, Sauergasbetrieb (H₂S-haltig), wo Null-Leckage erforderlich ist, und Bohrloch- und Weihnachtsbaumausrüstung. RTJ-Dichtungen erfordern passende RTJ-Flanschflächen — die Präzisionsnut muss in der Flanschfläche sein, und RTJ-Dichtungen können nicht auf Aufsetztflanschen verwendet werden. Der Ring ist immer weicher als der Flanschewerkstoff — Kohlenstoffstahlringe in legierten Stahlflanschen, Weicheissenringe in Edelstahlflanschen —, damit sich der Ring in die Nut verformt und nicht die Nut unter dem Ring.

Wiederverwendung

RTJ-Ringe sind nicht wiederverwendbar. Sobald der Ring gesetzt und die Verbindung geöffnet wurde, hat sich der Ring an den Kontaktlinien plastisch verformt. Eine Wiederverwendung erzeugt nicht dieselbe Kontaktgeometrie und die Verbindungsintegrität kann nicht gewährleistet werden. RTJ-Ringe sind Verbrauchsmaterial; ein Vorrat an Ersatzringen für jede Größe und Klasse im Betrieb sollte vorgehalten werden.

PTFE- und ePTFE-Dichtungen

Vollflächen-PTFE

PTFE-Blechdichtungen werden hauptsächlich bei Flachflanschen (Graugussarmaturen, Pumpenkörper, emaillierten Behältern) und in Betriebsbedingungen verwendet, wo metallischer oder Grafittkontakt mit der Prozessflüssigkeit nicht akzeptabel ist. PTFE ist chemisch gegen nahezu alles beständig außer Fluorgase, geschmolzene Alkalimetalle und bestimmte hochreaktive fluorierte Verbindungen. Temperaturgrenze etwa 200°C für Standardgüten. Anfällig für Kaltfließen unter Schraubenkraft — PTFE kriecht kontinuierlich unter anhaltender Druckspannung, was zu progressivem Schraubenkraftverlust führt. Nachtorquen ist in der Regel erforderlich.

Expandiertes PTFE (ePTFE) Band und Platte

Expandiertes PTFE in Band- oder Plattenform wird für maßgefertigte Dichtungen, zum Einwickeln in Dichtnuten und für sehr niederdrukanwendungen verwendet, wo die weiche Anpassungsfähigkeit von ePTFE die Abdichtung auf unregelmäßigen oder beschädigten Flächen ermöglicht. Chemische Beständigkeit entspricht Standard-PTFE. Geringere Druckfestigkeit als gefüllte PTFE-Platte — nicht geeignet für Anwendungen, die hohe Schraubenkraft erfordern. Weit verbreitet in pharmazeutischen, Halbleiter-, Lebensmittelverarbeitungs- und Laborrohrleitungen, wo chemische Reinheit von größter Bedeutung ist.

Metalliche Flachdichtungen

Massive metallische Flachdichtungen — Weicheisen, Kupfer, Aluminium, Edelstahl — werden in spezialisierten Anwendungen eingesetzt, wo andere Dichtungstypen die Betriebsanforderungen nicht erfüllen können. Häufige Anwendungen: Zylinderkopfdichtungen in Kolbenverdichtern, Wärmetauscher-Schwimmkopfdeckel und Hochdruckgasverbindungen, wo sehr hohe Schraubenlasten verfügbar und Flanschflächen auf die engen Toleranzen bearbeitet werden können, die für eine zuverlässige Metalldichtung erforderlich sind.

Auswahlentscheidungsmatrix

Flanschflächenoberfläche und Dichtungskompatibilität

Die Flanschflächenoberfläche ist genauso wichtig wie die Dichtungsauswahl. Eine Dichtung, die für den Betrieb korrekt spezifiziert ist, wird dennoch undicht sein, wenn die Flanschfläche zu glatt (die Dichtung kann nicht greifen) oder zu rau ist (eine weiche Dichtung wird in die Oberflächenunregelmäßigkeiten statt darüber abdichtend hineintreiben).

