<?page no="0"?> Kreiselpumpen und Pumpensysteme Betrieb, Instandhaltung und Schadensvermeidung 4., überarbeitete und erweiterte Auflage THOMAS MERKLE <?page no="1"?> Schmalenberger GmbH + Co. KG · D-72072 Tübingen · Tel.: +49(0)7071-7008-0 · www.schmalenberger.de Wir haben sie - die individuelle Förderlösung für Ihr Projekt! Wo andere aufhören zu entwickeln und zu fertigen setzen wir uns mit unserem Knowhow für Sie ein: „ Medien mit hohem Luftanteil „ Aggressive oder abrasive Medien „ Schwierige Einbauverhältnisse „ Ressourceneffiziente Systeme Haben wir Ihr Interesse geweckt? Unsere Anwendungstechnik berät Sie gerne. Kreiselpumpen nach Maß - alles andere ist nur Standard! <?page no="2"?> Kreiselpumpen und Pumpensysteme <?page no="4"?> Thomas Merkle Kreiselpumpen und Pumpensysteme Betrieb, Instandhaltung und Schadensvermeidung <?page no="5"?> © 2020 · expert verlag GmbH Dischingerweg 5 · D-72070 Tübingen Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Alle Informationen in diesem Buch wurden mit großer Sorgfalt erstellt. Fehler können dennoch nicht völlig ausgeschlossen werden. Weder Verlag noch Autoren der Herausgeber übernehmen deshalb eine Gewährleistung für die Korrektheit des Inhaltes und haften nicht für fehlerhafte Angaben und deren Folgen. Internet: www.expertverlag.de eMail: info@verlag.expert CPI books GmbH, Leck ISBN 978-3-8169-3507-0 (Print) ISBN 978-3-8169-8507-5 (ePDF) ISBN 978-3-8169-0005-4 (ePub) Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http: / / dnb.dnb.de abrufbar. <?page no="6"?> 9 1. 11 1.1. 11 1.1.1. 12 1.1.2. 14 1.1.3. 17 1.1.4. 19 1.1.5 22 1.1.6 24 1.1.7. 24 1.1.8. 28 2. 33 2.1. 33 2.1.1. 33 2.1.2. 35 2.1.3. 36 2.1.4. 36 2.1.5. 37 2.2. 37 2.2.1. 39 2.2.2. 40 2.2.3. 41 2.2.4. 43 2.2.5. 45 2.3. 50 2.4. 52 2.4.1. 52 2.4.2. 54 Inhalt Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydraulische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrotechnische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hinweise zu Auswahl und Dimensionierung . . . . . . . . Bauformen von Kreiselpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abdichtungsarten Motor - Hydraulik . . . . . . . . . . . . . . Abwasserpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verschiedene Regelungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ursachen und Auswirkungen von Verschleiß an Kreiselpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fremdkörper im System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überlastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Förderung von Flüssigkeiten mit Feststoffen . . . . . . . . . Förderung von harten Feststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fehlerhafte Betriebsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verschleiß durch Abrasion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Laufrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spiralgehäuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abrasion und Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verschleiß durch Kavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verschleiß an Gleitringdichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkstoffbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleitwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . <?page no="7"?> 2.4.3. 55 2.4.4. 57 2.5. 60 2.5.1. 60 2.5.2. 64 2.5.3. 64 2.5.4. 65 2.6. 66 3. 69 3.1. 69 3.2. 69 3.3. 70 3.4. 70 3.5. 71 3.6. 71 4. 73 4.1. 73 4.1.1. 73 4.1.2. 80 4.1.3. 80 4.2. 92 4.2.1. 93 4.2.2. 94 4.2.3. 95 4.2.4. 97 4.3. 97 4.3.1. 97 4.3.2. 99 4.4. 99 4.4.1. 101 4.4.2. 101 4.4.3. 102 4.4.4. 102 Vergleich der Werkstoffkenndaten . . . . . . . . . . . . . . . . . Schäden an Gleitringdichtungen - Schadensfälle . . . . . Störungen erkennen, bewerten und Tendenzen ableiten . . . . Ursachenanalyse und Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . abzuleitende Tendenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maßnahmen zur Störungsvermeidung . . . . . . . . . . . . . . Strömungssimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schadensbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messtechnische Erfassung von Störungen und Verschleiß . . . . . . . . . . . . Schwingungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehzahlmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schadensdiagnose durch Zustandsüberwachung und Schwingungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vermeidung von Auslegungs- und Planungsfehlern . . . . . . . . Genaue Betriebspunktfestlegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berücksichtigung von Strömungsverlusten . . . . . . . . . . Betriebspunktanpassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ursachen für Kavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schäden infolge von Kavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kavitationsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kavitation und NPSH-Wert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kavitationsvermeidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trockenlaufschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sperrkammersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pump control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Condition Monitoring Systeme (CMS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fehlervermeidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fehlererkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fehlermanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pump control 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Inhalt <?page no="8"?> 4.4.5. 105 4.4.6. 107 4.5. 109 4.5.1. 110 4.5.2. 110 4.5.3. 112 4.5.4. 114 5. 119 5.1. 119 5.1.1. 120 5.1.2. 121 5.1.3. 122 5.1.4. 122 5.1.5. 124 5.1.6. 126 5.1.7. 127 5.2. 128 5.2.1. 128 5.2.2. 130 5.3. 130 5.3.1. 131 5.3.2. 132 5.3.3. 134 5.3.4. 135 5.4. 136 5.4.1. 137 5.5. 146 5.5.1. 146 5.5.2. 149 6. 151 6.1. 151 6.2. 152 6.2.1 152 6.3. 154 6.3.1. 154 Pump monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contracting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strömungsoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verluste an Pumpenbauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verluste in Rohren, Elementen und Armaturen . . . . . . Optimierung durch Strömungssimulation . . . . . . . . . . . Strömungs- und Verschleißsimulation . . . . . . . . . . . . . . Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß . . . . . . . . . . . Korrosionsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verfahren der Oberflächenvorbereitung . . . . . . . . . . . . Klassifizierung der Korrosionsschutzschichten . . . . . . . Materialauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kunststoffbeschichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosionsschutz bei Edelstahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . andere Optionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosionsschutz an Gleitringdichtungen . . . . . . . . . . . Abrasionsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verschleißanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strömungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . konstruktive Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . verschleißmindernde Einsätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überwachung mittels Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gummierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . verschleißbeständige Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . Oberflächenvergütung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Harte Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonderkonstruktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schneidradpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pumpe mit Inducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mobile und stationäre Schadensüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mobile Schadensüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . stationäre Zustandsüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau der stationären Zustandsüberwachung . . . . . . praktische Beispiele der Schwingungsmessung . . . . . . . . . . . . Aufbau der Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Inhalt <?page no="9"?> 6.3.2. 156 6.3.3. 156 6.3.4. 157 7. 165 7.1. 165 7.2. 166 7.3. 167 7.3.1. 168 7.3.2 169 7.4. 170 7.5. 171 8. 173 8.1. 173 8.2. 173 8.3. 178 8.3.1. 180 8.3.2. 180 8.3.3. 182 8.3.4. 182 8.3.5. 182 8.3.6. 183 8.4. 183 8.4.1. 184 8.4.2. 185 8.4.3. 187 9. 189 192 10. 193 195 Vermeidung von Messfehlern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analyse der Messsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schadensdiagnose mithilfe der Schwingungsanalyse . . Hinweise zu Planung und Konzeption von vorausschauender Instandhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pumpenüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagnose-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datentransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Digitalisierung - Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . OPC-UA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fernwartung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagnose und Wartung als Dienstleistung . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlichkeit der vorausschauenden und zustandsorientierten Instandhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optimale Betriebspunkt-Anpassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energie-Effizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lebenszykluskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anschaffungskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiekosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wartung und Reparatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Software zur LCC-Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassende Betrachtung der LCC . . . . . . . . . . . Kostensteigerung und Materialverknappung . . . . . . . . . . . . . . Energiekosten-Steigerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Materialkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recycling - Materialrückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bildnachweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verwendete Formelzeichen und Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Inhalt <?page no="10"?> Vorwort Kreiselpumpen werden zur Förderung von sehr unterschiedlichen Fluiden oder Flüssigkeiten eingesetzt. Neben der Förderung von reinen Flüssigkeiten werden sehr häufig auch Flüssigkeiten mit Feststoffbestandteilen transportiert. Abra‐ sive Medien schleifen an Gehäusen und Laufrädern so stark, dass erhebliche Schäden an den Pumpenteilen auftreten. Dies hat zur Folge, dass die Pumpen je nach Belastung und Zusammensetzung des zu fördernden Mediums und der darin enthaltenen Feststoffe nur eine ge‐ ringe Standzeit aufweisen und daher unwirtschaftlich werden können. Eine fal‐ sche Betriebsweise von Pumpen kann zu Kavitation führen und ebenfalls starker Schäden verursachen. In diesem Buch wird aufgezeigt, dass sich Schäden und Verschleiß beim Betrieb von Pumpen durch geeignete Maßnahmen reduzieren und teilweise vermeiden lassen. Konstruktive Maßnahmen, vorbeugende Instandhaltung, optimale War‐ tung und Reparatur von Anlagen, können sowohl die Lebensdauer verlängern als auch Kosten sparen. Der Einsatz von Drehzahlregelung, neuen Technologien zur Beschichtung und Herstellung der Pumpenbauteile kann die Wirtschaft‐ lichkeit von Pumpenanlagen erheblich erhöhen. Anhand von praktischen Beispielen werden Schadensmechanismen und Zu‐ sammenhänge aufgezeigt und bewertet. Es werden Hinweise zu Fehler-ma‐ nagement, sowie Vorschläge für Maßnahmen zu Fehlervermeidung und Fehler‐ erkennung gegeben. Der spezifische Verschleiß, beispielsweise beim Pumpen von Flüssigkeiten mit Feststoffen oder „Spänen“ wird in Theorie und Praxis beschrieben. Pumpen die in der spanenden Metallbearbeitung, bei Werkzeugmaschinen und bei An‐ lagen zur Förderung von abrasiven Flüssigkeiten eingesetzt werden, unterliegen völlig anderen Betriebsbedingungen als bei der Förderung von reinen, sauberen Flüssigkeiten. Es wird erläutert, dass sich vorausschauende Instandhaltung in wirtschaftlich interessantem Rahmen bewältigen lässt. Auf tiefergreifende, theoretische Herleitungen und Berechnungen wurde verzichtet, da hierüber bereits ausreichend Fachliteratur vorhanden ist. Das Buch ist gedacht als Leitfaden, um Schäden minimieren oder vermeiden zu können. Auch als praxisnahe Hilfe für Planer, Anlagenbauer und Betreiber von Anlagen zur spanenden Metallbearbeitung, sowie für die Bereiche Instand‐ haltung, Wartung und Reparatur von Anlagen, bei denen Pumpen eingesetzt werden. Außerdem für Studierende der Fachbereiche Maschinenbau und Ver‐ <?page no="11"?