Leckagedaten nach EN 13555

Leckagediagramme und Tabellen, die Sie auf den Datenblättern von gasketdata.org finden, sind mittlerweile der weltweite Standard wenn es um die Darstellung von Leckagekennwerten geht. Trotzdem sorgt die Darstellung immer wieder für Fragezeichen bei den noch nicht so geübten Anwendern. Diese Seite ist ein Versuch die Darstellung zu erklären. Wenn Sie Anmerkungen hierzu haben, wenden Sie sich gerne damit an uns, z.B. über das Kontaktformular.

Prüfung von Q_min(L)/Q_Smin(L) auf dem Teststand

Um zu verstehen warum die Darstellung der Leckagedaten so gewählt wurde, ist es hilfreich zunächst den Versuchsablauf zur Ermittlung der Leckagedaten zu betrachten. Jedes Leckagediagramm stellt die Daten von nur einem Prüfstandsversuch mit einer einzigen Dichtung dar.¹ Der Verlauf des Prüfstandsversuches ist in dem nachfolgenden Diagramm dargestellt. ²

Diagramm 1: Verlauf der Prüfung

Das Diagramm stellt den Versuchsablauf in Form des Flächenpressungsverlaufes und dem aufgebrachten Innendruck über die Versuchsdauer in Sekunden dar.

Die Prüfung nach der Norm EN 13555 sieht die Verwendung von Helium als Prüfgas bei einem Druck von 40 bar und die Messung bei Raumtemperatur vor. Von 40 bar wird bei bestimmten Dichtungen abgewichen, falls der Einsatzzweck einen so hohen Druck für das Material nicht vorsieht. Für Dichtungen die ein breiteres Einsatzspektrum haben, werden auch mehrere Drücke geprüft (z.B. 10, 40 und 160bar). In der Norm sind auch Flächenpressungen genannt, bis zu denen die Dichtung belastet wird um eine Leckagemessung vorzunehmen. Auf die Belastung folgt üblicherweise eine Entlastung (in mehreren Stufen) um auch dort die Leckage zu messen. Die erste Flächenpressung ist dort mit 5 MPa genannt, die höchste mit 160 MPa bzw. nur so hoch, dass die Dichtung nicht überlastet wird (also <= Q_Smax) . Die Leckagemessung wird durch entweder Massenspektrometrie, Massendurchflussmessung oder Druckabfallmethode bei der jeweiligen Flächenpressungsstufe bestimmt, bis die Leckage konstant ist (<= 2% über 20 Minuten).

Praktisch umgesetzt wird die Prüfung, indem die Dichtung in eine Prüfanlage eingebaut wird, die einem Flansch nachempfunden ist. Die Flächenpressung wird hierbei jedoch nicht mit Schrauben, sondern mit einem Hydraulikzylinder aufgebracht und kann gehalten und verändert werden. Der Innenraum, der im realen Einsatz das Rohr darstellt, wird im Prüfstand zunächst evakuiert und dann mit Helium bis zu dem angegebenen Druck befüllt. Zwischen dem äußeren Rand der Flansche und dem Außendurchmesser der Dichtung ist eine zusätzliche Abdichtung, z.B. ein O-Ring, damit das Helium, das über und durch die Dichtung aus dem Innenraum entweicht, gesammelt und gemessen werden kann.

In dem Diagramm ist zu erkennen, dass die nach Norm definierte 5 MPa-Flächenpressungsstufe als Anfangsbelastung nicht verwendet wird. Dieses kommt durchaus vor, da bestimmte Dichtungen bei solch geringen Flächenpressungen noch keine ausreichende Dichtleistung aufweisen. Hier wurde daher direkt auf 10 MPa belastet, die Leckage gemessen, die Belastung auf 20 MPa erhöht, wiederum die Leckage gemessen, entlastet auf 10 MPa und auch dort wieder die Leckage gemessen. Es folgt eine Belastung auf 40 MPa und Entlastung auf 20 und 10 MPa, jeweils mit Leckagemessung. Leckagedaten sind in diesem Diagramm aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Messprozedur wurde in diesem Beispiel bis 160MPa fortgeführt. Der Q_Smax dieser Dichtung sollte also mindestens 160MPa sein. Der Druckverlauf zeigt, dass die 40 bar Innendruck am Anfang aufgegeben und über die gesamte Prüfung hinweg gehalten wurde.

