Die Prüfung von GFK-Behältern durch Experten kann die Lebensdauer des Teils verlängern.

Die Prüfung von GFK-Behältern durch Experten kann die Lebensdauer des Teils verlängern. - Bild: methaphum - stock.adobe.com

| von Dipl.-Ing. (FH) Markus Maiwald, TÜV Süd

Behälter und Rohrleitungen aus GFK werden seit mehr als 40 Jahren im Anlagenbau verwendet. Das liegt an der hohen chemischen Beständigkeit gegenüber einer Vielzahl aggressiver Medien. Damit sind sie prädestiniert für den Einsatz in der chemischen Industrie, aber auch in Klär-, Biogas- und Müllverbrennungsanlagen.

200.000 Betriebsstunden (etwa 23 Jahre) beträgt die rechnerische Lebensdauer von GFK-Komponenten. Mit den Jahren kann die Betriebstauglichkeit durch verschiedene Einflüsse beeinträchtigt werden. Chemische, thermische und mechanische Einflüsse hinterlassen ihre Spuren an den Bauteilen, aber auch die Umgebungsbedingungen des Aufstellungsorts können eine Rolle spielen. Gegebenenfalls ist aber auch ein sicherer Weiterbetrieb möglich, obwohl die rechnerische Lebensdauer bereits erreicht wurde.

Leicht und hochbelastbar zugleich

Bei der Herstellung von GFK-Behältern werden unter anderem Vinyl- und Polyesterharz sowie Glasfasern verwendet. So entsteht ein mehrlagiges, sehr festes Laminat. GFK besitzt nur ein Fünftel der Dichte von Stahl, ist aber mechanisch hochbelastbar. Zudem sind bei der Herstellung flexiblere Geometrien möglich als bei Bauteilen aus metallischen Werkstoffen.

GFK-Behälter lohnen sich aber aus betriebswirtschaftlicher Sicht, wenn man sie vergleicht mit Konstruktionen aus Stahl, deren Oberflächen auf der Mediumseite beschichtet oder gummiert sind. Denn Anlagenbetreiber profitieren nicht nur von den besonders hohen Standzeiten der GFK-Behälter, sondern auch von den mechanischen Kennwerten des Werkstoffs, die hohe Lasteinleitungen sowie das Aufnehmen großer Rührwerkslasten von 50 Kilonewton und mehr zulassen

Optimierte Beständigkeit durch spezielle Schutzschicht

Je nach Anwendungsfall sorgen die verwendeten Harze für die chemische Beständigkeit des GFK-Laminats. Deshalb ist die oberste, dem Medium zugewandte Schicht als 2,5 Millimeter dicke sogenannte Chemieschutzschicht (CSS) ausgeführt. Charakteristisch ist ihr hoher Harzanteil und niedriger Glasgehalt (< 30 Prozent). Die Basis der CSS bilden bis zu drei Wirrfaserlagen, die zum Beispiel im Faserspritzverfahren aufgebaut werden. Darüber befindet sich auf der Mediumseite eine hochbeständige Reinharzschicht. Auf die CSS folgt das Traglaminat mit einem deutlich höheren Glasanteil von etwa 45 bis 60 Prozent. So wird die mechanische Belastbarkeit des Verbundwerkstoffs und damit des gesamten Behälters erzielt. Das Traglaminat wird in der Regel als Wickellaminat erzeugt. 

Visuelle Bewertung und Werkstoffanalyse

Die Zustandsbewertung eines GFK-Behälters beginnt mit der äußeren und inneren visuellen Prüfung. So lassen sich zum Beispiel Rissbildungen und Verformungen erkennen. Oder aber auch die sogenannte osmotische Blasenbildung, die durch das Eindringen von Medium in das Laminat verursacht wird. Sie kann nämlich eine Delamination des Werkstoffs auslösen, Glasfasern freilegen und durch entstehende Säuren oder Laugen beschädigen. Schreitet dieser Prozess voran, können sich die Glasfasern sogar vollständig auflösen und unter Umständen zu einer Destabilisierung des Verbundwerkstoffs führen.

In der Prüfpraxis von TÜV Süd zeigt sich, dass nicht selten eine Werkstoffanalyse im Labor nötig ist, um eine verlässliche Entscheidungsgrundlage zu erhalten. Dafür werden Proben mittels Kernlochbohrung vor Ort am Bauteil gewonnen und von den neutralen, unabhängigen Experten im Institut für Kunststoffe analysiert. Die Labore sind für die Kunststoffprüfung nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert.

Geht es darum, klare Aussagen zum Zustand der Glasfasern im Werkstoff zu erhalten, ist die Rasterelektronenmikroskopie gekoppelt mit einem energiedispersivem Röntgenanalysator (REM-EDX) besonders aussagekräftig. Dafür wird lediglich eine sehr kleine Probe benötigt: Bei der Kernlochbohrung ist ein Durchmesser von 20 bis 30 Millimeter vollkommen ausreichend. Diese Löcher können mit geringem Aufwand wieder verschlossen werden.

