Fachartikel - Fast 30 Jahre Praxiseinsatz und kein

Referenzartikel
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Schaffhausen, 31. März 2009
Fast 30 Jahre Praxiseinsatz und kein bisschen müde
PVDF-Kunststoffrohrleitungen ohne Korrosion, Brüchigkeit oder
Rissbildung
Im ersten Quartal 2008 wurde der Betrieb im Stahlbeizwerk Sandvik Materials
Technology AB, Schweden eingestellt. Das unabhängige schwedische Institut
Swerea Kimab nutzte die Aufgabe des Werks zur Durchführung einer
Praxisstudie über die Beschaffenheit von PVDF-Rohrleitungen, die fast 30
Jahre zum Transport von Flusssäure, Salzsäure und Salpetersäure dienten. Die
Tests verfolgten das Ziel, Erkenntnisse über den Korrosionsstatus sowie die
mögliche Korrosion der dazugehörigen Verbindungen von Kunststoffrohren
nach einem langen Praxiseinsatz zu erhalten.
In einer umfangreichen Testreihe wurde neben der Korrosionsbeständigkeit auch das
Langzeit-Verhalten des Werkstoffs geprüft. Die Untersuchung umfasste visuelle und
mikroskopische Studien, Mikrotom-Schnitte, thermische Analysen, mechanische
Tests und eine Schätzung der Restspannung. Um die gewonnenen Ergebnisse
werten zu können, wurden die gewonnen Daten mit dem eines fabrikneuen PVDFRohres von GF Piping Systems verglichen. Darüber hinaus wurden der Status der
Muffenschweissungen sowie die durchgeführten Schweissarbeiten der 30 Jahre
alten Rohre begutachtet.
PVDF – ideal für extreme Einsätze
In Stahlbeizbetrieben sind Rohrleitungssysteme durch den Transport aggressiver
Medien hohen Belastungen ausgesetzt. Bei der Planung scheiden deshalb viele
metallische Werkstoffe von Anfang an aus, da diese unbeständig gegenüber
hochkonzentrierten Säuren sind. Lediglich einige Edelmetalle (Gold, Platin), hoch
legierte Stähle oder spezielle Nichteisen-Legierungen eignen sich für diesen
Einsatzbereich. Hingegen weisen PVC-U-, PVC-C- oder PVDF-Rohre auch beim
Transport von Schwefelsäure, Flusssäure oder Salzsäure eine sehr gute
Beständigkeit auf. GF Piping Systems nennt für seine Rohre und Fittings eine
Nutzungsdauer von 25 Jahren.
Einsatzumgebung der Rohrleitungen
Sandvik Materials Technology AB, Schweden nutzte von 1978 an drei parallel
verlegte PVDF-Rohrleitungen von GF Piping Systems zum Transport von
konzentrierter Flusssäure (wt 71-75%), Salpetersäure (wt 68%) und Schwefelsäure
(wt 96%). Im Dezember 2007 wurden die Leitungen für Salpetersäure und
Flusssäure stillgelegt, aber nicht demontiert. Die Schwefelsäure-Leitung war bereits
zehn Jahre zuvor ausser Betrieb gesetzt worden, wurde jedoch erst 2008 zusammen
mit den anderen Leitungen abgebaut.
Die PVDF-Rohre waren extern verlegt und je nach Jahreszeit einer
Umgebungstemperatur ausgesetzt, die zwischen -20º C und +40º Celsius schwankt.
Sie standen unter einer täglich mehrfachen Druckbelastung von 2-3 bar. Die
Leitungen in dem Stahlbeizwerk wurden aus dem PVDF-Material Sygef von GF
Piping Systems gefertigt und mit Muffenschweissung verbunden. Sygef wird
aufgrund seiner ausgezeichneten chemischen Beständigkeit häufig für
Chemikalienverteilungssysteme verwendet. Sygef ist frei von Zusätzen, Farbstoffen
oder Stabilisatoren.
Die Druckbewertung der PVDF-Rohrleitungen beträgt 16 bar (PN16) bei einem
Durchmesser von 40 mm und einer Wandstärke von 2,5 mm. Bevor die Rohre
entfernt wurden, entnahmen die Mitarbeiter von Swerea Kimab für das Testverfahren
je Leitung zehn Meter Rohrmaterial mit Schweissverbindung und Bögen.
