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Funkelnde Beschichtung

Kristalliner Diamant steigert Lebensdauer von Gleitringdichtungen
Funkelnde Beschichtung

Gleitringdichtungen werden in Pumpen, Rührwerken, Verdichtern und anderen rotierenden Maschinen als Wellenabdichtung für flüssige und gasförmige Medien eingesetzt. Die abzudichtenden Prozessdrücke reichen vom Vakuum bis über 400 bar bei teilweise sehr hohen Anforderungen bezüglich der chemischen und thermischen Beständigkeit. Optimierte und qualifizierte kristalline Diamantschichten wie die Diamond Faces können die Leistungsfähigkeit von Gleitringdichtungssystemen unter Mangelschmierungsbedingungen oder auch bei der Abdichtung von abrasiven Medien deutlich steigern.

Dr. Wolfgang Berger

Betrachtet man die durchschnittliche Lebensdauer von wesentlichen Bauteilen einer Pumpe, ist die Gleitringdichtung bis heute das Bauteil mit der kürzesten durchschnittlichen Lebensdauer und hat somit einen entscheidenden Einfluss auf die MTBF/MTBR-Werte des Gesamtsystems. Oberstes Ziel aller Betreiber ist es, diese Werte entscheidend zu verbessern und die Prozessausfallkosten durch ungeplante Unterbrechungen zu minimieren.
Robuste Gleitflächen
Jedes System ist nur so leistungsfähig wie die Haltbarkeit des schwächsten Bauteiles. Untersuchungen zeigen, dass die Hauptschwachstelle der Gleitringdichtung nach wie vor die Schädigung der Gleitflächen in Verbindung mit Mangelschmierung und dem daraus entstehenden Trockenlauf ist.
Die Auswahl geeigneter Gleitwerkstoffe hängt im Wesentlichen vom Feststoffanteil im Medium und dessen Schmierfähigkeit ab. Bei reinen Medien werden überwiegend Hart/Weich-Gleitkombinationen ausgewählt, wobei der weiche Partner in der Regel ein imprägnierter Kohlegraphit ist. Das Einsatzspektrum der weichen Kohlegraphite wird durch im Medium vorhandene Feststoffpartikel, maximal zulässige Abrasivverschleißraten und teilweise unzulässiger Produktkontamination – vor allem bei pharmazeutischen Anwendungen – beschränkt.
Die in den letzten zehn bis fünfzehn Jahren immer mehr bei den Gleitringen verbreiteten SiC/SiC-Werkstoffpaarungen haben hervorragende chemische Beständigkeit, hohe Abriebfestigkeit und nahezu keinen Verschleiß, dies jedoch nur bei ausreichender Schmierung im Dichtspalt. Jede Form von Mangelschmierung durch Trockenlauf führt zu starker Temperaturerhöhung mit Schädigung der Gleitflächen und Nebendichtungen (O-Ringe).
Bis zum Totalausfall der Gleitflächen vergehen im Extremfall nur wenige Sekunden. In der Praxis treten Mangelschmierungszustände durch unzulässig hohe Gasanteile im Fördermedium, durch fehlerhafte Bedienung oder auch durch die Verdampfung des Fördermediums im Dichtspalt auf. Genau hier setzt die Diamanttechnologie von Burgmann an. Durch eine aus einer aktivierten Gasphase auf die SiC-Gleitflächen abgeschiedene kristalline Diamantschicht lässt sich eine herausragende Abrasivbeständigkeit bei gleichzeitig niedrigem Reibwert und damit eine deutlich verbesserte Leistungsfähigkeit der Dichtung unter Mangelschmierungsverhältnissen realisieren.
Diamant ist nicht gleich Diamant
Amorphe diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC) werden seit ca. zehn Jahren als Verschleißschutzschicht in gasgeschmierten Gleitringdichtungen eingesetzt und haben sich hier gut bewährt. In flüssigkeitsgeschmierten Anwendungen bzw. bei erhöhten Belastungen wurden bisher jedoch häufig die Grenzen der Schichthaftung und der Verschleißbeständigkeit von DLC-Schichten überschritten. Im Gegensatz hierzu besitzen die für die spezifischen Anwendungen in Gleitringdichtungen entwickelten kristallinen Diamantschichten Diamond Faces neben ihrer unvergleichbaren Härte eine hohe chemische und thermische Beständigkeit. In inerter Atmosphäre ist Diamant bis zu einer Temperatur von ca. 1500 °C stabil, in oxidierender Umgebung beginnt die Verbrennung bei ca. 600 °C. Säuren und Laugen greifen Diamant nicht an.
Zur großflächigen und homogenen Beschichtung von keramischen Gleitringen wird ein für diese Anforderungen optimiertes HF-CVD (Hot Filament–Chemical Vapor Deposition)-Verfahren eingesetzt. Die Beschichtung erfolgt dabei in einer Vakuumkammer mit elektrisch beheizten Wolframdrähten. Die Oberflächentopographie und die Orientierung der Diamantkristalle lassen sich dabei durch die Variation der Prozessparameter gezielt einstellen.
