Chemieanlage

Dichtungen in Kompressoren für Ethylen-Anwendungen sind auf spezielle Werkstoffe angewiesen. (Bild: Panthermedia)

  • Eine praxisnahe Prüfmethode in Kombination mit einer schnellen und flexiblen Variation der Rezeptur führt zur schnellen Entwicklung neuer Werkstofflösungen.
  • Im Rahmen der tribologischen Charakterisierung mittels eines speziell entwickelten oszillierenden Tribometers ließen sich die Bedingungen zur Abdichtung eines Ethylen-Kompressors nachbilden.
  • Dies führte zur Auswahl des optimalen Dichtmaterials und damit zu einer deutlich höheren Standzeit, wie ein nachfolgender Feldtest in der Maschine des Kunden bestätigte.
Oszillierender Tribometer
Oszillierender Tribometer (Gesamtansicht). (Bild: Stasskol)

Speziell bei industriellen Anwendungen stellen reduzierende Gase mit sehr geringem Taupunkt eine besondere Herausforderung an die Dicht­elemente dar. Die Entwicklung geeigneter Materialien findet mittels Verschleißmessungen statt, wobei die Parameter der realen Anwendung meist nicht abgebildet werden können. Um diese Lücke zu füllen, hat das Unternehmen Stasskol mit dem oszillierenden Tribometer eine Prüfeinrichtung entwickelt, um unter möglichst praxisnahen Bedingungen die Verschleißeigenschaften eines Werkstoffes zu quantifizieren. Damit ist es schnell und effizient gelungen, einen optimierten Dichtwerkstoff für Ethylen-Kompressoren zu entwickeln. Der nachfolgende Feldversuch hat dann gezeigt, dass dieses Material seine verbesserten Verschleißeigenschaften auch in der Praxis unter Beweis stellen kann.

Werkstoffe für Kolbenkompressoren

Oszillierender Tribometer
Oszillierender Tribometer (Gegenlaufflächen & Messkopf). (Bild: Stasskol)

Kolbenkompressoren werden häufig zum Verdichten von Prozessgasen in industriellen Anwendungen eingesetzt. Hierzu zählen Polymerisationsanlagen, bei denen das gasförmige Monomer (in diesem Fall Ethylen) auf den für die Polymerisationsreaktion nötigen Druck gebracht werden muss. Dies ist ein komplexer und automatisierter Prozess, welcher in kontinuierlicher Fahrweise betrieben wird und bei dem ein ungeplanter Ausfall des Kompressors zu sehr kostspieligen Abschaltungen führen würde.
Daher ist die Zuverlässigkeit eine der wichtigsten Eigenschaften eines Kolbenkompressors. Diese Zuverlässigkeit wiederum wird maßgeblich von der Performance der Dichtelemente aus Polytetrafluorethylen (PTFE) bestimmt, welches in Form hochverschleißfester Compounds zum Einsatz kommt. Die Materialien sind auf den Einsatz in Kolbenkompressoren optimiert und die Entwicklung erfolgt mittels tribologischer Untersuchungen unter Variation der Gehalte an Füllstoffen sowie Hilfsmitteln zur Trockenschmierung. Um eine effiziente Materialentwicklung zu ermöglichen, ist es notwendig die tribologischen Untersuchungen (Messung von Reibung und Verschleiß) derart durchzuführen, dass die Übertragbarkeit auf die reale Kompressoranwendung möglichst groß ist.

Tribologische Charakterisierung

Um anwendungsnahe Testbedingungen schaffen zu können, wurde ein spezieller Prüfstand entwickelt, welcher tribologische Messungen unter den im Kolbenkompressor herrschenden Bedingungen ermöglicht. Eine oszillierende Stange (ähnlich einer Kolbenstange im Kompressor) wurde mit einem Probenhalter ausgestattet und die sich bewegenden Proben werden von einer Gegenlauffläche umgeben. Während die Proben ihre oszillierende Bewegung vollführen, werden die Gegenlaufflächen mit dem Anpressdruck gegen die Proben gepresst. Die mittlere Geschwindigkeit der Probenbewegung ist ebenso einstellbar wie der Anpressdruck und die Temperierung der Gegenlaufflächen auf die Prüftemperatur. Sensoren messen kontinuierlich den Abstand zwischen dem Probenhalter und der Gegenlauffläche, um durch die zeitliche Abnahme der Distanz die Verschleißrate zu bestimmen. Weiterhin werden die Temperaturen der Gegenlaufflächen und die von der Probe erzeugten Reibkräfte aufgezeichnet. Aus dem Quotienten der Reibkräfte und der Anpresskräfte ergeben sich die Reibungskoeffizienten der entsprechenden Materialpaarungen.
Der Tribometer besitzt eine Haube, welche mit unterschiedlichsten Prüfgasen wie Luft, Stickstoff, Wasserstoff, Methan und anderen Flaschengasen beaufschlagt werden kann. Zusätzlich ist der Taupunkt des Gases durch gezielte Befeuchtung oder Trocknung einstellbar. Hierdurch kann das umgebende Medium dem Prozessgas im Kolbenkompressor realitätsnah angepasst werden.
Durch die Variabilität des Prüfsystems konnten im vorliegenden Fall nahezu alle Parameter eines Ethylen-Verdichters nachgebildet werden (Druck, Geschwindigkeit, Temperatur, Material der Gegenlauffläche). Zusätzlich wurden die Versuche unter einer Ethylen-Atmosphäre durchgeführt. Dies ermöglichte eine gezielte und effiziente Auswahl der besten Rezeptur.

CT-Fokusthema Wasserstoff

(Bild: Corona Borealis – stock.adobe.com)

In unserem Fokusthema informieren wir Sie zu allen Aspekten rund um das Trendthema Wasserstoff.

