Tantal Reparaturen an emaillierten Apparaten haben eine begrenzte Lebensdauer, auch wenn man diese regelmäßig prüft und überwacht. Woher kommt das? Und was kann man dagegen tun? Dieser Beitrag gibt einen Einblick und zeigt Lösungen auf.

Tantal ist ein „universell chemisch beständiger Werkstoff“; so zumindest die Annahme. In Wirklichkeit ist Tantal bei weitem nicht „universell“ beständig und deckt auch nur ansatzweise den Anwendungsbereich emaillierter Apparate ab [1]:

Weil Tantal gegenüber chemischen Substanzen aller Art beständig ist, wird der Werkstoff oft mit Edelmetallen verglichen. Thermodynamisch gesehen ist Tantal aber ein unedles Metall, das jedoch mit verschiedensten Elementen stabile Verbindungen eingehen kann. Tantal bildet an Luft eine sehr dichte Oxidschicht (Ta2O5), die einen chemischen Angriff auf das Grundmaterial verhindert. Diese Oxidschicht macht Tantal so korrosionsbeständig.

Kommt jedoch ein unedler Werkstoff wie Tantal mit einem edlen Werkstoff wie Platin in Kontakt, kommt es sehr schnell zu chemischen Reaktionen. Berücksichtigen Sie deshalb gerade bei hohen Einsatztemperaturen das Verhalten von Tantal gegenüber den anderen Konstruktionsmaterialien.

Tantal ist bereits bei Raumtemperatur nur gegen folgende anorganische Substanzen nicht beständig: Konzentrierte Schwefelsäure, Salpetersäure, Fluor, Fluorwasserstoff, Flusssäure, Natriumperoxid und saure Lösungen, die Fluoridionen enthalten. Auch alkalische Lösungen und geschmolzenes Natriumhydroxid sowie Kaliumhydroxid greifen Tantal an. Wird Tantal angegriffen, nimmt es Wasserstoff in sein Metallgitter auf und versprödet. Bei zunehmender Temperatur nimmt die Korrosionsbeständigkeit von Tantal langsam ab.

Kritisch für die Beständigkeit von Tantal ist, dass sich dessen Korrosionsbeständigkeit, kommt es mit Lösungsgemischen in Kontakt, verschlechtern kann, auch wenn es gegen die einzelnen Komponenten beständig ist.

Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient von Tantal liegt bei etwa 6,4*10-6 m/K und damit bei etwa der Hälfte des emaillierten Stahls. Werden nun Bauteile mit Tantal Reparaturen im chemischen Verfahren wechselnden Temperaturen ausgesetzt, so ergeben sich kleine Relativbewegungen zwischen dem Tantal Reparaturelement und dem emaillierten Bauteil. Auf Dauer können solche Relativverschiebungen zur Undichtigkeit an der Dichtung zwischen Tantal  und dem emaillierten Bauteil kommen.

Festigkeit von Tantal

Die Streckgrenze von Tantal liegt bei etwa 120-200 MPa und damit bei nur etwa 40-70% des zum Bau von emaillierten Apparaten eingesetzten Stahlbleches (üblicherweise P275 NH). Die Zugfestigkeit von Tantal liegt zwischen 225-280 MPa und damit ebenfalls deutlich niedriger als die des Kesselbleches (390-510 MPa) [2]. Verschraubungen aus Tantal sind daher kaum belastbar; ein leichtes Überziehen von Tantalschrauben führt sofort zum Verlust von Vorspannung, bleibender Verformung des Schraubengewindes und führt zu einem bleibenden Verlust an Dichtungspressung.

Verformungsfähigkeit von Tantal

Tantal und Tantallegierungen sind sehr gut verformbar, was einerseits günstig ist, um Tantal Reparaturelemente an die Form des zu reparierenden Behälters anzupassen. Anderseits liegt darin auch ein großer Nachteil: Die hohe Duktilität und die „gute Verformbarkeit“ machen den Einsatz von Tantal bei kraftbeaufschlagten Bauteilen wie Schrauben und Muttern problematisch. Beispielsweise dürfen Tantal-Schrauben, die für das Befestigen von Tantalblechen verwendet werden, nur mit einem sehr geringen Drehmoment angezogen werden, da diese sich sonst längen und geschädigt werden.

Tantal Reparaturen und Vakuum

Speziell bei großflächigen Reparaturen mit Tantalplatten oder Tantalblechen im Innern eines emaillierten Reaktors sind schnell die Grenzen des Machbaren erreicht. Besonders dann, wenn im Apparat unter Betriebsbedingungen oder während des Entleerens auch ein Unterdruck herrscht. Da hinter der Tantalplatte atmosphärischer Druck herrscht, wird sich die Platte ausbeulen.

Das Blech verformt sich entsprechend der Belastungen infolge der Dichtungspressung und des äußeren Unterdruckes: Der Rand des Bleches wölbt sich nach oben, entgegen der Kraftrichtung der Dichtungspressung. Das Innere des Bleches wird durch den Unterdruck „angesaugt. Und beult sich dementsprechend in Richtung des Behälterinneren. Parallel dazu kann es zu einer Relativverschiebung des Bleches im Bereich der Schraubenverbindungen kommen, was schrittweise zum Nachlassen der Schraubenvorspannkraft und damit der Dichtungspressung führen kann.

Die Folge dieser Beanspruchung und der resultierenden Verformungen ist eine Undichtigkeit und damit das Versagen der Reparatur.