Herausforderungen bei der Abdichtung meistern

Als Leseliste speichern Hydrocarbon Engineering, Donnerstag, 28. April 2016, 11:30 Uhr

Das Abdichten bei hohen Temperaturen (typischerweise 400 °C und mehr) ist eine Herausforderung, da Standardmaterialien wie expandierter Graphit unter solchen Bedingungen nicht über längere Zeiträume zuverlässig funktionieren können. Dies führt zum Versagen der Schraubverbindung und zu einer Undichtigkeit. Bisher mussten bei der Materialauswahl Kompromisse eingegangen werden, was sich nachteilig auf die Dichtheit einer Schraubverbindung im Laufe der Zeit bei erhöhten Temperaturen auswirkt.

Diagramm, das den Vergleich zwischen Thermiculite und sowohl inhibiertem als auch Standardgraphit zeigt. Beachten Sie, dass sich die Oxidation beim inhibierten Graphit zwar geringfügig verzögert, dieser aber dennoch abgebaut wird, während der Thermiculit im Laufe der Zeit davon unberührt bleibt.

Hochtemperaturprozesse kommen in vielen Branchen vor, darunter in der Öl- und Gasindustrie, in der chemischen Verarbeitung und in der Energieerzeugung. Zu den spezifischen Anwendungen gehören das katalytische Wirbelschichtcracken, die Herstellung von Ammoniumnitratdünger, die Ethylenproduktion, Fackelsysteme, Dampf- und Gasturbinen, Abgassysteme und in jüngerer Zeit auch Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) und konzentrierte solarthermische Energiesysteme, die Wärmeübertragungsflüssigkeiten aus geschmolzenem Salz verwenden. Geschmolzene Salze arbeiten bei hohen Temperaturen und sind chemisch aggressiv, was eine weitere Herausforderung für die Abdichtung darstellt.

Eine Spiraldichtung im HOT-Stil mit Glimmer am Außen- und Innendurchmesser. Beachten Sie den Graphitverlust aus der Spirale aufgrund von Oxidation, selbst mit der Glimmer-„Barriere“. Ein Leck der Dichtung führte zur Schließung einer Titandioxidanlage.

Traditionell bestand die Option für Dichtungsbenutzer darin, Graphit oder Glimmer oder eine Kombination der beiden Materialien zu verwenden, um ihre inhärenten Schwächen auszugleichen. Während Graphit bei Umgebungstemperaturen gut abdichtet, da es sich um ein organisches Material handelt, oxidiert der Kohlenstoff bei mittleren bis hohen Temperaturen und mit der Zeit verliert die Dichtung ihre Integrität und die Leistung lässt nach. Dies kann bereits bei gemäßigten Temperaturen überraschend schnell geschehen und beschleunigt sich mit steigenden Temperaturen. Selbst wenn Graphit mit sauerstoffhemmenden Chemikalien behandelt wird, ist deren Wirkung nur vorübergehend.

Graphit ist Kohlenstoff, und Kohlenstoff oxidiert und führt zu einer Verschlechterung der Dichtung. In den extremsten Fällen ist der Graphit vollständig oxidiert, was zu einem vollständigen Verlust der Eindämmung führt – was katastrophale Folgen haben kann.

Vergleich der Leckraten zwischen Glimmer-Spiraldichtung (blau) und Thermiculite 835-Spiraldichtung (orange). Selbst bei sehr hohen Oberflächenspannungen weist die Glimmerdichtung erhebliche Undichtigkeiten auf.

Eine alternative Möglichkeit, den Beginn der Graphitoxidation zu verzögern, besteht darin, die Dichtung durch eine Barriere zu schützen. Glimmer weist eine hervorragende Wärmebeständigkeit auf, da er jedoch porös ist, eignet er sich nicht gut als Dichtung.

Dies bedeutet, dass der Glimmer zwar theoretisch für Wärmebeständigkeit sorgt und das Graphitdichtelement schützt, in Wirklichkeit jedoch keine wirksame gasdichte Abdichtung bietet, sodass der Graphit immer noch angegriffen wird und diese Dichtungen für hohe Betriebstemperaturen (HOT) letztendlich versagen .

Bei einigen Anwendungen mit sehr hohen Temperaturen oder bei denen Graphit chemisch inkompatibel ist oder Korrosion fördert, haben Unternehmen versucht, ausschließlich Glimmer zu verwenden, aber diese Dichtungen bieten keine ausreichende Abdichtung und können daher nicht als praktikable Option angesehen werden. Es wurden auch andere Technologien ausprobiert, beispielsweise hydrophobe Materialien auf Talkbasis. Obwohl diese angeblich eine gute Leistung bieten, wurden schwerwiegende Ausfälle im Betrieb verzeichnet, da das Material keine zuverlässige Langzeitintegrität bietet.