> fahrenstechnik. Die 4. Auflage wurde um das Kapitel Grundlagen ergänzt, mit den Themen Hydraulik, Elektrik, elektrische Antriebe und Regelungsarten. Tübingen, April 2020 Thomas Merkle 10 Vorwort <?page no="12"?> 1. Einführung Kreiselpumpen sind aufgrund ihrer Robustheit sehr weit verbreitet. Sehr viele Förderaufgaben von sehr unterschiedlichen Flüssigkeiten können durch den Einsatz von Kreiselpumpen gelöst werden. Sie eignen sich sowohl für stationäre als auch für instationäre Strömungsverhältnisse. Auch der einfache Aufbau und der geringe Wartungsbedarf begünstigen ihre Anwendung. Dennoch können Kreiselpumpen bedingt durch Schäden auch zerstört werden. Schäden und Ver‐ schleiß an Pumpen können sehr unterschiedliche Ursachen haben. Lang‐ zeit-schäden treten oft erst nach Jahren auf. Die Art und Intensität der Belastung der Pumpe hat einen sehr entscheidenden Einfluss darauf. Kurzer, getakteter Betrieb, zyklischer oder Dauerbetrieb bestimmen die Lebensdauer der Pumpe. Schäden, die bereits kurz nach der Inbetriebnahme auftreten, lassen sehr häufig auf Planungs- oder Inbetriebnahme-Fehler schließen. Eine falsch ausgelegte Pumpe oder der Betrieb außerhalb des Betriebspunktes können sehr schnell zum Ausfall der Pumpe führen. Bevor auf die speziellen Ursachen von Verschleiß näher eingegangen wird, sollen Grundlagen betreffende Themen wie Hydraulik, Dimensionierung, Bau‐ formen, Elektrotechnik, elektrische Antriebe und Regelungsarten näher erläu‐ tert werden. 1.1. Grundlagen Die Hauptkomponenten im System Kreiselpumpe sind: Spiralgehäuse, Laufrad, Welle, Motor, Druckdeckel, Gleitringdichtung, oder auch eine Mag‐ netkupplung. Jede einzelne Komponente muss der Anwendung entsprechend angepasst sein. Auftretende Kräfte, das Strömungsverhalten, die Beschaffen‐ heit und die Betriebs-temperatur des Fördermediums erfordern eine sehr ge‐ naue Betrachtung der jeweils vorliegenden Anwendung. Viele Probleme wäh‐ rend des Betriebs der Pumpe sind auf eine falsche Einschätzung der Anwendung zurückzuführen. <?page no="13"?> 1.1.1. Hydraulische Grundlagen Die Funktion der Kreiselpumpe basiert auf den hydraulischen Gesetzmäßig‐ keiten. Die elektrische oder mechanische Energie des Antriebsaggregats wird in Druck- und Bewegungsenergie umgewandelt. Druck Kreiselpumpen bewegen eine Flüssigkeit bzw. ein Fluid. Sie erzeugen Druck und Geschwindigkeit. Die im Spiralgehäuse beschleunigte Flüssigkeit fließt im System von Punkt A nach Punkt B, bewirkt durch die von der Pumpe umgesetzte kinetische Energie. Die Definition von Druck P ist Kraft (N) pro Flächeneinheit in m². Als Einheit gilt Newton je Quadratmeter (N/ m² = Pa = bar). 1 bar = 10 5 N/ m² = 10 5 Pa Der atmosphärische Druck ist die Kraft, die durch das Gewicht der Atmo‐ sphäre auf eine Fläche wirkt. Der Druck ist abhängig von der Höhe über dem Meeresspiegel. Topographische Höhe über Mee‐ resspiegel, N. N. [m] Luftdruck [hPa] oder [mbar] Siedetemperatur [°C] 0200 500 1000 2000 4000 1013 989 955 899 795 616 100 99 98 97 93 87 Tabelle 1: Einfluss der topographischen Höhe auf Luftdruck und Siedetemperatur Auf der Höhe des Meeresspiegels beträgt der absolute Druck ungefähr 1 bar = 10 5 N/ m². Je höher sich ein Ort über dem Meeresspiegel befindet, desto geringer ist der Luftdruck und die Siedetemperatur. Zusammenhang zwischen Druck und Förderhöhe In einer statischen Flüssigkeit ist die Druckdifferenz zwischen zwei Punkten abhängig vom Höhenunterschied. Die Druckdifferenz wird berechnet, indem die jeweilige Höhe mit der Dichte multipliziert wird. Im Folgenden sind die wichtigsten druckrelevanten Begriffe definiert: Statischer Druck Druck der ruhenden Flüssigkeit im System 12 1. Einführung <?page no="14"?> Reibungsverlust Verlust (Druck und Energie) der während der Strömung im System aufgrund von Reibung zwischen Flüssigkeit (Fluid) und Rohrinnenwand entsteht. Dynamischer Druck Druck, der aufgrund der fließenden Strömung der Flüssigkeit entsteht Förderdruck Summe aus statischem und dynamischem Druck im System Förderhöhe Der umgerechnete Förderdruck in Meter Wassersäule [mWS] Differenzdruck Druck zwischen zwei Punkten in der Rohrleitung der Anlage Reibungsverluste Das Auftreten von Reibungsverlusten in Pumpsystemen beeinflusst die Aus‐ wahl einer Pumpe. Der Reibungsverlust ist proportional zur Länge der Leitung, dem Förderstrom, dem Rohrdurchmesser und der Viskosität. Verluste in den Komponenten, verursacht durch Strömungen im Rohrleitungssystem - lami‐ nare und turbulente Strömung - sind durch Kennwerte bestimmt. Bei turbu‐ lenter Strömung kommt es durch erhöhte Geschwindigkeit zu starken Vermi‐ schungen und Verwirbelungen. Reynoldszahl Laminare und turbulente Strömung werden mit Hilfe der Reynoldszahl definiert. Diese dimensionslose Zahl Re ist abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit, dem Rohrdurchmesser und der kinematischen Viskosität. Sie ergibt sich durch die Berechnung: Re = V ▪ DN / ν Re = Reynoldszahl V = Strömungsgeschwindigkeit (m/ s) DN = Rohrdurchmesser (mm) ν = kinematische Viskosität Nü (m²/ s) Allgemeine Richtwerte: - Laminare Strömung, wenn Re < 2320 - - Turbulente Strömung, wenn Re ≥ 2320 - Auslegung Um eine Pumpe auszuwählen, bzw. auszulegen, ist es wichtig die Anlagen-Kenn‐ linie zu ermitteln. Erst dann kann über die Pumpenkennlinie die richtige Pumpe gewählt werden. Die Kennlinie der Pumpe gibt Aufschluss über ihr Betriebs‐ 13 1.1. Grundlagen <?page no="15"?> verhalten. Die Pumpenkennlinien sind definiert durch den Förderstrom Q (in m³/ h) und die Förderhöhe H (in m) der Pumpe. Die Förderhöhe einer Pumpe ist unabhängig von der Dichte (ρ) der Förder‐ flüssigkeit, d. h. eine Kreiselpumpe fördert Flüssigkeiten unabhängig von der Dichte auf gleiche Förderhöhen. Die Dichte muss jedoch bei der Bestimmung des Leistungsbedarfs (P) der Pumpe berücksichtigt werden. Die Förderhöhe ist der umgerechnete Förderdruck (bar) in m Wassersäule. Druckverlustberechnung Der Druckverlust bzw. der Druckabfall ergibt sich aus den Reibungsverlusten der Flüssigkeit oder des Fluids durch Reibung in Rohrleitungen, Formstücken und Armaturen. Der Druckverlust ist abhängig von der Geometrie des Systems, der Rauigkeit der Oberfläche, dem Volumenstrom und der Reynoldszahl. Zur Berechnung stehen zwischenzeitlich verschiedene Berechnungsprogramme, viele auch online zur Verfügung. Beispielsweise unter: • www.druckverlust.de/ online-Rechner • • www.lgrain • • www.nussbaum.ch/ de/ druckverlustberechnung • Drehzahlregelung Die exakte Anpassung der Pumpenleistung an den tatsächlichen Bedarf mittels Drehzahlregelung durch Frequenzumrichter ist Stand der Technik. Alleine schon durch gesetzliche Vorgaben der Europäischen Union (EU) bezüglich der Energieeffizienz, ist die Optimierung des Energieverbrauchs beim Betrieb von Pumpen festgeschrieben. Neben teilweise hohen Energieeinsparpotentialen liegen verschiedene Vorteile auf der Hand: - optimale Leistungsanpassung - - schonender Pumpenbetrieb - - gleichmäßige Strömung, wenig Druckstöße - - hoher Gesamtwirkungsgrad der Anlage - - weniger störende Ein-/ Ausschaltvorgänge - 1.1.2. Elektrotechnische Grundlagen Der Betrieb von Maschinen mit elektrischen Antrieben ist sehr weit verbreitet und hat viele Vorteile. Die elektrische Energie ist die hochwertigste Energie‐ form. Sie ist sauber, energieeffizient und in industrialisierten Ländern fast überall verfügbar. Sie lässt sich leicht transportieren, ist umwandelbar und spei‐ 14 1. Einführung <?page no="16"?> cherbar. Elektrische Antriebe lassen sich einfach regeln und verursachen relativ niedrige Geräusch-emissionen. Basierend auf diesen Vorteilen werden die meisten Pumpen mit Elektromotoren angetrieben. Elektromotoren sind elek‐ tromechanische Energie-wandler, die elektrischen Strom in Bewegungsenergie bzw. Rotationsenergie umwandeln. Die Drehbewegung bewirkt den Antrieb des Pumpenlaufrades über die Welle. Die Motoren sind geprägt durch folgende Ein‐ flussfaktoren: Strom, Spannung, elektromagnetisches Feld, mechanische Ab‐ messungen, Drehmoment, Drehzahl, Kraft, Geschwindigkeit, Materialien, Ver‐ luste in Leitern und magnetischen Werkstoffen, sowie Kühlung. Die Basisparameter beim elektrischen Strom und ihre jeweiligen Einheiten sind: Strom (I): Spannung (U): Widerstand (R): Leistung (P): Frequenz (f): Ampere (A) Volt (V) Ohm (Ω) Watt (W) Hertz (Hz) Spannung: Leistung: U = R • I P = U • I Bei der Elektrizität unterscheidet man die 3 Stromarten: Gleichstrom, Wechsel‐ strom und Drehstrom. Wobei der Drehstrom aus einer Überlagerung von 3 Wechsel-strömen erzeugt wird. Gleichstrom Der Gleichstrom fließt immer in die gleiche Richtung und ändert seine Stärke nicht. Gleichstrom kann erzeugt werden in Gleichstromgeneratoren, wie z. B. in der Licht-maschine des Kraftfahrzeugs, (gespeichert in Batterien), Brennstoff‐ zellen, und Photovoltaikmodulen (photoelektrische Solarzellen). Mit Wechsel‐ richtern kann der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden. Bei vielen Anwendungen im Privatbereich wie Netzteilen, Ladegeräten, Akkus oder auch bei verschiedenen Leuchten wird Gleichstrom benötigt. Hochspannungsleitungen führen Drehstrom und ermöglichen zwar eine ein‐ fache Spannungstransformation, jedoch treten bei der Übertragung von Gleich‐ strom über große Entfernungen weniger Verluste auf. Ein weiterer Vorteil des Gleichstroms ist, dass er gespeichert werden kann. Infolge der zunehmenden Verbreitung der Elektro-mobilität und der Speicherung von Solarstrom in Ge‐ bäuden wird Gleichstrom in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Wechselstrom Der Wechselstrom ändert entsprechend seiner Erzeugung im Generator regel‐ mäßig seine Bewegungsrichtung und seine Stärke. Durch die alternierende Span‐ nung unterscheidet sich der Wechselstrom vom Gleichstrom. Der Abstand zwi‐ 15 1.1. Grundlagen <?page no="17"?> schen dem 0-Durchgang und der Amplitude (höchster Punkt) entspricht der Höhe der Spannung in Volt (V). Sie ist einmal positiv und einmal negativ gerichtet. Eine Schwingung (0 >< Plus-Amplitude >< 0 >< Minus-Amplitude>< 0) ist eine Pe‐ riode. Die Anzahl der Perioden in einer Sekunde bezeichnet man als Frequenz. Frequenz wird in Hertz (Hz) angegeben. In Deutschland und Europa arbeitet das Stromnetz mit 50 Hz = 50 Perioden in einer Sekunde. In anderen Ländern u. a. in den USA und in einigen Staaten Südamerikas hat das Stromnetz 60 Hz. Diagramm1: Sinuskurve bei Wechselstrom [1] Die Stromnetze im Gebäudebereich führen 230 V Wechselstrom. Bei Maschinen oder Anlagen höherer Leistung, wird „Kraftstrom“ bzw. Drehstrom mit 400 V benötigt. Drehstrom Beim Drehstrom werden drei Wechselströme überlagert. Dies erfolgt in drei gleichen Zeitabständen. Die Spannungskurven der drei Phasen sind in der Ab‐ bildung unten dargestellt (Diagramm 2). Der Drehstrom ist sozusagen ein drei‐ phasiger Wechsel-strom, der nacheinander in drei gleichen Zeitabständen auf‐ geteilt ist. Durch diese Besonderheit kann der Strom mit nur drei Stromleitern (Phasen L1, L2 und L3) transportiert werden. Im Niederspannungsnetz (örtliches Stromnetz) besteht noch ein vierter Stromleiter, der Null- oder Neutralleiter. Bei der Klemmung im Nieder-spannungsnetz von nur einer der drei Phasen (L1, L2, L3) mit dem Neutralleiter (N) kann man Wechselstrom entnehmen (230 Volt). Bei Klemmung von zwei Außenleitern (z. B. L1 zu L3) erhält man Drehstrom mit 400 Volt Spannung. 16 1. Einführung <?page no="18"?> Diagramm 2: überlagerte Sinuskurven bei Drehstrom [1] In Deutschland und Europa hat Drehstrom ebenfalls eine Frequenz von 50 Hz, in anderen Ländern sind wie auch beim Wechselstrom 60 Hz verbreitet. 