Hochtemperatur O-Ringe und Hitzeschäden

Hitzeschaden am O-Ring: das Schadensbild

Wirkt zu große Hitze auf einen O-Ring ein, baut dieser je nach Werkstoff rapide seine Dichteigenschaften ab. Das Dichtungselement erreicht dann nur einen Bruchteil der erwarteten Haltbarkeit. Nicht immer liegt das daran, dass von vornherein ein Werkstoff mit zu geringer Hitzeeignung zum Einsatz kommt.

Auch veränderte Betriebsparameter und Kontaktmedien spielen in der Praxis eine wichtige Rolle. In diesem Beitrag erfahren Sie mehr über das Schadensbild, die häufigsten Ursachen und die wirksamsten Strategien zur Vermeidung hitzebedingter Ausfälle Ihrer Dichtungen.

Temperaturbeständigkeit: Wechselwirkungen beachten

O-Ringe unterliegen an der Einbaustelle oft zahlreichen Einflüssen gleichzeitig. Dazu zählen die Betriebsparameter an der Dichtstelle wie Druck und Medien. Gleichzeitig wirkt auch die Umgebungsluft auf das Dichtelement ein.

Stark aufgeheizte Luft kann einen O-Ring erheblich schädigen. Andere heiße Medien verändern das Verhalten des Werkstoffs noch einmal deutlich. Die Hitzebeständigkeit eines O-Rings lässt sich deshalb nie isoliert beurteilen, sondern immer im Zusammenspiel mit Medium und Druck.

Schadensmechanismen im Überblick

Fachleute teilen die Beanspruchungen während der Betriebsphase in drei Kategorien ein:

• Temperatur und Alterung: Hierzu zählen vor allem die Folgen einer zu hohen Dauertemperatur. Zu große Hitze führt häufig zu oberflächlichen Rissen am O-Ring. Daneben kommt es zu einer Versprödung. Dann behält der O-Ring eine hohe bleibende Verformung zurück. Dasselbe Bild zeigt sich, wenn grundsätzlich geeignete O-Ringe ihre Betriebszeit überschritten haben.
• Medieneinwirkung: Aggressive Medien bringen ungeeignete Werkstoffe stark zum Quellen. Dann kommt es zur Überfüllung des Dichtspalts mit mechanischen Schäden am O-Ring als Folge. Andersherum lösen Prozessmedien auch Stoffe aus der Dichtung heraus, das nennt man Extraktion. Die Folge ist ein Verlust der elastischen Eigenschaften und eine bleibende Verformung.
• Mechanische Belastung: Schon beim Einbau kommt es zu Vorschädigungen, besonders wenn keine geeigneten Montagehilfsmittel zur Verfügung stehen. Dabei wird der O-Ring überdehnt oder verdreht. Weitere Mechanismen dieser Kategorie sind druckbeaufschlagte Medien sowie scharfkantige Einbauräume.

Versagt ein O-Ring, lässt sich das in vielen Fällen nicht auf eine einzige Ursache zurückführen. Vielmehr ergänzen sich die Faktoren. Auch die Einwirkung von Hitze sollte immer im Zusammenhang mit dem jeweiligen Kontaktmedium betrachtet werden.

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 ein solches Dichtungselement entsprechend einen höheren Druckverformungsrest. Für die Dichtstelle heißt das: Der O-Ring kann kleine Veränderungen in der Positionierung der Bauteile zueinander nicht mehr ausgleichen.

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

Im Gegensatz zu den Folgen der Hitze sind die Folgen von Tieftemperaturen reversibel. O-Ringe verlieren beim Unterschreiten der Glasübergangstemperatur ihre Elastizität. Beim erneuten Erwärmen stellt sich die Dichtwirkung jedoch wieder ein. Hitzeschäden bleiben dagegen dauerhaft.

Einfluss des Basiskautschuks

Bereits mit der Wahl des Basiskautschuks gibt der Konstrukteur die wesentlichen Beständigkeitseigenschaften eines O-Rings vor. Jeder Kautschuk hat sein eigenes Profil im Hinblick auf Temperaturgrenzen und das Verhalten gegenüber chemischen Medien.

Rezepturabhängige Zusatzstoffe beeinflussen die Temperatureignung zusätzlich. So sind auch innerhalb desselben Basispolymers unterschiedliche Temperaturgrenzen möglich. Langzeitversuche zeigen, dass O-Ringe aus geeigneten Compounds in Hitze ein Vielfaches der Betriebszeit weniger geeigneter Mischungen erreichen.

Der folgende Überblick zeigt Richtwerte für die Dauertemperatur gängiger Dichtungswerkstoffe bei einer Betriebsdauer von rund 1.000 Stunden:

Richtwerte ohne Einwirkung aggressiver Medien und ohne Druckbelastung. Maßgeblich für Ihre Anwendung ist die Eignung unter den realen Bedingungen an der Dichtstelle.

Werkstoffwahl für hohe Temperaturen

Steht die Hitzebeständigkeit im Vordergrund, kommen vor allem fluorhaltige Werkstoffe in Frage. Die folgenden Einsatztemperaturen gelten für unsere Werkstoffe:

Werte aus den NH O-RING Werkstoffdaten. Maßgeblich für die Auslegung ist stets das jeweilige Datenblatt.

