Thermisch geschädigter O-Ring (Bild: O-Ring Prüflabor Richter GmbH)

30.06.2017 Schäden erkennen und vermeiden

Thermische Überbeanspruchung

von Dipl.-Ing. Bernhard Richter (O-Ring Prüflabor Richter GmbH), Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Blobner (O-Ring Prüflabor Richter GmbH)

Dichtungen werden aus den verschiedensten Gründen in der Praxis geschädigt. Neben dem Erkennen der Schadensursache werden dann mögliche Abhilfemaßnahmen wichtig – für die Instandhaltung, aber auch bei der Erstausrüstung von Anlagen mit Dichtungen.

Bei der thermischen Überbeanspruchung von Dichtungen ist selten die Temperatur allein das Problem, sondern meistens die falsche Kombination aus Temperatur und Zeit. Im Gegensatz zu Metallen haben Polymere deutlich niedrigere Einsatztemperaturen. Bei Kunststoffen lassen sich maximal zulässige Dauertemperaturen einfach über den Schmelzpunkt definieren, während dies bei Elastomeren etwas schwieriger ist, weil diese keinen Schmelzpunkt besitzen. Wäre die Zersetzungstemperatur von Elastomeren das Grenzkriterium, käme man auf sehr kurze zulässige Einsatzzeiten. Deswegen hat sich im Allgemeinen die Vorgehensweise durchgesetzt, dass man als zulässige Dauertemperatur die Temperatur bezeichnet, bei der ein Elastomer mindestens 1.000 h eingesetzt werden kann. Das Grenzkriterium ist meist der Verlust an Elastizität, so darf die Reißdehnung nach 1.000 h in Heißluft (bei der max. Dauereinsatztemperatur) um nicht mehr als 50% im Vergleich zu den Ausgangswerten abnehmen.

Schadensbild: Bei einer thermischen Überbeanspruchung über lange Zeit hinweg versprödet der O-Ring bzw. die Dichtung über den ganzen Querschnitt. Beim Biegen zeigen sich die Risse bevorzugt zur Luftseite hin oder an den Dichtflächen, an welchen die Wärmezufuhr erfolgte (Bild 1).Bei EPDM-Compounds, deren Basispolymer nur aus Kohlen- und Wasserstoff besteht, zeigt sich nach Überhitzung i.d.R. eine rußige Oberfläche, die beim Reiben mit dem Finger leicht abfärbt bzw. schmiert. Dichtungen aus NBR-Kautschuk (Bild 2) bekommen nach thermischer Überbeanspruchung eine glänzende Oberfläche, FKM-Elastomere verkleben dagegen mit der meist metallenen Gegenfläche. Kurzzeitige starke Überhitzungen führen zu feinen tiefen Rissen (Schalenbildung bzw. Versprödung (Bild 3) nur im Randbereich), die sich erst beim Ziehen oder Biegen der Dichtungen zeigen, ohne dass die Dichtung insgesamt versprödet. Durch die zeitlich kurze Belastung und die isolierende Wirkung des Gummimaterials kann die zu hohe Temperatur die inneren Bereich noch nicht sichtbar schädigen.
Das Schadensbild „Überhitzung“ ist nicht immer leicht von einem chemischen Angriff abzugrenzen. Bei letzterem finden sich Risse bevorzugt auf der Produktseite, die Dichtung selbst ist oft noch elastisch, bricht aber bei starkem Biegen oder Ziehen.

Problematische Bereiche: Bei einer Langzeitüberhitzung wird die ganze Dichtung – wie in einer beschleunigten Heißluftalterung – eher homogen geschädigt. Bei einer Kurzzeitüberhitzung wird oft nur der Bereich geschädigt, an welchem die übermäßige Temperatur einwirkte.

Prävention: Die Beantwortung folgender Fragen kann dem Praktiker helfen, solche Schäden zu vermeiden:

Sind die tatsächlichen Temperaturbelastungen der Anwendung bekannt?
Welche max. Dauergebrauchstemperatur hat der verwendete elastomere Werkstoff?
Gibt es Temperaturspitzen? Wie hoch, wie lange?
Entstand die Überhitzung durch fehlende Schmierung? (z.B. Überhitzung einer Gleitringdichtung an den Anlageflächen des Gleitringes durch trockenen Anlauf)
Findet ein Energieeintrag statt, z.B. durch Schwingungen, der dann zu einer inneren Erwärmung führt?

Praxistipp: Erfahrungsgemäß werden rezepturbedingte Einflüsse unterschätzt. Bereits Heißluftalterungen über ein bis zwei Wochen oder entsprechend lange Druckverformungsrestversuche reichen aus, um aufzuzeigen, ob tatsächlich ein guter Stand der Technik bei der jeweiligen Mischung vorliegt (Vergleich mit Rezepturvorgaben aus ISO 3601-5 empfehlenswert).

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Thermisch geschädigter O-Ring, komplett durchgehärtet, beim Biegen Risse an Anlageflächen sichtbar (Bild: O-Ring Prüflabor Richter GmbH) Versionen verwalten Eine Ebene nach oben Untergeordnete Einträge (0) Die Klasse <Image> kann keine Unterelemente enthalten.

Querschnitt eines stark überhitzten O-Rings (kurze Betriebszeit) durch trockenen Anlauf einer Gleitringdichtung, auffällig sind bleibende Verformung und nur lokale Versprödung, der Kern ist noch voll elastisch (Bild: O-Ring Prüflabor Richter GmbH)