Dichtkunst aus KerAmik

Keramik für Gleitringdichtungen und Gleitlager

Anlagenbau
Chemie
Pharma
Ausrüster
Planer
Betreiber
Einkäufer
Manager

14.09.2009 Bei vielen industriellen Prozessen sind Pumpen das unsichtbare Rückgrat des Anlagenbetriebs. Unerwarteter Ausfall von Lagern und das Auftreten von Leckagen durch Versagen von Dichtungen führen zu Stillstandzeiten, hohen Ausfallkosten und erheblichen Sicherheitsrisiken vor allem dann, wenn aggressive Medien prozessiert werden.

Entscheider-Facts Für Anwender



  • Siliciumcarbid ist besonders verschleißfest, hochtemperaturstabil sowie korrosionsbeständig.
  • Je nach Applikationsbedingungen sind verschiedene Strukturen verfügbar.
  • Oberflächenbehandlungen können das hydrodynamische Verhalten verbessern.
  • Beschichtungen vermindern die Reibwerte und verlängern damit die Trockenlauffähigkeit.

Gesintertes Siliciumcarbid (SSiC) ist besonders abrieb- und verschleißfest sowie hitze- und korrosionsbeständig. Mit dieser Eigenschaftskombination hebt sich SSiC von alternativen Werkstoffen wie Kunststoffen und Metallen ab. Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen können die Eigenschaften je nach Applikationsbedingungen optimieren. Damit können Lager- und Dichtungskomponenten aus Siliciumcarbid die Sicherheit erhöhen und die Standzeiten von Anlagen der Prozess-, Chemie-, Pharma- und Lebensmitteltechnik gleichzeitig verlängern.

Gleitringdichtungen aus Keramik

Minimale Leckage, hohe Lebensdauer und geringer Verschleiß sind die Hauptanforderungen an Gleitringdichtungen für Anlagen der Verfahrenstechnik. Diese Kriterien zu erfüllen, ist jedoch alles andere als trivial. Tribologisch hoch belastete Systeme verlangen nach einer eigens konfigurierten Funktionsfläche. Im Anlagenbau gilt Ekasic F als Allround-Talent. Der Werkstoff ist sehr feinkörnig, hält hohen Temperaturen stand und ist ausgesprochen gut wärmeleitfähig sowie korrosionsbeständig. Für den Einsatz in Raffinerien zeichnet er sich durch Thermoschockbeständigkeit aus.

Dichtungshersteller, die mit einem temporären Trockenlauf rechnen oder mittlere Belastungen erwarten, benötigen modifizierte Werkstoffe wie zum Beispiel Ekasic P. In dem feinkörnigen SSiC-Gefüge befinden sich rundliche Poren. Trotz der Poren ist der Werkstoff absolut gasdicht. Zwar reduzieren diese die mechanische Festigkeit des Werkstoffes, verbessern vor allem jedoch seine tribologischen Eigenschaften, da sie als Reservoir für den Schmierstoff dienen.
Als grobkörniger Siliciumcarbid- Werkstoff trotzt Ekasic C selbst hochkorrosiven Medien wie Säuren, Laugen oder heißem Wasser. Die bis zu 1500µm großen SiC-Kristallite sind tief im Gefüge verankert und widersetzen sich dadurch der interkristallinen Korrosion besonders gut.
Ekasic G ist ebenfalls ein grobkörniger SSiC-Werkstoff, der zusätzlich graphitische Gefügebestandteile enthält. Diese verleihen dem Werkstoff eine gute selbstschmierende Eigenschaft, die auch bei hoher spezifischer Flächenpressung in mediengeschmierten Pumpen die Funktion der Gleitlager sicherstellt. Sogar ein kurzzeitiger Trockenlauf ist zulässig. Bewährt hat sich Ekasic G als Hart-Hart-Paarung in einer Grundfos Dichtungs-Cartridge. Diese universell einsetzbare Cartridge zeichnet sich durch geringen Energieverbrauch, minimale Leckage und geringem Verschleiß trotz hoher Belastungen (96bar, 9m/s, 95°C) aus. Der Werkstoff eignet sich auch für Gleitlager mit extremer Belastung, wo temporäre Mangelschmierung auftreten kann, wie sie zum Beispiel häufig in Pumpen zur Reinigung von Tankschiffen auftritt.

