Vermeiden von Leckagen spart Energie

Durch Fluidleckagen entstehen der Industrie jährlich Schäden in Millionenhöhe. So können einige kleine Leckagen in einer Anlage, in der Druckluft mit 7 bar verwendet wird, bei einem Strompreis von 6 Cent pro Kilowattstunde für einen Verlust von 22000 Euro im Jahr verantwortlich sein.

Das heißt zum Beispiel: Wird der Austausch einer undichten, 100 Euro teueren Kondensatfalle immer wieder hinausgeschoben, können leicht unnötige Kosten von 50 Euro pro Woche entstehen. Weil üblicherweise in einer Anlage Hunderte von Kondensatfallen vorhanden sind, gehen Hunderttausende Euro im Jahr „verloren“.

Zusätzlich zum finanziellen Verlust schlagen bei unbeachteten Leckagen zunehmend auch Ausfallzeiten zu Buche. Außerdem besteht die Gefahr, der Umweltverschmutzung. Darüber hinaus kann sich aufgrund von Leckagen die Fertigungsqualität der Anlage verschlechtern.

Grundsätzlich sind bei jeder Art der Rohrverschraubung Leckagen möglich – unabhängig davon, ob ISO- oder Präzisionsrohre verwendet werden. Die Leckagegefahr steigt beim Auftreten mechanischer Vibrationen. So handelt es sich bei einer so genannten Vibrationsermüdungserscheinung um einen unvermeidlichen Störfaktor, der durch schlechte metallurgische Konsistenz der Verschraubung, durch übermäßige seitliche Beanspruchung der Verbindung oder durch inkorrekte Montage noch verstärkt werden kann.

Steigende Leckagegefahr bei zunehmenden Vibrationen

Hinsichtlich der verstärkten Ermüdungserscheinungen gibt es umfangreiche Untersuchungen. So wurde im Rahmen einer Studie die so genannte Markl-Ermüdungsbeziehung entwickelt. Dabei handelt es sich um eine Beanspruchungskurve zur Veranschaulichung der Anzahl der erzeugten Zyklen sowie des Zeitraums, in dem die Testprobe nach wiederholter Beanspruchung unbrauchbar wird.

Aufgrund der Ergebnisse kann man davon ausgehen, dass eine Verschraubung umso eher ausfällt, je höher die Amplitude der Wechselbeanspruchung ist. Ein bei Fittings oft anzutreffender Beanspruchungs-Verstärkungsfaktor zeigt eine beträchtliche Zunahme von Ausfällen, die sich auf die Tiefe der Nut oder auf eine Kerbe in den Rohrleitungen zurückführen lassen. Solche Kerben können beim Zusammenfügen entstehen.

Schlechte Auslegung der Rohrverbindung fördert Leckagen

Dennoch wird der Auslegung einer Rohrverbindung oftmals nicht die notwendige Bedeutung beigemessen. Zwei der kritischsten Bereiche, die zu Leckagen führen, sind:

-die Art der Bauteile, die zur Verbindung von Rohren im gesamten System Anwendung findet, und

-die Kenntnisse und praktische Erfahrung derjenigen, die die Anwendung installieren und warten.

Realistisch gesehen, gibt es die ideale Verbindung nicht – also eine Verbindung, die in jedem System und bei allen möglichen Parameteranforderungen absolute Leckfreiheit bietet. Es lohnt sich jedoch, die verschiedenen derzeit erhältlichen Arten von Verschraubungen einer näheren Betrachtung zu unterziehen.

Energie-Management für effizientes Betreiben von Fluidsystemen notwendig

Unabhängig vom gewählten Verbindungstyp muss ferner dem richtigen und effizienten System-Management eine hohe Priorität eingeräumt werden. Beim Betreiben eines leistungsfähigen Fluidsystems ist die Einführung eines Energie-Management-Programms ein wichtiger Faktor.

Die gegen Vibration und Ermüdungserscheinung widerstandsfähigste Fitting-Verbindung sind Rohrstumpf-Schweißfittings. Deren Vibrations- und Ermüdungsfestigkeit bestimmt sich aus der Höhe der Beanspruchung und der Qualität der hergestellten Verbindung.