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Visuelle und mikroskopische Prüfungen
Bei der visuellen Kontrolle wiesen PVDF-Rohre, durch die Flusssäure oder
Schwefelsäure transportiert wurden, keine Anzeichen von Korrosion auf, d.h. keine
Oberflächenbeeinträchtigungen, keine Bläschen oder Ablösungen, keine
Schwellungen waren ersichtlich. Lediglich leichte bräunliche Verfärbungen wiesen
die Rohrleitungen für Fluss- und Schwefelsäure auf. Die Verfärbungen waren
gleichmässig über die Rohrlänge verteilt, wobei die Säurepermeation bei
Schwefelsäure in eine Tiefe von 0,2 mm reichte. Die Verfärbungen sind auf eine
chemische Reaktion der Säure mit den Polymeren zurück zu führen. Rohrleitungen,
die Salpetersäure ausgesetzt waren, zeigten hingegen keine Verfärbungen. Auch die
mikroskopischen Untersuchungen konnten keine Anzeichen von Korrosion erkennen.
Thermische Analyse
Die auf Basis einer dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) durchgeführten Test
von Schmelzpunkt und Kristallisierung zeigten, dass es keine signifikanten
Unterschiede zwischen Einzelproben aus dem Rohrinneren und der Hauptmasse der
Testrohre zu verzeichnen gab. Auch die Kristallinität zeigte keine Degeneration der
Polymerketten. Dies deutet darauf hin, dass das PVDF-Material durch den
Säurekontakt in dem Einsatzzeitraum von 20-30 Jahren nicht nachgelassen hat.
Ebenso wurden keine Unterschiede zwischen extern und intern verlegten Rohren
festgestellt.
Mechanische Prüfungen: Zugbelastung und Schlagzähigkeit
Die Überprüfung der Zugbelastungen bei Raumtemperatur aller drei PVDF-Rohre
und dem neuen Vergleichsrohr liess keine gravierenden Unterschiede in den
mechanischen Eigenschaften erkennen. Dieses Ergebnis stimmt mit den
Ergebnissen der thermischen Analyse und den Mikrotom-Schnitten überein, wonach
keine oder nur eine geringfügige Degeneration der eingesetzten PVDF-Rohre von
GF Piping Systems stattfand.
Der Schlagzähigkeitstest wurde in einem Raum durchgeführt, dessen Temperatur
den Vorschriften der ISO Norm 179 entspricht. Je sechs Testexemplare wurden von
jedem der drei Rohre getestet. Keine der Proben zeigte in dem Schlagzähigkeitstest
irgendein Brüchigkeitsverhalten.
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Untersuchte Schweissverbindungen
Bei der Untersuchung der alten Schweissverbindungen stand auch die Frage nach
dem Schweissen mit altem Rohrmaterial im Blickpunkt. Inwieweit lässt sich durch
Säure penetriertes Material bei Reparatur- und Wartungsarbeiten noch sicher
schweissen?
Entsprechende Teilstücke der drei PVDF-Rohre wurden zu einem auf
Säuretechnologie spezialisierten schwedischen Unternehmen geschickt. Deren Urteil
fiel für alle drei Rohrstücke beim untersuchten IR-Stumpfschweissverfahren ähnlich
positiv aus: mit leichtem Andruck war die jeweilige Schweissqualität durchweg gut.
Lediglich bei der Flusssäure setzte im Schweissbereich eine leichte Blasenbildung
ein.
In den Muffen-Schweissverbindungen, die bei Rohren für Flusssäure und
Salpetersäure eingesetzt wurden, konnte keine Rissbildung festgestellt werden. In
den untersuchten Muffenverbindungsstellen, die Schwefelsäure ausgesetzt waren,
wurden allerdings Risse in allen Muffen festgestellt. Es ist bekannt, dass
Schwefelsäure beim Muffenschweissverfahren diese Folgen hervorruft. Die
untersuchten Risse sind bis zu zwei Millimeter tief und stellen eine bedingte
Schwächung der Komponente dar, ohne allerdings in 20 Jahren, bei einem
Betriebsdruck von 2-3 bar, die Sicherheit gefährdet zu haben. Ein Plus an Sicherheit
für Rohrleitungen, die zum Transport aggressiver Medien eingesetzt werden, bietet
auch das von GF Piping Systems entwickelte WNF-Schweissverfahren (wulst- und
nutfreies Schweissverfahren). Diese spannungsarme Verbindungstechnik wird von
Fachleuten geschätzt und hat sich in der Praxis vielfach bewährt.
Zudem wurde bei den Muffenverbindungen im Flusssäurebereich eine 6,5 mm tiefe
Frontverfärbung festgestellt. In der Annahme, dass dies ein Zeichen der Permeation
ist, lässt sich hierfür eine durchschnittliche Permeation von 1,2 mm pro Jahr
errechnen (nach Fick`sches Gesetz).