Die Prozesstemperaturen steigen zunehmend und Betreiber streben nach einer Verlängerung der Wartungsintervalle. Dafür sind Dichtungsmaterialien erforderlich, die diesen hohen Temperaturen standhalten und gleichzeitig eine langfristige Zuverlässigkeit bieten. Sicherheit ist von entscheidender Bedeutung und daher ist die Wahl einer bewährten, zuverlässigen Lösung von größter Bedeutung.

Um diese Probleme anzugehen, hat Flexitallic ein neues Material entwickelt, das die gleichen Dichtungseigenschaften wie Graphit, aber die thermische Beständigkeit von Glimmer aufweist. Das Material heißt Thermiculite® und entstand aus der Nachfrage der Industrie nach einem Dichtungsmaterial, das über längere Zeiträume bei höheren Temperaturen eingesetzt werden kann und gleichzeitig die Dichtungsintegrität beibehält.

Thermiculite erreicht diese Leistung durch die innovative Verwendung und Herstellung von einzigartig verarbeitetem Vermiculit. Durch die Kombination von speziell vorbereitetem thermisch exfoliertem und chemisch exfoliertem Vermiculit sorgt die Struktur der Kristallplatten aus Thermiculite für eine gasdichte Abdichtung selbst unter extremsten Prozessbedingungen.

Dank der entwickelten innovativen Herstellungstechniken können Thermiculite-Dichtungen in vielen verschiedenen Formen angeboten werden – als Blatt-, Spiral- und Kammprofildichtung sowie als neue Change™-Dichtung. Dies bedeutet, dass die Auswahl einer Materialtechnologie an einem Standort problemlos möglich ist.

Change ist eine hochbelastbare metallgewickelte Wärmetauscherdichtung, die die dynamischste Abdichtung bietet. Am wichtigsten ist, dass Change mit Sicherheit 60 % länger hält als andere Wärmetauscher, spiralförmig gewickelte CGI-Dichtungen, Doppelmanteldichtungen, Wellblech- oder Kammprofildichtungen.

Als eine der bedeutendsten Innovationen in der Dichtungsindustrie seit der Entwicklung der Spiraldichtung durch Flexitallic vor mehr als 100 Jahren wurde Change als direkte Reaktion auf die langfristigen Wärmetauscherprobleme der Kunden eingeführt. Wärmetauscher, die mehreren Zyklen mit extremen Temperatur- und Druckschwankungen unterzogen wurden, waren anfällig für regelmäßige Wartung und Ausfallzeiten aufgrund des Austauschs von Dichtungen, die unter diesen schwierigen Bedingungen nicht funktionieren konnten.

Die patentierte Change-Dichtung wird mit proprietärer Ausrüstung hergestellt und verfügt über ein Metallspiralprofil, das fünfmal dicker ist als Standarddichtungen. Durch den Einsatz eines einzigartigen Laserschweißverfahrens, das die Wicklung vollständig durchdringt, sind keine Innen- oder Außenringe erforderlich. Die Leistungsfähigkeit der Dichtung wurde durch eine Reihe von Studien nachgewiesen, darunter Radialschertests (RAST), Shell-Extended-Wärmewechseltests sowie Leckage- und Kompressionstests, die alle äußerst positive Ergebnisse lieferten.

Beispielsweise verlor Change in einem 24-tägigen Druck-Wärme-Zyklus-Test mit 24 Zyklen bei 302 °C unter Nachbildung von Industriebedingungen nur 1,5 PSI und übertraf damit jede andere getestete Dichtung um mindestens neun Tage. Kompressionstests ergaben, dass sich Change aufgrund seiner hohen gespeicherten Energie fast fünfmal besser regeneriert als Kammprofil- und Doppelmanteldichtungen.

Rasterelektronenmikroskopaufnahme der sehr dünnen, flexiblen Plattenstruktur aus Thermiculite, die über einen weiten Temperaturbereich eine elastische, gasdichte Abdichtung bietet.

Ein ursprünglich von PVRC/ASME zusammen mit der Ecole Polytechnique an der Universität Montreal entwickelter radialer Schertest wurde durchgeführt, um die unterschiedliche Ausdehnung und Kontraktion von Wärmetauscherflanschen zu simulieren. Der Test wird über 100 thermische Zyklen mit einem Stickstoffdruck von 40 bar und einem Dichtheitstest alle 20 Zyklen durchgeführt.

