Artikel BCD-Ringe dichten Kolbenstangen effektiv ab

Kolbenkompressoren dienen der Verdichtung von Gasen. Immer öfter werden Kolbenverdichter ungeschmiert ausgeführt. Nicht selten ist dabei das Abdichten der Kolbenstange eine Schwachstelle, die zu vergleichsweise kurzen Wartungsintervallen führt. Moderne, nach dem Finite-Element-Verfahren berechnete Dichtelemente, die sogenannten BCD-Kolbenstangendichtungen, erhöhen die Anlagenverfügbarkeit deutlich, auch unter erschwerten Bedingungen.
BCD-Ringe haben im Vergleich zu herkömmlichen Dichtungen eine mehr als doppelt so hohe Standzeit. Die Emissionen von Leckage-Gasen werden drastisch verringert. Mit dem leicht nachrüstbaren Dichtelement lassen sich Lösungen selbst für die schwierigsten Probleme finden, ohne dass hohe Investitionen in neue Anlagenkomponenten notwendig sind. Bei Neuanlagen sparen die deutlich schmaler bauenden Dichtelemente darüber hinaus kostbaren Platz im Kompressor ein.

Kolbenkompressoren stellen
Ansprüche
Moderne Kolbenkompressoren sind robust und langlebig konstruiert und effizient ausgelegt. Je nach Ausführung und Umgebungsbedingungen gibt es jedoch Komponenten, die schneller verschleißen. Sie sind die „Hot Spots" für die Wartung und verschlechtern die ökonomische Gesamtbilanz. Die Abdichtung der Kolbenstange ist eine dieser kritischen Stellen. Bis vor nicht allzu langer Zeit konnten die exakten thermophysikalischen Prozesse am Dicht­ring nicht bestimmt werden. Die Entwicklung der Dichtungen beruhte rein auf empirischen Erfahrungen, die oft nicht auf neue Anwendungsfälle übertragbar waren. Jetzt wurde ein mathematisches Modell entwickelt, mit dem man für jeden Kompressortyp die Gasdruck-Profile zwischen Dichtring und Stange - den „Fußabdruck" eines Ring-Designs - vorhersagen, den Durchschlag-Druck über die Packung sowie die Temperaturprofile an der Kolbenstange simulieren und so den genauen Druckverlauf, Flächenpressungen sowie die auftretende Reibwärme vorab am Computer berechnen kann. Auf Basis der durch Simulation gewonnenen neuen Erkenntnisse wurde ein montagefreundlicher geteilter Dichtring entwickelt. Seine spezielle Geometrie berücksichtigt alle Druckeinflüsse aus statischer und dynamischer Belastung. Intensive Tests im Prüfstand bestätigten die theoretischen Ergebnisse bezüglich Abdichtwirkung, Druckverteilung und Reibungsverhalten.
Das spezielle Design der BCD-Ringe erhöht deutlich Zuverlässigkeit und Dichteffizienz: Die vier Segmente unterteilen sich in Haupt- und Hutsegmente für jeweils unterschiedliche Aufgaben. Während die Hutsegmente die Abdichtung in axialer und radialer Richtung übernehmen, dichten die Hauptsegmente die Kolbenstange ab und bilden einen Spalt für die Verschleißkompensation. Dieses ausgeklügelte Design sorgt für den Druckausgleich und gewährleistet eine hohe Dichteffizienz über die gesamte Einsatzdauer. Hersteller und Betreiber von Kolbenkompressoren konnten die Vorteile des BCD-Rings in Anwendungen und Tests bestätigen. So zeigen unabhängige Prüfreihen zu 70 % geringere Leckageraten gegenüber herkömmlichen Dichtlösungen. Im Gegensatz zu bisherigen Dichtungslösungen bleibt die Leckagerate mit steigendem Druck auf niedrigstem Niveau, während die abzuführende Reibungswärme ebenfalls weit unter dem gewohnten Level liegt.
Die spezifische Gestaltung des BCD-Rings bietet über den Druckausgleich und die Dichteffizienz hinaus grundlegende Vorteile. Durch die günstige Druckverteilung zwischen Ringen und Kolbenstange wird auch der Anpressdruck und damit Reibung und Wärmeentwicklung am Ring reduziert. Dies trägt zu deutlich geringen Verschleißraten und damit zu einer höheren Standzeit bei gleichbleibend hoher Dichteffizienz bei. Die Einsatzdauer der neuen Dichtung ist etwa um den Faktor 2 höher als bisher. Probleme durch Überhitzen bei Betrieb ohne Last, häufigem Anfahren oder Leckagen im Stillstand sind ausgeschlossen.
Die schmale Bauform des BCD-Rings erlaubt ein leichtes Nachrüsten bestehender Anlagen. Durch die geteilte Form lässt sich der Ring ohne die aufwendige Demontage der Kolbenstange einsetzen. Die spezielle Gestaltung macht eine bei geteilten Ringen bisher übliche Verdrehsicherung überflüssig. Zusammen mit der geringeren Gasleckage im Betrieb und während druckbeaufschlagter Stillstandszeiten verbessert sich die Umweltbilanz des Kompressors wesentlich.