Fallbeispiel: Bauteile in der Rauchgasreinigung geprüft

TÜV Süd Industrie Service wurde von dem Betreiber eines Müllheizkraftwerks beauftragt, eine wiederkehrende Prüfung von GFK-Bauteilen in der Rauchgasreinigungsanlage bei einer Revision durchzuführen. Geprüft wurden verschiedene Behälter, der SO2- und der HCl-Absorber, Rauchgaskanäle sowie die Beschichtung der Sole-Anlage.

An den Außenwandungen waren keine sichtbaren Schäden festzustellen. Nicht so im Innenbereich: Am Mannlochhals und Mannlochdeckel eines Eindampfbehälters wurde eine sanierungsbedürftige Beschädigung der CSS festgestellt (Bild 1 in der obigen Galerie). Die anderen Behälter der Rauchgasreinigung zeigten keine oder nur geringe, aber unkritische Veränderungen an der Werkstoffoberfläche. Je nach Behälter und Zustand wurde deshalb eine erneute Prüfung in einem Jahr beziehungsweise in zwei Jahren empfohlen. Beim SO2-Absorber ergab sich folgende Ausgangslage: Er war ein halbes Jahr zuvor komplett saniert worden.

Am auflaminierten Schutzhemd im Bereich des Gaseintritts zeigte sich eine größere Blase (Bild 2). Eine Sanierung war aber nicht notwendig, weil die Blase keinen Einfluss auf die Standsicherheit und gegenüber abrasiven Angriffen hatte. Im HCl-Absorber wurden verschiedene Schäden festgestellt.

Dazu zählten insbesondere abrasive Angriffe und an mehreren Stellen Rissbildungen in der Reinharzschicht der CSS (Bild 3). Auf Betreiberwunsch wurden fünf Kernlochbohrungen für REM-EDX-Untersuchungen entnommen, um den möglichen Schädigungsgrad der Glasfasern zu analysieren. Die Rauchgaskanäle waren ohne Befund, sodass eine wiederkehrende Prüfung in zwei Jahren empfohlen wurde. Bei der Prüfung der Sole-Anlage wurden Risse und Ablösungen in der Bodenbeschichtung festgestellt. TÜV Süd empfahl, diese Bereiche zu sanieren.

Im Rasterelektronenmikroskop zeigten sich in allen fünf Proben des HCl-Absorbers optisch und mittels qualitativer EDX-Punktanalyse zum Teil erhebliche chemische Angriffe an den Glasfasern der ersten und zweiten Wirrfaserlage. Im Detail wurde das Auflösen der "Seelen" bis hin zu der vollständigen Zerstörung der Glasfasern festgestellt (Bilder 4a, 4b und 5a, 5b). In den EDX-Punktanalysen macht sich das im Nachweis der für Glasfasern typischen chemischen Elemente Silicium (Si), Calcium (Ca), Aluminium (Al) und Magnesium (Mg) bemerkbar. In den Elementspektren sind diese Elemente dann teils verarmt beziehungsweise nicht mehr nachweisbar. Das gilt besonders für das Element Magnesium. In allen fünf Proben zeigten sich auch schon beginnende chemische Angriffe am Übergang der CSS zum Traglaminat.

Sanierung auf Basis eines freizugebenden Konzepts empfohlen

Zum Zeitpunkt der Prüfung war die Standsicherheit des HCl-Absorbers noch nicht akut gefährdet. Unter Berücksichtigung des Alters des Prozessbehälters und der Ergebnisse der REM-EDX-Analysen empfahl TÜV Süd jedoch eine Sanierung in spätestens zwei Jahren. Wegen der dann fälligen, sehr umfangreichen Sanierungsarbeiten wurde dem Kraftwerksbetreiber vorgeschlagen, dass die mit den Arbeiten beauftragte Fachfirma gemäß Wasserhaushaltsgesetz (WHG) zunächst ein Sanierungskonzept erstellt, welches von einem Kunststoffsachverständigen geprüft und freigegeben wird. Darüber hinaus wurde empfohlen, die notwendigen Laminierarbeiten von einem nach der Richtlinie DVS 2220 geprüften Laminierer vornehmen zu lassen.

Der Autor

Dipl.-Ing. (FH) Markus Maiwald
Sachverständiger für Kunststofftechnik
Institut für Kunststoffe, TÜV SÜD Industrie Service GmbH

Kontakt:
E-Mail: markus.maiwald@tuvsud.com
Internet: www.tuvsud.com/kunststoffe

Bearbeitet von Stefan Weinzierl

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