1.1.3. Hinweise zu Auswahl und Dimensionierung Jede Pumpenanlage funktioniert so gut und störungsfrei, je präziser die Pla‐ nungsaufgaben erledigt wurden und die Bauausführung erfolgte. Ein großer Teil von Störungen sind auf Planungs- und Dimensionierungsfehler zurückzuführen (s.a. VDMA-Studien). Vor allem Kosten lassen sich durch eine präzise Planung und exakte Bauaus‐ führung sparen. Folgekosten, die erst nach einiger Zeit entstehen, lassen sich durch geeignete Maßnahmen vermeiden. Dazu gehören insbesondere: • Genauen Betriebspunkt festlegen (Anlagenkennlinie, Pumpenkennlinie) • • Strömungsverluste berücksichtigen • • Sauganforderungen prüfen (Saugleitung, ob selbstansaugend) • • Betriebspunkt-Anpassung (Drehzahl-Regelung, FU) • • Viskosität berücksichtigen (Wasser, Öl, andere Flüssigkeiten) • Außerdem müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden: • Die Aufstellung der Pumpe (Bodenfundament, Sockel, etc.) • • Saug- und Druckleitung (Durchmesser, Länge) • • Die Art der Pumpe muss ausgesucht werden in Bezug auf: Viskosität, • Dichte, Temperatur, Systemdruck, Materialanforderungen, etc. • Die richtige Pumpengröße muss abgestimmt sein auf: Förderstrom, • Druck, Drehzahl, Ansaugbedingungen und Art des Fördermediums Grundlegende, zu beachtende Eigenschaften der Fördermedien sind: • Viskosität (Reibungsverluste) • 17 1.1. Grundlagen <?page no="19"?> • Korrosivität (Korrosion) • • Abrasivität (Abrieb) • • Temperatur (Kavitation) • • Dichte • • chemisches Reaktionsverhalten (Dichtungsmaterial) • Aufstellung/ Verrohrung Die Pumpe sollte mit möglichst kurzen Rohrleitungen im System an den Be‐ hälter oder an das Objekt, aus der die Flüssigkeit gepumpt werden soll, montiert werden. Es sollten möglichst wenig Ventile und Bögen verwendet werden, um den Druck-verlust in der Rohrleitung zu minimieren. Die Pumpen müssen auf einem festen Fundament fixiert sein und vor der Inbetriebnahme exakt ausge‐ richtet werden. Die Verrohrung und die Rohranschlüsse, müssen ausreichend groß dimensioniert werden und dem Förderstrom angepasst werden. Kleine Rohrabmessungen sind zwar preisgünstiger, bringen jedoch Strömungsverluste und die Gefahr der Kavitation beim Betrieb der Pumpe. Die Saugleitung soll eine Stufe größer als die Druckleitung sein. Beispielsweise: Druckleitung 2“, folglich Saugleitung 2 ½ “. Angeschlossene Rohrleitungen müssen spannungsfrei montiert werden, so dass keine Kräfte auf die Stutzen der Pumpe wirken. Temperaturbedingte Aus‐ dehnungen des Rohrleitungssystems sollten durch Kompensatoren ausgegli‐ chen werden. Steht die Pumpe fest auf einer Bodenplatte, muss gewährleistet sein, dass das Rohrsystem Spannungen und Ausdehnungen auffangen kann (z. B. über Bogen oder Kompensator). Saugleitung Bei normalsaugenden Kreiselpumpen darf keine Luft in die Pumpe gelangen. Dies würde die Leistung beeinträchtigen, im Extremfall würde die Pumpe nicht mehr fördern. Um Störungen wie beispielsweise Turbulenzen zu vermeiden, sollte die Saugleitung eine gerade Einlaufstrecke beinhalten, die mindestens fünf Mal so lang ist wie der Durchmesser des Einlaufstutzens. Druckleitung Die Förderhöhe ergibt sich aus den Reibungswiderständen der in der Drucklei‐ tung eingebauten Komponenten wie Ventile, Wärmetauscher, Filter, etc., der Rohrleitung und der geodätischen Höhendifferenz. Auch der Förderstrom wird beeinflusst. 18 1. Einführung <?page no="20"?> 1.1.4. Bauformen von Kreiselpumpen Aufstellungsart Eine grundsätzliche Untergliederung ergibt sich nach der Aufstellungsart. Man unterscheidet trocken aufgestellte Pumpen, nass aufgestellte Behälterpumpen und Unterwasserpumpen. Trocken aufgestellte Pumpen werden in einer Anlage verbaut oder neben einer Anlage montiert. Bei Behälterpumpen befindet sich der hydraulische Teil im Behälter bzw. in der Flüssigkeit. Unterwasserpumpen sind komplett in der zu fördernden Flüssigkeit. Der Motor muss deshalb was‐ serdicht verkapselt sein. Laufradformen Je nach Anforderung bezüglich Förderdruck und Fördermenge werden ver‐ schiedene Laufräder eingesetzt. Dies sind: Radialrad, Halbaxialrad, Diagonalrad oder Axialrad. Die spezifische Drehzahl n q ergibt das Unterscheidungsmerkmal. Die spezifische Drehzahl n q = n ▪ Q 1/ 2 ▪ H 3/ 4 Wobei: n = Drehzahl in 1/ Min Q = Fördermenge in m³/ h H = Förderhöhe in m Es ergeben sich folgende Anwendungen bezüglich der spezifischen Drehzahl: Radialrad: n q = 10-40, hoher Druck, geringe Menge Halbaxialrad: n q = 40-80, mittlerer Druck, mittlere Menge Diagonalrad: n q = 80-160, hoher Druck, große Menge Axialrad: n q = 110-500, geringer Druck, große Menge Sonderform Pumpenturbine Die Pumpenturbine ist eine Sonderform der Kreiselpumpe. Wie der Name der Strömungsmaschine schon sagt, hat eine Pumpenturbine - oder auch Turbinen-pumpe genannt - 2 Funktionsweisen: 1. Angetrieben durch einen Elektro-Motor, wird die Pumpe zur Förderung 1. einer Flüssigkeit eingesetzt. Funktion: Erhöhung von Druck und Ge‐ schwindigkeit des Fördermediums. 2. Die Pumpe wird in umgekehrter Richtung betrieben, also rückwärtslau‐ 2. fend, d. h. am eigentlichen Druckstutzen der Pumpe erhält sie Zulauf, 19 1.1. Grundlagen <?page no="21"?> beispielsweise aus einem Behälter oder Fallrohr. Funktion: die Pumpe wirkt als Turbine und erzeugt elektrischen Strom. Ein angeschlossener Asynchronmotor oder Synchronmotor kann hierbei als Generator be‐ trieben werden. Strömungsbedingt kommt am besten ein halbaxiales Laufrad zum Einsatz (n q = 40-80). Bild: Pumpenturbine Bild 1: halbaxiales Laufrad Durch ein Drosselventil wird Energie abgebaut und fließt als Verlust in die Energie-bilanz mit ein. Diese Aufgabe des Drosselventils kann von der Pum‐ penturbine übernommen werden. Der Druckabbau im Förderstrom wird von der Pumpenturbine in elektrischen Strom umgewandelt. 20 1. Einführung <?page no="22"?> Anwendungsbeispiel Im einem Wasserwerk wurden Pumpenturbinen (Stromgewinnungsanlagen) in den Zulauf des Zwischenbehälters und des Endbehälters (Hochbehälters) in‐ stalliert. Es erfolgt keine Energieeinspeisung ins öffentliche Netz, da die erzeugte Energie zur Minderung des Eigenenergieverbrauchs bzw. zur Deckung der ei‐ genen Dauerlast genutzt wird. Die Pumpenturbine wird über pneumatisch ge‐ steuerte Klappen sowie ein vorgeschaltetes bestehendes Ringkolbenventil (RKV) vom Hochbehälter gesteuert und betrieben. Standardmäßig erfolgt die Einspeisung aus dem Hochbehälter über die Pum‐ penturbine. Dazu wird die der Pumpenturbine vorgeschaltete Klappe geöffnet und danach das RKV aufgefahren. Bei Erreichen der Nenndrehzahl erfolgt die Anschaltung an das elektrische Netz. Bei Außerbetriebnahme der Pumpentur‐ bine oder bei Störungen erfolgt die Einspeisung vom Hochbehälter über eine Umfahrungsleitung mit einer pneumatischen Klappe. Die Durchflussmengen‐ regelung erfolgt dann über das vorgeschaltete RKV. Pumpenturbinen haben zwar einen geringfügig schlechteren Wirkungsgrad als klassische Turbinen. Dafür sind sie aber erheblich kostengünstiger, robuster und wartungsfreundlicher. Bild 2: Pumpenturbinen (Stromgewinnungsanlagen) in den Fall-Leitungen (Landeswas‐ serversorgung BW) [28] 21 1.1. Grundlagen <?page no="23"?> 1.1.5 Abdichtungsarten Motor - Hydraulik Je nach Anforderung seitens der Anwendung werden zur Abdichtung der Pum‐ penhydraulik gegen den Antriebsmotor die dynamisch dichtende Gleit‐ ring-dichtung oder statisch dichtende Magnetkupplungen und Spaltrohrmo‐ toren eingesetzt. Gleitringdichtung Die Gleitringdichtung ist eine dynamische, kostengünstige Komponente, ist aber nicht zu 100 % dicht, sondern hat eine minimale Leckage. Deshalb ist sie nicht für die Lebensmittelbranche und nur bedingt für Pumpen in der Chemie‐ branche geeignet. Da die Gleitringdichtung noch in einem späteren Kapitel ge‐ nauer beschrieben wird, soll hier nicht näher auf diese Dichtungsart einge‐ gangen werden. Magnetkupplungspumpen Diese Abdichtungsart zwischen Motor und Pumpenhydraulik findet vor allem bei Chemiepumpen und Lebensmittelpumpen ihren Einsatz. Die Hauptkompo‐ nenten sind Innenrotor, Außenrotor, Spalttopf und Lager (radial und axial). Die Motorwelle ist mit dem Außenmagnetrotor verbunden und überträgt berüh‐ rungslos die Magnetkräfte auf den Innenmagnetrotor. Der Außenrotor ist auf der Innenseite, der Innenrotor auf der Außenseite mit Dauermagneten bestückt. Die beiden Rotoren sind getrennt durch einen Spalttopf. Dieser Spalttopf ist das dichtende Element, er dichtet das Fördermedium gegen die Umgebung ab. Die Gleitlager werden durch das Fördermedium geschmiert. Diese Kupplungsart ist hermetisch dicht, ohne Leckage. Es lassen sich durchaus Anwendungen reali‐ sieren, bei denen Drücke von 25 bar und Temperaturen von 250 °C auftreten. Bild 3: Magnetkupplung [12] 22 1. Einführung <?page no="24"?> Bild 4: Pumpe mit Magnetkupplung [43] Spaltrohrmotorpumpen Bei dieser Kreiselpumpenart bilden Motor und Pumpe eine integrierte Einheit. Die Pumpe ist in Blockbauweise konzipiert, d. h. auf der durchgehenden Mo‐ torwelle ist das Laufrad montiert. Das Spaltrohr dient als Dichtungselement, weshalb keine dynamische Dichtung notwendig ist. Die Motorwicklung (feststehender Stator) befindet sich zwischen Motorge‐ häuse (Rahmen) und Spaltrohr. Dadurch ergibt sich eine doppelte Dichtigkeit: Motormantel + Spaltrohr. Das feststehende Spaltrohr umschließt den Rotor und dichtet die Rotorkammer nach außen ab. Das Fördermedium zirkuliert direkt in der Rotorkammer, kühlt dabei den Motor und schmiert die Gleitlager. Zur Küh‐ lung des Motors ist kein Lüfter notwendig, so dass die Pumpe sehr geräuscharm arbeitet. Die doppelte Dichtigkeit minimiert die Gefahr von Leckagen. Deshalb kommt dieser Pumpentyp bei Chemiepumpen, bei explosiven, brennbaren und giftigen Flüssigkeiten zum Einsatz. 23 1.1. Grundlagen <?page no="25"?> Bild 5: Pumpe mit Spaltrohrmotor [44] 1.1.6 Abwasserpumpen Kreiselpumpen, die Flüssigkeiten mit Feststoffbestandteilen fördern müssen, haben je nach Belastung und Zusammensetzung des zu fördernden Mediums und der darin enthaltenen Feststoffe eine geringere Standzeit. Sie können schnell unwirtschaftlich werden. Die Förderung von Wasser mit Feststoffen, die zudem hart sind, bewirken schädigende Abrasion an den Pumpenkomponenten. Eine Reduzierung der Durchflussgeschwindigkeit wirkt sich dabei verschleiß‐ mindernd aus (V=2-3 m/ s). Bei Feststoffen mit hohem Feststoffanteil empfiehlt es sich, spezielle Frei‐ strom-pumpen mit offenem Laufrad einzusetzen. Die Feststoffe führen nicht wie beim geschlossenen Laufrad zu Verstopfung, sondern werden im Spiralgehäuse durch die zu fördernde Flüssigkeit mitgerissen und über den Druckstutzen wieder aus dem Pumpengehäuse heraus transportiert. Für Förderprozesse, bei denen langfaserige Feststoffe gepumpt werden müssen, eignen sich Pumpen, die mit einem Schneid-werk ausgerüstet sind. 1.1.7. Elektrische Antriebe Die wichtigsten elektrischen Antriebe für Pumpen im industriellen Bereich sind Drehstrommotoren. Neben Wechselstrommotoren, die ihre Anwendung haupt-sächlich im Gebäudebereich finden, sind Gleichstrommotoren in Kon‐ sumgütern und in Kraftfahrzeugen weit verbreitet. 24 1. Einführung <?page no="26"?> Drehstrommotoren Drehstrommotoren sind aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit und Robustheit im industriellen Umfeld dominierend. Asynchronmotoren Bei diesem Motor-Typ läuft der Rotor dem Drehfeld nach (asynchron). Der Motor ist gekennzeichnet durch einen einfachen und robusten Aufbau, mit ge‐ ringen Wartungs-anforderungen. Der Motor ist stoßlastfest und hoch über‐ lastbar, Selbstanlauf ist bei voller Last möglich. Dieser Motortyp ist auch als Generator zu betreiben. Bis 4 kW wird er im Direktanlauf, ab 5,5 kW in Stern-Dreieck-Schaltung gestartet. Asynchronmotoren sind mit die kosten‐ günstigsten Drehstrommotoren. Synchronmotoren Hierbei herrscht Synchronlauf von Drehfeld und Rotor vor. Seine Vorteile liegen im Schwachlastbereich, die Läuferverluste sind geringer als beim Asynchron‐ motor. Kleinere Baugrößen (BG 80 anstatt BG 100) sind möglich, was bei vielen An‐ lagen konstruktive Vorteile bietet. Diese Motoren können auch als Generator betrieben werden. Sie haben einen höheren Wirkungsgrad, aber auch höhere Investitions-kosten als Asynchronmotoren zu verzeichnen. Permanentmagnet-Synchronmotoren(PM) Synchronmotor, bei dem die Magnetisierung durch Permanentmagnete erfolgt. Dieser Motor-Typ ist nicht selbststartend, es ist eine Steuerungselektronik (ex‐ tern) notwendig. Seine Vorteile sind: - höhere Effizienz im Teillastbereich im Vergleich zum Asynchronmotor - - internes Rotordesign, drehender Rotor befindet sich im Innern des Stators - - bis zu 2 Baugrößen kleiner als Asynchronmotor - Der Nachteil dieses Motortyps ist, dass die Materialien für Magnete, die seltenen Erden teuer und auch nicht leicht verfügbar sind. Das Hauptvorkommen der seltenen Erden liegt in China und in der Mongolei. Reluktanzmotoren Das Prinzip ist ein altbekannter Synchronmotor. Der Motor wurde schon im Jahre 1923 vorgestellt. In ihm sind keine Permanentmagnete verbaut. Die Ro‐ torbleche aus Eisen werden über den Frequenzumrichter magnetisiert. In dem 25 1.1. Grundlagen <?page no="27"?