Schadensbild O-Ring Hitze

Wie vermeide ich Hitzeschäden bei O-Ringen?

#1 Schadensbild: Zu große Hitze

Wirkt zu große Hitze auf einen O-Ring ein, kann dieser je nach Werkstoff rapide seine Dichteigenschaften abbauen. Die Dichtungselemente erreichen nur einen Bruchteil der zu erwartenden Haltbarkeit. Nicht immer liegt es daran, dass von vorneherein ein Werkstoff mit zu geringer Hitzeeignung zum Einsatz kommt. Auch veränderte Betriebsparameter und Kontaktmedien spielen in der Praxis eine wichtige Rolle. Hier erfahren Sie mehr über das Schadensbild und häufige Ursachen. Noch wichtiger für die Praxis: Wirksame Strategien zur Vermeidung hitzebedingter Ausfälle von Dichtungen.

#2 Temperaturbeständigkeit von O-Ringen: Wechselwirkungen beachten

O-Ringe unterliegen an der Verwendungsstelle oft zahlreichen Einflüssen. Dazu zählen die Betriebsparameter an der Dichtstelle wie Druck oder Medien. Gleichzeitig wirkt auch die Umgebungsluft auf die Dichtelemente ein. Stark aufgeheizte Luft kann einen O-Ring erheblich schädigen. Andere heiße Medien können das Verhalten des Werkstoffs noch einmal deutlich verändern.

#3 Schadensmechanismen im Überblick

Experten teilen die Beanspruchungen während der Betriebsphase in diese Kategorien ein:

  • Temperatur und Alterung: In diese Gruppe der Schadensursachen zählen vor allem die Folgen einer zu hohen Dauertemperatur. Zu große Hitze führt häufig zu oberflächlichen Rissen am O-Ring. Daneben kann es zu einer Versprödung kommen. Dann behält der O-Ring eine hohe bleibende Verformung zurück. Das Bild zeigt sich auch, wenn grundsätzlich geeignete O-Ringe ihre Betriebszeit überschritten haben.
  • Medieneinwirkung: Aggressive Medien können ungeeignete Werkstoffe stark zum Quellen bringen. Dann kommt es zur Überfüllung des Dichtspalts mit mechanischen Schäden am O-Ring als Folge. Andersherum können Prozessmedien auch Stoffe aus der Dichtung herauslösen (Extraktion). Das führt zu einem Verlust der elastischen Stoffeigenschaften und einer bleibenden Verformung.

  • Mechanische Belastung: Schon beim Einbau kann es zu Vorschädigungen am O-Ring kommen. Die Gefahr besteht insbesondere, wenn keine geeigneten Montagehilfsmittel zur Verfügung stehen. Dabei kommt es auf zum Dehnen oder Verdrehen. Weitere Schadensmechanismen dieser Kategorie sind die Wirkung von druckbeaufschlagten Medien sowie scharfkantige Einbauräume.

Kommt es zum Versagen eines O-Rings, dann lässt sich das in vielen Fällen nicht auf eine einzige Ursache zurückführen. Viel mehr ergänzen sich die Faktoren. Auch die Einwirkung von Hitze sollte immer im Zusammenhang mit den jeweiligen Kontaktmedien betrachtet werden.

#4 So wirkt die Hitze auf O-Ringe

Übermäßige Hitze bewirkt bei Elastomeren eine Nachvernetzung der Polymerketten. Das macht den O-Ring härter und weniger elastisch. Im Labor zeigt solch ein Dichtungselement entsprechend einen höheren Druckverformungsrest. Für die Dichtstelle heißt das, dass der O-Ring beispielsweise kleine Veränderungen in der Positionierung der Bauteile zueinander nicht mehr ausgleichen kann.

Bei hohen Temperarturen wirken zudem die Umgebungsmedien aggressiver auf Elastomere. Oft laufen dabei Quellung und Extraktion gleichzeitig ab. Das Ergebnis sind Volumenveränderungen, die ebenfalls zum Verlust der Dichtwirkung führen können.