Jedoch haben Rohrstumpf-Schweißverbindungen einige Nachteile: Wegen der erforderlichen Schweißausrüstung und der speziellen Personalschulung ist diese Verbindungsart kostspielig. Darüber hinaus ist der Zeitaufwand für das Installieren stumpfgeschweißter Rohrverbindungen im System höher als bei anderen Installationsarten.

Letztendlich ist die Zugänglichkeit zu Fluidrohrsystemen bei Wartungsarbeiten minimal, sofern das Wartungspersonal nicht darauf eingerichtet ist, sich mit Taschenlampe und Eisensäge einen Weg durch das System zu bahnen.

Gewindefittings bei Rohrverbindungen am gebräuchlichsten

Die gebräuchlichste Art der Rohrverbindung bei Fluidsystemen sind Gewindefittings, besonders NPT-Fittings. Seit man sich mit Rohrverbindungen beschäftigt, sind sie in der Industrie das „Arbeitspferd“: NPT-Fittings (National Thread Pipe) haben sowohl kegelige Innen- als auch Außengewinde.

Das eigentliche Dichtung ist eine Crush Seal – Quetschdichtung – zwischen den zu verbindenden Metallflächen. Das heißt: Die Abdichtung findet auf den Gewindeflanken, den Gewindespitzen und dem Gewindegrund statt.

Aufgrund der Affinität eines Metalls zu sich selbst frisst sich das Material bei der Montage fest und zerreißt, insbesondere wenn Kohlenstoffstähle oder Edelstähle gepaart werden. Vor dem Einschrauben von NPT-Gewindeverbindungen ist ein Schmiermittel oder ein Dichtmittel mit schmierender Wirkung auf das Außengewinde aufzubringen, damit es nicht beschädigt wird.

Ein etabliertes Gewindedichtmittel sind PTFE-Bänder. Wird Schmiermittel oder PTFE-Dichtband an den Gewindespitzen, den Gewindeflanken oder dem Gewindegrund verwendet, ist auf Folgendes zu achten:

-Die Anwendung von Bandmaterial sollte auf zwei oder drei Windungen um das Außengewinde begrenzt bleiben; dies ist bei den meisten Bändern völlig ausreichend.

-Das Band darf niemals über das Ende des ersten Gewindeganges geschlungen werden, weil es dann zerfasern, in das Fluidsystem eindringen und das Innere von Systemkomponenten beschädigen kann.

-Vom Ende des Fittings auf das Gewinde gesehen, sollte das Umwickeln im Uhrzeigersinn erfolgen. Wenn die falsche Richtung gewählt wird, kann das Band keine Schmierwirkung entfalten, es besteht Leckagengefahr.

-Das überschüssige Band wird abgetrennt und das freie Ende straff um die Gewindegänge gezogen. Mit Daumen und Zeigefinger wird das Band dann am Überlappungspunkt festgedrückt. Drücken sich die Gewindespitzen durch das Band, besteht die Gefahr des Festfressens. In diesem Fall ist also zusätzliches Band nötig.

-Wird die Verbindung später auseinandergeschraubt, muss man das alte Band entfernen, bevor das neue aufgebracht wird. Bei einer Wiedermontage könnte ein altes, nicht entferntes Band zur Leckage führen.

Elastomer mit Dichtfunktion bei SAE-Fittinggewinden

Ein weiteres etabliertes Fittinggewinde ist das zylindrische SAE-Gewinde (Society of Automotive Engineers). Dieser Gewindetyp hat in der Regel die Aufgabe, das Fitting am Platz zu halten; demgemäß haben SAE-Gewinde keine Dichtwirkung. Die Dichtfunktion erfüllt ein Elastomer, das üblicherweise am Ansatz des Außengewindes aufgebracht wird.

Das Elastomer wird gegen einen Ansatz oder eine flache Oberfläche nahe des Innengewindes gepresst. Diese Art der Gewindedichtung hat die Vorteile einer NPT-Verbindung bezüglich Wartung, Zugänglichkeit und Nachbearbeitung.

Weitere in Fluidsystemen vorkommende Gewinde sind zylindrische und konische ISO-Gewinde (International Standards Organisation), trockendichtende NPTF-Gewinde (National Pipe Thread Fine) sowie 37°-AN-Gewinde (Army-Navy).

