Was­ser­stoff­dicht­heit für Flansch­ver­bin­dun­gen bestimmen

Aus nach­hal­ti­ger Ener­gie gewon­ne­ne Was­ser­stoff wird als Grund­la­ge gese­hen, um zum einen Schwan­kun­gen in der Ener­gie­er­zeu­gung aus­zu­glei­chen oder zum ande­ren als Aus­gangs­stoff für wei­te­re Pro­zes­se ver­wen­det wer­den kann. Daher führt die Ener­gie­wen­de in Deutsch­land zum Bau zahl­rei­cher Anla­gen zur Was­ser­stoff­er­zeu­gung. Das Herz­stück die­ser Anla­gen ist immer der Elek­tro­ly­seur, der den erzeug­ten Was­ser­stoff über eine Ver­roh­rung zu den ande­ren Bestand­tei­len der Anla­ge führt. Die Errich­ter der Anla­gen ste­hen in aller Regel vor der Her­aus­for­de­rung, einen Dicht­heits­nach­weis oder einen Nach­weis über die Lecka­ge für die Anla­ge vorzulegen.

Defi­ni­ti­on Tech­ni­sche Dichtheit: 

Eine Flansch­ver­bin­dung nach DIN EN 1092 gilt nach aktu­el­lem Stand der Tech­nik als (dau­er­haft) tech­nisch dicht, wenn ein rech­ne­ri­scher Nach­weis nach EN 1591–1 oder Fini­te-Ele­men­te-Ana­ly­se (FEM) für eine Lecka­ge­klas­se L0,01 erbracht wer­den kann, Dies gilt grund­sätz­lich auch für H2-Anwen­dun­gen. Die für die Flansch­be­rech­nung zugrun­de lie­gen­den Dich­tungs­kenn­wer­te wer­den aber nor­ma­ler­wei­se nach DIN EN 13555 mit Heli­um ermit­telt, da Heli­um hin­sicht­lich der Grö­ße dem Was­ser­stoff am nächs­ten kommt. Auf­grund der unter­schied­li­chen Wer­te für Vis­ko­si­tät und Dich­te sind jedoch im Ein­zel­fall ande­re Lecka­ge-Raten zu erwarten.

Ein all­ge­mein gül­ti­ger Umrech­nungs­fak­tor im Ver­gleich zu Heli­um lässt sich nach heu­ti­gem Wis­sens­stand nicht ange­ben, da die­ser Fak­tor von vie­len wei­te­ren Para­me­tern, wie den Strö­mungs­ver­hält­nis­sen, Per­me­a­ti­ons- und Adsorp­ti­ons­vor­gän­ge im Dich­tungs­werk­stoff, abhängt.

Wel­che Mög­lich­kei­ten ste­hen unter die­sen Bedin­gun­gen für einen Nach­weis an Flan­schen gemäß DIN EN 1092–1 bis ‑4 zur Verfügung?

Opti­on 1: Der typ­ba­sier­te Bau­teil­ver­such zur Bestim­mung der Lecka­ge­ra­te einer Flansch­ver­bin­dung. Eine fach­ge­rech­te und qua­li­täts­kon­trol­lier­te Mon­ta­ge mit ent­spre­chen­der Doku­men­ta­ti­on ist Vor­aus­set­zung für einen sol­chen Nach­weis. Die­se Vor­ge­hens­wei­se stellt für den Anlagenbauer/Betreiber einen Mehr­auf­wand dar und wird daher sehr wahr­schein­lich nicht sehr oft zum Nach­weis her­an­ge­zo­gen werden.

Opti­on 2: Die indi­vi­du­el­le Mes­sung am Flansch in der Anla­ge unter Betriebs­be­din­gun­gen. Die­se Vari­an­te reprä­sen­tiert wohl die auf­wän­digs­te Vor­ge­hens­wei­se, da hier mit­tels der Spül­gas­me­tho­de die ent­ste­hen­den Lecka­gen unter Betriebs­be­din­gun­gen gemes­sen wer­den. Dafür ist es erfor­der­lich, die zu mes­sen­den Flan­sche ein­zu­hau­sen. Auch die­se Metho­de stellt für den Anlagenbauer/Betreiber einen erheb­li­chen Mehr­auf­wand dar und wird daher sehr wahr­schein­lich nicht sehr oft zum Nach­weis her­an­ge­zo­gen werden.

