Dieser Artikel diskutiert technologische Fortschritte in der Anlagenwartung, die darauf abzielen, Kosten zu senken und die Effizienz mechanischer Dichtungen zu verbessern. Er hebt Innovationen wie berührungslose mechanische Stirnflächendichtungen mit Rillen hervor, die Reibung und Verschleiß durch die Verwendung von Inertgas anstelle von Flüssigkeitsbarrieren reduzieren. Neue Materialien wie Siliziumkarbid mit selbstschmierenden Eigenschaften und diamantbeschichtete Dichtflächen verbessern die Haltbarkeit und Leistung. Die Standardisierung durch EN 12756 und API 682 gewährleistet Austauschbarkeit und Kostenreduktion. Diese Fortschritte verbessern die Dichtungszuverlässigkeit, Energieeinsparungen und Lebensdauer erheblich, insbesondere in kritischen Anwendungen wie Öl und Gas, Petrochemie und Pharmazie.
Instandhaltung in der Anlage kann Kosten senken. Um dies zu erreichen, gibt es zwei wichtige Faktoren:
Technologische Entwicklung
Eine mechanische Dichtung besteht aus einem rotierenden Bauteil (dynamischer Ring) und einem festen Bauteil (statischer Ring). Der bewegliche Ring ist normalerweise mit dem rotierenden Teil der Ausrüstung (wie der Welle) verbunden, während der stationäre Ring mit dem festen Teil der Maschine (wie der Stopfbuchse der Kreiselpumpe) verbunden ist. Um eine effektive Dichtleistung zu gewährleisten, muss die Dichtfläche absolut flach sein und die Oberflächenrauheit muss extrem gering sein. Die präzise aufeinander abgestimmten dynamischen und statischen Ringe können fest anliegen und so das Austreten von Prozessflüssigkeiten effektiv verhindern.
Die Interaktion zwischen den beiden Dichtflächen bestimmt den hydraulischen Gleichgewichtszustand der mechanischen Dichtung. Unter normalen Arbeitsbedingungen kann der gebildete Flüssigkeitsfilm ein hydraulisches Gleichgewicht zwischen den durch den Druck der Dichtflüssigkeit erzeugten Öffnungs- und Schließkräften erreichen und so physikalische Leckagen begrenzen. Der API 682-Standard bietet detaillierte Anleitungen und Spezifikationen zur Berechnung der korrekten Größenparameter.
Während des Betriebs kann sich der Dichtungsring jedoch aufgrund von mechanischen und thermischen Belastungen verformen, was die Leistung der mechanischen Dichtung beeinträchtigen kann. Diese Verformung wird das ursprüngliche hydraulische Gleichgewicht stören, wodurch der Flüssigkeitsfilm zwischen den Dichtflächen instabil wird und zu übermäßigem Leckage führt.
Daher erforschen Ingenieure ständig neue technologische Methoden zur Reduzierung von Reibung, insbesondere unter kritischen Anwendungsbedingungen, mit besonderem Fokus auf die Entwicklung neuer Materialien und die Anwendung neuer Dichtungstechnologien. Diese Innovationen haben die Dichtungseffizienz und Zuverlässigkeit in modernen Produktionsprozessen erheblich verbessert.
Berührungslose Technologie - Gleitende Stirnfläche mit Rillen
Das berührungslose mechanische Stirnflächendichtungssystem besteht aus einem beweglichen Ring und einem stationären Ring. Die Stirnfläche des beweglichen Rings ist speziell bearbeitet, um eine bestimmte geometrische Form (wie Spirale oder Stufen) zu haben, die zwischen den beiden Stirnflächen fluiddynamische Effekte erzeugen kann, wodurch ein stabiler kleiner Spalt zwischen ihnen entsteht (siehe Abbildung 1). Dieses Design nutzt das Prinzip der fluiddynamischen Hebung, wodurch die Dichtfläche ohne direkten Kontakt einen effektiven Dichtzustand aufrechterhalten kann.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Kontaktdichtungen verlässt sich dieses berührungslose Design nicht auf Flüssigkeitsbarrieren und deren zugehörige Unterstützungssysteme. Stattdessen wird die Dichtwirkung durch die Zufuhr von Inertgas an die Dichtungsoberfläche erreicht. Die Auswahl der Inertgase basiert in der Regel auf ihrer chemischen Stabilität und Anpassungsfähigkeit an die Arbeitsumgebung, um Reaktionen mit dem abgedichteten Medium zu vermeiden. Darüber hinaus können Druck und Durchflussrate des Inertgases über ein einfaches Bedienfeld präzise gesteuert werden, um die Stabilität und Zuverlässigkeit der Dichtleistung zu gewährleisten.
