Kein Raum für Ausfälle

Totraumfreie Lager erhöhen Betriebssicherheit

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25.03.2014 Der häufigste Grund für die Funktionsunfähigkeit von dreifach-exzentrischen Absperrklappen sind Fehler in der Wellenlagerung. Dieses Problem lässt sich darauf zurückführen, dass die metallischen Lagerbüchsen eine hohe Genauigkeit haben müssen und nur ein geringes Maß an Toleranz in der Passung von Welle und Buchse aufweisen dürfen.

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Entscheider-Facts

  • Fehler in der Wellenlagerung sind in der Praxis der häufigste Grund für den Ausfall von dreifach-exzentrischen Absperrklappen.
  • Da die metallischen Lagerbüchsen eine hohe Genauigkeit haben müssen und nur ein geringes Maß an Toleranz in der Passung von Welle und Buchse aufweisen, können kleinste Fremdkörper Versagen der Armatur führen.
  • Ein totraumfreies Lager verhindert, dass unerwünschtes Medium in die Lagerbuchsen eindringen kann und verbessert so die Betriebssicherheit

Kleinste Mengen kritischer Medien, beispielsweise flüssiger Schwefel, Butadien oder Styren, zwischen Welle und Lagerbüchse können hier zum Versagen der Armatur führen. Echte dreifach-exzentrische Absperrklappen sind metallische dichtende Armaturen, bei denen sich Wellen nur in geringem Maße durchbiegen können; und die damit ein reibungsfreies, drehmomentabhängiges Schließen der Armatur ermöglichen. Gerade deshalb sind optimiert konstruierte Lagerbuchsen, die möglichst nahe zu der Gehäusemitte positioniert sind, ein Vorteil, um ein möglichst kleines Biegemoment der Welle zu realisieren.

Feststoffe führen zum Ausfall
In sauberen Medien wie Wasser oder Luft ist die Wahrscheinlichkeit für Ablagerungen in den Lagerbuchsen von Armaturen gering. Bei anderen Anwendungen, gerade in der petrochemischen, chemischen oder anderen Industrien, gibt es eine Fülle von Medien, die nach einer gewissen Betriebsdauer die Lagerungen der Armaturen schädigen können. Als problematische Anwendungen bekannt sind beispielsweise Schwefelrestgase oder auch Sauergas in Raffinerien und Gasaufbereitungsanlagen.

Kritisch ist bei Schwefelgasen, dass bei einem Abkühlen der Temperatur der Schwefel im festen Zustand vorliegen kann. Findet diese Phasenumwandlung im Totraum der Lagerbuchsen statt, führt dieses zum Fressen; so dass sich die Armatur nicht mehr bewegen kann. Beim Auftreten dieser Erscheinung kann der Anlagenbetreiber allein durch Wärmeeinbringung versuchen, den festen Schwefel umzuwandeln, um die Armatur wieder fahren zu können. Diese Praxis ist in Zeiten moderner, kontinuierlich laufender Anlagen allerdings unerwünscht, weshalb die meisten Hersteller von dreifach-exzentrischen Absperrklappen in diesen Applikationen eine Ausführung mit einem auf das Gehäuse aufgeschweißten Heizmantel liefern. Diese Konfiguration verhindert zwar, dass der Schwefel sich im Lagerbereich verfestigen kann, jedoch besteht bei jedem Unterbrechen der Dampfzufuhr zum Heizmantel die Gefahr, dass die Absperrklappe nicht mehr funktionsfähig ist.

Auch jeder Anlagenturnaround kann zu Problemen führen, wenn sich Schwefel im Lagerbereich befindet und dieser Bereich nicht die gewünschte Temperatur hat. Andere Stoffe wie Butadien oder Styren können im Totraum einer Armatur unabhängig von der Temperatur zu „Popcornbildung“ neigen und damit einen Feststoff zwischen Welle und Lagerbuchse führen, was zum Fressen der Armatur führt. Auch Verschmutzungen, sei es im normalen Betrieb oder beim nicht ausreichenden Säubern einer Anlage, können in die Lagerung eindringen und zum Versagen der Armatur führen. Weiterhin kann fehlerhaftes Design von Armaturenlagerungen, beispielsweise falsch gewählte Passungen, zum Fressen einer Armatur führen.

Bisherige Lösungsansätze
Hersteller von dreifach-exzentrischen Absperrklappen haben Anfang der 90er Jahre auf diese Problemstellung reagiert und einen Lagerschutzring aus Graphit im Armaturenlager vorgesehen, welcher mittlerweile als Industriestandard gilt. Diese Lösung ist aber bei den oben genannten Anwendungen wenig hilfreich: Bei diesem Design ist ein Graphitring in die Nut in den beiden Lagerbuchsen eingebracht. Das eingesetzte Graphit ist nicht verpresst, wodurch es sich unter Druckbelastung und wenigen Schaltspielen schnell eindrückt und damit keinen besonderen Schutz gegen das Eindringen von Medien in die Lagerbuchsen ermöglicht und nur vor groben Partikeln schützen kann.

Eine weitere Lösung ist ein Zwischenring: Ist ein solcher verbaut, kann der Anwender die Büchsen spülen. Dies ist allerdings keine verlässliche Methode, um das jeweilige Medium komplett zu entfernen. Dazu kommt, dass diese Variante nur mit vergleichsweise hohem Aufwand zu realisieren ist. Auch Lösungen mit eingebrachten O-Ringen sind bekannt, diese erfüllen allerdings nicht die wichtige Anforderung „Fire-safe“.

Sechs Ringe für Sicherheit
Eine Lösung, um dem Problem defekter Armaturen Herr zu werden ohne bei den Sicherheitsaspekten Abstriche machen zu müssen, hat das Unternehmen Zwick entwickelt: Das mechanische Design der patentierten Speziallager des Herstellers ermöglicht es, dass sowohl der innere Durchmesser als auch der äußere Durchmesser der Lagerbuchse geschützt sind und das zudem die Anforderungen „Fire-safe“ erfüllt. Das Design funktioniert mit drei Graphitringen für den Schutz der inneren Lagerbuchse und weiteren drei Graphitringen für den Schutz der äußeren Buchse. Die Ringe stehen unter einer ständigen axialen Verpressung, wodurch immer eine ausreichende radiale Verpressung vorhanden ist. Somit kann kein unerwünschtes Medium in die Lagerbuchsen und in die Toträume eindringen.

Daneben ist das Lager so konstruiert, dass Betreiber die Vorteile des speziellen Wellenbiegemoment minimierenden Standardlagers auch in der totraumfreien Ausführung nutzen können. Durch die möglichst nahe Position der Lagerung an der Gehäusemitte kann auch hier das entstehende Wellenbiegemoment auf ein Minimum reduziert werden. Ein weiterer Vorteil der Absperrklappen ist, dass der Anwender auch nachträglich jede Armatur mit dem totraumfreien Lager ausrüsten kann. Neben dem Schutz der Wellenlagerung funktioniert das spezielle Lager auch als eine Vorabdichtung zur eigentlichen dynamischen Wellenabdichtung, der Packung. Das verringert noch einmal die fugitiven Emissionen der Armatur, weshalb das Lager auch für Applikationen im Bereich von Ethylenoxid oder Propylenoxid geeignet ist

Weitere Beiträge zum Thema Armaturen finden Sie hier.

Einen Link zum Hersteller finden Sie hier.

Heftausgabe: April 2014

Über den Autor

Dave Buse, Geschäftsführer von Zwick Valves North America, Daniel Zwick, Leitung Technik bei Zwick
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