• Spiralgewickelte Dichtungen — erfordern eine gerillte konzentrische (phonografische) Oberfläche, typischerweise Ra 3,2–6,3 μm. Glatte Oberflächen unter Ra 1,6 μm bieten nicht genug Textur für die Wicklung zum Greifen.
• CNAF und weiche Blechdichtungen — geeignet für eine Reihe von Oberflächen von Lagerhaltungsqualität bis Ra 6,3 μm. Radiale Kratzer sind schädlicher als konzentrische Markierungen — sie erzeugen einen potenziellen Leckpfad unter der Dichtung, der durch Kompression nicht abgedichtet werden kann.
• RTJ-Ringdichtungen — erfordern präzisionsbearbeitete RTJ-Nuten nach ASME-B16.20-Maßtoleranzen. Oberflächengüte in der Nut ist kritisch — typischerweise Ra 0,8 μm oder besser. Beschädigte oder korrodierte Nuten müssen nachbearbeitet oder der Flansch ersetzt werden.
• Kammprofildichtungen — toleranter gegenüber dem Flächenzustand als spiralgewickelte oder RTJ-Dichtungen. Die Rillen können geringfügige Lochfraßkorrosion oder Unregelmäßigkeiten überbrücken. Lagerqualität oder glatt bearbeitete Oberfläche ist akzeptabel.

Chemische Verträglichkeit — Eine Checkliste

Neben Temperatur und Druck muss der Dichtungswerkstoff chemisch mit der Prozessflüssigkeit verträglich sein. Eine Auswahl, die diese Prüfung nicht besteht, wird im Betrieb degradieren, unabhängig davon, wie gut sie mechanisch spezifiziert wurde. Wichtige Unverträglichkeiten vor Abschluss der Auswahl prüfen:

• Grafit — unverträglich mit stark oxidierenden Mitteln (rauchende Salpetersäure, konzentrierte Schwefelsäure, Chlor über ~100°C, flüssiger Sauerstoff). Verträglich mit nahezu allen anderen Prozessflüssigkeiten einschließlich Kohlenwasserstoffe, Dampf, alkalische Lösungen und verdünnte Säuren.
• PTFE — unverträglich mit Fluorgasen, geschmolzenen Alkalimetallen (Natrium, Kalium), bestimmten fluorierten Lösungsmitteln bei erhöhter Temperatur. Verträglich mit praktisch allen anderen Chemikalien einschließlich starker Säuren, Laugen und Lösungsmittel.
• NBR-Gummimatrix (in CNAF) — unverträglich mit Ketonen (Aceton, MEK), Estern, bestimmten chlorierten Lösungsmitteln und einigen oxygenierten Kohlenwasserstoffen. Verträglich mit Mineralölen, Wasser, Kraftstoffen.
• EPDM-Gummimatrix (in CNAF) — unverträglich mit Mineralölen, Kohlenwasserstoffen und Erdölprodukten. Verträglich mit Wasser, Dampf (bis Grenze), Ozon, Ketonen. Die korrekte Matrix für Heißwasser- und Dampf-CNAF-Anwendungen.
• Weicheisen-RTJ-Ring — bei chloridhaltigen wässrigen Betriebsbedingungen meiden (Korrosion des Rings in der Nut). 316-Edelstahl- oder Legierung-625-Ringe für Chloridbetrieb.

Zusammenfassung

Die Dichtungsauswahl ist ein Dreifach-Filterungsprozess: erstens, kann die Dichtung mit der verfügbaren Schraubenkraft für die Flanschklasse und -größe gesetzt werden? Zweitens, wird sie die Abdichtung bei Betriebsdruck und -temperatur über die Betriebslebensdauer einschließlich Temperaturzyklen aufrechterhalten? Drittens, ist sie chemisch mit der Prozessflüssigkeit bei Betriebstemperatur verträglich? Eine Dichtung, die alle drei Filter für ihre spezifische Anwendung passiert, ist die korrekte Auswahl. Eine aus Gewohnheit oder Präzedenz ohne Prüfung aller drei Filter spezifizierte Dichtung ist der Grund, warum Verbindungen undicht werden.

Die häufigste einzelne Verbesserung der Dichtungsauswahlpraxis: Wechsel von CNAF auf spiralgewickelte Grafitfüllung für jeden Dampfbetrieb über 40 bar, für Wasserstoffbetrieb und für jede Anwendung, bei der Verbindungsintegrität kritisch und Nachtorquen zwischen Abschaltungen betrieblich nicht akzeptabel ist. Der Kostenunterschied ist bescheiden; die Zuverlässigkeitsverbesserung ist erheblich.