Ergebnisdarstellung im Leckagediagramm

Die Daten aus dem Prüfablauf werden programmatisch verarbeitet und in die folgende Ansicht übertragen. Das folgende Diagramm zeigt den Verlauf der Leckage über die anfgefahrenen Flächenpressungsstufen.

Diagramm 2: Leckagediagramm

Die dargestellten Verläufe und Punkte sind farblich voneinander abgegrenzt, um die Zuordnung zu den in der nächsten Tabelle dargestellten Werte zu ermöglichen und zu vereinfachen.

In lila dargestellt ist der sogenannte Belastungsast, in grün sind die Entlastungsäste dargestellt. Die Punkte in Lila und Grün stellen die angefahrenen Flächenpressungen und die an diesem Punkt gemessene Leckage dar. Zwischen diesen Punkten existieren keine Messdaten, dort wird für die Darstellung im Diagramm einfach interpoliert. Rosa dargestellt sind jeweils die Schnittpunkte mit einer Dichtheitsklasse (L_N), z.B. L_0,01, die sich (in der Regel) aus der Interpolation ergeben.

Wird nur der Belastungsast (lila) betrachtet, so erkennt man einen Verlauf über alle Flächenpressungen, die im ersten Diagramm jeweils die oberen Plateaus vor einer Entlastung bilden. Die niedrigeste Flächenpressung ist hier die Flächenpressung, bei der die Prüfung mit der ersten Leckagemessung startet (hier 10MPa), die höchste ist hier 160 MPa.

Die grünen Entlastungsäste gehen immer von dem Belastungsast aus und werden üblicherweise bis zur untersten Flächenpressung fortgeführt. Entlastungen fangen hier bei 20, 40, 60, 80, 100 und 160 MPa an.

Das Diagramm kann auf unterschiedliche Weise gelesen und genutzt werden: Angenommen die Einbauflächenpressung für das dargestellte Dichtmaterial soll 60 MPa sein und der P_QR-Werte bei Raumtemperatur sei 0,5, so blieben nach der Montage noch 30 MPa Flächenpressung nach Anpassung der Dichtung übrig. Hierbei würde die Dichtheitsklasse L_0,001 eingehalten. Ist die Forderung, dass die Dichtheitsklasse L_0,0001 eingehalten werden soll, so muss zunächst auf dem Belastungsast ein Punkt gesucht werden, der bereits unterhalb der geforderten Dichtheitsklasse liegt und von dem eine Entlastung ausgeht. Das wären in diesem Beispiel 80, 100 und 160 MPa. Bei den angenommenen 0,5 für den P_QR dieser Dichtung blieben 40 MPa nach Montage bei 80 MPa und die Dichtheitsklasse L_0,0001 würde sicher eingehalten werden. Erst wenn die Flächenpressung bei Montage mit 80 MPa unterhalb von 20 MPa läge, würde die Dichtheitsklasse L_0,0001 überschritten.

Dazugehörige Leckagedaten-Tabelle

In der nachfolgenden Tabelle sind die Daten des Diagramms in Werten aufgeführt. Auf der linken Seite ist die Dichtheitsklasse (L) und die Mindestflächenpressung bei Montage (Q_min(L)) eingetragen. Horizontal finden sich die Mindestflächenpressung im Betrieb (Q_Smin(L)) und die Flächenpressungen (Q_A) von denen eine Entlastung ausgeht.

