Dichtung vor dem Einbau (ungepresst) (Bild: Eugen Seitz AG )

24.10.2023 Statische Dichtungen für H2-Anwendungen unter hohem Druck

Entwicklung eines Materialmodells

von Dr. Lucian Pasieka (Eugen Seitz AG), Agim Gashi (Eugen Seitz AG)

Die Simulation und Bewertung der Dichtungsfähigkeit eines Materials mithilfe einer Finite-Elemente-Analyse-Methode ist immer noch eine Herausforderung. Insbesondere wenn sie für gasförmige Wasserstoffsysteme angewendet wird, die mit hohem Druck und niedrigen Temperaturen arbeiten. Die Vorbereitung und Durchführung einer FEA einer statischen O-Ring-Dichtung, die für die Anwendung mit gasförmigem Wasserstoff konzipiert ist, gibt Aufschluss, was dabei zu beachten ist.

Ziel war es, eine Simulation durchzuführen, um die Zuverlässigkeit einer bereits im Einsatz befindlichen Dichtung in einem Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C und einem Systemdruck von bis zu 1.000 bar zu überprüfen. Es wurden Materialuntersuchungen durchgeführt, um die Grundlage für ein geeignetes Materialmodell zu schaffen. Zur Beurteilung der Qualität der Dichtung wurde der Anpressdruck zwischen O-Ring und den umgebenden Flächen herangezogen.

Zunächst wurde ein hyperelastisches Modell des in dieser Studie verwendeten Materials erstellt. Dazu wurden aus 2 mm dicken Platten des ausgewählten Materials Zugproben ausgeschnitten. An den Proben wurden einachsige und biaxiale Zugversuche bei Raumtemperatur durchgeführt. Anschließend wurden Messungen durchgeführt, um den Elastizitätsmodul des EPDM-Materials zu bestimmen. Parallel dazu wurde eine DMA-Analyse beauftragt, um das vollständige Temperatur-Zeit-Verhalten zu erhalten. Mit diesen Daten konnte eine Masterkurve erstellt werden, die mit Prony-Parametern beschrieben und als Materialdaten in ANSYS eingesetzt werden konnte. Mit diesen Vorarbeiten wurde ein komplexes thermoviskoelastisches Materialmodell auf der Grundlage von Messdaten erstellt. Dieses neue Modell ermöglicht es, FEA durchzuführen, die für Wasserstoffgas unter hohem Druck realistisch sind. Aufgrund der niedrigen Temperaturanforderungen, eines Materials mit einer Glasübergangstemperatur Tg < -50 °C und einer Kompatibilität mit der allgemeinen Beständigkeit gegenüber gasförmigem Wasserstoff wurde für diese Anwendung ein Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM) mit einer Härte von 90 Shore A gewählt.