Aufgrund der effektiven Reduzierung des Reibungskoeffizienten und des Verschleißes der Dichtungen auf nahezu null ist diese Lösung sehr geeignet für Anwendungen, die erhebliche Energieeinsparungen erfordern, insbesondere in der Öl- und Gas-, petrochemischen und pharmazeutischen Industrie, die null Emissionen erfordern.
Neue Generation von Materialien
Siliziumkarbidmaterialien mit selbstschmierenden Eigenschaften werden häufig in mechanischen Dichtungen verwendet. Bei der Auswahl der passenden beweglichen Teile werden in der Regel Materialien mit unterschiedlicher Härte verwendet, um die Reibung so weit wie möglich zu minimieren. Die Auswahl der Dichtungsringkombination ist besonders entscheidend, wobei die am häufigsten verwendete Kombination aus Kohlenstoffring und Siliziumkarbidring besteht (siehe Abbildung 2, Druck x Zyklusgeschwindigkeit PxV-Koeffizient für gängige Oberflächenkombinationen). Diese Kombination hat nicht nur eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und chemische Beständigkeit, sondern widersteht auch effektiv dem Verschleiß durch abrasive Partikel in der Flüssigkeit.
Wenn Graphitringe und Siliziumkarbidringe sich aus verschiedenen Gründen verformen, zeigen sie eine ausgezeichnete gegenseitige Anpassungsfähigkeit und behalten so eine gute Dichtleistung bei. In Situationen, in denen der Arbeitsdruck sehr hoch ist oder die Flüssigkeit eine große Menge an Schmutz enthält, müssen jedoch zwei hochharte Ringe verwendet werden, um die Dichtwirkung zu gewährleisten. Obwohl diese Materialien einen hohen Reibungskoeffizienten haben, kann dies zur Erzeugung von mehr Wärme während der Rotation führen, was zur Verdampfung des Flüssigkeitsfilms führen kann, was zu Trockenlauf, Ringverformung oder -bruch und zur Beeinträchtigung der Leistung von Hilfsdichtungen führen kann.
Ein kürzlich entwickeltes Herstellungsverfahren beinhaltet das Hinzufügen von selbstschmierenden Materialpartikeln zu einer gesinterten Siliziumkarbidmatrix durch ein Tauchverfahren (Siliziumkarbid-Tauchverfahren). Die mit diesem Verfahren hergestellten festen und rotierenden Ringe können extrem hohe Leistungsgrenzen erreichen. Insbesondere können mechanische Dichtungen mit diesem Material den aufgenommenen Drehmomentwert begrenzen, was die Reibung und Wärmeentwicklung erheblich reduziert. Dies verbessert nicht nur die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der Dichtungskomponenten, sondern verlängert auch deren Lebensdauer, insbesondere geeignet für Anwendungen unter extremen Arbeitsbedingungen.
Diamantbeschichtete Dichtungsoberfläche
Siliziumkarbidringe werden typischerweise durch ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD) mit einer dünnen Diamantschicht beschichtet, um ihre tribologischen Eigenschaften und chemische Verträglichkeit zu verbessern. In Heißwasseranwendungen in Kraftwerken sowie in Erdöl- und petrochemischen Anlagen neigen Flüssiggase zur Verdampfung, was zu einem Verlust der Schmierleistung führt, während Diamantbeschichtungen die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von Dichtungen erheblich verbessern können.