Zur Optimierung des Verbundwerkstoffes SiC-Diamant wurden umfangreiche Grundlagen- und Anwendungstests durchgeführt. Im Rahmen der Tests wurden unterschiedliche Substratvarianten, Schichtstärken, Substratvorbehandlungsverfahren und Schichttypen untersucht. Wichtigstes Optimierungsziel war die Minimierung des Reibwertes und der Verschleißrate der neuen Tribopaarung. Weitere Kriterien bildeten die Haftfestigkeit und Ebenheit der Schichten als Voraussetzung für ein vorhersagbares Dichtungsverhalten. Das Ergebnis der Optimierung ist ein hoch effizienter Verbundwerkstoff, der für den Einsatz in gas- und flüssigkeitsgeschmierten Gleitringdichtungen bestens geeignet ist. Der gemessene Reibfaktor im Trockenlauf mit einer unbeschichteten SiC/SiC-Standardpaarung liegt bei ca. 0,65. Siliziumkarbid mit eingelagertem Kohlegraphit erreicht nach einer kurzen Einlaufzeit ein Reibfaktorniveau von etwa 0,2. Nach 5000 Sekunden beginnt jedoch auch hier der Reibfaktor anzusteigen. Die diamantbeschichtete Gleitpaarung zeigt ein stabiles Trockenlaufverhalten bei Werten um 0,15.
Nutzen für den Betreiber
Mit der Optimierung und Qualifizierung von kristallinen Diamantschichten kann die Leistungsfähigkeit von Gleitringdichtungssystemen unter Mangelschmierungsbedingungen oder auch bei der Abdichtung von abrasiven Medien deutlich gesteigert werden. Durch die Reduzierung des Reibfaktors, sowohl im Trockenlauf als auch unter geschmierten Bedingungen und durch die Erhöhung des Verschleißwiderstands, wird die Zuverlässigkeit gerade unter schwierigen Betriebsbedingungen erheblich verbessert. Im Vergleich zu trocken laufenden, unbeschichteten SiC/SiC-Paarungen, die nur wenige Sekunden trockenlauffähig sind, können die DiamondFaces je nach Belastung bis zu mehreren Stunden trockenlaufen. Dies wird durch umfangreiche Feldtests in diversen Anwendungen bestätigt.
Durch die reduzierte Gleitflächenreibung wird auch im Normalbetrieb die erzeugte Reibungswärme verringert. Die geringere Reibleistung erlaubt reduzierte Kühlung bei Doppeldichtungssystemen und höhere Temperatureinsatzgrenzen bei leicht siedenden Medien. Die minimierte Wärmeentwicklung der Dichtung schützt auch die Nebendichtungselemente. Die universelle chemische Beständigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber feststoffbeladenen Medien ermöglicht den standardisierten Einsatz in der Chemie und Pharmazie. Kohlegraphitwerkstoffe, deren Abrieb teilweise zu unzulässigen Produktkontaminationen führt, können in vielen Fällen ersetzt werden. Analysen zeigen, dass der ROI (Return on Invest) aufgrund der wesentlich verlängerten Lebensdauer einer diamantbeschichteten Gleitringdichtung bereits nach 1,5 Jahren erreicht wird. Die durchschnittliche Steigerung der Lebensdauer eröffnet die Möglichkeit zur Wartungsbündelung mit anderen Maschinenbau- bzw. Anlagenbauteilen wie Lager oder Laufrad.
Was sagt die Praxis
Natürlich sind neben den bereits erwähnten Feldtests auch etliche Dichtungen bereits im harten Dauereinsatz. Erwähnenswert ist hier in erster Linie eine Dichtungsanwendung mit extrem abrasiven Medien in einer Bornemann-Multiphasenpumpe. Hier geht es um die wirtschaftliche Erschließung der riesigen Ölsandfelder in Kanada. Aufgrund der deutlich angestiegenen Ölpreise wird dieses Projekt mit Hochdruck vorangetrieben. Durch das neuartige SAGD-Verfahren (Steam Assisted Gravity Drainage), in dem die Ölanteile durch Dampfbeaufschlagung gelöst werden, muss die Pumpe ein extrem abrasives Gemisch aus Gas- und Feststoffen fördern. Die bisherige eingesetzte Einfachdichtung fiel regelmäßig nach etwa 14 Tagen aus. Hier brachte die gleiche Dichtung, jedoch mit diamantbeschichteten Oberflächen eine massive Verbesserung. Sie gewährleistet jetzt seit vier Monaten einen völlig störungsfreien Betrieb.
Eine weitere signifikante Verbesserung der Dichtungslaufzeit konnte in einer Aufbereitungsanlage für Schleif- und Wasch-emulsion zur Bearbeitung von Dichtungsgleitringen erzielt werden. Die Anlage des Herstellers Atec steht in der Fertigung bei Burgmann und fiel regelmäßig nach ca. 1500 bis 2000 Stunden aufgrund hoher Leckage aus. Unter Federführung von Atec wurde auch hier die DiamondFaces-Technologie eingesetzt. Bis heute wurde eine Lebensfaktorverlängerung um den Faktor 6 erreicht, d. h. mehr als 11 500 Betriebsstunden ohne messbare Leckage. Eine zwischenzeitliche Überprüfung der Dichtung wies eine einwandfreie Gleitringoberfläche aus.
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