> Motor wird das Prinzip der magnetischen Reluktanz genutzt, d. h. dem magne‐ tischen Pendant zum elektrischen Widerstand. Vergleichbarer Effekt: ein Eisenkern wird magnetisiert, wenn er durch einen Elektro-magnet angezogen wird. Der Motor besitzt eine höhere Effizienz im Teillastbereich im Vergleich zum Asynchronmotor und ist überlastbar, d. h. um ca. 10-20 % über der Nennlast, auch für eine längere Dauer. Bild 6: Prinzip Reluktanzmotor, „Luft und Eisen“ [39] Durch die spezielle Gestaltung der Rotorbleche besteht der Rotor sozusagen aus „Luft und Eisen“. Dadurch ergibt sich in der einen Richtung ein geringer ma‐ gnetischer Widerstand und rechtwinklig dazu ein hoher magnetischer Wider‐ stand. Sobald Spannung anliegt, kommt das Prinzip der magnetischen Reluktanz zum Tragen und der Rotor dreht sich. Motor-Typen Asynchron Synchron Reluktanz Permanent-Ma‐ gnet (PM) Effizienz + (IE3) ++ (IE3/ IE4) +++ (IE4) +++ (IE4) Elektronik not‐ wendig -xx xxx xxx Selbststart x -- -- -- Perma‐ nent-Magnet notwendig -- -- -x Preis x xx xxx xxxx Tabelle 2: Vergleich der verschiedenen Drehstrom-Motor-Typen 26 1. Einführung <?page no="28"?> Stern-Dreieck-Schaltung bei Drehstrommotoren Im Anlauf beim Start des Motors erfolgt eine sehr hohe Stromaufnahme. Bei direkter Einschaltung liegt diese beim 5bis 8fachen Bemessungsstrom. Des‐ halb werden Drehstrommotoren nur bis 4 kW im Direktanlauf gestartet und ab 5,5 kW in Stern-Dreieck-Anlauf geschaltet. Bild 7: Stern-Dreieck-Schaltung [19] Der Motor wird im Stern gestartet und nach dem Hochlauf auf Dreieck umge‐ schaltet. Dadurch ist der Einschaltstrom nur ca. 1/ 3 so groß als wie beim Di‐ rektanlauf im Dreieck. Dies schützt den Motor vor Überlast und ermöglicht einen schonenden Betrieb. Wechselstrommotoren Wechselstrommotoren sind einphasig und werden mit Wechselstrom betrieben. Zum besseren bzw. verstärkten Anlaufverhalten wird ein Kondensator einge‐ setzt. Durch diesen Anlaufkondensator erhöht sich das Startdrehmoment. Diese Motoren werden dort eingesetzt, wo nur ein Einphasenstromnetz vorhanden ist. Anwendungen finden sich beim Antrieb von Maschinen, Werkzeugen, Ven‐ tilatoren, Kompressoren und Pumpen. 27 1.1. Grundlagen <?page no="29"?> Bild 8: Wechselstrommotor mit Kondensator [27] Gleichstrommotoren Gleichstrommotoren sind sehr kostengünstig und in Konsumgütern weit ver‐ breitet. Sie eignen sich für geringe Leistungen. Auch in Kraftfahrzeugen finden sich Gleichstrommotoren. Nachteilig ist ein schlechterer Wirkungsgrad als bei Drehstrom- und Wechselstrom-Motoren. Aufgrund ihrer guten Regelbarkeit und des guten Anlaufverhalten gewinnen sie aber wieder an Bedeutung, auch in industriellen Produktionsanlagen. Da auch Photovoltaikanlagen Gleichstrom liefern, entstehen keine Umwandlungsverluste bei der Einspeisung des Solar‐ stroms ins betriebseigene Netz zum Direktverbrauch. Somit werden auch Pumpen mit Gleichstrommotoren für industrielle Produktionsanlagen an Be‐ deutung gewinnen. 1.1.8. Verschiedene Regelungsarten Im Folgenden werden die verschiedenen Regelungsarten dargestellt, die bei Pumpensystemen zum Einsatz kommen. Je nach Anwendungsbedarf sollte die sinnvollste Lösung ausgewählt werden. Eine Gesamtbetrachtung sollte über die Regelungsart entscheiden. Die Prioritäten können sein: einfach, oder energie-ef‐ fizient, oder kostengünstig oder flexibel. Die Regelungsarten im Einzelnen: Start / Stopp-Regelung, Bypass-Regelung, Drossel-Regelung. Start-Stopp-Regelung Diese Regelungsart bietet sich an für Systeme, mit einem variierenden Bedarf, beispielsweise wenn mehrere kleine Pumpen parallelgeschaltet werden. Dabei addieren sich die Durchflussmengen, die Drücke nicht. Lastabhängig werden einzelne Pumpen zu- oder abgeschaltet. Dies erfolgt durch eine einfache Ein-/ Aus-Schaltung. Diese Pumpen-Regelung ist aufgrund ihrer Einfachheit weit verbreitet. 28 1. Einführung <?page no="30"?> Bild 9: Start-Stopp-Regelung Regelung mit Bypass-Ventil Durch ein Bypass-Ventil, das parallel zur Pumpenleitung installiert wird, fließt ein Teil der Strömung zurück in den Saugbereich. Ist nach einem Umbau einer Anlage beispielsweise die bereits vorhandene Pumpe zu groß, lässt sich durch den Bypass das Fördervolumen reduzieren. Diese Maßnahme ist zwar nicht sehr energieeffizient, bietet aber eine einfache und kostengünstige Lösung zur An‐ passung der Pumpenleistung (Fördervolumen und Druck) an die umgebaute Anlage. Bild 10: Regelung mit Bypass-Ventil 29 1.1. Grundlagen <?page no="31"?> Regelung mit Drosselventil Das Drosselventil wird hierbei auf der Pumpen-Druckseite in Reihe zur Pumpe geschaltet. Dieses Ventil regelt sowohl die Fördermenge als auch den Förder‐ druck. Diese Maßnahme wird beim Umbau von Systemen angewandt, bei denen Pumpen mit hoher Förderhöhe eingebaut sind. Bild 11: Regelung mit Drossel-Ventil Regelung mittels Drehzahländerung des Motors Dies ist die energieeffizienteste Pumpen-Regelung. Auf diese Regelungsart wird in Kap. 4.1.3.1 noch näher eingegangen, weshalb hier nur eine kurze Darstellung erfolgt. Bei der Drehzahl-Regelung geschieht die Einstellung des gewünschten Betriebspunktes entlang der Anlagenkennlinie. Da sich bei dieser stufenlosen Regelung über die Drehzahl von Pumpe/ Motor, auch die zugeführte elektrische Leistung des Motors reduziert, ist dies eine sehr energiesparende Lösung. Be‐ zogen auf einen langen Lebenszyklus der Pumpenanlage ist dies auch sehr kos‐ teneffizient. 30 1. Einführung <?page no="32"?> Diagramm 3: Regelung mittels Drehzahländerung 31 1.1. Grundlagen <?page no="34"?> 2. Verschleiß Bewegen sich Bauteile und entsteht dabei Reibung, treten Verschleißerschei‐ nungen auf. Mechanische Belastungen und Strömungen von Flüssigkeiten können Material-abtrag und Schäden an Bauteilen bewirken. 2.1. Ursachen und Auswirkungen von Verschleiß an Kreiselpumpen Sehr unterschiedliche Belastungen können Störungen, Verschleiß oder auch den Total-Ausfall einer Pumpe bewirken. Dies können Fremdkörper in Gehäuse, Laufrad oder Leitung sein, Überlastung, falsche Betriebsweise, die zu Kavitation führt, oder eine defekte Gleitringdichtung, die Leckage zur Folge hat. Auch die Förderung von Flüssigkeiten mit Feststoffen, die zudem hart sind, bewirken schädigende Abrasion an den Pumpenkomponenten. Eine Reduzie‐ rung der Durch-flussgeschwindigkeit wirkt sich dabei verschleißmindernd aus. Die Förderung von speziellen Medien, die stark alkalisch sind, Kochsalzlösung, Säuren oder auch Meerwasser bewirken mehr oder minder Korrosionserschei‐ nungen. Auch ungeplante Laständerungen ohne Leistungsanpassung haben ne‐ gative Auswirkungen. 2.1.1. Fremdkörper im System Feststoffpartikel wie Metall-Späne, Ablagerungen, Schleifpartikel (Sand, Ko‐ rund, etc.) aber auch Komponenten wie Schrauben, Muttern oder abgebro‐ chene Bohrer werden sehr oft mit der Flüssigkeit mitgefördert, können aber auch die Pumpe zerstören. Bei Feststoffen mit mehreren Millimetern Durch‐ messer empfiehlt es sich spezielle Freistrompumpen mit offenem Laufrad ein‐ zusetzen. Für Förderprozesse, bei denen Späne mit einer Länge von mehreren Milli‐ metern mitgepumpt werden müssen, gibt es bereits Pumpen, die mit einem Schneidwerk ausgerüstet sind. Die Späne werden bereits außerhalb, vor Eintritt in das eigentliche Pumpengehäuse, zerkleinert. Die kleingehackten Späne können dann durch das Pumpengehäuse angesaugt werden. Die Feststoffpartikel führen nicht wie beim geschlossenen Laufrad zu Ver‐ stopfung, sondern werden im Spiralgehäuse durch die zu fördernde Flüssigkeit <?page no="35"?> mitgerissen und über den Druckstutzen wieder aus dem Pumpengehäuse heraus transportiert. Bild 12: Freistrompumpe mit Sperrkammer Bei Freistrompumpen werden die Feststoffe sozusagen am Pumpenlaufrad vorbei-geführt. Das Laufrad saugt an und schleudert das Fördermedium mit den Feststoffen über das Spiralgehäuse wieder heraus. Bei einem Feststoffanteil von mehr als 10 % kann es allerdings problematisch werden. Jedoch hängt dies von der Körnung oder der Größe der Feststoffe ab. Oftmals hilft nur eine empirische Ermittlung. 34 2. Verschleiß <?page no="36"?> Bild 13: Strömungsfluss im Pumpengehäuse [45] Ein längerfristiger Betrieb mit abrasiven Medien führt allerdings zu Ver‐ schleiß-erscheinungen. Dabei entstehen schadhafte Stellen, je nach Feststoff-Art unterschiedlich stark sowohl an der Schaufel-Oberseite als auch an der Laufrad- und Schaufel- Umlaufseite. Das Laufrad nach der Beschädigung auszuwechseln, ist noch die einfachste Möglichkeit. Bei größeren Schäden am Spiralgehäuse ist oft ein kompletter Austausch der Pumpe unumgänglich. Vorbeugend empfiehlt es sich bei solchen Anwendungen, die Pumpenkom‐ ponenten durch Maßnahmen wie beispielsweise harte Beschichtungen zu schützen. 2.1.2. Überlastung Die falsche Auslegung der Pumpe ist eine häufige Ausfallursache. Ein höherer Feststoffanteil als angenommen, oder eine andere Viskosität des Mediums - ölig statt wasserähnlich - führen zu Überlastung. Auch Veränderungen am System, wie Rohrleitungsdurchmesser, zusätzliche Krümmer, Einbauten, Ventile, die nicht eine Anpassung der Pumpe nach sich ziehen, können Probleme verursachen. Bei selbstansaugenden Pumpen ist die maximale Saughöhe einzuhalten, um Kavitation zu vermeiden. Bei Betrieb mit 35 2.1. Ursachen und Auswirkungen von Verschleiß an Kreiselpumpen <?page no="37"?> Frequenz-umrichtern sind die zulässigen Grenzen zu beachten. Auch führt eine fehlende Rückschlagklappe bei einem getakteten Betrieb mit kurzen Laufzyklen der Pumpe, auf der Druckseite zu Schäden. Die schlagartige Drehrichtungsän‐ derung führt zur Zerstörung des Laufradsitzes (Passfedernut o. ä.). 2.1.3. Förderung von Flüssigkeiten mit Feststoffen Feststoffe werden sehr oft gepumpt. Vor allem in Kühlemulsionen bei Werk‐ zeug-maschinen, Schleifschlamm, im Abwasserbereich, oder bei der Herstellung von Textilien, enthaltenen die Fördermedien bei bestimmten Prozessen be‐ trächtliche Feststoffbestandteile. Einen sehr hohen Einfluss auf das zeitliche und das quantitative Auftreten des Verschleißes haben folgende Parameter: • Drehzahl der Pumpen • • Feststoffanteil in kg/ l oder kg/ m³ (%) • • Kennzahl für Abrasivität • • Durchfluss [m³/ h] • • Förderdruck [bar] • • Härte der Feststoffpartikel (HV) • • Temperaturbeständigkeit • • Schichtdicke (in μm) • • Betriebs- oder Prozesstemperatur • Die Anforderungen an die Pumpe, die sich aus den zu fördernden Medien er‐ geben, können beispielhaft folgendermaßen definiert werden: Fördermedium: abrasive Medien, Wasser, Öl, Emulsion, kalte Waschlaugen bis ph 10, Lösemittel Max. Temperatur in °C: 120 °C Minimale Temperatur in °C: 5 °C Art der Feststoffe: Schmutz, Späne, Guss- und Schleifpartikel, Sand, Quarz, Glasabrieb Eine möglichst genaue Definition von Medium und Betriebszustand hilft, die Pumpe bzw. den Prozess optimal anzupassen. 2.1.4. Förderung von harten Feststoffen Während sich weiche Feststoffe mit Freistrompumpen durchaus gut im Medium mitfördern lassen, können harte oder sehr harte Feststoffe Probleme bereiten, 36 2. Verschleiß <?page no="38"?> ja zum Ausfall führen. Je nach Art und Konzentration der Feststoffe im Förder‐ medium muss entschieden werden, welche Maßnahme die beste Lösung bietet. Es gibt hier keine Ideallösung. Je nach Anwendung können unterschiedliche Maßnahmen wie Gummierung, Oberflächenvergütung wie „Aufhärten“ der Oberfläche, verschleiß-mindernde Einsätze aus Keramik, Kunststoffbeschich‐ tungen oder Hartguss die Lösung bieten. Während grobe Partikel hauptsächlich zu Verschleißerscheinungen an Laufrad und Spiralgehäuse führen, bewirken Schleifpartikel, Sand oder Glas‐ abrieb Schädigungen an Lager, Welle oder Gleitringdichtungen. Rohrleitungsdurchmesser und Durchflussgeschwindigkeit haben einen sehr großen Einfluss auf den Grad der Schädigung und die Länge der Standzeit. Je größer der Rohrleitungsdurchmesser und je geringer die Durchflussgeschwin‐ digkeit, desto geringer ist der Schaden und umso höher die Standzeit. 