Häufigste Ausfallursache:
Ventil- und Packungsprobleme
Betrachtet man die Ursache für den Ausfall von Kolbenkompressoren im Feld, so stellt man Erstaunliches fest: Rund 70 % aller Ausfälle beruhen auf nur acht Ursachen: An der Spitze mit über 35 % steht Ventilversagen. Schon an zweiter Stelle kommen Packungsprobleme mit etwa 18 % aller Ausfälle. Alle übrigen Ursachen tragen nur noch zu höchstens 8 % zur Ausfallrate bei. Die Statistik zeigt: Schon durch den Austausch der Packungsringe gegen die robusten, speziell auf die jeweiligen Bedingungen ausgelegten BCD-Ringe lässt sich die Ausfallrate enorm senken. Das bestätigen auch die Betriebsdaten bereits umgerüsteter Kolbenkompressoren. Vor allem bei Erdgas können die neuen BCD-Ringe punkten: Immer mehr Erdgasverdichter werden ungeschmiert ausgeführt. Bei herkömmlichen Lösungen führt dies zu höherem Verschleiß. In der Praxis konnte mehrfach belegt werden, dass nach dem Austausch der Ventile und Dichtpackungen durch moderne Komponenten die Standzeit und Zuverlässigkeit der Anlage deutlich stiegen.
Bei einer Erdgasverdichterstation versagten in den ungeschmierten ersten und zweiten Verdichterstufen die Packungselemente regelmäßig nach 2.000 h. Durch den Einsatz einer stufenlosen Regelung über Hydrocom und den Austausch der Packungen gegen BCD-Ringe sind nun Standzeiten von über 12.000 h ohne Leckage möglich. Das spart nicht nur Wartungskosten, sondern reduziert auch die Emissionen an klimaschädlichem Methan drastisch.

Hohe Standzeiten auch in
der Prozessgasindustrie
Auch in der Prozessgasindustrie bietet das moderne Ringdesign Vorteile. So konnten in einer Raffinerie die Betriebszeiten des Wasserstoffkompressors drastisch verbessert werden. Wasserstoff mit Spuren von Methan wird zweistufig auf 66 bar verdichtet, die Temperaturen liegen bei ca 100 °C. Die bisherigen wassergekühlten Dichtungen liefen ungeschmiert bei rund 2,6 m/s Kolbenstangengeschwindigkeit. Die BCD-Ringe wurden in das bestehende, gekühlte Packungsgehäuse eingepasst. Das Material der Ringe ist auf die besonderen Anforderungen für knochentrockene Bedingungen abgestimmt. Im kontinuierlichen Betrieb konnte auf diese Weise die Standzeit mit den neuen Dichtringen auf über 22.000 h - also etwa zweieinhalb Jahre - erhöht werden. Diese Tatsache  erlaubte es, die turnusmäßige Wartung des Kompressors zu verlängern und so mit anderen Anlagenkomponenten abzustimmen, dass die Betriebskosten der gesamten Anlage sanken.

Dichtwirkung und Einsatzdauer auf hohem Niveau
Die neuen Dichtringe sind durch die mathematische Berechnung der tatsächlichen Einflüsse vor Ort optimal auf die Bedingungen im Kompressor abgestimmt. Trotz schmalerer, geteilter Bauform sind die Dichtwirkung und die Einsatzdauer auf sehr hohem Niveau, und die Temperatur der Kolbenstange ist deutlich geringer. Als leicht nachrüstbare Komponente eignet sich der BCD-Ring daher für alle Anwendungen, bei denen die Abdichtung der Kolbenstange bisher ein kurzes Wartungsintervall erfordert.n


Entscheider-Facts
Für Anwender

• Ein häufiger Grund für die mangelnde Standfestigkeit von Kompressoren sind die gewählten Dichtungen.
• BCD-Ringe haben im Vergleich zu herkömmlichen Dichtungen eine mehr als doppelt so hohe Standzeit. Die Emissionen von Leckage-Gasen werden drastisch verringert.
• Mit dem leicht nachrüstbaren Dichtelement lassen sich Lösungen selbst für die schwierigsten Probleme finden, ohne dass hohe Investitionen in neue Anlagenkomponenten notwendig sind.
• Die Statistik zeigt: Schon durch den Austausch der Packungsringe gegen die robusten, speziell auf die jeweiligen Bedingungen ausgelegten BCD-Ringe lässt sich die Ausfallrate enorm senken.
• Als leicht nachrüstbare Komponente eignet sich der BCD-Ring daher für alle Anwendungen, bei denen die Abdichtung der Kolbenstange bisher ein kurzes Wartungsintervall erfordert.

Autor: Andreas Zeiff, freier Fachjournalist
Ausgabe:09/2012 September