Merkle / Bartz / Mesenholl Kreiselpumpen und Pumpensysteme

Betrieb, Instandhaltung und Schadensvermeidung
4. überarbeitete und erweiterte Auflage 2020
ISBN: 978-3-8169-0005-4
Verlag: expert verlag
Format: EPUB
Kopierschutz: 6 - ePub Watermark

E-Book, Deutsch, 196 Seiten

Hier erhalten Planer, Anlagenbauer und Betreiber wichtige Informationen zum Betrieb von Kreiselpumpen und darüber, wie sich Schäden an Pumpen und Pumpensystemen minimieren oder vermeiden lassen. Das Buch vermittelt Hinweise und Vorschläge für Maßnahmen zu Fehlervermeidung, Fehlererkennung (Überwachung) und Fehlermanagement. Anhand von praktischen Beispielen werden Schadensmechanismen und Zusammenhänge aufgezeigt und bewertet. Der Autor zeigt auch, dass eine vorausschauende Instandhaltung in wirtschaftlich interessantem Rahmen möglich ist.

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Merkle, M.Eng., verfügt über jahrzehntelange Erfahrungen in den Bereichen Strömungstechnik und Energietechnik - von Entwicklung und Konstruktion bis hin zu Planung und Betrieb von Pumpen und Pumpensystemen. Seit nahezu 20 Jahren arbeitet er in leitender Position eines Industrieunternehmens in der Pumpenbranche. Im Rahmen dieser Tätigkeit wurden zahlreiche Untersuchungen zum Thema 'Pumpenverschleiß' und 'Effizienzsteigerung' durchgeführt und Lösungen erarbeitet.

Autoren/Hrsg.

Merkle, Thomas

Bartz, Wilfried J.

Mesenholl, Hans-Joachim

Leseproben

2.2. Verschleiß durch Abrasion

Abrasiver Verschleiß ist definiert als eine Art Mikrozerspanung, bei der es zum Materialabtrag an Bauteilen kommt. Das harte, abrasive Material im Fördermedium ist dabei härter als das Material der Pumpenbauteile.

Abrasive Medien befinden sich in vielen Flüssigkeiten, die von Pumpen gefördert werden. Je nach Feststoff wird die Standzeit der Pumpen durch Schäden an Laufrädern und Gehäusen erheblich reduziert, teilweise bis auf wenige Wochen. Unter den Aspekten von TCO (Total Cost of Ownership) und LCC (Life Cycle Cost) bedeutet dies eine drastische Erhöhung der Betriebskosten.

Im Betrieb von Werkzeugmaschinen werden die Kreiselpumpen sehr häufig zur Förderung von Kühlemulsionen und feststoffbeladenen, abrasiven Flüssigkeiten eingesetzt. Metallspäne, Schleifstaub und Korund scheuern an Gehäusen und Laufrädern so stark, dass die Pumpe nach kurzer Zeit ausfällt.

Beispiele aus der Praxis

In der Textilchemie bei der Textilreinigung finden sich abrasive Feststoffe im Abwasser, beispielsweise bei der Jeans-Veredelung.

In der Bautechnik wird beispielsweise das abrasive Gleitmittel „Bentonit“ eingesetzt. Bentonit ist ein Gesteinsgemisch aus verschiedenen Tonmaterialien (u.a. Quarz, Glimmer, Feldspat, etc.) und findet seine Anwendung bei Bauwerksabdichtungen im Deichbau und als Gleitmittel beim Vortrieb von Tunneln. Die abrasive Wirkung beim Pumpen von Flüssigkeiten mit Bentonit-Verunreinigungen ist beträchtlich.

Bild 14: Kreiselpumpe eingebaut in eine Anlage zum Fördern von Bentonit

In der Solarzellenfertigung werden beim Sägen von Silizium-Wafern zum Fördern der Schleifschlämme (Slurry) Tauchpumpen eingesetzt. Diese Schleifschlämme bestehen aus einem Gemisch aus Glykol und Silicium-Karbid als Schleifmittel. Aus den gegossenen Silizium-Blöcken werden die Wafer (dünne Silizium-Scheiben) mit einem Stahl-Draht gesägt. Das Schleifmittel Silizium-Karbid/Glykol, als Fördermedium, wird im 24 h Betrieb umgewälzt. Der Schleifmittelanteil beträgt ca. 20 Gewichts-%. Die ständige Umwälzung ist notwendig, da sonst das Schleifmittel hart wird.