Im Gegensatz zu denen der Hitze sind die Folgen von Tieftemperaturen reversibel. O-Ringe verlieren bei Unterschreiten der Glasübergangstemperatur ihre Elastizität. Bei erneutem Erwärmen stellt sich die Dichtwirkung jedoch wieder ein.

#5 Einfluss des Basiskautschuks

Bereits durch die Wahl des Basiskautschuks gibt der Planer die wesentlichen Beständigkeitseigenschaften eines O-Rings vor. Jeder Kautschuk verfügt über sein eigenes Profil im Hinblick auf Temperaturgrenzen und die Interaktion mit chemischen Medien. Rezepturabhängige Zusatzstoffe können daneben die Temperatureignung eines O-Rings beeinflussen. So sind auch innerhalb eines Basispolymers unterschiedliche Temperaturgrenzen möglich. Ein Beispiel: Langzeitversuche des O-Ring Prüflabors Richter haben gezeigt, dass NBR-O-Ringe in Hitze bis zu 2,5-mal längere Betriebszeiten erreichen können als O-Ringe aus weniger geeigneten NBR-Compounds.

Hier ein Überblick über die Dauertemperaturen von Standard-Dichtungswerkstoffen:

Basispolymer

Maximaltemperatur für eine Betriebsdauer von 1000 Stunden

NBR

120°C

HNBR

150°C

EPDM

150°C

VMQ

200°C

FKM

200°C

FFKM

330°C

Maßgeblich für die Temperaturangaben ist, dass die O-Ringe mindestens 1.000 Stunden eingesetzt werden können. Die Werte gelten nur für Anwendungen ohne die Einwirkung aggressiv wirkender Medien und ohne Druckbelastung. Daher ist die Eignung bestimmter Werkstoffe in Abhängigkeit von den Bedingungen an der Dichtstelle zu prüfen.

#6 Schadensanalyse deckt Hitzeschäden auf

Fällt ein O-Ring während des Betriebs aus, kann das zu erheblichen Schäden führen. Daher ist es umso wichtiger, die richtigen Schlüsse aus dem Versagen eines O-Rings zu ziehen.

#7 Dokumentation im Schadensfall

Zwar ist beim Austausch der defekten Dichtung oft Eile geboten. Denn die betroffene Maschine soll möglichst schnell wieder produktiv einsetzbar sein. Dennoch sollten sich die Mitarbeiter in der Instandhaltung genug Zeit für die Schadensanalyse nehmen. Nur so können sie zielgerichtete Maßnahmen ergreifen, um die Haltbarkeit der Dichtung zu steigern. Insbesondere sollten die folgenden Informationen erfasst werden:

  • Welche Schäden am O-Ring stammen von der Demontage? Sie scheiden als ursächliches Schadensbild aus.
  • Wie sehen die Gegenflächen und Nuten aus? Scharfkantig ausgeführte Bauteile oder Ablagerungen geben wichtige Hinweise.
  • Mit welchen Produkten und Medien kommt der O-Ring in Berührung?
  • Welche Maximaldrücke herrschen im Betrieb und wie stellt sich das Profil der Druckverhältnisse dar?
  • Welche Temperaturen herrschen an der Dichtstelle?
  • Kommen zu den regulären Betriebsbedingungen besondere Reinigungsprozesse mit spezifischen Temperaturen und Medien?

