DE102008014218A1

DE102008014218A1 - Keramische Dichtungen für Rohrverschraubungen

Info

Publication number: DE102008014218A1
Application number: DE200810014218
Authority: DE
Inventors: Peter Gröner; Wolfgang Dr.h.c. Leonhardt; Martin Barnickel; Wolfgang Dr. Burger
Original assignee: OXIMATEC GmbH
Current assignee: OXIMATEC GmbH
Priority date: 2008-03-15
Filing date: 2008-03-15
Publication date: 2009-09-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Dichtring zwischen 2 Flanschen bei der Abdichtung von Rohrverschraubungen. Dabei soll die Verbindung zwischen den Flanschen und der keramischen Dichtung spaltfrei sein, damit eine gute und wenig aufwändige Reinigung ohne Segmentierung der Verschraubungen möglich ist.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Dichtungselemente aus Hochleistungskeramik für die leckagefreie Verschraubung von Rohren, sog. „Milchrohrverschraubungen” aus Stahlwerkstoffen.
In der pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie sind sog. Milchrohrverschraubungen aus Edelstahlrohren vielfältig im Einsatz. Am Markt wird eine Vielzahl von unterschiedlichen Geometrien angeboten. Neben langen, im Durchmesser unterschiedlichen Rohren findet man Bögen mit unterschiedlichen Krümmungsradien. Damit können die unterschiedlichsten Transportwege unter extrem sauberen bis hin zu sterilen Bedingungen garantiert werden. Um eine Abdichtung bei der Verschraubung der Rohre zu garantieren wird zwischen die Flansche nach dem Stand der Technik eine O-Ring-Dichtung eingebaut.
Die O-Ringdichtungen selbst bestehen nach dem Stand der Technik aus Elastomeren und garantieren eine hohe Dichtigkeit auch bei Drücken von über 5 bar. Aufgrund der hohen Kräfte, die zur Abdichtung von Milchrohrverschraubungen angewendet werden ist die Standzeit der heute eingesetzten Elastomer-O-Ringe begrenzt.
Die Langzeitbeständigkeit der heute eingesetzten O-Ringe ist nicht gegeben. Aufgrund ihrer nur bedingten chemischen Beständigkeit werden sie durch das Fördermedium verändert. Außerdem sind die heute einzusetzenden O-Ringe auf das zu fördernde Medium abzustimmen; d. h. für ölhaltige Medien sind andere O-Ringe einzusetzen, als für wasserhaltige.
Als weiterer Nachteil der zum Stand der Technik zählenden Rohrverschraubungen ist der Spalt zwischen den zu verschraubenden Rohren zu nennen. Dieser Spalt ergibt sich durch den Einsatz der elastomeren O-Ringe. Dieser Spalt wirkt sich nicht negativ auf die Abdichtung der Verbindungen aus. Aber wegen dieses technisch bedingten Spaltes ist die Reinigung der Verbindung problematisch. Um hier eine saubere Reinigung zu erzielen müssen die einzelnen Verbindungen bei Produktwechsel auseinander geschraubt, gereinigt und wieder zusammengefügt werden. Insbesondere wenn es um die sterile Förderung geht, ist die heutige Lösung mit O-Ringen aus Elastomeren – wegen der schlechten Sterilisierbarkeit und mangelnden chemischen Beständigkeit – problematisch.
Zur Lösung dieser Problematik schlägt die vorliegende Erfindung den Einsatz von lebensmittelbeständigen, korrosionsresistenten und gut sterilisierbaren Hochleistungs keramiken als Dichtungselement zwischen Stahlverschraubungen, insbesondere Edelstahlverschraubungen, vor.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde keramische Werkstoffe und Bauteile zu entwickeln und zu qualifizieren, welche den Anforderungen nach einer Deformierbarkeit unter Druckbelastung Stand halten. Die vorliegende Erfindung geht einerseits von dem Ansatz aus, dass die Edelstahlflansche auf die einzusetzende Dichtung angepasst werden. Bei diesem Ansatz können keramische Werkstoffe, wie sie heute am Markt verfügbar sind, eingesetzt werden. Dabei ist insbesondere auf die genaue Passung zu achten und eine Spaltbildung zu vermeiden.
Als weiterer Lösungsansatz wurde überraschenderweise gefunden, dass neuartige keramische Werkstoffe mit einer hohen Bruchzähigkeit und vergleichsweise niedrigen Härte zwischen 2 Metallflansche so eingedrückt werden können, damit eine Spaltbildung von bis zu 0,2 mm zwischen den zu verbindenden Flanschen eliminiert werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabenstellung über den Einsatz von hochzähen Werkstoffen, wie z. B. ein mit Ceroxid stabilisiertem Zirkoniumdioxidwerkstoff, ein mit Plättchen und Aluminiumoxid verstärktem Zirkoniumdioxidwerkstoff bzw. mit einem „in situ”-plättchenverstärkten Aluminiumoxidwerkstoff.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die keramischen Werkstoffe nicht bis hin zur theoretischen Enddichte gesintert, sondern lediglich bis hin zur geschlossenen Porosität. Durch diesen Ansatz wird die Deformierbarkeit weiter gesteigert und die Härte entsprechend reduziert, ohne dass sich diese auf die Sterilisierbarkeit und das Verhalten im Einsatz negativ auswirken. Neben der besseren Deformierbarkeit ist die erleichterte Hartbearbeitung dieser Bauteile vorteilhaft.
Als geeignete Herstellverfahren haben sich das Press/Fräs-(Dreh-)verfahren und das Spritzgießen von plastifizierten Pulvern herauskristallisiert. Welches der beiden Verfahren vorzugsweise angewendet wird hängt von der Geometrie der Bauteile ab.
Vielfach handelt es sich bei den Dichtungsringen aus Hochleistungskeramik um relativ einfache zylindrische Bauteile. Diese können in einem entsprechenden Presswerkzeug geometrisch endkonturnah abgeformt werden.
Die erfindungsgemäße Dichtung in Rohrverschraubungen eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen, die eine extrem saubere, bis hin zur steriler Umgebung erfordern. Vorzugsweise wird diese Verbindungstechnik bei der Förderung von Milch und Milchprodukten, Fruchtsäften, bei der Förderung von Produkten in der pharmazeutischen Industrie, etc. eingesetzt.
Eine Limitierung auf die vorgenannten Anwendungen gibt es nicht. Im nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine erfindungsgemäße Abdichtung von Milchrohrverschaubungen näher beschrieben.
Hierfür ist ein ceroxidstabilisiertes Zirkoniumdioxid hergestellt worden, welches über eine Press-Fräsfertigung in eine endkonturnahe Form gebracht worden ist, Nach dem Sinterprozess wurde dieser zylindrische Ring mittels Diamantbearbeitung in seine endgültige Geometrie im Außen- und Innendurchmesser gebracht und anschließend wurden die Stirnflächen planparallel geschliffen. Die dazugehörigen Flansche (DN40) sind über eine spanabhebende Bearbeitung auf das Keramikbauteil derart angepasst worden, dass zwischen den beiden Flanschen noch ein Spalt von 0,2 mm vorhanden war (1–3). Über die Anwendung einer entsprechenden Kraft bis zu einem Drehmoment von 15 Nm wurde der Spalt geschlossen.
Zwecks Prüfung der Dichtigkeit ist die so hergestellte Verbindung zunächst mit einem Luftdruck von 8 bar in einem Wasserbad getestet worden. Als Ergebnis zeigte sich eine absolute Dichtigkeit; eine Blasenbildung konnten nicht beobachtet werden.
Der Versuch wurde wiederholt, jedoch erfolgte die Druckbelastung von 12 bar in diesem Fall nicht mit Luft, sondern mit Wasser. Auch in diesem Fall konnte kein Wasserleck detektiert werden.
Nach Beendigung der Versuche ist die Verbindung aufgeschraubt worden. An der keramischen Dichtung konnte – trotz der Deformation von 0,2 mm – kein Schaden festgestellt werden. Der Versuch wurde mehrfach wiederholt.

