Zuverlässiges Arbeitspferd

Manfred Kluge

Niedrige Lebenszykluskosten basieren in erster Linie auf einer hohen Zuverlässigkeit. Die beste Prozesspumpe ist aus Sicht des für die Anlage verantwortlichen Betriebsingenieurs noch immer die, die am längsten hält. Erst in zweiter Linie folgen geringe Energiekosten und niedrige Investitionsaufwendungen. Dass sich unter diesen Aspekten eine Magnetkupplungspumpe gut behaupten kann, zeigen die in Abbildung 1 zusammengefassten Ergebnisse einer Studie aus der deutschen Großchemie. So sind die Lebenszykluskosten einer magnetgekuppelten Pumpe trotz höherer Investitionskosten auf dem Niveau einer Pumpe mit einfachwirkender Gleitringdichtung angesiedelt.

Um hier weiter Boden gut zu machen, standen bei der Entwicklung der metallischen Magnetkupplungspumpe ICM (Abb. 2) die hohe Betriebssicherheit, die möglichst fehlerfreie Installation und die einfache Wartung bei akzeptablen Kosten im Vordergrund. Hierzu konzentrierten sich die Pumpenentwickler auf wenige Bauteile, bewährte Materialien und einen möglichst hohen Standardisierungsgrad, wobei einige pfiffige Detaillösungen mit Hilfe der Finite-Element-Methode (FEM) und der computergestützten Modellierung CFD (Computational Fluid Dynamics) umgesetzt wurden. Computersimulationen im Bereich von Spalttopf, Gleitlager und Magnetantrieb brachten wertvolle Erkenntnisse für die Praxis.

Primär wurde die Pumpe für Anwendungen in der chemischen Verfahrenstechnik und für verwandte Prozesse in Petrochemie und Wasseraufbereitung, aber auch für die lebensmittelverarbeitende Industrie, den Umweltschutz und die Metallurgie entwickelt. Als wellendichtungslose, leckagefreie Magnetkreiselpumpe fördert die ICM in den genannten Branchen korrosive, toxische, heiße und andere kritische Medien, aber auch verunreinigte bzw. reine Flüssigkeiten. Daher steht neben Edelstahl, Hastelloy und Sphäroguss auch Titan als Werkstoff zur Verfügung.

Der Leistungsbereich bis 340 m3/h (50 Hz-Motor) bzw. 400 m3/h (60 Hz-Motor) wird durch 18 Pumpengrößen mit nur zwei Lagerträgergruppen abgedeckt. Es steht auch eine platzsparende Blockpumpen-Version ICMB zur Verfügung: Anstatt des Lagerträgers ist ein Adapter an die Laterne angeschraubt, so dass Flanschmotoren der Bauform B5 bzw. B35 direkt angebaut werden können. In der Standardausführung sind Betriebstemperaturen von 180 °C zulässig. Bis zu 280 °C verträgt die Prozessversion ICMP.

Bei der ICM wurden zahlreiche Sicherheitselemente realisiert. So kann im Falle eines Gleitlagerbruchs der flüssigkeitsbenetzte Rotor konstruktionsbedingt nicht mit dem Spalttopf kollidieren. Auch könnten Bruchstücke eines defekten Keramikgleitlagers die Cartridge nicht verlassen. Dies bedeutet, dass der Spalttopf als Sicherheitsbarriere gegenüber der Atmosphäre seine Funktion erfüllt. Weitere Sicherheitskomponenten der ICM-Pumpe sind:

• Vorbereitete Anschlussmöglichkeiten für diverse Sicherheitsoptionen und Pumpenregelungen

• Mit Hilfe eines Inducer-Laufrads können problematische NPSH-Bedingungen behoben werden; der Inducer reduziert den NPSH-Wert um 35 bis 50%, ermöglicht so den Einsatz kleinerer Pumpen bei höherer Drehzahl und ist vorteilhaft bei gasbeladenen Medien

• Liegen besondere Förderbedingungen vor wie auskristallisierende Medien, können die Gleitlager von außen fremdgespült werden

Die ICM kann optional mit weiteren Überwachungsfunktionen wie zum Beispiel Pumpendrehzahlregelung, Temperaturüberwachung, Spalttopfüberwachung oder Wälzlagerüberwachung ausgestattet werden. Die erforderlichen Anschlussmöglichkeiten wurden bereits bei der Konstruktion integriert, um auch später möglichst problemlos die entsprechenden Sensoren oder Komponenten nachrüsten zu können.

Zudem steht auch eine sekundäre Abdichtung zur Verfügung: Der Raum um den Spalttopf herum kann zur Wälzlagerung hin mittels spezieller Wellendichtringe oder Labyrinthdichtungen zusätzlich abgedichtet werden. Im Falle eines Spalttopfschadens wären Antriebsseite und Atmosphäre für eine gewisse Zeit weiterhin vor dem Fördermedium geschützt. In Verbindung mit einer Spalttopfüberwachung ist somit bei kritischen Medien ein besonders effektiver vorbeugender Umweltschutz gewährleistet.