Der Flansch ist ein Nut-Feder-Flansch, typisch für einen Wärmetauscher. Die Dichtungsgröße beträgt 453 x 427 mm (nominal 3,2 mm dick). Der untere Flansch wird auf 300 °C erhitzt und der obere Flansch wird wassergekühlt, wodurch das unterschiedliche Wachstum im System maximiert und eine radiale Scherung von etwa 0,8 mm an der Dichtung erzeugt wird. Das entscheidende Maß ist jedoch die Schraubenentspannung, da diese als Maß für den Widerstand der Dichtung gegenüber radialer Scherung gilt.

Die Dichtung überstand den Test mit vernachlässigbaren sichtbaren Schäden und zeigte nach 100 Zyklen nur eine Entspannung der Schraubenspannung um 15 %. Im Vergleich dazu ist die Spiraldichtung mit einer Bolzenrelaxation von etwa 25 % die zweitbeste Lösung. Die Change-Dichtung zeigte im Test keine größere Leckage, was im krassen Gegensatz zur ummantelten Dichtung steht.

Der beste Beweis kommt jedoch von erfolgreichen Anwendungen, bei denen Change auch in schwierigen Umgebungen eine konstante Leistung erbringt. Bei einer Raffinerieanwendung konnte Change beispielsweise in Zyklen von Umgebungstemperatur bis 379 °C effektiv arbeiten, bisher keine Probleme feststellen und alle zuvor verwendeten Dichtungen übertreffen. Vor dem Einbau der Dichtung mit 63 Zoll Durchmesser und 510 PSI musste die Raffinerie zwischen größeren Ausfällen nach 28 thermischen Zyklen mehrere Dichtungen austauschen.

Change kann mit PTFE, Graphitfüllstoff und verschiedenen Metallen geliefert werden, eignet sich jedoch hervorragend für Hochtemperaturanwendungen in Verbindung mit Thermiculite.

Da es sich bei Vermiculit um ein anorganisches Silikat handelt, weist das Thermiculite-Material eine hervorragende Beständigkeit gegenüber sehr hohen Temperaturen und aggressiven Chemikalien auf. Es hat außerdem den strengen API 6FB-Brandtest bestanden und ist daher ideal für Kohlenwasserstoffanwendungen. Aufgrund der elektrisch isolierenden Eigenschaften des Materials wird es heute in Anwendungen eingesetzt, bei denen Spaltkorrosion ein Problem darstellt, wie z. B. Offshore-Öl- und Gas- sowie Meerwasseranwendungen.

Thermiculite bietet eine einzige Lösung und ersetzt die Notwendigkeit einer Reihe von Materialien, von denen keines eine dauerhafte Lösung bei hohen Temperaturen bietet. Durch geringere Wartungskosten, geringere Ausfallzeiten, Rationalisierung des Lagerbestands, Einhaltung von Emissionsvorschriften und natürlich verbesserte Sicherheit durch bessere Verbindungsintegrität können echte Einsparungen erzielt werden.

Thermiculite wird seit 1997 branchenweit in Tausenden von Anwendungen erfolgreich eingesetzt.

Ein staatliches Ölunternehmen führte Produktinnovationen von Flexitallic ein, nachdem in seinen Raffinerien in einer Hochtemperatur- und korrosiven Umgebung Leckprobleme aufgetreten waren, die sich auf Produktivität und Effizienz auswirken können.

Die Kopfflansche in den Heizsystemen der Raffinerien haben einen Druck von 7 bar und arbeiten bei Temperaturen zwischen 520 und 540 °C. Zuvor hatte das Unternehmen die vom Gerätehersteller empfohlene Spiralwickeldichtung CG 304 mit einem Graphitfüllstoff verwendet.

Diese Dichtungsmaterialkombination führte jedoch unter den Betriebsbedingungen zu Undichtigkeiten, was die Korrosion im Heizsystem verstärkte. Um dieses Problem zu lösen, empfahl Flexitallic den Ring und die Wicklung von Spiral Wound Gaskets CGI 316 mit dem Füllstoff Thermiculite 835.

Das Thermiculite-Dichtungsmaterial von Flexitallic wurde für den Einsatz in kritischen Serviceanwendungen entwickelt, von der Kryotechnik bis zu Temperaturen über 1000 °C. Infolgedessen wurden durch die Verwendung der Spiralwickeldichtung in Kombination mit Thermiculite Undichtigkeiten im System beseitigt und so zukünftige Korrosionsprobleme verhindert.

Geschrieben von Alex Lattimer, Product Line Director, Flexitallic Ltd.

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Die Erhöhung der LNG-Exportkapazität und der Erdgasproduktion durch eine große Erweiterung im North Field, Katar, wird voraussichtlich bis 2028 abgeschlossen sein. Die erweiterte Erdgasproduktion im North Field wird voraussichtlich Rückgänge in ausgereiften Feldern ausgleichen und die gesamte Erdgasproduktion in Katar steigern .

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