Bild 15: Spiralgehäuse nach Versuch mit Schleifschlämme “Slurry“

Bei all diesen Anwendungen wird die Standzeit der Pumpen durch diesen abrasiven Verschleiß erheblich reduziert.

2.2.1. Laufrad

Der Materialabtrag am Laufrad findet an sehr unterschiedlichen Stellen statt. Strömungssimulationen zeigten sehr deutlich, dass die Schädigungen geschwindig-keitsabhängig sind. An Stellen höchster Geschwindigkeit findet die größte Abrasion statt. Des Weiteren findet an Stellen turbulenter Strömung ein erhöhter Materialabtrag statt.

Bild 16: geschädigtes Laufrad durch Abrasion

Sollen abrasive Medien gefördert werden, empfiehlt sich, Pumpen mit offenem Laufrad einzusetzen. Freistrom-Pumpen bei Feststoffen mit einer Partikelgröße von 3–5 mm, mit einem maximalen Feststoffanteil von 5–8 % können Pumpengehäuse und Laufrad noch von Verschleiß geschont bleiben.

Bei höherem Feststoffanteil kann dies zu Verstopfung führen bzw. werden so nach und nach die Laufrad-Schaufeln „abgeschliffen“.

Bild 17: Laufrad vor und nach der Schädigung – Materialabtrag durch Abrasion

2.2.2. Spiralgehäuse

Der meiste Materialabtrag findet an Kanten im Innern des Gehäuses statt. Beispielsweise an der Entleerungsbohrung oder der Bohrung an der Verschleißplatte. Außerdem findet bei Fördermedien mit Schleifpartikel eine ebenso gleichmäßige Schädigung im Innern des Spiralgehäuses statt.

Ein Phänomen, das auftreten kann ist die abrasive Oberflächengestaltung nach dem Prinzip der strömungsoptimierten Haifischhaut. Die Annahme, dass eine möglichst glatte Oberfläche den geringsten Widerstand besitzt, ist falsch. Durch die Längsrillen auf den Schuppen wird die Querströmung gesenkt und somit die Reibung reduziert. Dieses Prinzip wird schon in der Flugzeugindustrie erfolgreich angewendet.

Bild 18: “Haifischhautoberfläche“ im Pumpengehäuse

Findet der Verschleiß dermaßen gleichmäßig statt, kann die dadurch reduzierte Wanddicke durchaus standhalten, so dass die Standzeit der Pumpe akzeptabel sein kann. Strömungstechnisch bringt diese Oberfläche „Haifischhaut“ sogar eine Verlustminimierung, da diese Oberfläche eigentlich ideal ist. Ist die Wanddicke entsprechend hoch genug, kann diese Art von Verschleiß den Lebenszyklus der Pumpe nur unwesentlich verkürzen.

2.2.3. Lager

Eine Überbeanspruchung der Lagerung tritt ein, wenn die Radialkraft zu hoch ist. Wird die Pumpe mit einem deutlich höheren Förderstrom gefahren als vorgesehen, kommt es zur Durchbiegung der Welle mit darauffolgender Schädigung des Lagers. Auch durch stark abrasive Medien werden die Lager von Pumpe und Motor geschädigt, was nachfolgende Abbildungen dokumentieren.

An Kanten und Spalten wirkt vor allem Schleifschlamm sehr stark.

Bild 19 und 20: Beschädigung der Drosselstrecke – Folge: Lagerschaden am Motor

Bei Wälzlagern führt Abrasiv-Verschleiß vor allem in Verbindung mit Korrosion ebenfalls zu Zerstörung. Als Folge kommt es zu verstärkter Mischreibung und Materialabtrag. Die Geräuschentwicklung nimmt kontinuierlich zu, gleichzeitig nimmt der Verschleiß an Käfig und Wälzkörper weiter zu, bis zur schlussendlichen Zerstörung des Lagers.