2.1.5. Fehlerhafte Betriebsweise Eine Betriebsweise, die nicht zu dem für die Anwendung notwendigen Betriebs‐ punkt passt, kann sehr unterschiedliche Gründe haben. Eine falsche Auslegung kann im Extremfall zum Betrieb der Pumpe deutlich außerhalb des Betriebs‐ punktes führen. Schädigende Schwingungen mit Lagerschaden als Folge oder Überlast und Zerstörung des Motors können die Folge sein. Sind aggressive Medien im Einsatz, kann das falsche Material zu Korrosion und Leckagen führen. Fördern Tauchpumpen im „Schlürfbetrieb“ aus einem Behälter, kann zu viel Luft zu Trockenlauf und Ausfall der Gleitringdichtung führen. Eine falsche Verrohrung kann den Druckverlust unnötig erhöhen und eben‐ falls zu Überlast führen. Ist der Feststoffanteil zu hoch, kann die Pumpe ver‐ stopfen, keine Förderleistung bringen und ausfallen. Kommt es zu Störungen mit der Pumpe, ist sehr oft nicht die Pumpe das Problem, sondern es liegt ein Systemfehler vor. 2.2. Verschleiß durch Abrasion Abrasiver Verschleiß ist definiert als eine Art Mikrozerspanung, bei der es zum Materialabtrag an Bauteilen kommt. Das harte, abrasive Material im Förderme‐ dium ist dabei härter als das Material der Pumpenbauteile. Abrasive Medien befinden sich in vielen Flüssigkeiten, die von Pumpen ge‐ fördert werden. Je nach Feststoff wird die Standzeit der Pumpen durch Schäden an Laufrädern und Gehäusen erheblich reduziert, teilweise bis auf wenige Wo‐ 37 2.2. Verschleiß durch Abrasion <?page no="39"?> chen. Unter den Aspekten von TCO (Total Cost of Ownership) und LCC (Life Cycle Cost) bedeutet dies eine drastische Erhöhung der Betriebskosten. Im Betrieb von Werkzeugmaschinen werden die Kreiselpumpen sehr häufig zur Förderung von Kühlemulsionen und feststoffbeladenen, abrasiven Flüssig‐ keiten eingesetzt. Metallspäne, Schleifstaub und Korund scheuern an Gehäusen und Laufrädern so stark, dass die Pumpe nach kurzer Zeit ausfällt. Beispiele aus der Praxis In der Textilchemie bei der Textilreinigung finden sich abrasive Feststoffe im Abwasser, beispielsweise bei der Jeans-Veredelung. In der Bautechnik wird beispielsweise das abrasive Gleitmittel „Bentonit“ eingesetzt. Bentonit ist ein Gesteinsgemisch aus verschiedenen Tonmaterialien (u. a. Quarz, Glimmer, Feldspat, etc.) und findet seine Anwendung bei Bauwerk‐ sabdichtungen im Deichbau und als Gleitmittel beim Vortrieb von Tunneln. Die abrasive Wirkung beim Pumpen von Flüssigkeiten mit Bentonit-Verunreini‐ gungen ist beträchtlich. Bild 14: Kreiselpumpe eingebaut in eine Anlage zum Fördern von Bentonit In der Solarzellenfertigung werden beim Sägen von Silizium-Wafern zum För‐ dern der Schleifschlämme (Slurry) Tauchpumpen eingesetzt. Diese Schleifschl‐ ämme bestehen aus einem Gemisch aus Glykol und Silicium-Karbid als Schleif‐ mittel. Aus den gegossenen Silizium-Blöcken werden die Wafer (dünne Silizium-Scheiben) mit einem Stahl-Draht gesägt. Das Schleifmittel 38 2. Verschleiß <?page no="40"?> Silizium-Karbid/ Glykol, als Fördermedium, wird im 24 h Betrieb umgewälzt. Der Schleifmittelanteil beträgt ca. 20 Gewichts-%. Die ständige Umwälzung ist not‐ wendig, da sonst das Schleifmittel hart wird. Bild 15: Spiralgehäuse nach Versuch mit Schleifschlämme “Slurry“ Bei all diesen Anwendungen wird die Standzeit der Pumpen durch diesen ab‐ rasiven Verschleiß erheblich reduziert. 2.2.1. Laufrad Der Materialabtrag am Laufrad findet an sehr unterschiedlichen Stellen statt. Strömungssimulationen zeigten sehr deutlich, dass die Schädigungen ge‐ schwindig-keitsabhängig sind. An Stellen höchster Geschwindigkeit findet die größte Abrasion statt. Des Weiteren findet an Stellen turbulenter Strömung ein erhöhter Materialabtrag statt. 39 2.2. Verschleiß durch Abrasion <?page no="41"?> Bild 16: geschädigtes Laufrad durch Abrasion Sollen abrasive Medien gefördert werden, empfiehlt sich, Pumpen mit offenem Laufrad einzusetzen. Freistrom-Pumpen bei Feststoffen mit einer Partikelgröße von 3-5 mm, mit einem maximalen Feststoffanteil von 5-8 % können Pumpen‐ gehäuse und Laufrad noch von Verschleiß geschont bleiben. Bei höherem Feststoffanteil kann dies zu Verstopfung führen bzw. werden so nach und nach die Laufrad-Schaufeln „abgeschliffen“. Bild 17: Laufrad vor und nach der Schädigung - Materialabtrag durch Abrasion 2.2.2. Spiralgehäuse Der meiste Materialabtrag findet an Kanten im Innern des Gehäuses statt. Bei‐ spielsweise an der Entleerungsbohrung oder der Bohrung an der Verschleiß‐ platte. Außerdem findet bei Fördermedien mit Schleifpartikel eine ebenso gleichmäßige Schädigung im Innern des Spiralgehäuses statt. 40 2. Verschleiß <?page no="42"?> Ein Phänomen, das auftreten kann ist die abrasive Oberflächengestaltung nach dem Prinzip der strömungsoptimierten Haifischhaut. Die Annahme, dass eine möglichst glatte Oberfläche den geringsten Widerstand besitzt, ist falsch. Durch die Längsrillen auf den Schuppen wird die Querströmung gesenkt und somit die Reibung reduziert. Dieses Prinzip wird schon in der Flugzeugindustrie erfolgreich angewendet. Bild 18: “Haifischhautoberfläche“ im Pumpengehäuse Findet der Verschleiß dermaßen gleichmäßig statt, kann die dadurch reduzierte Wanddicke durchaus standhalten, so dass die Standzeit der Pumpe akzeptabel sein kann. Strömungstechnisch bringt diese Oberfläche „Haifischhaut“ sogar eine Verlustminimierung, da diese Oberfläche eigentlich ideal ist. Ist die Wand‐ dicke entsprechend hoch genug, kann diese Art von Verschleiß den Lebenszy‐ klus der Pumpe nur unwesentlich verkürzen. 2.2.3. Lager Eine Überbeanspruchung der Lagerung tritt ein, wenn die Radialkraft zu hoch ist. Wird die Pumpe mit einem deutlich höheren Förderstrom gefahren als vor‐ gesehen, kommt es zur Durchbiegung der Welle mit darauffolgender Schädi‐ gung des Lagers. Auch durch stark abrasive Medien werden die Lager von Pumpe und Motor geschädigt, was nachfolgende Abbildungen dokumentieren. An Kanten und Spalten wirkt vor allem Schleifschlamm sehr stark. 41 2.2. Verschleiß durch Abrasion <?page no="43"?> Bild 19 und 20: Beschädigung der Drosselstrecke - Folge: Lagerschaden am Motor Bei Wälzlagern führt Abrasiv-Verschleiß vor allem in Verbindung mit Korrosion ebenfalls zu Zerstörung. Als Folge kommt es zu verstärkter Mischreibung und Materialabtrag. Die Geräuschentwicklung nimmt kontinuierlich zu, gleichzeitig nimmt der Verschleiß an Käfig und Wälzkörper weiter zu, bis zur schlussendli‐ chen Zerstörung des Lagers. Mögliche Schutzmaßnahmen können sein: Schutzring für die Motor-Lage‐ rung, Montage eines Verschleiß-Sensors mit Überwachungssystem, oder eines Motor-schutzschalters. Ein höherwertiger Motor wie er im Explosions‐ schutz-Bereich eingesetzt wird, könnte ebenfalls dienlich sein. Häufig kommt es aber auch zum Ausfall des B-seitigen Kugellagers am Motor (Lager auf der Lüfterseite). Beispielsweise wenn eine Tauchpumpe in einen Be‐ hälter mit Entlackungs-Flüssigkeit eingebaut ist. Dieses Entlackungs-Medium ist 90°C heiß und greift alle Fette und Lacke an, ebenso Elastomere wie Viton oder Perbunan. Deshalb wurde auf Elastomere-Dichtungen verzichtet. Der Motor ist über dem Behälter senkrecht, mit der Welle nach unten eingebaut. Pro‐ bleme gibt es am B-seitigen, oberen Kugellager. Die Umgebungsdämpfe sind so aggressiv, dass das ganze Fett im Kugellager schnell ausgewaschen wird (nach 2-3 Monaten Totalschaden). Verschiedene Lösungsansätze, die solche Schäden verhindern sind: • Einbau von zwei Radialdichtungen in einer Kombination vor dem Kugel‐ • lager. • Klemmenkasten und Stator werden mit Dichtmasse abgedichtet. (wie bei • IP56) 42 2. Verschleiß <?page no="44"?> • Kugellager mit Vollkeramik. Die sind aber sehr teuer und die verwendeten • Lagerringe aus Fluorit-Harz haben deutlich geringere Tragzahlen. • Direkt am Kugellager am Kugellager kann zusätzlich eine spezielle • Stahl-scheiben-Dichtung eingebaut werden, die speziell für den Schutz von Kugellager vor Verschmutzungen und Flüssigkeiten entwickelt wurde. Diese Dichtung besteht aus speziell geformten Stahllamellen. Durch die Zentrifugalkraft werden Verschmutzungen, Dämpfe und Flüs‐ sigkeiten vom Kugellager ferngehalten. 2.2.4. Rohrleitungen Mit ausreichend großen Rohrdurchmessern lassen sich sowohl Strömungsver‐ luste als auch Schäden durch Abrasion vermindern. Sind die Rohrdurchmesser zu klein gewählt, oft aus Kostengründen, herrscht keine laminare stabile Strö‐ mung, sondern eine turbulente Strömung mit unregelmäßigen Querströmungen im Rohr. Sind Feststoffpartikel im Fördermedium, wirken diese auf die Rohrin‐ nenwand wie bei einem Schleifprozess. Der stärkste Materialabtrag findet an Rohrverengungen, Umlenkungen oder auch T-Stücken statt. Die Feststoffpar‐ tikel prallen mit erhöhter Kraft auf die entsprechenden Stellen und spülen oder schleifen die Rohrleitung mehr oder weniger aus, bis die Rohrwand schluss‐ endlich durchbricht. Bei dünnwandigen Rohren kann dies sehr schnell ge‐ schehen. Auf entsprechende Schutzmaßnahmen wird in Kapitel 4 eingegangen. Letztendlich wird bei kleinen Rohrdurchmessern zwar an den Investitions‐ kosten gespart, nicht aber an den Energiekosten. Der erhöhte Rohrreibungswi‐ derstand, oftmals noch verstärkt durch eine hohe Rauigkeit im Rohr, bringt eine Erhöhung des Druckverlustes. Dies bedeutet mehr Pumpenleistung und mehr Energieverbrauch. Eine Maßnahme zum schonenden Betrieb einer Anlage, zur Reduzierung von Verschleiß und auch zur Minimierung der Geräuschentwicklung, ist definitiv die Vergrößerung der Rohrleitungsdurchmesser. 43 2.2. Verschleiß durch Abrasion <?page no="45"?> Bild 21: durchgescheuerte Rohrbögen Werden abrasive Medien gefördert, treten besonders an Rohrbögen entspre‐ chende Schäden auf. Bild 22 und 23: richtig große Löcher in den Rohren 44 2. Verschleiß <?page no="46"?> Bild 24 und 25: Querschnitt eines Rohrbogens: die Wanddicke ist durch Verschleiß dras‐ tisch reduziert Bei abrasiven Medien ist deshalb auf die Festigkeitseigenschaften besonders zu achten. Auch bei Einbauten wie Ventilen, Schiebern, Meßsensoren o. ä. sind entsprechende Schäden zu erwarten, falls die Materialien nicht hochwertig genug sind. 2.2.5. Abrasion und Korrosion Werden Feststoffpartikel in einem korrosiven Medium gefördert, kommt es zu einer Überlagerung von Abrasion und Korrosion. Die Abtragungsrate ist in der Regel schwer abschätzbar. Bei zu hoher Strömungsgeschwindigkeit und turbu‐ lenter Strömung ist diese jedoch sehr hoch. Die Standzeit einer Pumpe, beispielsweise bei Schleifmaschinen kann je nach Schleifmedium sehr stark variieren. Je nach Beschaffenheit, Körnung des Schleifsands und Durchflussgeschwindigkeit, kann die Standzeit um 20-40 % durch Reduzierung des Durchflusses reduziert werden. 45 2.2. Verschleiß durch Abrasion <?page no="47"?> Bild 26: Schleifsandkörner neu Bild 27: Körner geschliffen Die Bilder 26 und 27 zeigen die Körner des Schleifsandes der bei Schleif-Pro‐ zessen eingesetzt wird. Das linke Bild (26) zeigt den Sand neu, im rechten Bild (27) sind die Kanten und Ecken der Sandkörner nach ca. 100 Stunden Schleifen bereits „abgerundet“. Je nachdem, wie schnell der Schleifsand im Prozess ge‐ wechselt wird, kann deshalb die Standzeit der Pumpe stark variieren. Bild 28: Verschleiß durch Abrasion und Korrosion am Laufrad Sind einmal erste Vertiefungen in der Oberfläche durch den Materialabtrag ent‐ standen, kann die weitere Zerstörung sehr schnell voranschreiten. Durch die Vertiefungen entsteht eine turbulente Strömung, die den Materialabtrag noch beschleunigt. 46 2. Verschleiß <?page no="48"?