Soll die Pumpe länger halten ...

Verschleißschutz an Kreiselpumpen

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24.04.2018 Kreiselpumpen dienen zur Förderung sehr unterschiedlicher Flüssigkeiten, häufig auch mit Feststoffen beladener Flüssigkeiten. Dadurch ergeben sich sehr verschiedene Anforderungen an die Pumpen und ihre Einzelkomponenten. Neue Technologien zur Beschichtung und Herstellung der Pumpenbauteile sowie neue Werkstoffe finden hier ihre Anwendung.

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Entscheider-Facts für Pumpen-Nutzer

  • Verschleiß an Kreiselpumpen kann je nach Anwendung auf sehr unterschiedliche Arten und an unterschiedlichen Bauteilen auftreten, insbesondere beim Fördern verunreinigter oder feststoffhaltiger Medien.
  • Die Auswahl geeigneter Werkstoffe und spezielle Beschichtungen können den Verschleiß minimieren. Dies erhöht die Lebensdauer der Pumpe und erhält ihren Wirkungsgrad.
  • Vorausschauende Instandhaltung trägt ebenfalls zum wirtschaftlichen Betrieb einer Pumpe bei. Die Möglichkeiten kommunizierender Pumpen im Rahmen von Industrie 4.0 unterstützen dies ebenfalls.

Die Grundlage für den Verschleiß wird meist schon in der Planung gelegt. Zum wirtschaftlichen und störungsfreien Betrieb ist daher eine sehr gute Planung und Auslegung notwendig. Nicht zu unterschätzen sind auch die Schäden durch Korrosion: Weltweit gehen infolge mangelnden Korrosionsschutzes 6 t/s Stahl verloren. Korrosion lässt sich durch den Einsatz hochwertiger Werkstoffe bekämpfen, oder auch durch geeignete Schutzschichten.

Verschleiß senkt Wirkungsgrad

Bei verunreinigten Medien treten Schäden durch Abrasion in Form von Materialabtrag auf. Auch besteht ein direkter Zusammenhang zwischen Verschleiß und Energie-Effizienz. Verschlissene Bauteile mit erhöhtem Reibmoment erhöhen den Energieverbrauch. Nicht zu unterschätzen sind aber auch Schäden durch Teillast und Überlast der Pumpen. Abgesehen davon, dass der Wirkungsgrad schlecht ist, werden Bauteile beschädigt. Im Extremfall äußert sich dies durch die komplette Zerstörung der Bauteile infolge von Kavitation bei Überlast. Sehr oft kommt es aber auch zu Schäden durch Überlagerung von Korrosion und Kavitation.

Langfristig treten Schäden an nahezu allen Bauteilen auf: Laufrad, Spiralgehäuse, Kugellager, Welle, Gleitringdichtung und Motor. Bei Gleitringdichtungen sind falscher Betrieb oder falsche Auswahl der Materialien die Ursachen für Schäden. Je nach Anwendung muss die Werkstoffpaarung der beiden Gleitflächen zum Prozess und den Betriebsdaten der Anlage passen. Beispielsweise eignet sich die Werkstoffpaarung mit Silizium-Karbid/Silizium-Karbid für abrasive Medien und bei Korrosionsgefahr. Sind Notlaufeigenschaften bei kurzzeitigem Trockenlauf gefordert, ist Silizium-Karbid mit eingelagertem Grafit geeignet. Die Grafitteilchen wirken hier wie ein trockenes Gleitmittel und reduzieren bei kurzzeitig fehlender Schmierung die Reibung. Vor allem bei demineralisiertem Wasser als Fördermedium ist die Korrosionsgefahr hier eher gering.

Je nach Schadensfall fällt die Problemlösung unterschiedlich aus. Beispielsweise kann ein Wellendichtring oder ein Sonderwerkstoff den Schaden minimieren. Bei anderen Anwendungen kann eine undichte Gleitringdichtung zu Lochfraß führen. Zur Vermeidung oder Reduktion von Verschleiß bieten sich verschiedene Möglichkeiten an. Jedoch sollte erst nach genauer Kenntnis der Ursachen über Maßnahmen entschieden werden. Die Verschleißreduzierung einer Pumpe lässt sich an verschiedenen Stellen optimieren. Geeignete Geometrie und Oberfläche helfen dabei, Laufrad und Spiralgehäuse zu schützen. Dichtungen und Kugellager mit reduziertem Reibmoment senken den Energieverbrauch und auch die Geräuschentwicklung. Ein möglichst enger Spalt reduziert Spaltverluste.