Mögliche Schutzmaßnahmen können sein: Schutzring für die Motor-Lagerung, Montage eines Verschleiß-Sensors mit Überwachungssystem, oder eines Motor-schutzschalters. Ein höherwertiger Motor wie er im Explosionsschutz-Bereich eingesetzt wird, könnte ebenfalls dienlich sein.

Häufig kommt es aber auch zum Ausfall des B-seitigen Kugellagers am Motor (Lager auf der Lüfterseite). Beispielsweise wenn eine Tauchpumpe in einen Behälter mit Entlackungs-Flüssigkeit eingebaut ist. Dieses Entlackungs-Medium ist 90°C heiß und greift alle Fette und Lacke an, ebenso Elastomere wie Viton oder Perbunan. Deshalb wurde auf Elastomere-Dichtungen verzichtet. Der Motor ist über dem Behälter senkrecht, mit der Welle nach unten eingebaut. Probleme gibt es am B-seitigen, oberen Kugellager. Die Umgebungsdämpfe sind so aggressiv, dass das ganze Fett im Kugellager schnell ausgewaschen wird (nach 2-3 Monaten Totalschaden).

Verschiedene Lösungsansätze, die solche Schäden verhindern sind:

• Einbau von zwei Radialdichtungen in einer Kombination vor dem Kugellager.

• Klemmenkasten und Stator werden mit Dichtmasse abgedichtet. (wie bei IP56)

• Kugellager mit Vollkeramik. Die sind aber sehr teuer und die verwendeten Lagerringe aus Fluorit-Harz haben deutlich geringere Tragzahlen.

• Direkt am Kugellager am Kugellager kann zusätzlich eine spezielle Stahl-scheiben-Dichtung eingebaut werden, die speziell für den Schutz von Kugellager vor Verschmutzungen und Flüssigkeiten entwickelt wurde. Diese Dichtung besteht aus speziell geformten Stahllamellen. Durch die Zentrifugalkraft werden Verschmutzungen, Dämpfe und Flüssigkeiten vom Kugellager ferngehalten.

2.2.4. Rohrleitungen

Mit ausreichend großen Rohrdurchmessern lassen sich sowohl Strömungsverluste als auch Schäden durch Abrasion vermindern. Sind die Rohrdurchmesser zu klein gewählt, oft aus Kostengründen, herrscht keine laminare stabile Strömung, sondern eine turbulente Strömung mit unregelmäßigen Querströmungen im Rohr. Sind Feststoffpartikel im Fördermedium, wirken diese auf die Rohrinnenwand wie bei einem Schleifprozess. Der stärkste Materialabtrag findet an Rohrverengungen, Umlenkungen oder auch T-Stücken statt. Die Feststoffpartikel prallen mit erhöhter Kraft auf die entsprechenden Stellen und spülen oder schleifen die Rohrleitung mehr oder weniger aus, bis die Rohrwand schlussendlich durchbricht. Bei dünnwandigen Rohren kann dies sehr schnell geschehen. Auf entsprechende Schutzmaßnahmen wird in Kapitel 4 eingegangen.

Letztendlich wird bei kleinen Rohrdurchmessern zwar an den Investitionskosten gespart, nicht aber an den Energiekosten. Der erhöhte Rohrreibungswiderstand, oftmals noch verstärkt durch eine hohe Rauigkeit im Rohr, bringt eine Erhöhung des Druckverlustes. Dies bedeutet mehr Pumpenleistung und mehr Energieverbrauch.

Eine Maßnahme zum schonenden Betrieb einer Anlage, zur Reduzierung von Verschleiß und auch zur Minimierung der Geräuschentwicklung, ist definitiv die Vergrößerung der Rohrleitungsdurchmesser.

Bild 21: durchgescheuerte Rohrbögen

Werden abrasive Medien gefördert, treten besonders an Rohrbögen entsprechende Schäden auf.

Bild 22 und 23: richtig große Löcher in den Rohren

Bild 24 und 25: Querschnitt eines Rohrbogens: die Wanddicke ist durch Verschleiß drastisch reduziert

Bei abrasiven Medien ist deshalb auf die Festigkeitseigenschaften besonders zu achten. Auch bei Einbauten wie Ventilen, Schiebern, Meßsensoren o.ä. sind entsprechende Schäden zu erwarten, falls die Materialien nicht hochwertig genug...