Opti­on 3: Berech­nung nach EN 1591–1 als der gebräuch­lichs­te Weg zum Nach­weis. Bei der Aus­le­gung der Anla­gen muss ein Fes­tig­keits­nach­weis des Flansch­sys­tems erbracht wer­den. Es ist sinn­voll, den Dicht­klas­sen­nach­weis über eine Berech­nung gemäß EN 1591–1 bzw. Fini­te-Ele­men­te-Ana­ly­se (FEM) für eine Lecka­ge­klas­se LN zu nut­zen, da bei­de Metho­den gemäß VDI2290 sowohl die Fes­tig­keit der Flansch­ver­bin­dung als auch die Dicht­heit nach­wei­sen. Maß­ge­bend für die Berech­nung und den Nach­weis der Dicht­heit in Bezug auf die Lecka­ge­klas­se L sind die Kenn­wer­te der Dich­tung, wie Min­dest­flä­chen­pres­sung im Mon­ta­ge­zu­stand Qmin(L) und die Min­dest­flä­chen­pres­sung im Betriebs­zu­stand QSmin(L) in Abhän­gig­keit von der Anfangs­flä­chen­pres­sung QA.

Die Dich­tungs­kenn­wer­te gemäß EN 13555 stan­den bis­her aus­schließ­lich aus Mes­sun­gen mit Heli­um zur Ver­fü­gung. Es war jedoch kei­nes­wegs sicher, ob die­se Kenn­wer­te auf Was­ser­stoff über­trag­bar sind. Daher ent­schied sich die Klin­ger Dich­tungs­tech­nik dazu, für meh­re­re aus­ge­wähl­te Faser- und PTFE-Mate­ria­li­en aus dem Pro­dukt­sor­ti­ment Ver­su­che gemäß DIN EN 13555 unter Ver­wen­dung des Prüf­me­di­ums Was­ser­stoff durch­füh­ren zu las­sen, abwei­chend vom emp­foh­le­nen Prüf­me­di­um Heli­um. Die­se Ver­su­che nahm das akkre­di­tier­te unab­hän­gi­ge Prüf­in­sti­tut AMTEC Mess­tech­ni­scher Ser­vice vor. Ziel der Unter­su­chun­gen war eine seriö­se Gegen­über­stel­lung bei­der Mes­sun­gen, da die­se Wer­te für die Dicht­heit und Fes­tig­keit und damit für die Sicher­heit der Flansch­ver­bin­dung rele­vant sind.

Ergeb­nis­se und Erkenntnisse 

In vie­len Fäl­len zeig­te sich eine weit­ge­hen­de Über­ein­stim­mung der Kur­ven wie im Bei­spiel des Klin­ger­SIL C‑4430. Es exis­tie­ren aber auch Mess­wer­te, die zei­gen, dass erheb­li­che Unter­schie­de zwi­schen den Mes­sun­gen bestehen kön­nen, wie am Bei­spiel des Klin­ger top-chem 2003 zu erken­nen ist. Im kon­kre­ten Fall liegt die Was­ser­stoffle­cka­ge­kur­ve cir­ca eine Zeh­ner­po­tenz unter der des Heliums.

Mit den erziel­ten Mess­ergeb­nis­sen kann Klin­ger sowohl mit heli­um­ba­sier­ten als auch mit was­ser­stoff­ba­sier­ten Dich­tungs­kenn­wer­ten eine Berech­nung nach EN 1591–1 für die Druck­stu­fen 10 bar und 40 bar durch­füh­ren und damit die Lecka­ge­klas­se in Ver­bin­dung mit der Flansch­fes­tig­keit exakt nach­wei­sen. Mit allen getes­te­ten Dich­tungs­werk­stof­fen ist es mög­lich, die Anfor­de­run­gen der TA-Luft und damit auch der DIN 3535–6 einzuhalten.

Die che­mi­sche Bestän­dig­keit sowie der gro­ße Druck- und Tem­pe­ra­tur­ein­satz­be­reich machen die Klin­ger-Dich­tungs­ma­te­ria­li­en zu einer aus­ge­zeich­ne­ten Wahl – nicht nur in Was­ser­stoff erzeu­gen­den Anla­gen, son­dern auch in angren­zen­den Berei­chen, in denen bei­spiels­wei­se mit Ammo­ni­ak, Methyl­al­ko­hol, oder mit Ben­zyl­to­luol gear­bei­tet wird. Dies eröff­net dem Anwen­der die Mög­lich­keit zur Stan­dar­di­sie­rung über vie­le Berei­che hin­weg mit kos­ten­güns­ti­gen, viel­fach erprob­ten und daher äußerst zuver­läs­si­gen Dichtungslösungen.