#8 Schadensbild Hitze erkennen

Neben der Betriebssituation gibt auch der O-Ring selbst Hinweise auf die Schadensursache. Hitzeschäden an O-Ringen lassen sich an folgenden Merkmalen erkennen:

  • Oberflächliche Risse vor allem an der wärmezugewandten Seite
  • Versprödung über den gesamten Querschnitt
  • Dauerhafte Verformung

Verschiedene Elastomere zeigen daneben individuelle Hinweise auf zu große Hitze:

  • NBR: Glänzende Oberfläche
  • FKM: Verkleben mit metallischen Dichtflächen
  • EPDM: Rußiger Belag auf der Oberfläche

#9 Das sind die Fehlerschwerpunkte

Ausfälle durch Hitze ergeben sich vor allem dann, wenn die realen Betriebsbedingungen von den Annahmen bei der Auslegung abweichen. Das Bild lässt sich dabei nicht allein auf die Bedingungen während des Standard-Betriebs reduzieren. Hohe Temperaturen spielen auch in Zusammenhang mit Reinigungsprozessen und den jeweiligen Medien eine wichtige Rolle.

CIP und SIP-Verfahren

Beispiel Lebensmittelherstellung: Hier kommen O-Ringe in Kontakt mit pflanzlichen und tierischen Ölen und Fetten oder Aromastoffen. Sie stellen an sich bereits eine hohe Beanspruchung dar. Gleichzeitig verwendet diese Industrie häufig Heißdampfverfahren, um das Wachstum von Mikroorganismen in der Anlage zu bekämpfen. Auch in der Getränkeherstellung oder der Pharmaindustrie finden sich diese Reinigungs- und Sterilisationsverfahren.

Diese CIP- (Cleaning in Place) und SIP-Prozesse (Sterilization in Place) kombinieren chemisch wirksame Reinigungsmedien mit heißem Wasserdampf. Beides stellt O-Ring-Werkstoffe auf die Probe. Anforderungen an das Hygienic Design solcher Produktionsanlagen schreiben außerdem eine besondere Gestaltung der Einbauräume vor. Die Reduzierung von Toträumen führt zu Nuten mit einem höheren Füllgrad. Ziehen sich die Dichtungen nach einer hitzebedingten Ausdehnung erneut zusammen, kann es dazu kommen, dass Teile abgeschert werden.

Veränderte Betriebsbedingungen

Bei der Auslegung einer Dichtung nehmen die Ingenieure im Idealfall die Gesamtheit der Betriebsbedingungen in Betracht. Sie wägen Temperaturen, Medien, Drücke ab und wählen eine geeignete Dichtung. Dazu zählt nicht nur die Auswahl des geeigneten O-Ring-Werkstoffs, sondern auch die Abmessungen der Dichtung. Zudem definieren sie die passende Ausführung der Einbaunut.

Diese Sorgfalt wirkt jedoch nur so lange, wie sich die Annahmen im realen Betrieb bestätigen. Das ist zwar anfänglich oft der Fall, doch später ändern sich nicht selten die Betriebsparameter von Maschinen und Anlagen. Anpassungen in der Prozessführung können nicht nur in höheren Temperaturen resultieren, sondern auch im Einsatz chemisch aggressiverer Medien. Damit kommen vorher ausreichende O-Ringe oft an ihre Belastungsgrenze.

#10 Lösungsansätze für die Praxis

Um hitzebedingte Schäden an O-Ringen zu vermeiden, sollten Sie auf zwei Maßnahmen setzen: Versagt eine Dichtung, zeigt die Analyse, welche Schadensmechanismen auf den O-Ring einwirken. Daraus lassen sich wertvolle Rückschlüsse für eine verbesserte Werkstoffauswahl schließen. Auch andere Elemente des Dichtsystems wie die Nutgestaltung lassen sich verbessern. Bei der Gestaltung eines neuen Dichtungssystems sollten Temperaturen und Medien in ihrem Zusammenwirken bedacht werden. Verändern sich die Betriebsparameter, sollte proaktiv die Eignung der verwendeten Dichtungen geprüft werden. Die richtige Auswahl des Dichtungswerkstoffs kann die Betriebszeiten eines O-Rings um ein Vielfaches verlängern.

Luke Williams
Luke Williams

AUTOR DER DICHTUNGSAKADEMIE

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