Tabelle 1: Tabellierte Leckagedaten

Die farbliche Darstellung korrespondiert mit der aus dem Diagramm 2. Die lila umrahmten Felder stellen die Daten dar, die aus dem Belastungsast gewonnen werden. Diese sind im Zusammenhang mit der daneben stehenden Dichtheitsklasse (L) zu sehen und bedeuten, dass bei Montage mindestens die Flächenpressung (Q_min(L)) erreicht werden muss, um die daneben stehende Dichtheitsklasse (L) einzuhalten. Aus der farblichen Darstellung soll ersichtlich werden, dass die in rosa dargestellten Werte die Schnittpunkte aus dem Belastungsast darstellen. Unterhalb der Q_A-Werte, die die Flächenpressungen definieren von denen eine Entlastung stattgefunden hat, sind die Q_Smin(L)-Werte zu den jeweiligen Entlastungsästen aufgeführt. Diese Werte definieren die Mindestflächenpressungen im Betrieb, die nach der Entlastung der Dichtung noch vorhanden sein müssen um die Dichtheitsklasse (L) einzuhalten.

Beispielhafte Betrachtung in Zusammenhang mit Diagramm 2 mit Entlastung von 60 MPa: Die Belastung startet bei 10 MPa. Die nächste Belastungsstufe ist bei 20 MPa. Interpoliert zwischen den Leckageergebnissen beider Punkte, ergibt sich ein Schnittpunkt mit L = 1E-1 und Q_min(L) = 20 MPa. Die weitere Belastung von 20 auf 40 MPa führt zu einem Schnittpunkt mit L = 1E-2 bei Q_min(L) = 33 MPa und anschließend, bei weiterer Belastung auf 60 MPa zu dem Schnittpunkt mit L = 1E-2 bei Q_min(L) = 47 MPa. Die Entlastung von 60 MPa auf 10 MPa in mehreren Schritten ergibt den Schnittpunkt mit L = 1E-3 bei Q_Smin(L) = 12 MPa. Diese Werte werden in die Tabelle übernommen.

Es fällt auf, dass der erste Wert (10MPa) in der Spalte der Q_min(L)-Werte in der gleichen Farbe wie der Zellenrahmen dargestellt ist. Q_Smin(L)-Wert gibt es mehrere in Farbe des Zellenrahmens. Das weist hier darauf hin, dass es für diesen Wert keinen Schnittpunkt mit der Dichtheitsklasse gibt. Der Wert kann jedoch trotzdem definiert werden. Wird z.B. der Entlastungsast im Diagramm 2 betrachten, bei dem ausgehend von 60 MPa entlastet wird, so gibt es dort den Schnittpunkt mit der L = 1E-3 bei 12 MPa. Dieser Wert wird in der Tabelle bei Q_A = 60 MPa und L = 1E-3 notiert. Die Entlastung geht in diesem Ast noch weiter bis auf 10 MPa, jedoch wird keine weitere Dichtheitsklasse mehr geschnitten. Die Leckage bei 10 MPa hält in jedem Fall L = 1E-2 ein, was wiederum L = 1E-1, L = 1E-0 und alle weiteren darüberliegenden Dichtheitsklassen einschließt. Somit kann 10 MPa als der geringeste bekannte Flächenpressungswert in dieser Entlastung als der Wert angesehen werden, bei dem alle Dichtheitsklassen > 1E-3 eingehalten werden.

¹: Genaugenommen werden für die Darstellung der Daten auf den Datenblättern jeweils mindestens zwei Versuche für jeden Kennwert bzw. Kennwertsatz durchgeführt und Mittelwerte gebildet und dargestellt. Um den Lesefluss nicht zu stören ist dieser Fakt im Text nicht genannt.
²: Es handelt sich in allen hier dargestellten Diagrammen um fiktive Werte, die jedoch in diesem Beispiel aufeinander abgestimmt sind.