Dichtiwirkung durch das Gewinde bei ISO- und konischen NPT-Gewindefittings

In ihrer Wirkungsweise sind sich ISO- und konische NPT-Gewindefittings ähnlich: Bei beiden erfolgt die Dichtwirkung durch das Gewinde. Auch zu geraden SAE-Gewindefittings, bei denen der Dichtvorgang entweder auf einem Elastomer, einer gebonderten Metall- oder Dichtscheibe basiert, gibt es kaum Unterschiede bezüglich der Dichtwirkung und somit der Funktionalität.

Konische NPTF-Fittings (Dryseal) haben ein Trockendichtungsgewinde, bei dem der Gewindegrund weniger ausgeformt ist als die Gewindespitzen. Ein Zusammenfügen unter Krafteinwirkung hat also zur Folge, dass bei den Gewindegängen die Gewindespitzen vom Gewindegrund zusammengestaucht werden.

Dahinter steckt die Überlegung, dass ein gepaarter Kontakt immer zustande kommt, wenn Gewindespitzen, Gewindegrund und Gewindeflanken im Eingriff sind; auf diese Weise entsteht ohne Schmierung eine Dichtwirkung. Allerdings haben einige Metalle wie Kohlenstoffstahl und Edelstahl die Eigenart, dass sie bei dieser Dichtungsart ohne Schmierung festfressen, was zur Folge hat, dass die Erstinstallation mühsam und eine Nachbesserung unmöglich ist.

Innere Reibung ist nachteilig bei Schraubverbindungen

37°-AN-Konusfittings haben ein mechanisches Gewinde, ähnlich den zylindrischen Ausführungen der SAE- oder ISO-Gewinde. Dieses zylindrische Gewinde wird lediglich zum Fixieren verwendet.

Dagegen passt ein 37°-Außengewinde-Fitting mit konusförmigem Ende zur Oberfläche eines trichterförmigen Innengewindes an der Basis der Innengewindeöffnung. Diese Verbindungsart wird in erster Linie bei Hydraulikanwendungen eingesetzt.

Zwar sind Schraubverbindungen aller Art bei Fluidsystemen für Fittings durchaus üblich, doch haben sie einen physikalischen Nachteil: Aufgrund von Druckabfällen infolge Reibung an den inneren Oberflächen des Rohrsystems besteht die Gefahr, dass die für die Anwendung erforderlichen Strömungseigenschaften nicht erzielt werden.

Dieser Effekt des Druckabfalls kann in Verbindung mit der Rohrinnengeometrie durch Anwendung der Reynoldszahl veranschaulicht werden: Re = DVp/µ. Wie nachfolgend gezeigt, ist die Reynoldszahl (Re) gleich dem Innendurchmesser des Rohres (D) mal der mittleren Strömungsgeschwindigkeit (V) mal Fluiddichte (p) geteilt durch die kinetische Viskosität (µ).

Zunächst wird die Reynoldszahl für die Strömung im betreffenden Rohr ermittelt und damit ein innerer Reibungsfaktor berechnet. Dieser wird durch Verknüpfen der relativen Rauheit der Rohroberfläche mit der Reynoldszahl bestimmt. Anhand dieser Formel ausgeführte Tests zeigen, dass die Rauheit der inneren Oberfläche bei unterschiedlichen Durchmessern verschieden große Einflüsse hat: Bei größeren Durchmessern ist die Strömung üblicherweise turbulenter und erfordert einen höheren Druckabfall.

Darüber hinaus müssen für größere Durchmesser bei einer Richtungsänderung 45°- oder 90°-Bogenstücke verwendet werden. Aufgrund der Bogenstücke entstehen abrupte Änderungen des Innendurchmessers und raue Kanten, dadurch wird die Neigung zu Turbulenzen und Druckabfällen weiter verstärkt.

Klemmverschraubungen gehören zu den ersten schraubbaren Rohrverbindungen am Markt. Sie bestehen aus drei Komponenten: der Überwurfmutter, dem Körper mit Dichtring sowie dem Klemmring. Bei dieser Verbindung ist am Rohr ein Reibschluss wirksam.

So liegt ein Vorteil darin, dass für das Zusammensetzen im Gegensatz zu Rohrverbindungen, bei denen Gewindestrehler und Schneideisen erforderlich sind, keinerlei Spezialwerkzeuge benötigt werden. Des Weiteren können die Dichtungen linienförmig sein und in einem kleinen Bereich eine überaus hohe Kraft erzeugen, wodurch eine der effektivsten Metall-Metall-Dichtungen entsteht.

