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May 28, 2023

Prüfung flüchtiger Emissionen von Flanschdichtungen

Mit der Veröffentlichung der Änderungen des Clean Air Act im Jahr 1990 kam es zu diffusen Emissionen

Mit der Veröffentlichung der Änderungen des Clean Air Act im Jahr 1990 wurde umgehend mit der Prüfung diffuser Emissionen an Ventilen und anderen Prozessgeräten begonnen. Dynamische Dichtungen, wie z. B. Ventilschaftdichtungen, waren eine Hauptemissionsquelle und eine vorrangige Prüfung für Endbenutzer.

Erst Anfang der 2000er Jahre erlangten statische Dichtungen Beachtung. In Raffinerien und anderen petrochemischen Anlagen wurden große Leckagen an Flanschdichtungen und anderen statischen Dichtungen beobachtet, insbesondere wenn diese thermischen Zyklen ausgesetzt waren. Einige frühe Tests wurden von Dichtungsherstellern anhand ihrer Protokolle durchgeführt. Typischerweise wurden die Tests bei Raumtemperatur mit Methangas durchgeführt und die Leckage mithilfe von Leckdetektoren in Teilen pro Million Volumen (ppmv) gemessen.

Im Jahr 2004 wandte sich David Reeves von ChevronTexaco an einen Ventilprüfdienst, weil er in seinem Werk in El Segundo, Kalifornien, Dichtungslecks festgestellt hatte. Die beiden Gruppen verfassten den ersten Teststandard für diffuse Emissionen für Flanschdichtungen mit dem Titel: „Testprotokoll für Rohrflanschdichtungen“.

Dieser Standard legt, ähnlich dem für Ventile geschriebenen Teststandard, Parameter fest, die auch heute noch in anderen API-Teststandards verwendet werden (Bild 1). Obwohl 1.000 ppmv als zulässige Leckage angegeben wurden, wurde dies nie als akzeptabel angesehen. Der Standard wurde als Grundlage für den Beginn einiger Vergleichstests verfasst und der Grenzwert von 1.000 ppmv war der Grenzwert, an dem ein Test enden würde. Die meisten Leckagen lagen unter 100 ppmv.

Im Jahr 2010 musste Reeves Dichtungen bei einer höheren Temperatur testen lassen, weshalb das „Chevron Ultra-High Temperature Gasket Test Procedure“ entwickelt wurde. Dazu gehörte eine 100-stündige Einweichzeit bei entweder 1.000 F oder 800 F, je nach Dichtungstyp. Im Jahr 2011 wurde der Dichtungsprüfstandard geändert und in „Chevron Fugitive Emissions Test (CFET) Protocol for Pipe Flange Gaskets“ umbenannt und es wurden einige wichtige Änderungen vorgenommen. Bei früheren Tests und in der Praxis wurde festgestellt, dass der Außendurchmesser der erhabenen Fläche häufig harten Kontakt mit dem äußeren Metallring einer Spiraldichtung hatte. Da diese Ringe häufig lackiert sind, ergaben Tests, dass es an dieser Schnittstelle zu einer Abdichtung kommen kann. Um diese Variable aus den Testergebnissen zu entfernen, müssen bei dieser Ausgabe der Norm an vier Stellen auf beiden Seiten der Dichtung Nuten in den Außenring geschnitten werden.

Außerdem wurde in dieser Ausgabe das Schraubendrehmoment von 200 auf 260 Fuß-Pfund (ft-lb) erhöht. Um die ungleichmäßige Erwärmung in einem Wärmetauscher zu simulieren, wurde nur ein Flansch auf 500 F erhitzt. Die ungleichmäßige Erwärmung sollte eine erzeugen Radiale Scherung an der Dichtung. Die letzte Änderung erfolgte im Jahr 2013, als das Drehmoment der Mutter auf 190 ft-lb gesenkt wurde.