 

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Auswahl des optimalen Werkstoffes

Die Anwendung verlangte in der Kundenanfrage nach einem Material für einen Verdichter zur Kompression von trockenem Ethylen-Gas von einem Druck von 22 bar auf 63 bar durch einen 4-kurbeligen einstufigen Kolbenkompressor. Eine Auswahl von Materialien von Stasskol mit unterschiedlichen Zusammensetzungen wurde auf dem oszillierenden Tribometer getestet, um die richtige Mischung für diesen Anwendungsfall bzw. für die entsprechenden Bedingungen des Kompressors zu finden. Zusätzlich wurde das Material eines Wettbewerbers hinzugenommen, welches bis dato im Verdichter zum Einsatz kam. Um den Bedingungen in der Anwendung möglichst nahezukommen, wurden die tribologischen Charakterisierungen unter den folgenden Parametern durchgeführt:

  • mittlere Geschwindigkeit = 3,5 m/s,
  • Anpressdruck = 22 bar,
  • Temperatur = 120 °C,
  • Medium = trockenes Ethylen,
  • Gegenlauffläche = Grauguss (GGG30),
  • Rauheit der Gegenlauffläche = 0,4 bis 0,6 μm (Ra).
Tabelle 1: Getestete Werkstoffe auf Basis von PTFE
Tabelle 1: Getestete Werkstoffe auf Basis von PTFE (Bild: Stasskol)
Tabelle 2: Verschleiß der Ringe als prozentualer Anteil des max. zulässigen Verschleißes.
Tabelle 2: Verschleiß der Ringe als prozentualer Anteil des max. zulässigen Verschleißes. (Bild: Stasskol)

Die Ergebnisse der tribologischen Charakterisierung der Materialien sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Bei den Werkstoffen SK404 und SK406 handelt es sich um mit Kohle und Grafit gefülltes PTFE, welche durch Kaltpressen und einen nachfolgenden Sinterprozess hergestellt werden. Hier zeigten sich sowohl hohe Reibungskoeffizienten als auch hohe Verschleißraten im Vergleich zum aktuellen Wettbewerbsmaterial. Das SK801 und das SK804 basieren ebenfalls auf PTFE, besitzen aber einen wesentlich komplexeren Füllstoff-Mix. Zusätzlich werden diese Werkstoffe im sogenannten „Hot-Compression-Moulding“-Verfahren produziert, d. h. die Mischungen werden unter gleichzeitiger Anwendung von Druck und Temperatur verarbeitet, um eine maximale Materialdichte zu erreichen. Zusätzlich zur höheren Dichte stellt sich eine verbesserte Verschleißfestigkeit ein.
Sowohl das SK801 als auch das SK804 stellen gute Kandidaten für Abdichtelemente in Kolbenkompressoren unter den getesteten Bedingungen dar. Beide Werkstoffe stellen eine signifikante Verbesserung im Vergleich zum aktuell eingesetzten Wettbewerbermaterial in Aussicht. Das SK804 besitzt im Vergleich zum SK801 eine erhöhte Verschleißfestigkeit. Wichtig ist auch der Reibungskoeffizient des SK804, welcher gegenüber dem SK801 mehr als halbiert ist. Dies verursacht einen deutlich geringeren Wärmeeintrag durch Reibung im Zylinder des Kompressors, was zu einer weiteren Reduzierung des Verschleißes beiträgt.

Feldversuch im Ethylen-Verdichter

Kolbenringe nach einer Laufzeit von 10.500 Stunden
Kolbenringe nach einer Laufzeit von 10.500 Stunden. (Bild: Stasskol)

Aufgrund der Resultate der tribologischen Charakterisierung unter möglichst anwendungsnahen Bedingungen wurde das SK804 für einen Feldversuch beim Kunden ausgewählt. Für jeden der 4 Zylinder wurden 8 Standard-Kolbenringe und ein Führungsring für einen Zylinderdurchmesser von 260 mm gefertigt und im Ethylen-Verdichter installiert. Nach ca. 10.500 Betriebsstunden (mehr als 1 Jahr kontinuierlicher Betrieb) wurde die routinemäßige Instandsetzung des Kompressors durchgeführt. Bis dahin war die Performance des Kompressors (Förderleistung, Leckagen, etc.) immer noch sehr gut und es gab keinerlei Hinweise auf erhöhte Leckagen über die Kolbenringe (z. B. Druckverschiebungen).
Nach dem Ausbau der Kolben wurden alle Ringe demontiert sowie vermessen und der Verschleißzustand jedes einzelnen Ringes wurde als prozentualer Anteil des maximal zulässigen Verschleißes bestimmt. Neben dem geringen Verschleiß (ca. 25 % im Mittel) konnten bei den Kolbenringen keinerlei Beschädigungen und kaum Verunreinigungen festgestellt werden. Der geringe Verschleiß der Kolbenringe und des Führungsringes zeigt, dass das Material SK804 das Potenzial besitzt, die maximale Laufzeit des Kompressors zwischen zwei routinemäßigen Überholungen von den bisherigen 2 Jahren auf 4 Jahre zu erweitern. Die aktuelle Laufzeit betrug bis dato maximal 12 Monate.
Aktuell wird der Kompressor alle 2 Jahre gewartet, jedoch erzeugt das nun eingesetzte Material durch den deutlich geringeren Verschleiß eine wesentlich höhere Betriebssicherheit, da die Kolbenringe und der Führungsring die Betriebsdauer von 2 Jahren mit Leichtigkeit abdecken können. Dieser aktuelle Fall zeigt, welch hohen Stellenwert die praxisnahe Charakterisierung in der Werkstoffentwicklung besitzt.

Powtech 2022, Halle 4A – 111

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