Zuverlässigkeit ohne Wartung

Katrin Scholz, Carsten H. Pedersen

Betrachtet man die Gesamtkosten von Pumpen über deren gesamte Lebensdauer hinweg, so entfallen über 85% der Kosten auf Energieverbrauch, 8% auf den Anschaffungspreis und 7% auf die Wartung/Instandhaltung. Aufgrund der großen Anzahl der in Chemieanlagen zu wartenden Pumpen bietet die Senkung der Instandhaltungskosten ein bedeutendes Einsparungspotential.

Die Forderung des Marktes nach überragender Zuverlässigkeit und minimalen Lebenszykluskosten stellte die Pumpenhersteller besonders bei schlecht schmierenden und korrosiven Medien vor eine große Herausforderung. Als Werkstoff für die Gleitringdichtungen hat sich herkömmliches Siliciumcarbid aufgrund folgender Materialeigenschaften bewährt:

• gute chemische Beständigkeit

• geringe Dichte

• hohe Steifigkeit

• hohe Härte

• hohe Verschleißbeständigkeit

• hervorragende Wärmeleitfähigkeit

• gute Temperatur- und Temperaturwechselbeständigkeit

An seine Grenzen geriet es jedoch bei Wasser mit Temperaturen über 70 °C. Durch den Kontakt mit Heißwasser oxidiert übliches SiC zu Siliciumdioxid. Dieses erhöht die Reibung des Pumpenlagers drastisch bis hin zum Totalausfall.

Außerdem benötigt die Gleitringdichtung im Dichtspalt ein Schmiermedium, in der Regel das Fördermedium, wobei durch Design und Druckverhältnisse eine minimale Leckagerate sichergestellt werden muss. Hinzu kommt, dass SiC einen sehr hohen Trockenreibbeiwert besitzt. Dies und die Tatsache, dass Dichtungshersteller eine permanente Schmierung des Dichtspalts bei geringster Leckage nicht garantieren können, führte zum vorrangigen Einsatz von Kohle/SiC-Paarungen. Kohle weist eine exzellente Trockenlauffähigkeit auf, allerdings zulasten der Verschleißrate und der Festigkeit.

Mit EKasic G haben Produktentwickler von Wacker Ceramics einen SiC-Werkstoff entwickelt, der sich aufgrund reduzierter Korngrenzflächen durch günstigstes Korrosions- und Verschleißverhalten auszeichnet. Das Material kann für alle Fördermedien, ob sauer oder basisch, korrosiv, abrasiv oder eben heiß eingesetzt werden. EKasic G widersteht Temperaturen bis zu 300 °C, ohne dabei Verluste in der Festigkeit hinnehmen zu müssen. Die Grobkörnigkeit im Vergleich zu herkömmlichem SiC bedingt eine Oberflächenrauheit, die selbst kleinste Restbestände des Schmiermediums speichert und damit das Tragverhalten nahezu verdoppelt.

Ein Viertel der Pumpenausfälle werden durch Trockenlauf verursacht, d. h. kurz nachdem Medienmangel auftritt, überhitzen Lager und Gleitringdichtungen und die Pumpe fällt aus. Daher konzentrierte sich die nächste Entwicklungsstufe der SiC-Werkstoffgenerationen auf die mangelnden Trockenlaufeigenschaften.

Aufgrund seiner Schmiereigenschaften wurde bisher Kohle als Dichtungspartner eingesetzt. Da es verhältnismäßig weich und verschleißanfällig ist, versuchte man sowohl die Vorzüge von SiC als auch von Kohle zu vereinen. Das Ergebnis der Entwicklung ist ein graphithaltiger SiC-Werkstoff, der als Marke EKasic G vermarktet wird. Der in dem Material eingearbeitete Graphit mindert den Reibbeiwert. Die selbstschmierende Wirkung der Graphitpartikel ermöglicht sogar einen temporären Trockenlauf. Zusätzlich unterbindet der Graphit nachhaltig Heißwasserkorrosion und verbessert somit das Verschleißverhalten.

Die Entwicklung von EKasic G wurde durch die Firma Grundfos begleitet. Seit einem Jahr findet der Werkstoff in der Gleitringdichtung der CR-Pumpe Anwendung. Das Material verhindert unnötige, lange Service-Standzeiten und durch die Cartridge-Bauweise wird die Zuverlässigkeit der Gleitringdichtung zusätzlich erhöht. Falls die Dichtung dennoch einmal ausgetauscht werden muss, lässt sie sich aufgrund der kompakten Konstruktion wesentlich schneller und einfacher wechseln als herkömmliche Gleitringdichtungen.

Um die Zuverlässigkeit der Pumpen weiter zu erhöhen, entwickelte Grundfos einen Trockenlaufsensor, der eine Überhitzung der Pumpenwerkstoffe und den dadurch trockenlaufbedingten Ausfall der Pumpen verhindert. LiqTec, der so genannte elektrische Finger, überwacht kontinuierlich den Medienfluss im Bereich der Gleitringdichtung. Kommt es zu einem Medienmangel, schaltet er die Pumpe umgehend ab. Da der Sensor nach dem kalorimetrischen Messprinzip arbeitet und somit keine beweglichen Teile besitzt, kann er selbst bei feststoffbeladenen Medien eingesetzt werden.

Diese doppelte Sicherheit ermöglicht eine erhebliche Reduzierung der Stillstandzeiten und somit stabile Prozesse und Kosteneinsparungen in der Produktion.

Den höchsten Anteil an den Lebenszykluskosten einer Pumpe trägt der Stromverbrauch. Stromverbrauch ist nicht nur eine Frage der umweltbelastenden CO2-Emission. Wenn eine Pumpe mehrere Stunden pro Tag betrieben wird, summieren sich die Einsparungen bei einer Verbesserung des Wirkungsgrades um 10% schnell zu einem Betrag, der die Anschaffungskosten amortisiert.

Die Erhöhung des Wirkungsgrades um 10% wurde durch das Zusammenspiel verschiedener Entwicklungen erreicht:

• hydraulisch optimierte Laufräder, die Verwirbelungen und Strömungsverluste vermindern

• schwimmende Dichtungsringe mit geringsten Spaltverlusten

• Reduzierung der Druckdifferenz zwischen zwei Laufradkammern

Dies kann unter Umständen zu Einsparungen in der Motorgröße führen und ermöglicht so geringere Investitions- bzw. Betriebskosten.

Ein zusätzliches Feature sind elektronisch geregelte Pumpen, die sich automatisch den gegebenen momentanen Anlagenbedingungen anpassen können und somit zusätzlich Energie einsparen und eine hohe Prozesskonstanz erreichen.

Vom Trinkwasser bis hin zu aggressiven Medien – ein Baukastensystem aus verschiedenen Programmen von Pumpen, Motoren, Gleitringdichtungen, Pumpen- und Lagerwerkstoffen ermöglicht eine anwendungsspezifische Konfiguration.

Der gemeinsame Entwicklungserfolg von Anwendern, Pumpen- und Werkstoffherstellern sichert Zuverlässigkeit und lange Standzeiten, die die Lebenszykluskosten von Pumpen deutlich reduzieren und stabile Produktionsprozesse garantieren.

Halle 9.1, Stand C6

www.wacker-ceramics.de