> Aus der durch Korrosion geschädigten Oberfläche brechen bei überlagerter Abrasion die Materialstücke heraus und werden durch das Medium weggespült. Durch erneute Korrosion und anschließende Abrasion wird das Material so nach und nach abgetragen bis zum Bruch bzw. zur Lochbildung. Sehr entscheidend für die Schäden bei überlagerter Korrosion ist die Höhe des pH-Wertes vom Fördermedium. Ist der pH-Wert sehr niedrig (< 5), wird die Passivschicht an der Oberfläche zerstört und es kommt zu Lochfraß. Interkristalline Korrosion kann bei der Förderung von Säuren eintreten. Die Säuren zerstören die Gefüge-Struktur des Materials und lassen das Material so‐ zusagen von innen heraus korrodieren. Unkritisch ist ein Fördermedium mit einem pH-Wert von 6,5 - 7,8. Eine Aus‐ sage darüber geben auch die sogenannten Pourbaix-Diagramme, die eine grund‐ sätzliche Beständigkeit in verschiedenen pH-Bereichen umschreiben. Bild 29: Verschleiß durch Abrasion und Korrosion am Spiralgehäuse Der Materialabtrag an kritischen Stellen im Spiralgehäuse wie beispielsweise an der Dichtfläche Spiralgehäuse/ Deckel führt zu Undichtigkeit. Grundsätzlich kann gesagt werden, dass die Gefahr der Korrosion, auch bei Edelstahl/ -Guss beispielsweise bei Salz-/ Meerwasser folgendermaßen ansteigt: Edelstähle die bedingt Korrosionsfest sind [14]: • 1.4003, 1.4016, keine Chlorid- und Schwefeldioxidbelastung • Widerstandsklasse 1, Ferrit-Gefüge • 1.4301, 1.4541, ohne nennenswerte Chlorid- und Schwefeldioxidbelastung • • Widerstandsklasse 2, Austenit-Gefüge • 47 2.2. Verschleiß durch Abrasion <?page no="49"?> • 1.4401, 1.4571, mäßige Chlorid- und Schwefeldioxidbelastung • Widerstandsklasse 3, Austenit-Gefüge • 1.4539, 1.4462 (Guss), hohe Korrosionsbelastung (Meerwasser / Salz‐ • wasser) Widerstandsklasse 4, Ferrit-Austenit-Gefüge (1.4462), Austenit-Gefüge (1.4539) Zur genauen Ermittlung der Beständigkeit von Bauteilen wird ein Salzsprühtest durchgeführt. Dies ist sozusagen ein künstlicher Alterungstest bzw. ein „Ver‐ rottungs-test“, bei dem eine beschleunigte Korrosionsbelastung simuliert wird. Die Korrosivität bzw. die Zusammensetzung des zu fördernden Mediums sollte aber genau bekannt sein. Bild 30: Korrosion im Spiralgehäuse Um das Korrosionsverhalten von metallischen Werkstoffen näher zu untersu‐ chen, können chemische Korrosionsversuche und Salzsprühtests nach DIN 50021 bzw. DIN EN ISO 9227 durchgeführt werden. Damit können die relevanten Einflussgrößen ermittelt werden, die das Korrosionsverhalten beeinflussen. Die Undichtigkeit an einer Gleitringdichtung - falls sie nur minimal ist - wird oft nicht sofort erkannt. Bei längerem Einwirken kann der Schaden jedoch zum Totalausfall der Pumpe führen. 48 2. Verschleiß <?page no="50"?> Bild 31: Korrosion am Motor-Lagerschild Tritt die korrosive Flüssigkeit an der schadhaften Stelle der Gleitringdichtung nicht nur nach außen, sondern auch im Innern der Pumpe aus, kann das Motor-Lagerschild wie in Bild 20 zu sehen ist, durch Korrosion komplett zerstört werden. Kalkablagerungen Die Zerstörung einer Pumpe durch Kalkablagerungen und Korrosion lässt sich durch folgenden Hintergrund erklären. Wird Wasser, beispielsweise in Kühlkreisläufen oberhalb von 60 °C erhitzt, kommt es zur Ausgasung von Kohlensäure. Dadurch steigt der pH-Wert und folglich kommt es zu Kalkausfällungen. Gelangt beispielsweise durch Belüftung zusätzlich Sauerstoff in den Kreislauf, entsteht einerseits alleine dadurch Kor‐ rosion. Da jedoch die Kalkausfällungen bzw. Kalkablagerungen den Korrosi‐ onsprozess fördern, kann dies zum Totalschaden führen. 49 2.2. Verschleiß durch Abrasion <?page no="51"?> Bild 32: Korrosion an einer Behälterpumpe Bei längerem Einwirken von Kalk und Sauerstoff wird einerseits durch die an‐ wachsende Kalkschicht das Laufrad blockiert, zum anderen zerstört der Sauer‐ stoff zusätzlich das Metall. Ein Totalausfall ist die Folge. Zur Vermeidung von Kalkausfällungen, vor allem bei sehr hartem Wasser, empfiehlt es sich, ein Wasseraufbereitungssystem vorzusehen Bei einer Strö‐ mungs-geschwindigkeit oberhalb 1m/ s setzt sich kaum Kalk ab bzw. werden lockere Ablagerungen wieder weggespült. 2.3. Verschleiß durch Kavitation Kavitation tritt in der Regel zusammen mit einer sehr starken Geräuschent‐ wicklung und mit Schwingungen auf. Die Vibration führt zu Schäden an Welle und Lagerung. Da Kavitation eine starke Überlastung des Systems bedeutet, kann sie sehr schnell zum Ausfall der Pumpe aber letztendlich auch des Motors führen. Durch Kavitation geschädigte Laufräder sind meist unbrauchbar, können aber je nach Schädigungs-grad repariert werden. Der mit der Kavitation einhergehende starke Druckabfall in der Strömung führt zur Verdampfung des Fördermediums. Die wieder zusammenfallenden Dampfblasen verursachen Druckschläge und Lärm. 50 2. Verschleiß <?page no="52"?> Bild 33: Kavitation im Spiralgehäuse Die Partikel brechen im Spiralgehäuse teilweise an Kanten weg. Bild 34: Kavitation am Laufrad Überlastung, und oftmals Betrieb der Pumpe außerhalb des Betriebspunktes, führen zu Schwingungen, Vibrationen und Fehlbelastung auf Welle und Lager und daraus folgend zu Schäden. Laufrad und Spiralgehäuse können durch die Schläge, die durch Implodieren der Dampfblasen entstehen, durchaus komplett zerstört werden. Die implodierenden Dampfblasen wirken aufgrund des starken Druckgefälles wie Geschosse. 51 2.3. Verschleiß durch Kavitation <?page no="53"?> Auf die Ursachen der Kavitationsbildung wird in Kapitel 4.2 eingegangen. 2.4. Verschleiß an Gleitringdichtungen Der Verschleiß an Gleitringdichtungen kann vielschichtige Gründe haben. Im Vergleich mit anderen Bauteilen der Pumpe gehört die Gleitringdichtung zu den Bauteilen, die eine der kürzesten Lebensdauer haben, d. h. die immer wieder erneuert werden muss. Trockenlauf führt bei mangelnder Schmierung vor allem bei Hart/ Hart-Paarungen der Gleitflächen nahezu sofort zur Zerstörung. Bei Weich/ Hart-Paarungen ist das Verhalten geringfügig besser, bringt aber eine Verkür‐ zung der Lebensdauern. Der meiste Verschleiß tritt bei Trockenlauf auf, gefolgt von normalem Verschleiß, Materialverschleiß und Montagefehler. Deutlich mehr als 10 % der Pumpenstörungen sind auf Trockenlauf zurück‐ zuführen. Bei Undichtigkeit können doppeltwirkende Gleitringdichtungen die Schadensan-fälligkeit reduzieren, da hier beim Versagen der ersten Dichtung die zweite noch abdichtet. 2.4.1. Werkstoffbereiche Gleitringdichtungen sind aus verschieden Komponenten zusammengesetzt, die wiederum aus sehr unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt sind. Gleit- und Gegenring sind aus synthetischen Kohlen, Metallen, Metalloxiden, Kunststoffen und Karbiden hergestellt. Balg und O-Ring sind i. A. aus einem Elastomer gefertigt, die Feder und die Winkelringe aus Edelstahl. 52 2. Verschleiß <?page no="54"?> Bild 35: Gleitringdichtung [1] Bild 36: Balg mit Feder Der Aufbau der Gleitringdichtung ist im folgenden Bild dargestellt. Bild 37: Aufbau der Gleitringdichtung 53 2.4. Verschleiß an Gleitringdichtungen <?page no="55"?> 2.4.2. Gleitwerkstoffe Im Folgenden wurde eine Einteilung der Gleitwerkstoffe nach DIN 24960 vor‐ genommen: Der ideale Gleitwerkstoff sollte korrosionsbeständig, verschleißfest, formstabil, notlauffähig und wärmeleitend sein. Da für Pumpen die Karbide mit am wich‐ tigsten sind, sollen hier SiC und WC etwas näher betrachtet werden. Die Eigenschaften der Wolframkarbide (WC) lassen sich folgendermaßen zu‐ sammenfassen: • hohe Zugfestigkeit • • hart, verschleißfest • • niedrige Sprödbruchgefahr • • thermische Überlastung führt zu radialen • • Wärmespannungsrissen in der Gleitfläche • • selektive Korrosion des Binderanteils vornehmlich • • in Medien mit niedrigen pH-Werten führt zu • • Gefüge-Lockerungen und erhöhter Leckage • • geringe Trockenlauffähigkeit • Die Eigenschaften der Siliziumkarbide sind folgendermaßen definiert: • sehr gute chemische Beständigkeit bei reinem SiC • • hart, verschleißfest • • hohe Wärmeleitfähigkeit • • Trockenlauffähigkeit kann durch die Verwendung von • • kohlenstoffhaltigen Verbundwerkstoffen verbessert werden • • thermische Überlastung führt zu netzartigen • • Wärmespannungsrissen in der Gleitfläche • • selektive Korrosion des freien Siliziums vornehmlich • • in Medien mit hohen pH-Werten führt zu • 54 2. Verschleiß <?page no="56"?> • Gefüge-Lockerungen und erhöhter Leckage • • hohe Sprödbruchgefahr bei Stoßbelastung • Eigenschaften SiC WC korrosionsbeständig ++ verschleißfest ++ ++ formstabil ++ ++ notlauffähig - wärmeleitend ++ + Preis ++ + Tabelle 3: Vergleich der Gleitwerkstoffe Siliziumkarbid - Wolframkarbid SiC ist in einigen Eigenschaften besser als WC, aber es ist auch teurer. Harte Gleitwerkstoffe Weiche Gleitwerkstoffe Metalle Kohlegrafite Karbide Kunststoffe Metalloxide Tabelle 4: Hart-/ Weich-Aufteilung der Gleitwerkstoffe Die Auswahl der Gleitwerkstoffpaarung ist je nach Anwendung und Belastung vorzunehmen. Die Kriterien dafür werden im folgenden Kapitel beschrieben. 2.4.3. Vergleich der Werkstoffkenndaten Die Werkstoffe der Gleitringdichtungen haben sehr unterschiedliche Eigen‐ schaften. Im Folgenden werden sie hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit, Härte und Korrosions-beständigkeit verglichen. 55 2.4. Verschleiß an Gleitringdichtungen <?page no="57"?> Diagramm 4: Wärmeleitfähigkeit [W/ mK] - Ein Vergleich Diagramm 5: Härte in Vickers [HV] - Ein Vergleich Wie aus den vorigen Grafiken und Diagrammen ersichtlich, ist SiC in den für Pumpen wichtigsten Eigenschaften der überlegenste Werkstoff. SiC wird des‐ halb auch sehr oft bei verschleißbehafteten Prozessen eingesetzt. Neuere Entwicklungen zielen auf eine höhere Trockenlauffestigkeit ab. Reine, mikrokristalline Diamantbeschichtungen werden auf der SiC-Gleitfläche mit einer Schichtdicke von 6-8 µm abgeschieden. 56 2. Verschleiß <?page no="58"?> Dadurch kann erreicht werden, dass der Reibwert um das 5-8 fache niedriger ist als bei SiC und folglich die Wärmeentwicklung reduziert wird. Die Schicht übersteht Trockenlaufphasen, die bis in den Stundenbereich reichen. Da diese hochwertigen Gleitringdichtungen noch sehr viel teurer sind als die herkömm‐ lichen, haben sie sich bisher noch nicht so stark verbreitet. Betrachtet man aber die Kosten für einen Produktionsausfall, kann der Einsatz dieser Dichtungen durchaus wirtschaftlich sein. Im Folgenden sind noch verschiedene Schadensfälle mit Lösungshinweisen be‐ schrieben. 2.4.4. Schäden an Gleitringdichtungen - Schadensfälle Sehr häufig fallen Gleitringdichtungen aufgrund von Schäden durch thermische Überbelastung aus. Bild 38: Schaden an Gleitring und Gummibalg In Bild 38 sind Schäden an Gleitring und Gummibalg sichtbar. An der Gleitfläche sind glänzende Anlaufspuren über den Umfang sichtbar, sowie partielle Ab‐ platzer am Gleitring. Als Folge von Überhitzung ist am Innendurchmesser des Gleitrings die Verschmelzung des Balgs mit der Anlagefläche erkennbar. 57 2.4. Verschleiß an Gleitringdichtungen <?page no="59"?> Bild 39: Gummibalg mit Ablagerungen Bild 40: Gummibalg nach manueller Reinigung In Bild 39 sind Ablagerungen am Gummibalg sichtbar. Nach manueller Reini‐ gung (Bild 40) sind jedoch keine chemischen Schäden zu erkennen. Bild 41: Schaden an Runddichtung Anzeichen von thermischer Überbelastung sind in Bild 41 zu erkennen. Risse, Abrieb und Verschmelzung, aber keine chemischen Schäden sind sichtbar. Im Folgenden sind noch verschiedene Schadensfälle mit Lösungshinweisen be‐ schrieben. 58 2. Verschleiß <?page no="60"?> Bild 42: Schadensfall selektive Korrosion Bild 43: Schadensfall Trockenlauf 59 2.4. Verschleiß an Gleitringdichtungen <?page no="61"?> Bild 44: Beschädigung beim Einbau: Wärmespannungsriss e in SiC Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die häufigsten Störungen Trockenlauf, Überhitzung und dadurch hervorgerufene Wärmespannungen sind. Daraus ent‐ stehen Spannungsrisse, die eine Zerstörung der Dichtung nach sich ziehen. Kommt die Gleitringdichtung in Kontakt mit abrasiven Partikeln, führt dies ebenfalls zur Zerstörung. Um die Dichtfähigkeit möglichst lange zu gewähr‐ leisten, empfiehlt sich unbedingt, die Einsatzgrenzen einzuhalten. Dazu gehören Gleitgeschwindigkeit, Gleitdruck, Temperatur und Reibungszahl, welche die Reibleistung an der jeweiligen Dichtung maßgeblich bestimmen. 2.5. Störungen erkennen, bewerten und Tendenzen ableiten Bei Pumpen und gesamten Pumpenanlagen, von denen eine hohe Betriebssi‐ cherheit - vor allem im Dauerbetrieb - gefordert wird, ist es wichtig, dass Stö‐ rungen frühzeitig erkannt und behoben werden. Eine Früherkennung von Ver‐ schleiß, die Reparatur bzw. ein Austausch der Pumpen vor dem Schadensfall reduziert den Produktions-ausfall beim Anwender und die dadurch verur‐ sachten hohen Kosten. Die genaue Ursache festzustellen und die dazu passende Lösung zu finden ist nicht immer ganz einfach. Deshalb ist eine systematische Analyse sehr hilfreich. 