Das Interferenz-Fit-Dilemma
Ein PTFE-Schlauch, der in ein Rohrbodenloch eingeführt und durch Aufweiten befestigt wird, muss die Lochwand fest genug umschließen, um gegen den inneren Dampfdruck abzudichten, aber nicht so fest, dass die Ringspannung im aufgeweiteten Rohr die Spannungsrissschwelle des Materials überschreitet. Der Unterschied zwischen ausreichendem Halt und schädlichem Eingriff wird in Zehntelmillimetern gemessen.
PTFE stellt eine besondere Herausforderung für Rohr{0}}--Rohrbodenverbindungen dar, da das Material unter anhaltender Kompression kalt-fließt. Eine Presspassung, die sich bei der Installation fest und leckagefrei anfühlt, kann sich bei Betriebstemperatur über Wochen hinweg entspannen, da das PTFE unter dem Kontaktdruck wegkriecht. Die Verbindung beginnt undicht zu werden. Die Versuchung besteht darin, die anfängliche Interferenz zu erhöhen, um eine Entspannung zu ermöglichen-, aber dadurch besteht die Gefahr einer sofortigen Spannungsrissbildung durch übermäßige-Ausdehnung.
Die maximal zulässige Interferenz ist der Grad der diametralen Übergröße, der das PTFE bei der maximal erwarteten Betriebstemperatur bis knapp unter seine Spannungsrissgrenze belastet.
Der Spannungsrissmechanismus
Spannungsrisse bei PTFE treten auf, wenn das Material bei erhöhter Temperatur einer Zugspannung von mehr als etwa 2–3 % ausgesetzt wird. Die Spannung öffnet mikroskopisch kleine Hohlräume zwischen kristallinen Domänen. Diese Hohlräume wachsen unter anhaltender Belastung mit der Zeit und verschmelzen schließlich zu sichtbaren Rissen.
Bei einer Dehnungsfuge zwischen Rohr- und -dem Rohrboden ist die primäre Dehnung die Ringdehnung in der Rohrwand am erweiterten Abschnitt. Der Rohrinnendurchmesser wird über einen größeren Durchmesser gepresst (ein Aufweitwerkzeug oder das Rohrbodenloch mit einem Einsatz). Die äußeren Fasern der Röhrenwand dehnen sich. Die Ringdehnung ist: ε=(Dexpanded - Doriginal) / Doriginal.
Bei PTFE-Schläuchen mit 10 mm Außendurchmesser, die auf ein Rohrbodenloch mit 10,8 mm Innendurchmesser erweitert werden, beträgt die Durchmesserausdehnung 0,8 mm. Die Ringdehnung beträgt 0,8/10=8 %. Dies überschreitet den sicheren Grenzwert von 2-3 % bei weitem und führt dazu, dass das Rohr reißt – wenn nicht sofort, dann innerhalb von Wochen bei Betriebstemperatur.
Tabelle 1: Maximal zulässige Presspassung für PTFE-Rohr-zu--Rohrbodenverbindungen
| Rohr-Außendurchmesser (mm) | Rohrwand (mm) | Rohrbodenloch-ID (mm) | Durchmesserinterferenz (mm) | Reifendehnung (%) | Risiko von Spannungsrissen | Empfohlener Service |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 8 | 1.0 | 8,0 (null Spiel) | 0 | 0 | Keiner | Benötigt Sekundärdichtung |
| 8 | 1.0 | 8.1 | 0.1 | 1.25 | Keiner | Niedriger-Druck (< 2 barg) |
| 8 | 1.0 | 8.2 | 0.2 | 2.5 | Niedrig (Grenze für Dauerbetrieb) | Allgemeiner Dienst (bis zu 4 barg) |
| 8 | 1.0 | 8.3 | 0.3 | 3.75 | Mäßig (nicht empfohlen) | Nicht empfohlen |
| 10 | 1.0 | 10.0 | 0 | 0 | Keiner | Benötigt Sekundärdichtung |
| 10 | 1.0 | 10.15 | 0.15 | 1.5 | Keiner | Niedriger-Druck |
| 10 | 1.0 | 10.25 | 0.25 | 2.5 | Niedrig (Grenze für Dauerbetrieb) | Allgemeiner Dienst (bis zu 4 barg) |
| 12 | 1.2 | 12.3 | 0.3 | 2.5 | Niedrig (Grenze für Dauerbetrieb) | Allgemeiner Dienst |
Die sekundäre Siegelanforderung
Da die maximale sichere Interferenz für PTFE auf etwa 2,5 % der Umfangsdehnung begrenzt ist, ist die Klemmkraft allein durch die Expansion gering. Bei Betriebstemperatur wird diese Kraft durch Kriechrelaxation weiter reduziert. Für eine zuverlässige langfristige -Leckdichtheit- ist ein sekundärer Dichtungsmechanismus erforderlich.