Beschichtungen und Edelstahl-Vergütung

Die Oberflächenvergütung bietet ein großes Potenzial. Zur Effizienzsteigerung werden bestimmte Pumpentypen mit Beschichtungen versehen. Abrasionsschutz bewirkt Energie-und Materialeinsparung durch eine längere Lebensdauer. Verfahren wie Plasmanitrieren oder Diamantbeschichten können die Standzeit beim Fördern von abrasiven Medien bis zu verfünffachen. Kunststoff-Spezialbeschichtungen auf Metallguss schützen vor Korrosion und steigern den Wirkungsgrad durch glatte Oberflächen. Je nach Pumpentyp ergibt sich dadurch eine Wirkungsgradsteigerung um 5 bis 9 %.

In sehr korrosiver Umgebung hält auch Edelstahl nicht unbedingt der Korrosion stand. Durch das Aufbringen von Oxidschichten lässt sich das Korrosionspotenzial erheblich erhöhen. Nichtrostender Stahl zeichnet sich durch einen hohen Anteil an Chrom (ca. 10 %) aus. Durch diesen hohen Chromanteil bildet sich eine schützende Passivschicht aus Chromoxid an der Werkstoff­oberfläche aus, die Korrosionsschäden reduziert oder verhindert. Für sehr korrosive Umgebungen, wie sie in Salzwasser gegeben sind, reicht diese Passivschicht allerdings nicht aus.

Mit einer kombinierten Beschichtungstechnologie lässt sich jedoch auch Edelstahl mittlerer Qualität gegen Salzwasser und vergleichbare Elektrolyte hochresistent und langzeittauglich veredeln. Die Kombination mehrerer Schichten vermeidet, dass das Umgebungsmedium tatsächlich bis zur metallischen Werkstoff-Oberfläche vordringt. Einzeldefekte sind immer nur auf eine Schicht beschränkt. Die Mehrlagen-Schichten dichten sozusagen die Fehlstellen gegen die Oberfläche ab. Die Kombinationsbeschichtung erfüllt die Korrosionsklasse lm2. Diese Korrosionsklasse („Stahlwasserbau“), die im Korrosionsschutz auch als Königsdisziplin bezeichnet wird, betrifft Anwendungen, die ständig salzhaltiger Atmosphäre oder korrosiven Flüssigkeiten ausgesetzt sind.
Bei Fördermedien mit harten Feststoffen werden Spezialpumpen mit Schneidwerk eingesetzt. Ein dem Spiralgehäuse vorgesetztes Schneidwerk mit auswechselbaren und gehärteten Schneidmessern zerkleinert etwa Metallspäne vor Eintritt in das Pumpensystem. Dies spart eine Späne-Zerkleinerungsanlage ein und senkt somit Anschaffungskosten und weitere Betriebs- und Energiekosten.

Lebenszykluskosten – Von Anschaffung bis Entsorgung

Die Lebenszykluskosten (LCC, Life Cycle Costs) setzen sich in der Summe folgendermaßen zusammen:
LCC = Cic + Cin + Ce + Co + Cm + Cs + Cenv + Cd
wobei:
Cic = Anschaffungskosten
Cin = Einrichtung und Inbetriebnahme
Ce = Energiekosten
Co = Betriebskosten
Cm = Ausfallzeit, Produktionsverlust
Cs = Instandhaltungs- und Reparaturkosten
Cenv = Umweltkosten
Cd = Stilllegung und Entsorgung

Lebenszykluskosten und vorausschauende Instandhaltung

Zur Optimierung des Pumpenbetriebs und auch der Kosten sollte ein starkes Augenmerk auf Wartung und Reparatur sowie vorausschauender Instandhaltung liegen. Deshalb muss eine Betrachtung der gesamten Anlage und des Prozesses erfolgen, um das jeweilige System zu optimieren.