Der Spalttopf ist das wesentliche Dichtelement zur Atmosphäre hin. Die Druck- und Strömungsverhältnisse innerhalb des Spalttopfes wurden bei der Konstruktion computergestützt abgebildet, simuliert und analysiert (Abb. 3). Einerseits muss der Spalttopf so kräftig dimensioniert sein, dass er dem Pumpeninnendruck standhält. Andererseits darf er nicht zu dick ausgeführt werden, da sonst die induzierten Wirbelströme zu einer hohen Erwärmung und einem geringeren Wirkungsgrad führen würden. Der Spalttopf ist daher auf 37,5 bar Prüfdruck mit hohen Sicherheitsreserven (Berstdruck >150 bar) ausgelegt. Es handelt sich um ein einteilig tiefgezogenes Präzisionsbauteil aus Hastelloy C (2.4610). Der Spalttopf ist bereits bei ICM-Pumpen aus Edelstahl und Sphäroguss serienmäßig aus Hastelloy C 4 vorgesehen. Dieser Werkstoff bietet einen hohen elektrischen Widerstand und damit relativ niedrige Wirbelströme. Somit bleibt die Erwärmung des Mediums im Spalttopfraum gering. Die eingeformte Strömungsunterbrechung (Sicke) verhindert eine zentrale Bildung von Mediumwirbeln im Topfboden und wirkt damit bei Feststoffanteilen einem möglichen Durchschleißen des Spalttopfes entgegen.

Die sichere Funktion der Gleitlagerung ist ausschlaggebend für den störungsfreien Betrieb einer magnetgekuppelten Kreiselpumpe. Falls jedoch eine Pumpenwartung erforderlich ist, muss ein eventueller Gleitlagertausch fehlerfrei und möglichst schnell erfolgen. Dies ist bei der ICM so gelöst worden: Als Cartridge-Ausführung kann die komplette Einheit schnell ausgetauscht werden, es sind keine Einstellarbeiten erforderlich (z.B. Axialspieleinstellung) und Fehlerquellen wurden somit eliminiert (Abb. 4). Die Cartridge ist zudem zerlegbar, d. h. auf Wunsch können die Hauptkomponenten auch einzeln ausgetauscht werden.

Robust dimensionierte Keramikteile reduzieren die aufgrund der vorhandenen hydraulischen Kräfte gegebene spezifische Lagerbelastung. Ein Notlager bei Keramikschäden der Radiallagerung verhindert das Anlaufen des Pumpenrotors am Spalttopf. Die Kapselung aller Keramikteile sorgt bei einem eventuellen Lagerbruch dafür, dass größere Keramikstücke nicht aus der Cartridge gelangen und weitere Schäden an anderen Pumpenteilen verursachen können.

Trockenlauf, Mangelschmierung und Überhitzung gehören zu den häufigsten Ursachen für Pumpenstillstand und -schäden bei Magnetkupplungspumpen. Ein gesicherter Spülkreislauf ist daher besonders wichtig. Bei der ICM wurde daher mit der CFD-Methode bereits im Entwicklungsstadium ein stets ausreichender Spülkreislauf ermittelt. Unterstützt wird er durch die Axialbeschaufelung des Pumpenrotors und durch die konstruktiven Besonderheiten des Spalttopfes und der Gleitlager-Cartridge.

E cav 232

Zusammen genommen bieten diese Besonderheiten der ICM-Pumpe dem Anwender eine erhöhte Zuverlässigkeit bei reduziertem Wartungsaufwand:

• Modulbauweise reduziert Teileumfang und Lagerbestand

• Funktionseinheiten vermindern die Teilevielfalt und reduzieren somit die Montagezeiten

• einteilig tiefgezogener Spalttopf erhöht die Sicherheit durch höchste Festigkeitswerte

• hermetische Kapselung aller Keramikteile verhindert im Falle eines Lagerschadens weitere Schäden im Pumpeninnern

• Zwangspumpwirkung im Gleitlager erhöht den Flüssigkeitsdruck (Druckgefälle im Gleitlager) und damit die Sicherheit gegen Trockenlauf

• großer Spalt zwischen Pumpenrotor und Spalttopf (ca. 1,5 mm) reduziert die Gefahr der Spalttopfzerstörung durch Festklemmen von Feststoffpartikeln und ermöglicht einen hohen Flüssigkeitsstrom zur Spalttopfkühlung

• Zwangspumpwirkung im Pumpenrotor erhöht den Kühlstrom entlang des Spalttopfes und verhindert ein Zusetzen des hinteren Spalttopfraumes durch Feststoffe

• Gleitlager-Cartridge wird auf einfachste Weise ohne Einstellarbeiten montiert

• Gehäuseentleerung ermöglicht sichere und leichte Wartung

• Back-Pull-Out-Design ermöglicht Reparaturarbeiten am Lagerträger bei gefüllter Pumpe