Die gebräuchlichste Sekundärdichtung ist eine Klemmverschraubung: Das Rohr verläuft durch den Rohrboden und eine Mutter drückt eine PTFE-Zwinge auf den Rohraußendurchmesser. Die Ferrule sorgt für die Abdichtung; Der Rohrboden sorgt für die mechanische Verankerung. Das Übermaß zwischen Rohr und Rohrbodenloch wird dann auf Null (Spielpassung) oder minimal eingestellt, wodurch das Risiko von Spannungsrissen vollständig eliminiert wird.
Zu den alternativen Sekundärdichtungen gehören aufgeweitete Rohrenden, die an einer konischen Rohrbodenfläche anliegen, und O-Ring-Dichtungen in Nuten im Rohrbodenloch. Beide Ansätze entkoppeln die Dichtfunktion von der Rohraufweitungsfunktion.
Thermal-Cycling-Effekt
Jeder Wärmezyklus von Umgebungstemperatur auf Betriebstemperatur fügt dem expandierten Rohrabschnitt einen Dehnungszyklus hinzu. Das PTFE-Rohr dehnt sich radial stärker aus als die Rohrplatte (wenn die Platte aus Metall oder einem anderen Polymer besteht), wodurch sich die Presspassung ändert. Eine bei Raumtemperatur spielfreie Verbindung kann bei Temperatur zu einer Presspassung werden oder umgekehrt.
Das Verbindungsdesign muss diese zyklische Dimensionsänderung berücksichtigen, ohne dass die Dehnungsgrenze von 2,5 % zu irgendeinem Zeitpunkt des Wärmezyklus überschritten wird. Bei PTFE-Rohren in PTFE-Rohrböden dehnen sich die Materialien mit der gleichen Geschwindigkeit aus und die Interferenz ist stabil. Für PTFE-Schläuche in Metall- oder PVDF-Platten muss die unterschiedliche Ausdehnung berechnet werden.
Zusammenfassung
Die maximal zulässige Durchmesserüberschneidung für Verbindungen von PTFE-Rohren -zu -Rohrplatten beträgt 2,5 % des Rohrdurchmessers, was etwa 0,2 mm für Rohre mit 8 mm Außendurchmesser und 0,25 mm für Rohre mit 10 mm Außendurchmesser entspricht. Dieser Grenzwert verhindert Spannungsrisse durch übermäßige Ringdehnung bei erhöhter Temperatur.
Eine zuverlässige Abdichtung erfordert einen sekundären Mechanismus -Kompressionshülse, Bördelverbindung oder O-Ring-, da die begrenzte Interferenz nur eine bescheidene Haltekraft bietet, die mit der Zeit bei Temperatur weiter nachlässt. Wenn Rohr und Rohrboden aus unterschiedlichen Materialien bestehen, muss die Verbindungskonstruktion eine unterschiedliche Wärmeausdehnung berücksichtigen.
Technische Spezifikationen für die Verbindungskonstruktion von PTFE-Rohren{0}}zu-Rohren sind nach Vorlage der Rohrabmessungen, des Rohrbodenmaterials und der Rohrbodendicke, der Betriebstemperatur und des Betriebsdrucks sowie der erforderlichen Lebensdauer verfügbar.