Unter dem Begriff „Condition Monitoring“ sind Maßnahmen zur Zustandsüberwachung zusammengefasst. Die kontinuierliche Überwachung des Betriebszustands einer Pumpenanlage ermöglicht die Diagnose eines sich anbahnenden Schadens bevor der Schaden eintritt, beispielsweise durch Messung der Körperschallschwingungen an einem Kugellager. Somit ist die Wartung oder Reparatur so einzuplanen, dass der Prozess kontrolliert oder möglichst nicht unterbrochen wird.

Neben den Energiekosten sind die Aufwendungen für Wartung, Reparatur und Instandhaltung der zweitgrößte Kostenfaktor über die Lebensdauer der Anlage gesehen. Diese Gesamtkostenbetrachtung beinhaltet die Kosten von der Anschaffung über die Inbetriebnahme bis zur Entsorgung. Dadurch lässt sich die Standzeit einer Pumpenanlage bewerten. Der Wert für die höhere Standzeit geht direkt in die Wirtschaftlichkeitsberechnung mit ein. Die Mehrinvestition in qualitativ hochwertige Pumpen mit speziellen Beschichtungen, energiesparenden Motoren oder intelligenten Regelungen ist sehr wirtschaftlich.

Die Hauptkostenfaktoren einer Pumpe sind Instandhaltung und Energieverbrauch (Diagramm). Lösungen dazu sind: Verschleißschutz und hohe Qualität zur Reduzierung von Instandhaltung und Reparatur. Zur Optimierung des Energieverbrauchs sind Frequenzumrichter zur Drehzahlregelung, hydraulische Optimierung des Systems sowie der Einsatz von energieoptimierten Motoren ratsam.

Industrie 4.0

Auch das Trendthema Industrie 4.0 beinhaltet Verschleißreduzierung und folglich eine Kostenoptimierung. Zur Koordinierung und Umsetzung von Industrie 4.0 haben sich die Industrieverbände VDMA (Maschinenbau), ZVEI (Elektro) und Bitkom (IT) zusammengeschlossen, um das Zukunftsprojekt und die Hightech-Strategie der Bundesregierung umzusetzen.

Was bedeutet das für Pumpen? Grundsätzlich wird sich sowohl das Produkt „Pumpe“ als auch die industrielle Herstellung verändern. Fertigungsprozesse sollen – von der Entwicklung über die Produktion bis zum Vertrieb und dem Kundendienst – über das Internet gesteuert werden, auch bei Pumpen. So soll eine flexiblere Produktion mit dem Ziel der wirtschaftlichen Fertigung sehr vieler Produktvarianten bis hin zur Losgröße 1 möglich sein. Produktivitätssteigerungen bis 30 % sollen möglich sein.

Die Pumpe der Zukunft wird kommunikationsfähig sein und sowohl Steuerbefehle empfangen als auch Zustandsmeldungen und Prozessdaten senden. Der Frequenzumrichter dient als Empfangs- und Sendeeinheit. Zustands- und Prozessdatenerfassung über Sensorik rund um die Pumpe wird erfolgen. Verschiedene Parameter wie Förderdruck, Förderhöhe, Drehzahl, Temperatur, Lagerüberwachung, Leistung oder Trockenlauf werden erfasst und ausgewertet. Diese Erfassung per Ferndiagnose ermöglicht es, den optimalen Zeitpunkt für Wartungs- und Serviceintervalle zu berechnen. Auch der aktuelle Energieverbrauch wird rückgemeldet und lässt sich bewerten.

Kurzum, die Pumpe der Zukunft wird eine kommunizierende Pumpe sein. Das Pumpensystem lässt sich durch Online-Überwachung soweit optimieren, dass die Verfügbarkeit der Pumpe weitgehend gesichert ist und auch der Wirkungsgrad optimiert ist.

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Heftausgabe: Mai/2018
Thomas Merkle,  Leiter Entwicklung +  Konstruktion / Technischer Leiter, Schmalenberger; Mitglied im Facharbeitsausschuss Forschung im Fachverband Pumpen + Systeme des VDMA

Über den Autor

Thomas Merkle, Leiter Entwicklung + Konstruktion / Technischer Leiter, Schmalenberger; Mitglied im Facharbeitsausschuss Forschung im Fachverband Pumpen + Systeme des VDMA
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