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Isolieren lohnt sich

Agressive Medien in chemieanlagen greifen Rohrleitungen und Apparate an

am 14.01.2014 um 14:30 Uhr

Deshalb werden sie oft mit einer widerstandsfähigen Gummierung ausgekleidet. Allerdings durchdringen die Flüssigkeiten auf Dauer das Gummi – und zwar umso leichter, je größer der Temperaturunterschied zur Umgebung ist. Mit der Zeit nimmt jede Kunststoffgummierung Wasser auf, da die Moleküle in kleinste Zwischenräume der Polymerketten eindringen können.

Rohrisolierung

Rohrisolierung: Ihre Stärke beeinflusst nicht nur den Wärmeverlust, sondern auch die Korrosion.

Das Material quillt auf. Hat eine bestimmte Menge Flüssigkeit die Schutzschicht passiert und die Oberfläche des Bauteils erreicht, dann korrodiert das Trägermaterial unter der Gummierung. Die Beschichtung löst sich ab.

Der Diffusionsprozess verläuft schneller, wenn zwischen dem Betriebsmedium und der Umgebung ein hoher Temperaturunterschied herrscht. Schon in den 1950er Jahren isolierten Chemieunternehmen deshalb ihre gummierten Rohrleitungen und Behälter von außen mit Mineralwolle. Die Erfahrung der Instandhaltung hatte nämlich gezeigt, dass sich die Schutzschichten besonders schnell an Wärmebrücken ablösten. Was damals in den Unternehmensleitlinien stand, fand allerdings keinen Weg in die Regelwerke. Die Folge: Auch heute werden gummierte Bauteile aus Kostengründen oft nicht isoliert. Das führt dazu, dass die kritischen Bauteile frühzeitig korrodieren.

Allerdings fehlten bislang exakte Untersuchungen zum Diffusionsverhalten bei verschiedenen Temperaturunterschieden. Jetzt aber untersuchten Experten des Instituts für Kunststoffe von TÜV SÜD die Zusammenhänge von Temperatur, Material und Ablauf des Diffusionsprozesses genauer. Sie ermittelten die Wasseraufnahme von drei Kautschuksorten bei verschiedenen Temperaturgradienten. Aus den Ergebnissen lässt sich ableiten, wie stark eine Isolierung sein sollte, um das Korrosionsschutzsystem möglichst lange funktionsfähig zu erhalten.

Die Experimente beim TÜV

Fünf Gradienten in zwei Phasen
Die Untersuchungen des Diffusionsverhaltens von Wasser bei den Kautschuksorten Brombutyl-, Chlorbutyl- und Reinbutylkautschuk erfolgten für fünf Temperaturgradienten im Bereich von 0 °C bis 42 °C.
Dazu wurden die Proben bis zu 66 Tage in der Versuchsapparatur installiert. Die mittlere Versuchskammer enthielt 80 C warmes Wasser, die äußeren Kammern waren entsprechend den gewünschten Unterschieden gleichbleibend temperiert. Dabei blieb die mittlere Testkammer nur halb gefüllt, so dass die Einwirkungen von Flüssigphase und Dampfphase unterscheidbar waren.
Im Vergleich zu geringen Temperaturdifferenzen von 2 K war die Wasseraufnahme bei großen Unterschieden deutlich erhöht. An der Grenzschicht betrug der Wassergehalt nach 66 Tagen nahezu 40 %. Doch bereits bei einer Temperaturdifferenz von etwa 20 K ist die Wasseraufnahme maximal, auch der Diffusionsprozess läuft mit maximaler Geschwindigkeit ab.
Größere Unterschiede bewirken keine beschleunigte Diffusion mehr. Der Wassergehalt von Chlorbutylkautschuk war in der Flüssigphase leicht erhöht. Er lag bei 6,5 % im Vergleich zu 5 % in der Dampfphase. Dieser Effekt ließ sich bei anderen Gummiqualitäten jedoch nicht beobachten.

Geringste Wasseraufnahme bei 2 K Temperaturdifferenz

Die Experimente ergaben, dass Wasser bei größeren Temperaturgefällen schneller in die Gummierung diffundiert. Relevant ist hier der Unterschied zwischen der Temperatur des aggressiven Betriebsmittels und der Umgebung wie Raumluft, Freiluft oder Erdreich. Sind etwa Rohrleitungen für heiße Medien im Freien verlegt, entstehen leicht Differenzen von mehr als 30 K. Die Auswertung der Messergebnisse zeigte jedoch, dass die Gummierung bereits bei geringeren Temperaturunterschieden die größte Wassermenge aufnimmt. Eine noch größere Differenz verstärkt den Effekt dann nicht mehr. Am wenigsten Flüssigkeit nimmt die Gummierung bei einer Temperaturdifferenz von 2 K auf. Das gilt unabhängig von der Gummisorte und dem Medium. Allerdings ließ sich bei einer Gummiqualität beobachten, dass der Diffusionsprozess bei der Flüssig- und der Gasphase geringfügig unterschiedlich schnell abläuft.

Korrosionsprozesse

Hohe Temperaturgefällen initiieren Korrosionsprozesse am Trägermaterial. Die Gummierung bildet dann Blasen und löst sich ab.

Konkret wurden bei den Untersuchungen fünf Temperaturgradienten im Bereich von 0 °C bis 42 °C zu Grunde gelegt und das Diffusionsverhalten von Wasser bei den Kautschuksorten Brombutyl-, Chlorbutyl- und Reinbutylkautschuk analysiert.

Die Temperaturdifferenz zwischen Medium und Außenluft sollte entsprechend den Messergebnissen nicht mehr als 2 K betragen, denn so dringt am wenigsten Flüssigkeit in die schützende Gummischicht ein. Durch exemplarische Berechnungen wurde ermittelt, wie viel Isoliermaterial notwendig ist, um diese Grenze einzuhalten – bei Raumtemperatur von 20 °C, und bei Installation im Freien mit Frost von -10 °C.

Bei Raumtemperatur reicht es aus, die Anlagenkomponenten mit einer 5 cm starken Schicht aus Steinwolle zu isolieren, um das Temperaturgefälle auf 2K zu begrenzen. Im zweiten Fall, bei kalten Außentemperaturen, ist eine Isolierschicht von 10 cm Stärke erforderlich, um die Wasseraufnahme der Gummierung zu minimieren. Die Lebensdauer des Korrosionsschutzes kann also mit der entsprechenden Isolierung wesentlich verlängert werden: Innerhalb temperierter Räume um etwa 50 %, bei Betrieb im Freien sogar um 100 %.

Helmut Zimmermann

Kontakt:   
TÜV SÜD Industrie Service
Institut für Kunststoff
Tel.: 089 5791 3221
Email: kunststoffe@tuev-sued.de
www.tuev-sued.de/ifk

 
 
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