Grundsätzlich aber hat sich das Muffenschweissverfahren bei der Herstellung von
Rohrleitungen bewährt, die beispielsweise zum Transport von Flusssäure oder
Salpetersäure eingesetzt werden.
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Fazit
Die umfangreichen Prüfungen durch das schwedische Institut Swerea Kimab
ergaben, dass PVDF-Rohre von GF Piping Systems auch nach mehr als 20 Jahren
Einsatz unter härtesten Bedingungen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit
besitzen. Bei den untersuchten Rohren konnten ausser leichten Verfärbungen des
Rohrmaterials keine Anzeichen für Korrosion, Rissbildung oder Brüchigkeit
festgestellt werden. Darüber hinaus wurden auch bei Mikrotom-Schnitten der
Rohrwände keine Hinweise auf lokale Brüchigkeiten des Materials beobachtet.
Da Chemikalien bei entsprechenden Temperaturen oder Druckverhältnissen
Spaltungen oder Trennungen von Makromolekülketten bewirken können, war es
wichtig, die molekulare Struktur der Rohre zu prüfen, auch wenn sich keine
signifikante Degeneration des Materials während des Einsatzzeitraums ergeben hat.
Die mechanischen Eigenschaften der Rohre haben sich auch im Laufe des langen
Praxiseinsatzes nicht verändert. Dieses Ergebnis stimmt mit den Resultaten der
thermischen Analyse überein, nach der keine signifikante oder nicht wesentliche
Degeneration stattgefunden hat.
Generell empfahl das Swerea Kimab aufgrund der Untersuchungsergebnisse das
Muffenschweissen als bevorzugtes Schweissverfahren für PVDF-Rohre.
In der Annahme, dass die Betriebsbedingungen konstant geblieben wären wie in den
20-30 Jahren zuvor, lassen die Daten über das Kriechverhalten des PVDF den
Schluss zu, dass die untersuchten Rohre für einen weitaus längeren Einsatzzeitraum
bei einem Sicherheitsfaktor von 2.8 oder höher prädestiniert waren.
Autor:
Hans-Jörg Sommer, Head of Chemical / Mechanical Advises and Claims, GF Piping
Systems, Schaffhausen (Schweiz)
Quelle:
Swerea Kimab, Stockholm (Schweden)
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Swerea Kimab ist ein Forschungsinstitut in Schweden mit insgesamt 140 Mitarbeitern. Forschung und
Entwicklung finden in enger Zusammenarbeit mit schwedischen und internationalen Unternehmen aus
verschiedenen Industriebereichen wie Kunststoff, Stahl, Metall, Elektronik, Papier, Kraftfahrzeug,
Produktion und Energie statt.
Das Departement Polymer bei Swerea Kimab kann auf mehr als 25 Jahre Erfahrung in der
Korrosionsforschung bei Polymeren zurückblicken.
Weitere Informationen: www.swereakimab.se
Georg Fischer – Adding Quality to People’s Lives
GF Piping Systems ist eine von drei Unternehmensgruppen des Konzerns Georg Fischer und ein führender
Anbieter von Rohrleitungssystemen aus Kunststoff und Metall mit weltweiter Marktpräsenz.
Für die Aufbereitung und Verteilung von Wasser sowie den sicheren Transport von Flüssigkeiten und Gasen im
industriellen Bereich sind Verbindungstechnologien, Fittings, Armaturen, Sensoren und Rohre im Portfolio. GF
Piping Systems bietet innovative, technische führende Lösungen in den Segmenten Haustechnik, Chemische
Prozessindustrie, Cooling, Life Science, Mikroelektronik, Schiffbau, Wasser- und Gasversorgung sowie
Wasseraufbereitung. Verkaufsgesellschaften in mehr als 25 Ländern und Repräsentanzen in weiteren 80 Ländern
garantieren einen Kundenservice rund um die Uhr. Produktionsstätten in Europa, Asien und in den USA sind
kundennah und erfüllen lokale Anforderungen. Der Hauptsitz von Georg Fischer ist seit der Gründung im Jahr
1802 in Schaffhausen, Schweiz.
Kennzahlen GF Piping Systems 2008
Mehr als 4’700 Mitarbeiter weltweit (Stand 31. Dezember 2008)
1224 MCHF Umsatz
122 MCHF EBIT
Weitere Informationen finden Sie unter www.piping.georgfischer.com
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