Shell Oil hat eine lange Geschichte bei der Erstellung seiner Teststandards für die Abnahmeprüfung von Ventil- und Dichtungstypen. Während der Material and Equipment Standards Code (MESC) der Society of Petroleum Engineers (SPE) 85/300 viele Tests für diffuse Emissionen enthält, spezifiziert er Tests gemäß der International Organization for Standardization (ISO) 15848-1. Die ISO-Norm ist eine Prüfnorm für diffuse Emissionen von Ventilen. Es umfasst Kriterien für mechanische und thermische Zyklen. Da keine mechanischen Zyklen möglich sind, werden nur die thermischen Zyklen durchgeführt. Obwohl nicht spezifiziert, werden typischerweise vier Wärmezyklen bei dem vollen Nenndruck der Flansche des American National Standards Institute (ANSI) durchgeführt. Die vier thermischen Zyklen würden eine CO3-Ausdauerklasse für die ISO-Norm simulieren, die die meisten Anwendungen darstellt.

Im Jahr 2017 veröffentlichte die American Society of Mechanical Engineers (ASME) eine neue Ausgabe von B16.20, „Metallische Dichtungen für Rohrflansche“. Während es sich bei dem größten Teil der Norm um eine Konstruktionsnorm handelt, gibt es zwei wichtige Prüfteile für Spiraldichtungen. Im Abschnitt „SW-2.2-Konstruktion“ ist eine Mindestdicke nach dem Komprimieren auf ein angegebenes Spannungsniveau angegeben. „Abschnitt SW-2.6 Leistungstests“ ist ein Test auf diffuse Emissionen bei Raumtemperatur, der mit Methan nach einer vierstündigen Haltezeit durchgeführt wird. Da bei der zuerst durchgeführten Dichtheitsprüfung die angegebenen Druckspannungen niedriger sind, wird bei der Dickenprüfung die Spannung dann erhöht.

Im Jahr 2017 begann die Fluid Sealing Association (FSA) mit der Entwicklung eines Teststandards für diffuse Emissionen für Dichtungen. Der Standard nutzte den Chevron-Standard als Ausgangspunkt, erweiterte jedoch die Details der Montage der Flanschbaugruppe und der Leckagemesstechniken, um sie wiederholbar und präzise zu machen. Einige Dichtungshersteller und Prüflabore führten Forschungs- und Entwicklungstests durch.

Die grundlegenden Parameter sind in Bild 2 dargestellt. Zu den wichtigsten Abweichungen von der Chevron-Spezifikation gehören die Reduzierung der thermischen Zyklen auf drei und die Reduzierung der zulässigen Leckagen mit der Option auf zwei Stufen. Bild 3 zeigt das Temperatur-/Druckprofil. Der Zusammenbau der Teile ist im Anhang C der Norm angegeben. Eine Gaseindämmungshülse um den Außendurchmesser der Dichtung dient dazu, Leckagen am Umfang aufzufangen und durch den Leckdetektor zu leiten. Mit dieser Methode sollte eine genaue und stabile Leckageablesung erreichbar sein. Der Methan-Leckdetektor ist gemäß dem neuesten Standard 622 des American Petroleum Institute kalibriert und liefert wiederholbare ppmv-Messwerte eines Lecks, unabhängig von der Abtastrate des verwendeten Leckdetektors.

Aufgrund der Ereignisse des Jahres 2020 kam es zu einigen Verzögerungen bei der Veröffentlichung des Standards. Derzeit steht es zur Prüfung zur Verfügung, eine Veröffentlichung ist für später in diesem Jahr geplant.

Wir freuen uns über Ihre Vorschläge für Artikelthemen sowie über Fragen zu Dichtungsthemen, damit wir besser auf die Bedürfnisse der Branche eingehen können. Bitte richten Sie Ihre Vorschläge und Fragen an [email protected].

Matthew Wasielewski ist Präsident von Yarmouth Research and Technology, LLC. Weitere Informationen finden Sie unter www.yarmouthresearch.com.