2.5.1. Ursachenanalyse und Bewertung Verschleiß an Pumpen macht sich sehr unterschiedlich bemerkbar. Diese Ver‐ schleißerscheinungen sind oft durch optische Wahrnehmung, Geräusche, un‐ ruhigen Lauf/ Vibrationen oder verminderte Leistung erkennbar. In den fol‐ genden Tabellen sind die verschiedenen Störungen anhand ihres Erscheinungsbilds beschrieben, sowie mögliche Ursachen und Empfehlungen zur Behebung genannt. 60 2. Verschleiß <?page no="62"?> PROBLEME URSACHE Defekte Gleitringdich‐ tung • Trockenlauf bei Inbetriebnahme •• Verschleiß •• Verkleben der Gleitflächen (längere Stillstandszeit) • Undichtigkeit • Wellendichtung verschlissen •• Pumpe schlecht ausgerichtet • Pumpe läuft unruhig • Lager defekt, - Kavitation, •• falsche Drehrichtung • Geringer Förderstrom und geringer Druck • Hoher Luftanteil im Fördermedium •• Motor läuft auf 2 Phasen •• Falsche Drehrichtung • Tabelle 5: Erkennung von Störungen durch Ursachenanalyse Sehr oft entstehen aber Störungen, die schlussendlich zu Verschleiß führen nicht unbedingt in der Pumpe selbst, sondern entstehen durch Anlagen- oder Be‐ triebs-fehler im Gesamtsystem. Geräusche Unterschiede in der Geräuschentwicklung lassen auf sehr verschiedene Ver‐ schleiß-erscheinungen schließen. Störung Beschreibung Mögliche Ursache Behebung Mechanische Geräusche Mahlen, schleifen klappern Lagerverschleiß Rückschlagklappe Pumpe wechseln oder drosseln Klickern Fremdkörper in Ge‐ häuse, Laufrad oder Leitung Fremdkörper ent‐ fernen Fließgeräusche Gluckern Luft in Anlage, Gas‐ bildung entlüften Rauschen in Pumpe oder Lei‐ tung Pumpenleistung zu groß, Leitung zu klein Förderdaten prüfen, kleinere Pumpe, grö‐ ßere Leitung Kavitationsge‐ räusche Prasseln Kavitation Pumpe drosseln, grö‐ ßere P., 4-polig Tabelle 6: Analyse von Geräuschen 61 2.5. Störungen erkennen, bewerten und Tendenzen ableiten <?page no="63"?> Störung Beschreibung Mögliche Ursache Behebung Resonanzge‐ räusche Summen, dröhnen, schwingen Förderung zu weit im Überlastbereich, Förderdaten prüfen, Pumpe wechseln mehrere Pumpen auf einer Konsole Laufrad wechseln Schwingungs‐ dämpfer unter Pumpe starre Verbindung von Pumpe und Anlage Be‐ hälterform Einzelaufstellung, fle‐ xible Leitungs-an‐ schlüsse, Behälter verstärken Undichtig‐ keit Tropfen zwischen Pumpe u. Motor GRD defekt: Verschleiß, Trockenlauf, falsche Drehrichtung, un‐ sach-gemäßer Einbau, chemische Zersetzung Gleitringdichtung wechseln Tropfen zwischen Flanschanschlüsse verspannter Einbau, alte Dichtung Flexible Leitungs-an‐ schlüsse, Dichtung wechseln Tabelle 7: Resonanzgeräusche und Undichtigkeit Leistungsabfall Obwohl die Pumpe Medium fördert, ist der Verschleiß vorprogrammiert, falls eine fehlerhafte Betriebsweise nicht korrigiert wird. Es kommt früher oder später zum Ausfall des Pumpenbetriebs. Ist die Förderleistung niedriger als der Soll-Wert, muss entsprechend einer Checkliste vorgegangen werden, um die Ursache zu ergründen. Solch eine mögliche Checkliste ergibt sich aus unten‐ stehender Tabelle. 62 2. Verschleiß <?page no="64"?> Störung Beschreibung Mögliche Ursache Behebung Pumpenleis‐ tung zu schwach Falsche Drehrich‐ tung Elektrischer An‐ schluss falsch Zwei Phasen tauschen Pumpe oder Lei‐ tung verstopft Ansaugung und Ablagerung von Schmutz Pumpe oder Leitung säubern, Ansaugfilter einbauen Luft in der Anlage Luftansaugung durch zu geringe Überdeckung Flüssigkeitsspiegel er‐ höhen, Saugleitung än‐ dern, Niveau-schalter einbauen Rückschlagklappe öffnet nicht Luft in der Anlage Entlüftungsleitung di‐ rekt vor Rückschlag‐ klappe Hoher Luftanteil im Medium Bearbeitungspro‐ zess Medium entgasen Tabelle 8: Analyse des Leistungsabfalls Fehleranalyse mittels elektrischer Daten Neben mechanischen Störungen, sind natürlich auch elektrische Schäden eine Folge fehlerhaften Betriebs. Störung Beschreibung Mögliche Ursache Behebung Überlastung des Motors Stromauf‐ nahme zu hoch Anlagenwiderstände zu niedrig Mano‐ meter defekt elektri‐ scher Anschluss falsch Pumpe drosseln, kleinere Pumpe, kleineres Laufrad elektrischer Anschluss mit Motorschild vergleichen, größerer Motor Spannung am Klemmbrett blockiert Fremdkörper, Abla‐ gerungen Reinigung drehbar Wicklung defekt Motor oder Stator wech‐ seln Tabelle 9: Analyse der elektrischen Daten 63 2.5. Störungen erkennen, bewerten und Tendenzen ableiten <?page no="65"?> 2.5.2. abzuleitende Tendenzen Sind bei der Inbetriebnahme keine Störungen und keine fehlerhaften Be‐ triebs-zustände zu verzeichnen, kann nahezu ausgeschlossen werden, dass ein Fehler im System oder bei der Pumpe vorliegt. Im Laufe des Betriebs einer Anlage kann sich allerdings der Betriebszustand verändern. Verändertes Fördermedium, andere Betriebsweise bis hin zu Veränderungen der Anlagenkennlinie durch Umbaumaßnahmen im System können zu Stö‐ rungen und folglich zu Verschleißschäden führen. Eine Erhöhung der Geräuschentwicklung, Leistungsverlust oder eine Verän‐ derung der elektrischen Daten weist auf eine Überlastung oder Fehlbelastung im System hin. Eine Störungsfrüherkennung durch Anwendung von Systemen der vorausschauen-den Instandhaltung macht sich bei komplexen Systemen in jedem Fall bezahlt, da die Folgeschäden durch Produktionsausfall im Allge‐ meinen nicht unerheblich sind. Reparaturen und Instandhaltungsmaßnahmen lassen sich somit gut einplanen, rechtzeitig bevor der Schadensfall eintritt. 2.5.3. Maßnahmen zur Störungsvermeidung Durch langjährige Erfahrungen mit Schäden an Pumpen ist es möglich, nach genauer Analyse des Schadens Rückschlüsse auf die Ursachen der Schädigung zu treffen. Das Lernen aus den Schadensbildern kann durch vorausschauende Instandhaltung zu einer Schadensvermeidung schon im Vorfeld des sich anbah‐ nenden Schadens führen. Aus dem Schadensbild lassen sich Maßnahmen ab‐ leiten, die durch Vorbeugung oder gezieltes Monitoring den Verschleiß mini‐ mieren. Ergeben sich aufgrund der Überwachung des Betriebs der Pumpen Erkennt‐ nisse, die einen wiederkehrenden Schaden prognostizieren lassen, sind kon‐ struktive Änderungen die nächstliegende Maßnahme. Sind verschleißfördernde Betriebszustände, wie das Fördern von feststoffbe‐ hafteten Medien wie beispielsweise Kühlemulsion, die mit Metall-Spänen oder Schleifstaub verunreinigt ist, kann der zu erwartende Schaden mit Hilfe einer Strömungs- und Verschleiß-Simulation vorausberechnet werden. Sofern konstruktive Maßnahmen aus verschiedenen Gründen nicht reali‐ sierbar sind, müssen andere Möglichkeiten der Produktanpassung gefunden werden. 64 2. Verschleiß <?page no="66"?> Oberflächenbeschichtungen, die die Randschicht der Bauteile insofern ver‐ ändern, dass sie härter, d. h. widerstandsfähiger gegen Feststoffe sind, bieten als Option eine Veredlung der Bauteile. 2.5.4. Strömungssimulation Um die Strömung des zu fördernden Mediums in Laufrad und Spiralgehäuse genauer analysieren zu können, kann durch entsprechende Software (CFD, solid works, u. a.) der Strömungsverlauf berechnet werden. Dazu müssen die genauen, geometrischen Daten zur Pumpe, sowie die Strömungsdaten wie Volumenstrom, Druck etc. verfügbar sein. Zur Berechnung werden die Geometriedaten der Pumpe mit der Software aufbereitet. Anschließend erfolgt eine Vernetzung (Gitternetz) als Vorbereitung für die Berechnung der Strömung. Durch die Simulation unterschiedlicher Betriebszustände lässt sich ein Scha‐ densbild erstellen. Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass die Schadensbilder der einzelnen Bauteile mit den Ergebnissen der Strömungssimulation sehr gut übereinstimmen. Die Stellen mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit zeigen die stärksten Ver‐ schleißerscheinungen. Bild 45: Geschwindigkeitsverteilung in Laufrad und Spiralgehäuse 65 2.5. Störungen erkennen, bewerten und Tendenzen ableiten <?page no="67"?> Basierend auf den Simulationsergebnissen lassen sich konstruktive Maßnahmen oder Bauteilveränderungen ableiten. In Kapitel 3.5. „Strömungsoptimierung“ wird noch genauer beschrieben, wie die Simulation von Verschleiß bei abrasiven Fördermedien mittels Strömungssimulation möglich ist. 2.6. Schadensbilder Aufgrund der Schadensbilder lassen sich nicht immer Rückschlüsse auf die Schadensursachen ziehen. Eine Analyse aller Einflussfaktoren muss systema‐ tisch erfolgen, um mögliche Ursachen ausschließen zu können. Sehr hilfreich kann eine Strömungs- und Verschleißsimulation mittels am Markt verfügbarer Programmen sein. Untersuchungen ergaben, dass die Schadensbilder einzelner Bauteile nahezu deckungsgleich mit den Ergebnissen der Strömungssimulation sind. Die Stellen mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit zeigen die stärksten Verschleißerschei‐ nungen. Oftmals sind falsche Auslegung (Kavitation, Lagerschaden), zu hoher Fest‐ stoff-Anteil (Überlastung, Verstopfung) zu „harte Feststoffe (Abrasion + „Lö‐ cher“) die Ursache der Schäden. Sich über einen längeren Zeitraum ansam‐ melnde Ablagerungen führen vor allem bei diskontinuierlichem Betrieb oder bei Betrieb mit längeren Stillstands-Zeiten zu Schäden. Bei kontinuierlichem Be‐ trieb werden Stoffe, die zu Ablagerungen führen könnten, meist aus der Pumpe herausgespült. Ablagerungen müssen vermieden werden, da sie Pumpe und Rohrleitungen verstopfen können. In Extremfällen können sie auch eine chemische Zersetzung des Materials bewirken. Bild 46: Laufrad mit verklebten Lackresten 66 2. Verschleiß <?page no="68"?> Obiges Bild zeigt das Laufrad einer Lackwasserpumpe. Zu geringe Durchfluss‐ geschwindigkeit, zu hoher Lackanteil, oder eine zu lange Stillstands-Zeit führte zum Verkleben des Laufrads und darauffolgendem Ausfall der Pumpe. Bei einer Reparatur sollte immer der Schaden genau analysiert und nicht nur das defekte Bauteil ausgewechselt werden. Direkte Maßnahmen zur Vorbeu‐ gung sind einzuleiten. Es sollte geprüft werden, ob konstruktive Änderungen an Anlage oder Pumpe durch-geführt werden müssen. Häufig wiederkehrende Schäden lassen auf Be‐ triebs- oder Konstruktionsfehler schließen. 67 2.6. Schadensbilder <?page no="70"?> 3. Messtechnische Erfassung von Störungen und Verschleiß Bei der Überwachung von Anlagen- oder Pumpenkenngrößen ist grundsätzlich zu entscheiden, welcher Aufwand dafür angemessen ist. Ob permanent oder mit einer mobilen Messanlage nur ab und zu, ob zyklisch oder täglich oder eine nur wöchentlich durchgeführt Messung ausreichend ist. Für alle zu messenden Pro‐ zessparameter wie Drehzahl, Temperatur, Druck, Differenzdruck, Schwin‐ gungen, Strom, Spannung, Volumenstrom, Leckage und Füllstand gibt es die passenden Sensoren. Bis hin zur permanenten Überwachung des Rundlaufs einer Welle per Laser. Vor allem die Messung und die Dokumentation der Ver‐ änderung einer Messgröße ist notwendig. Die wichtigsten Parameter, um den Zustand einer Pumpe zu erfassen werden hier näher beschrieben. Dies sind Druck, Temperatur, Drehzahl, Strom und Schwingung. 3.1. Schwingungsmessung Zur Schwingungsuntersuchung werden Messungen mittels sogenannter Körper-schall-Sensoren durchgeführt. Der Sensor, als Beschleunigungssensor ausgeführt, misst die Vibration an der Pumpe in g (Erdbeschleunigung: 9,81 m/ s²). Der Sensor wird am Spiralgehäuse der Pumpe entweder fest angeschraubt, oder für die mobile Messung bzw. Überwachung mit einem Magnetfuß befestigt. Die Körperschallschwingungen sind sehr aussagekräftig. Dem an der Pumpe gemessenen Schwingungswert kann ein Schadensbild direkt zugeordnet werden. 3.2. Temperaturmessung Temperaturen können entweder mit Thermoelementen oder mit PT 100 - Sen‐ soren gemessen werden. Messpunkte sind kritische Pumpen- oder Anlagen‐ komponenten wie Gleitringdichtungen, Wälzlager, Motoren, Rohrleitung, sowie das Fördermedium auf der Druck- oder Saugseite. Eine merkliche Erhöhung oder Veränderung der Temperatur deutet auf eine Störung oder einen sich anbahnenden Verschleiß hin. Eine Temperaturüberwa‐ <?page no="71"?