FFKM ECOLAST für die höchsten Temperaturen

FFKM ist der Werkstoff der Wahl, wenn weder FKM noch FEP die geforderte Dauertemperatur erreichen. Unsere Eigenmarke ECOLAST deckt im Standard −20/+270 °C ab. Die Hochtemperatur-Typen erreichen bis +330 °C, einzelne Spitzentypen +340 °C. Damit bleibt FFKM auch dort dicht, wo Standardelastomere längst verhärtet sind.

FKM als wirtschaftlicher Allrounder

FKM O-Ringe sind bis −25/+200 °C einsetzbar, die Type EX40 erweitert den Bereich auf −40/+225 °C. Für viele Anwendungen mit moderater Hitze ist FKM die wirtschaftlichste Lösung mit hoher Medienbeständigkeit.

FEP-ummantelt und PTFE für besondere Fälle

FEP-ummantelte O-Ringe vereinen eine chemisch sehr widerstandsfähige FEP-Hülle mit einem elastischen Kern und sind bis +205 °C einsetzbar. PTFE als Vollmaterial deckt einen extrem breiten Bereich von −250/+250 °C ab, bringt jedoch nur eine geringe Eigenelastizität mit und eignet sich daher vor allem für statische Dichtstellen.

Schadensanalyse deckt Hitzeschäden auf

Fällt ein O-Ring während des Betriebs aus, kann das zu erheblichen Folgeschäden führen. Umso wichtiger ist es, die richtigen Schlüsse aus dem Versagen zu ziehen.

Dokumentation im Schadensfall

Beim Austausch der defekten Dichtung ist oft Eile geboten, weil die Maschine schnell wieder produktiv sein soll. Dennoch sollte sich die Instandhaltung genug Zeit für die Schadensanalyse nehmen. Nur so lassen sich gezielte Maßnahmen ergreifen, um die Haltbarkeit zu steigern. Erfassen Sie insbesondere:

• Welche Schäden stammen von der Demontage? Sie scheiden als Ursache aus.
• Wie sehen Gegenflächen und Nuten aus? Scharfe Kanten oder Ablagerungen geben Hinweise.
• Mit welchen Produkten und Medien kommt der O-Ring in Berührung?
• Welche Maximaldrücke herrschen und wie sieht das Druckprofil aus?
• Welche Temperaturen herrschen an der Dichtstelle?
• Kommen besondere Reinigungsprozesse mit spezifischen Temperaturen und Medien hinzu?

Schadensbild Hitze erkennen

Neben der Betriebssituation gibt auch der O-Ring selbst Hinweise auf die Ursache. Hitzeschäden erkennen Sie an folgenden Merkmalen:

• oberflächliche Risse vor allem an der wärmezugewandten Seite
• Versprödung über den gesamten Querschnitt
• dauerhafte Verformung

Verschiedene Elastomere zeigen daneben werkstofftypische Hinweise auf zu große Hitze:

• NBR: glänzende Oberfläche
• FKM: Verkleben mit metallischen Dichtflächen
• EPDM: rußiger Belag auf der Oberfläche

Die typischen Fehlerschwerpunkte

Ausfälle durch Hitze entstehen vor allem dann, wenn die realen Betriebsbedingungen von den Annahmen bei der Auslegung abweichen. Das Bild lässt sich nicht allein auf den Standardbetrieb reduzieren. Hohe Temperaturen spielen auch im 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, Fetten oder Aromastoffen. Das ist bereits eine hohe Beanspruchung. Gleichzeitig nutzt diese Industrie häufig Heißdampfverfahren, um das Wachstum von Mikroorganismen zu bekämpfen. Auch in der Getränke- und Pharmaindustrie sind diese Reinigungs- und Sterilisationsverfahren verbreitet.

CIP-Prozesse (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 schreiben außerdem eine besondere Gestaltung der Einbauräume vor. Die Reduzierung von Toträumen führt zu Nuten mit höherem Füllgrad. Ziehen sich die Dichtungen nach einer hitzebedingten Ausdehnung wieder zusammen, können Teile abgeschert werden. Für Dampf und Heißwasser empfehlen wir FFKM-Typen, mehr dazu im Beitrag zu Heißwasser O-Ringen.

Veränderte Betriebsbedingungen

Bei der Auslegung berücksichtigt der Konstrukteur im Idealfall die Gesamtheit der Betriebsbedingungen: Temperaturen, Medien und Drücke. Auf dieser Grundlage wählt er Werkstoff, Abmessung und Nutgestaltung. Diese Sorgfalt wirkt jedoch nur so lange, wie sich die Annahmen im realen Betrieb bestätigen.

Anfänglich ist das oft der Fall, doch später ändern sich die Betriebsparameter von Maschinen und Anlagen nicht selten. Anpassungen in der Prozessführung können nicht nur höhere Temperaturen bedeuten, sondern auch den Einsatz aggressiverer Medien. Damit kommen vorher ausreichende O-Ringe an ihre Belastungsgrenze.

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 eingewirkt haben. Daraus lassen sich wertvolle Rückschlüsse für eine bessere Werkstoffauswahl ziehen. Auch andere Elemente des Dichtsystems wie die Nutgestaltung lassen sich verbessern. Beim Entwurf eines neuen Dichtsystems sollten Temperaturen und Medien immer in ihrem Zusammenwirken bedacht werden.

Verändern sich die Betriebsparameter, sollten Sie die Eignung der verwendeten Dichtungen proaktiv prüfen. Die richtige Werkstoffwahl kann die Betriebszeit eines O-Rings um ein Vielfaches verlängern. Eine vertiefte Übersicht aller Schadensbilder finden Sie im Beitrag zu den Schadensursachen an O-Ringen.

Häufige Fragen