Oberflächenbehandlung verbessert Hydrodynamik

Es ist bekannt, dass ideal ebene Flächen weder in Dichtungen noch Axiallagern optimales Betriebsverhalten zeigen. Da Festkörperreibung grundsätzlich verschleißbehaftet ist, versucht man diesen Zustand weitestgehend zu vermeiden. Je früher nach dem Anlauf sich die beiden Funktionsflächen in Lagern und Dichtungen trennen, desto besser. Durch gezielt eingebrachte Oberflächentopografien wird die Leistungsfähigkeit von Lagern und Dichtungen spürbar verbessert. Mit der Oberflächengestaltung wird der Anteil der Festköperreibung reduziert, da über einen weiten Bereich des Betriebszustands ein hydrodynamisch wirksamer Schmierfilm erhalten bleibt. Die nur wenige Mikrometer tiefen Strukturen steigern die Leistungsfähigkeit der Komponenten erheblich. Die sehr exakt tolerierten Schmiernuten werden in der Regel mit einem Laserverfahren eingebracht. Ebenso gut kann der Hersteller einfache Geometrien von Stautaschen einschleifen. Je nach vorherrschendem Betriebszustand wird der Flächenanteil der Tragstrukturen ausgelegt, und der Gestaltung der Geometrie der Stautasche sind kaum Grenzen gesetzt. Bewährt haben sich sowohl kugelsegment- und ellipsoid- als auch rechteckförmige, flächige Nuten. Bei geeigneter Auslegung der Tragstruktur bleibt die Leckage minimal, die Reibung sinkt und damit der Energieverlust auch bei hohen Belastungen.

Ein überzeugendes Beispiel für den Erfolg dieses Designs ist eine hermetisch dichte, magnetgekuppelte Tankentleerungspumpe, die mit konventionell konstruierten Lagern immer wieder ausfiel. Daraufhin wurde der Axiallagerring auf Ekasic G mit eingelaserten Stautaschen umgerüstet, nachdem zuvor eine genaue Analyse der Betriebsbedingungen und der Lastzustände durchgeführt worden war. Seit der Umrüstung ist es bei diesem Pumpentyp nicht mehr zu lagerbedingten Ausfällen gekommen.

Beschichtungen reduzieren Reibung

Bis heute ist keine Materialpaarung bekannt, die bei hoher Belastung dauerhaft trockenlauffähig ist. Trockenlauf bedeutet immer erhöhte Reibwerte, verbunden mit einer Temperaturerhöhung und deutlich erhöhtem Verschleiß. Besonders beim Anfahren einer neuen, noch nicht gefüllten Pumpe oder nach längerem Stillstand kann ein temporärer Trockenlauf nicht ausgeschlossen werden, was zu einem Dichtungs- bzw. Lagerschaden führen kann. Eine Beschichtung der Funktionsflächen kann das Trockenlaufverhalten verbessern.

Gut bewährt haben sich DLC-Schichten (DLC = Diamond Like Carbon) aus diamantähnlichem Kohlenstoff, die auch bei Trockenlaufbedingungen vorübergehend einen niedrigen Reibwert µ von <0,2 aufweisen. Damit reduzieren sie die Reibungswärme und überbrücken so die Zeit bis zum Einsetzen der Flüssigkeitsschmierung. Sie stellen jedoch aufgrund ihrer geringen Schichtdicke keine dauerhafte Lösung für das Problem des Trockenlaufs dar und sind daher nur für den Erstbetrieb geeignet. DLC-Schichten sind zudem kostenintensiv. Eine weitere Möglichkeit, um das Trockenlaufverhalten zu verbessern, sind PCD-Schichten (PCD = Poly Crystal Diamond = Polykristalliner Diamant). Diese Beschichtungsart harmoniert in hervorragender Weise mit dem Grundwerkstoff Ekasic, weil die thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die Steifigkeiten beider Werkstoffe gut zusammenpassen. PCD-Schichten werden nicht nur zur Überbrückung von temporären Trockenlaufbedingungen eingesetzt, sondern sie bieten zusätzlich einen Verschleißschutz gegen abrasive Feststoffpartikel im Fördermedium. Jedoch sind auch PCD-Schichten aufwendig in der Herstellung und damit teuer als DLC-Schichten. Die neuartige GFL-Schicht (GFL = Graphite Film Lubricant = Graphit-Gleitlack) erreicht eine hohe Reibwertverminderung und lange Lebensdauer. Durch ihre selbstschmierende Wirkung stellen vorübergehende Trockenläufe für die Komponenten mit dieser neuen Beschichtung kein Problem dar. Da die Reibungswärme durch die verminderte Reibungszahl niedrig bleibt, kann so die Dichtungspaarung auch einen längeren Trockenlauf im Erstbetrieb überstehen. Speziell für den Erstbetrieb ist die GFL-Schicht die kostengünstige Alternative zu den DLC-Schichten bei mindestens gleichwertiger Performance.

Heftausgabe: September 2009

Über den Autor

Dr. Ing. Jochen Greim, Werkstoffwissenschaftler,
Loader-Icon