Dreifach hält besser

Totraumfreies Lager für schwierige Medien

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13.07.2017 Der häufigste Grund für den Ausfall von dreifachexzentrischen Absperrklappen in der Praxis sind Fehler in der Wellenlagerung. Dieses Problem lässt sich darauf zurückführen, dass die metallischen Lagerbuchsen eine hohe Genauigkeit haben müssen und nur ein geringes Maß an Toleranz in der Passung von Welle und Buchse aufweisen dürfen. Schon kleinste Fremdkörper zwischen Welle und Lagerbuchse können hier zum Versagen der Armatur führen.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Fehler in der Wellenlagerung sind der häufigste Grund für den Ausfall von dreifach-exzentrischen Absperrklappen in der Praxis.
  • Grund: Selbst kleinste Mengen kritischer Medien zwischen Welle und Lagerbuchse können zum Versagen der Armatur führen.
  • Das im Beitrag vorgestellte „totraumfreie“ Lager verhindert, dass unerwünschtes Medium in die Lagerbuchsen eindringen kann.

Der häufigste Grund für den Ausfall von dreifachexzentrischen Absperrklappen in der Praxis sind Fehler in der Wellenlagerung. Dieses Problem lässt sich darauf zurückführen, dass die metallischen Lagerbuchsen eine hohe Genauigkeit haben müssen und nur ein geringes Maß an Toleranz in der Passung von Welle und Buchse aufweisen dürfen. Schon kleinste Fremdkörper zwischen Welle und Lagerbuchse können hier zum Versagen der Armatur führen. Echte dreifach-exzentrische Absperrklappen sind metallische, dichtende Armaturen, die nur ein geringes Maß an Wellendurchbiegung erlauben, um ein reibungsfreies, drehmomentabhängiges Schließen der Armatur zu ermöglichen. Gerade deshalb ist es ein enormer Vorteil, eine optimierte Konstruktion der Lagerbuchsen zu haben, die möglichst nahe zu der Gehäusemitte positioniert sind, um ein möglichst kleines Biegemoment der Welle zuzulassen.

Das große Festfressen

In sauberen Medien wie Wasser oder Luft ist die Wahrscheinlichkeit für Ablagerungen in den Lagerbuchsen von Armaturen gering. In der Vielzahl von Anwendungen – gerade in der petrochemischen, chemischen oder anderen Industrien – gibt es aber eine Fülle von Medien, die ein großes Problem für die Lagerungen der Armaturen darstellen können. Als Beispiel seien hier Schwefelrestgase oder Sauergas in Raffinerien oder Gasaufbereitungsanlagen genannt. 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, sodass sich die Armatur nicht mehr bewegen lässt.

Beim Auftreten dieser unerwünschten Erscheinung kann der Anlagenbetreiber nur durch Wärmeeinbringung versuchen, den festen Schwefel umzuwandeln, um die Armatur wieder fahren zu können. Diese Praxis ist in Zeiten hochmoderner Anlagen 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, dass der Schwefel sich im Lagerbereich verfestigen kann. Jedoch besteht bei jeder Unterbrechung der Dampfzufuhr zum Heizmantel die Gefahr, dass die Absperrklappe nicht mehr funktionsfähig ist. Auch jeder Anlagen-Turnaround kann zum Problem werden, wenn sich Schwefel im Lagerbereich befindet und dieser Bereich nicht die gewünschte Temperatur hat.

Keine zufriedenstellende Lösung

Andere chemische Applikationen wie Butadien oder Styren, die im Totraum einer Lagerung eingeschlossen werden, können unabhängiger 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 neuen Anlage, können in die Lagerung eindringen und zum Versagen der Armatur führen. Weiterhin kann fehlerhaftes Design von Armaturenlagerungen, beispielsweise bei falsch gewählten Passungen, zum Fressen einer Armatur führen. Hersteller von dreifach-exzentrischen Absperrklappen haben Anfang der 90er Jahre auf diese Problemstellung reagiert und einen Lagerschutzring aus Grafit im Armaturenlager vorgesehen, welcher mittlerweile als Industriestandard gilt.

Diese Lösung ist aber bei den oben genannten Anwendungen wenig hilfreich. Bei diesem Design wird ein Grafitring in die Nut in den beiden Lagerbuchsen eingebracht. Das eingesetzte Grafit ist dabei nicht verpresst, wodurch es sich unter Druckbelastung und wenigen Schaltspielen sehr schnell eindrückt und damit keinen besonderen Schutz gegen das Eindringen von Medien in die Lagerbuchsen ermöglicht und nur vor groben Partikeln schützt. Eine weitere Lösung ist ein Zwischenring, durch den Anwender in der Lage sind, die Buchsen zu spülen; wobei dort nicht gewährleistet ist, dass das Medium komplett ausgespült werden kann und die Variante deutlich aufwendiger ist. Auch Lösungen mit eingebrachten O-Ringen sind bekannt, die allerdings nicht die Anforderung „Fire-safe“ erfüllen.

Aller guten Dinge sind drei

Die Firma Zwick hat für kritische Applikationen wie die oben genannten Sonderlösungen im Portfolio, die Anwendern einen sicheren Betrieb ermöglichen. Ein Beispiel hierfür ist das von Firmengründer Hans Zwick erfundene Lager: Dieses hat ein mechanisches Design, das es ermöglicht, dass sowohl der innere als auch der äußere Durchmesser der Lagerbuchse geschützt sind und zudem noch die Anforderungen Fire-safe erfüllt. Jeweils drei Grafitringe sind in der inneren Lagerbuchse sowie der äußeren Buchse verbaut. Hierdurch stehen die schützenden Grafitringe unter einer ständigen axialen Verpressung, wodurch immer eine ausreichende radiale Verpressung der Ringe vorhanden ist, die dafür sorgt, dass kein unerwünschtes Medium in die Lagerbuchsen eindringen kann und somit nichts in die Toträume vordringen kann. Dieses patentierte Lager ist als „totraumfreies Lager“ bekannt und erfolgreich im Einsatz.

Ab Werk oder nachrüsten

Neben der Tatsache der optimalen Abdichtung der Lagerung ist das Lager auch so konstruiert dass es möglich ist, die Vorteile des speziellen Wellenbiegemoment minimierenden Standardlagers auch in der totraumfreien Ausführung zu nutzen. 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 Anwender jede Armatur auch im Nachhinein mit dem totraumfreien Lager ausrüsten können, beispielsweise auch die Ausführung Tri-Block. Neben dem Schutz der Wellenlagerung funktioniert das spezielle Lager auch als eine Vorabdichtung zur eigentlichen dynamischen Wellenabdichtungder Packung. Hierdurch verringern sich die fugitiven Emissionen der Armatur nochmals, was das totraumfreie Lager auch für Armaturen im Bereich von Ethylenoxid oder Propylenoxid interessant macht.

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Heftausgabe: Juli 2017

Über den Autor

Dave Buse, Geschäftsführer Zwick Valves North America, und Daniel Zwick, Leitung Technik, Zwick
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