Moderne Werkstoffkonzepte bei Kreiselpumpen

Dr. Ing. K.-H. Kleifges

Die Weiterentwicklung der chemischen Verfahrenstechnik führt zu immer neuen Herausforderungen an die Werkstofftechnik. Durch Veränderung der Prozessparameter wie Mediumszusammensetzung, Förderbedingungen und Temperatur müssen die Werkstoffkonzepte überprüft und den neuen Bedingungen angepasst werden. Dabei tauchen häufig Fragen auf, wie die modifizierten oder neuen Verfahren werkstofftechnisch realisiert werden können. Ein besonderes Augenmerk ist dabei stets auf die Korrosionsbeständigkeit zu richten. In Abhängigkeit vom System Werkstoff/Medium sind nicht nur der flächenmäßige Abtrag durch gleichmäßige Korrosion zu berücksichtigen, sondern auch Korrosionsarten wie z. B. Loch-, Spalt- oder Spannungrisskorrosion. In den Anlagen unterliegen Kreiselpumpen zusätzlich besonderer Beanspruchung durch das Medium, da dort eine Überlagerung des Korrosionsangriffes mit einer hohen Strömungsbelastung auftreten kann.

ETFE ist ein Copolymer aus Tetrafluorethylen und Ethylen. Seine ausgezeichnete chemische Beständigkeit macht es in den meisten Anwendungsfällen zu einer bemerkenswerten Alternative zu FEP- oder PFA-ausgekleideten Pumpen und auch zu PTFE-Vollmaterial. Durch die Realisierung hoher Wandstärken von 6 bis 12 mm (baugrößenabhängig) ist bei der neuen Chemie-Normpumpenbaureihe Typ RNP auch etwaigen Diffusionsphänomenen ein erhöhter Widerstand entgegengesetzt. Mit ETFE-ausgekleideten Pumpen lassen sich große Fördermengen von bis zu 1600 m3/h bewältigen. Die Betriebstemperatur kann in der Regel bis 150 °C betragen und in Sonderfällen sogar 170 °C. Dies wird aufgrund eines speziellen fertigungstechnischen Verfahrens ermöglicht, das eine sehr gute Haftung des ETFE auf dem duktilen metallischen Grundwerkstoff GGG 40 gewährleistet. Das Laufrad und Teile in der Peripherie der Gleitringdichtung sind aus PTFE gefertigt.

Aufgrund der sehr guten chemischen Beständigkeit von ETFE ergeben sich umfangreiche Einsatzgebiete:

Während für große Fördermengen die Chemie-Normpumpe Typ RNP entwickelt wurde, steht für geringere Förderleistungen von bis zu 150 m3/h die magnetgekuppelte ETFE-ausgekleidete Pumpe Typ GIP zur Verfügung. Hier sind die Kompakteinheit Laufrad/Innenrotor sowie die mediumsberührten Teile des Spalttopfes zur Festigkeitssteigerung aus kohlefaserverstärktem ETFE gefertigt. Die Kraftübertragung erfolgt durch hoch effiziente Neodym-Eisen-Bor-(NdFeB)-Magnete, die eine Beschränkung der oberen Einsatztemperatur auf 120 °C erfordern.

Werkstofferfahrung in der Schwefelsäureproduktion und umfangreiche Prozesskenntnis sind wichtige Voraussetzungen für den erfolgreichen Pumpeneinsatz. Dabei müssen stets auch besondere konstruktive Details berücksichtigt werden. Im Rahmen eines Projektes wurde die Anforderung gestellt, eine metallische magnetgekuppelte Pumpe in der Schwefelsäureproduktion (98,5% H2SO4) mit einer Kapazität von 300m3/h bei einer Temperatur von 95 °C einzusetzen. Für die hydraulischen Bauteile konnte hier der bewährte hochlegierte ferritische und erosionskorrosionsbeständige Stahlguss 1.4136 S (G-X 50 CrMo 29 2) eingesetzt werden. Für den Magnetkupplungsbereich war allerdings zunächst kein austenitischer Werkstoff vorhanden, der für diese Anwendungstemperatur einen guten Korrosionswiderstand gewährleistet, da die Nickelbasislegierung Stoff-Nr. 2.4610 auch aufgrund erforderlicher geringer Blechstärken im Spalttopfbereich korrosionschemisch bereits an ihre Grenzen stößt. Dagegen empfiehlt sich der hochsiliziumhaltige vollaustenitische Werkstoff Sandvik SX, der seit 1985 erfolgreich in der Schwefelsäureproduktion verwendet wird. Zusätzliche eigene Korrosionsuntersuchungen bestätigten die gute Eignung des Werkstoffes für den Anwendungsfall. Während der Realisierung dieses Projektes wurde dann auch der Grundstein für die Kooperation mit der Sandviktochter Edmeston gelegt, und die Frage „Make or Buy“ läßt sich hier mit einem „sowohl als auch“ beantworten. Dabei wird Halbzeug auf Basis eines weltweiten Exklusivvertrages im Bereich Pumpenbau bezogen und ein adäquater Gusswerkstoff im Hinblick auf gute Fertigungseigenschaften und hohe Korrosionsbeständigkeit optimiert. Die Bezeichnung RH SX steht für dieses Werkstoffkonzept. RH SX hat sein Einsatzgebiet in der Schwefelsäureproduktion bei erhöhten Werkstoffanforderungen in horizontalen magnetgekuppelten Pumpen für kleinere Anlagen und in vertikalen Pumpen, deren Fördervolumen für sehr große Anlagenkapazitäten durch die Baureihe GVRN auf eine maximale Fördermenge von 1900 m3/h erweitert wurde.

Dabei konnte die Baureihe GVRN aufgrund der Verfügbarkeit von adäquatem RH SX Halbzeug realisiert werden und findet Anwendung in 98%iger Schwefelsäure im Temperaturbereich von 90 bis 140 °C.

Im Bereich der Kunststoffe werden ETFE-ausgekleidete Pumpen bei anspruchsvollen Anwendungen ihren Marktanteil schnell erhöhen. Sie stehen hier im direkten Wettbewerb zu PTFE, PFA und Graphit, aber auch zu hochlegierten metallischen Werkstoffen und Sonderlegierungen. Weitere metallische Werkstoffe werden im Pumpenbau Einzug halten, wenn ein erkennbarer Kundennutzen vorhanden ist, wie am Beispiel RH SX für die Schwefelsäureproduktion gezeigt wurde.

cav 475