Claims

Abdichtung von Rohrverschraubungen dadurch gekennzeichnet, dass Hochleistungskeramik als Dichtung eingesetzt wird.
Abdichtung von Rohrverschraubungen gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Dichtung über spanabhebende Bearbeitung der zu verbindenden Flansche passgenau eingepasst wird.
Abdichtung von Rohrverschraubungen gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Edelstahlflansche spaltfrei zusammengefügt werden.
Abdichtung von Rohrverschraubungen gemäß Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material eine hohe Bruchzähigkeit aufweist
Abdichtung von Rohrverschraubungen gemäß Anspruch 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik eine Zirkoniumdioxidmatrix aufweist.
Abdichtung von Rohrverschraubungen gemäß Anspruch 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik eine Aluminiumoxidmatrix mit darin homogen verteilten „in situ” gebildeten hexagonalen Plättchen enthält.
Abdichtung von Rohrverschraubungen gemäß Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Bauteil bis zur Gasdichtigkeit und höherer Dichte gesintert wird.
Verfahren zur Herstellung von keramischen Dichtungen gemäß Ansprüchen 1–7 für Rohrverschraubungen durch Pressen eines Formkörpers, mechanische Bearbeitung dieses Formkörpers, Sintern und anschließende Nachbearbeitung mit Diamantwerkzeugen.
Verfahren zur Herstellung von keramischen Dichtungen gemäß Ansprüchen 1–7 über die endkonturnahe Formgebung mittels endkonturnahem Pressen in eine Form gefolgt von einem Sinter- und ggf. einer Nachbearbeitung mittels Diamantwerkzeugen.
Verfahren zur Herstellung von keramischen Dichtungen gemäß Ansprüchen 1–7 über die endkonturnahe Formgebung mittels keramischem Spritzgussverfahren, Entbinderung und Sintern und ggf. einer Nachbearbeitung mit Diamantwerkzeugen.
Verwendung von keramischen Dichtungen in Rohrverschraubungen zum Transport von empfindlichen Produkten und extrem sauberer Umgebung im abgeschlossenen System.
Verwendung einer keramischen Dichtung gemäß Ansprüchen 1–7 und 11 in Rohrverschraubungen zum Transport von Fruchtsäften, Milch, Milchprodukten und anderen Lebensmitteln.
Verwendung von keramischen Dichtungen gemäß Ansprüchen 1–7 und 11 in Milchrohrverschraubungen zum Transport von Substanzen in der chemischen und pharmazeutischen Industrie.