Klemmschraubungen als Rohrverbindung nur für niedrigen Druck

Dieser Verbindungstyp ist jedoch infolge des Reibschlusses nur für geringe Drücke geeignet. Er kann nur aus wenigen Werkstoffen hergestellt werden – in den meisten Fällen ist es Messing – und funktioniert in Systemen mit Vibrationen, thermischen Zyklen und anderen dynamischen Kräften nur unbefriedigend.

Bördelverschraubungen bestehen aus drei Komponenten: der Überwurfmutter, der Hülse sowie dem Körper mit Bördel oder kegeligem Ende. Die Hülse wird in manchen Fällen als selbstbördelnd ausgeführt, gewöhnlich bei geringen Wanddicken oder weicheren Rohrwerkstoffen.

Im Vergleich zu den ursprünglichen Klemmverschraubungen ermöglichen Bördelverschraubungen höhere Drücke und weiter gefasste Systemparameter. Sie werden in einer größeren Werkstoffvielfalt hergestellt und decken einen größeren Dichtbereich ab, was eine Nachbearbeitung bei der Wartung möglich macht.

Allerdings sind spezielle Bördelwerkzeuge erforderlich, um die Rohre für die Installation vorzubereiten. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass durch das Bördeln erhöhte Spannungen an der Basis der Bördelung oder bei dünnen oder spröden Rohren axiale Risse entstehen. Bei mit mangelhaften Rohrschneidern oder schlechten Eisensägen ungleichmäßig abgeschnittenen Rohren ergibt sich eine ungleichmäßige Dichtfläche.

Bei Schneidringverschraubungen wird für das Zusammensetzen kein Spezialwerkzeug benötigt. Sie halten höheren Drücken stand als die ursprünglichen Klemmverschraubungen. Diese Konstruktion besteht aus einer Überwurfmutter, einem Körper und einem oder mehreren Schneidringen mit einer scharfen Vorderkante, die sich für die Haltefunktion in die Oberfläche des Rohres einschneidet. Eine zweite Dichtung wirkt auf dem langen, vertieften Oberflächenteil zwischen dem Schneidring und dem Innenkegel des Körpers.

Funktionsaufteilung auf zwei Klemmringe

Üblicherweise sind Schneidringverschraubungen für einen einzigen Schneidring vorgesehen. Aus diesem Grund muss die Nase des Schneidrings zwei Funktionen erfüllen: Sie muss sich in das Rohr einschneiden, um es festzuhalten. Zugleich dient die Nase als Dichtelement für das Anschlussstück. Dabei geht sehr leicht eine Funktion zu Lasten der anderen.

Eine Funktionsaufteilung auf zwei Klemmringe (einen zum Abdichten, den zweiten zum Halten des Rohrs) würde dieses Problem lösen, weil bei einer Aufteilung jedes der Elemente so ausgestaltet werden könnte, dass es die ihm zugedachte Funktion ausführt.

Mechanische Klemmringverschraubungen beständiger gegen Vibrationen

Mechanische Klemmringverschraubungen sind üblicherweise mit zwei Klemmringen ausgestattet. Diese Verschraubungen können wie eine federbelastete Dichtung wirken, die 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 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, wodurch 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 ausreichende Anziehen der Verschraubung bei der Erstmontage sicherstellen lässt. Ein nicht ausreichendes Anziehen von Rohrverschraubungen ist speziell bei härteren Werkstoffen wie Edelstahl eine Hauptursache für Leckagen.

Außer der Auswahl der richtigen Fittings für ein Fluidsystem kann das Energiemanagement ein wichtiger Faktor für die Prozessoptimierung sein. Zwar gibt es viele Energiemanagement-Programme am Markt, jedoch sollte bei einer Systemerörterung der Blick auf Folgendes gerichtet werden: auf Prozess- und Instrumentationslinien, auf Werkzeugeinrichtungen zum Beispiel für die Druckluft, Dampf-, Heißwasser- und Kühlwasserversorgung sowie auf Hydrauliksysteme.

John Cox ist Business Development Manager bei der US-amerikanischen Swagelok Company in Solon/Ohio.