In der pharmazeutischen Industrie können herkömmliche Dichtungen oft nicht die strengen Anforderungen erfüllen, da eine Kontamination vermieden werden muss, während diamantbeschichtete Dichtungen eine hervorragende chemische Inertheit und Reinheit aufweisen und diese hohen Anforderungen vollständig erfüllen.
Darüber hinaus können mechanische Dichtungen mit diamantbeschichteten Ringen einen kurzen Betrieb unter trockenen Betriebsbedingungen von Doppeldichtungen und berührungslosen Dichtungen aushalten, was ihren Anwendungsbereich weiter erweitert.
Ingenieurtechnische Maschinendichtungen
Während der Entwurfsphase stellt die Aufrechterhaltung der Konsistenz im Querschnittsbereich des Dichtungsrings eine große Herausforderung dar (siehe Abbildung 3). Diese Konsistenz ist entscheidend, um die Fahrstabilität des Dichtungsrings zu gewährleisten und eine Umkehrung zu verhindern. Diese Art von Dichtung wird derzeit häufig in Kesselspeisepumpen, Rohrleitungen, Wassereinspritzsystemen, Mehrphasenpumpen und anderen Hochdruckanwendungen mit Arbeitsdrücken über 100 bar eingesetzt. Die genaue Kontrolle der Größe und Form des Dichtungsrings trägt nicht nur zur Aufrechterhaltung der Dichtungsleistung bei, sondern reduziert auch effektiv den Verschleiß und verlängert die Lebensdauer.
Standardisierung und Austauschbarkeit
Mechanische Dichtungskomponenten haben, wie andere Industriekomponenten, einen Referenzstandard, der ihre Installationsmaße spezifiziert und die Verwendung von Dichtungen anderer Hersteller zum Austausch ermöglicht. Dies verbessert nicht nur die Servicequalität für Endbenutzer, sondern senkt auch die Betriebskosten der Fabrik.
EN 12756-Standard
Die EN 12756-Norm legt die Hauptinstallationsmaße für einfache und doppelte mechanische Dichtungen fest, wenn sie als Komponenten verwendet werden, ausgenommen Flansche und Hülsen, die rotierende und feste Komponenten abdecken. In der frühen Nachkriegszeit wurde die erste Charge mechanischer Dichtungen aus den Vereinigten Staaten nach Europa eingeführt, wobei die Maßeinheit Zoll war.
Die DIN 24960-Norm entwickelte sich später zur EN 12756-Norm weiter und brachte bedeutende Vorteile für Hersteller, die Pumpen nach ISO-Standards produzieren, insbesondere für Endbenutzer, die nicht mehr auf Dichtungsanbieter mit nicht standardisierten Produkten beschränkt sind. Der Preis von Dichtungen und deren damit verbundenen Wartungskosten sind daher erheblich gesunken.
API-Standards
Pumpen in Öl- und Gasanlagen werden typischerweise nach API 610-Standards hergestellt, während mechanische Dichtungen typischerweise nach API 682-Standards hergestellt werden. Gemäß diesem Standard müssen Dichtungen in Form von zylindrischen Komponenten mit Flanschen und Buchsen geliefert werden, um die Installation zu vereinfachen und Tests vor der Lieferung zu ermöglichen. Der API-Standard gibt Empfehlungen zur Bestimmung der Größe von mechanischen Dichtungen basierend auf den Packungsbox-Spezifikationen verschiedener API-Pumpen auf dem Markt.
Diese Standardisierung ist nicht nur technisch machbar, sondern kann auch die Gesamtabmessungen der Komponenten im Stopfbuchsenraum standardisieren, wodurch eine mittelgroße Massenproduktion erreicht und die Herstellungs- und Lagerverwaltungskosten gesenkt werden können.
Wichtig ist, dass diese Standardisierung es Endbenutzern ermöglicht, verschiedene 'qualifizierte mechanische Dichtungshersteller' auszuwählen, wodurch Austauschbarkeitsprobleme beseitigt werden. Durch diese Methode können Benutzer flexibel geeignete Dichtungen auswählen und deren reibungslosen Austausch sicherstellen, wodurch Ausfallzeiten und Wartungskosten durch nicht passende Dichtungen reduziert werden.