> chung ist in vielen Elektromotoren zum Schutz vor Überlastung bereits inte‐ griert (Kaltleiter). Bei Überlast ist die Temperatur im Klemmenkasten des Motors höher als die Temperatur direkt an der Pumpe (Lager, Spiralgehäuse), da sich der Motor bei Überlast schneller erwärmt. Zur Temperaturüberwachung wird dabei die Elek‐ tronik im Klemmenkasten der Pumpe in einem festgelegten Zeitabschnitt (z. B. im Sekundentakt) geprüft. Es wird ein zulässiger Maximalwert von beispiels‐ weise 100 °C festgelegt. Überschreitet die Temperatur den voreingestellten Kon‐ figurations-wert, wird ein Temperaturfehler angezeigt. Steht dieser Fehler dau‐ erhaft an, wird die Pumpe abgeschaltet. Je nach Anwendung und Überwachungssystem, wird die Temperatur im Me‐ dium oder im Klemmenkasten überwacht. 3.3. Druckmessung Die Überwachung des Förderdrucks schafft Sicherheit, dass der Förderstrom konstant bleibt und die Strömung nicht abreißt. Druckschwankungen, Pulsati‐ onen, Druckstöße und auch Unterdruck können erfasst und durch entspre‐ chende Systeme geregelt werden. Um aussagekräftige Werte, auch bezüglich des Druckabfalls zu erhalten, erfolgt die Druckmessung sowohl auf der Saugals auch auf der Druckseite. Ein Differenzdrucktransmitter erfasst den Druckun‐ terschied zwischen Druck- und Saugseite. 3.4. Drehzahlmessung Je nach Anwendung soll die Drehzahl konstant bleiben oder geregelt werden, beispielsweise mit Frequenzumrichter, um die Förderleistung dem Bedarf an‐ zupassen. Zur stationären Überwachung kann die Drehzahl als analoges Signal aus der Elektronik im Motorklemmenkasten abgegriffen werden. Zur kurzzei‐ tigen, mobilen Messung wird ein Lasermessgerät eingesetzt. Dabei wird am Lüfterrad des Motors eine Reflexionsmarke angebracht, die vom Lasersensor bei jeder Umdrehung des Lüfterrades erfasst wird. Ist die Drehzahl zu niedrig, kann von einer Überlastung ausgegangen werden. Ist die Drehzahl erhöht, kann es möglich sein, dass die Saugseite teilweise oder ganz geschlossen ist. Bei er‐ höhtem Luftanteil ist die Drehzahl stark erhöht und bei Kavitation sehr stark erhöht. 70 3. Messtechnische Erfassung von Störungen und Verschleiß <?page no="72"?> 3.5. Strommessung Der Motorstrom kann durch eine Minimal-/ Maximalwert-Erfassung überwacht werden. Eine Abweichung wird als Fehler erkannt. Im Leerlauf und bei Tro‐ ckenlauf nimmt die Pumpe durchaus weniger als die Hälfte des Sollstroms im Vergleich zum Normalbetrieb auf. Die Stromüberwachung ist konfigurierbar und kann einige Sekunden nach dem Motorstart beginnen und bis zur Abschal‐ tung des Motors dauern. 3.6. Schadensdiagnose durch Zustandsüberwachung und Schwingungsanalyse Die genaue Untersuchung der Schwingungsmessung bildet die Grundlage der Schadensanalyse. Durch die Schwingungsanalyse kann, wie bei keinem anderen Verfahren, so genau auf die Art des Schadens oder auf einen fehlerhaften Be‐ triebszustand geschlossen werden. Jede Pumpe hat ein eigenes, typisches Schwingungsverhalten, das sich bei unterschiedlichen Betriebszuständen än‐ dert. Durch Schwingungsanalyse können Diagnosen wie Lagerschaden, Aus‐ wuchtfehler, Verschleiß an Laufradschaufeln oder auch Kavitation sehr präzise benannt werden. Durch Frequenzanalyse können die Schadensbilder sehr genau voneinander unterschieden werden. Die permanente Überwachung der Schwin‐ gung ist bei kritischen Prozessen, bei sehr teuren Pumpen und Anlagen sinnvoll, bei denen keine Ersatzpumpe bereitgehalten wird. 71 3.5. Strommessung <?page no="74"?> 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß Die wichtigste Maßnahme zur Vorbeugung vor Schäden ist die Vermeidung von Auslegungs- und Planungsfehlern. Eine genaue Kenntnis des Anlagenbetriebs, das Vorliegen des Anlagenschemas erleichtert die Auswahl der Pumpe sehr. Die Missachtung der Grundgesetze der Hydraulik, oft auch aus Kosten‐ gründen, führt zwangsweise zu Schädigungen in der Pumpe und im System. Vorausschauende Instandhaltung und gegebenenfalls der Einsatz eines Moni‐ toring-Systems sollten eingeplant werden. Die Strömungsoptimierung der An‐ lage schützt in jedem Fall langfristig vor Verschleiß. 4.1. Vermeidung von Auslegungs- und Planungsfehlern Vor allem Kosten lassen sich durch eine präzise Planung und exakte Bauaus‐ führung sparen. Folgekosten, die erst nach einiger Zeit entstehen, lassen sich durch geeignete Maßnahmen vermeiden. Dazu gehören insbesondere: • Genauen Betriebspunkt festlegen (Anlagenkennlinie, Pumpenkennlinie) • • Strömungsverluste berücksichtigen • • Sauganforderungen prüfen (Saugleitung, ob selbstansaugend) • • Betriebspunkt-Anpassung (Drehzahl-Regelung, FU) • • Viskosität berücksichtigen (Wasser, Öl, andere Flüssigkeiten) • Sind die Kennwerte definiert und erfasst, lassen sich weitere Schritte mittels verschiedener Software realisieren. 4.1.1. Genaue Betriebspunktfestlegung Pumpenauswahlprogramme ermöglichen die Bestimmung der Pumpe, die auf die entsprechende Anwendung zugeschnitten ist. Förderstrom, Fördermenge, Laufrad-durchmesser, Motorart und Motorgröße, Einsatz eines Frequenzum‐ richters sind bestimmende Kriterien. Ist die Anlagenkennlinie nicht bekannt, sollte durch Druck-verlustberechnung des Rohrleitungssystems mit den ver‐ schiedenen Einbauten die Charakteristik ermittelt werden. Üblicherweise liegt der optimale Betriebspunkt im Bereich des höchsten Wir‐ kungsgrads. Dies bedeutet eine optimale Abstimmung von Druck, Durchsatz <?page no="75"?> und elektrischer Leistung. Wird die Pumpe in diesem Betriebspunkt gefahren, kann von einem sehr schonenden Betrieb ausgegangen werden. Diagramm 6: Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom Volumenstrom Zur Vor-Auswahl der Pumpengröße wird das Kennfeld herangezogen. Es sollte vermieden werden, die Pumpe an der Grenze ihres Kennfeldes zu betreiben. Insbesondere sind die Angaben der Kunden bzw. der Anlagenbetreiber oftmals nicht ganz exakt. Es empfiehlt sich deshalb, eine Leistungsreserve vorzusehen. Diagramm 7: Kennfeld: Förderhöhe in Abhängigkeit vom Volumenstrom Q [m³/ h] Eines der wichtigsten Auswahlkriterien zur Auswahl und Bestimmung der Pumpengröße ist die Q-H-Kennlinie. Die notwendige Förderhöhe H und der gewünschte Durchsatz bzw. Volumenstrom Q bilden die Basis für die genaue Auswahl der Pumpe. Weitere Angaben zur Förderaufgabe der Pumpe sind zusätzlich erforderlich. Temperaturbeständigkeit, Daten zu pH-Wert, Viskosität, Korrosivität sind eben‐ falls dringend notwendig, um Schäden vorzubeugen. Muss die Pumpe selbstan‐ saugend sein, ist dies ebenfalls ein wichtiges Kriterium. 74 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="76"?> Betriebspunkt und Anlagen-Kennlinie Der Betriebspunkt stellt sich in Abhängigkeit von Drosselkurve (Pumpenkenn‐ linie) und Anlagenkennlinie automatisch auf den Schnittpunkt dieser beiden Linien ein. Zur Auswahl der richtigen Pumpe muss die Anlagenkennlinie bzw. müssen Daten darüber bekannt sein. Diagramm 8: Drosselkurve und Anlagenkennlinie Die Anlagenkennlinie ergibt sich aus einem statischen und einem dynamischen Teil. • Statischer Teil: H stat • • Dynamischer Teil: H dyn • Der statische Teil setzt sich zusammen aus der geodätischen Höhe und dem Druckverlust der Anlage. Der dynamische Teil berücksichtigt die Strömungsverluste zwischen Ein- und Austritt der Anlage, die sich mit steigendem Förderstrom erhöhen. Zur Mini‐ mierung der Strömungsverluste empfiehlt sich eine Strömungsgeschwindigkeit von v= 2 bis 3 m/ s. Entsprechend sind die Rohrleitungsdurchmesser auszu‐ wählen. Soll eine gewünschte Fördermenge mit mehreren Pumpen erreicht werden, können Pumpen im Parallelbetrieb laufen. Dabei addieren sich die Förder‐ mengen, der sich einstellende Betriebspunkt muss aber überprüft werden. Im Folgenden sind die Diagramme für Reihen- und Parallelbetrieb abgebildet. 75 4.1. Vermeidung von Auslegungs- und Planungsfehlern <?page no="77"?> Diagramm 9: Parallelbetrieb, Einzelfördermengen addieren sich Soll der Förderdruck erhöht werden, können Pumpen in Reihe geschaltet werden. Die Einzelfördermengen addieren sich dabei nicht (Eindrosselung auf Betriebspunkt P1 + P2 Soll). 76 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="78"?> Diagramm 10: Reihenbetrieb, Erhöhung des Drucks Sind bei beiden Betriebsarten, Parallel- und Reihenbetrieb, die Pumpen nicht optimal aufeinander abgestimmt, kommt es zu Strömungsverlusten und in ex‐ tremen Fällen zu Schäden. Verschiedene Software-Programme zur Pumpenauswahl sind am Markt ver‐ fügbar. Im Folgenden eine kurze Beschreibung. 77 4.1. Vermeidung von Auslegungs- und Planungsfehlern <?page no="79"?> Bild 47: Beispiel eines Pumpen-Auswahlprogramms Voraussetzung für die exakte Pumpenauswahl ist, dass das Einsatzgebiet, die Anlagenkennlinie, die genauen Betriebsparameter sowie der voraussichtliche Pumpentyp bekannt sind. Beispielsweise selbstansaugend, Tauchpumpe, Förder-medium mit Feststoffen, o. ä. können die Anforderungen sein. Es sollten möglichst viele Parameter bekannt sein. Mit Hilfe der Auswahlprogramme können dann relativ schnell die Daten der passen-den Pumpe ermittelt werden. 78 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="80"?> Bild 48: Ergebnisse durch Pumpen-Auswahlprogramm ermittelt Obiges Diagramm zeigt die Ergebnisse einer Beispielrechnung nach Eingabe der Betriebsparameter. Die gewünschte Förderhöhe beträgt 30 m (3,0 bar) bei einem Volumenstrom von 75 m³/ h. Die Optimierung wird hier durch Anpassung des Laufrad-Durchmessers erreicht. Das Laufrad wird auf einen Durchmesser von 184,3 mm abgedreht. Der Wirkungsgrad im Betriebspunkt beträgt hier 58 %, bei einer Leistungsaufnahme des Motors von 9,86 kW. Somit kann für diesen Be‐ triebspunkt der bestmögliche Wirkungsgrad bei optimiertem Energieverbrauch erzielt werden. Die Anpassung des Laufrad-Durchmessers ist in Kapitel 4.1.3.2. noch näher beschrieben. 79 4.1. Vermeidung von Auslegungs- und Planungsfehlern <?page no="81"?> 4.1.2. Berücksichtigung von Strömungsverlusten Jedes Ventil, jeder Absperrschieber oder Rohrkrümmer, ja sogar eingebaute Sensoren kosten Strömungsenergie, was vor allem bei Änderungen an Anlagen berücksichtigt werden muss. Das Fließbild bzw. das Anlagenschema bildet die Grundlage für die Funktion der Anlage. Strömungsverluste lassen sich bereits im Anlagenschema erkennen. Durch die Auswahl der Rohre (Rauigkeit, innen), Armaturen, Ventile oder Schieber, Krümmer, Rohrbögen und Kompensatoren etc. lassen sich die Strömungsverhältnisse stark beeinflussen. Weniger verlust‐ behaftete, hochwertige Komponenten sind in der Regel teurer als kostengüns‐ tige Bauteile. Eine einmalige Investition in „weniger Verlust“ zahlt sich aber aus, da dadurch Energie und somit Kosten eingespart werden können (s.a. Kapitel 4.5). 4.1.3. Betriebspunktanpassung Um den Pumpenbetrieb auf den optimalen Betriebspunkt abzupassen, stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Die Drosselregelung mittels Schieber oder Ventil wird zwar sehr oft angewendet, ist aber eine der schlech‐ testen Varianten. Sie ist strömungstechnisch ungünstig, vernichtet Energie und kostet somit Geld. Besser und kostengünstiger sind Anpassungen durch Dreh‐ zahlregelung oder Anpassung der Laufraddurchmesser. Eine weitere Betriebsmöglichkeit bietet die Bypass-Regelung. Dabei wird ein Teil des Förderstroms abgezweigt und in den Behälter zurückgeführt. Über ein Regelventil in dieser zweiten Rohrleitung wird der Förderstrom in der Haupt‐ rohrleitung reguliert. 4.1.3.1. Drehzahlregelung durch Frequenzumrichter Eine sehr effektive Maßnahme, vor allem auch zur Kosten- und Energieeinspa‐ rung, bietet sich durch Drehzahlregelung der Pumpen an. Warum aber trägt der Frequenz-umrichter zur Schadensvermeidung bei? Die Drehzahlregelung mit Frequenzumrichter ist eine sehr schonende und energiesparende Maßnahme. Die genaue Einstellung auf den optimalen Betriebspunkt fördert einen ruhigen Lauf der Pumpe und ein gleichmäßiges Fließen des Fördermediums im Rohrlei‐ tungssystem. Schwingungen im System können größtenteils vermieden und Lager geschont werden. Durch langsames Anlaufen wird der Motor geschont, so dass es nicht zu Überspannungsproblemen kommt (Rampenschaltung). Ohne Frequenzumrichter ist die Einstellung des Betriebspunktes nur direkt auf der Pumpenkennlinie möglich, nicht jeder beliebige Punkt ist einregelbar. 80 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="82"?> Frequenzumrichter ermöglichen eine stufenlose variable Drehzahlregelung in einem definierten Bereich. Bei Auslegung einer Pumpe auf 50 Hz bedeutet dies: f min = 10 Hz f max = 50 Hz Diagramm 11: Betriebspunkt-Anpassung durch Drehzahl-Regelung 1 Diagramm 12: Betriebspunkt-Anpassung durch Drehzahl-Regelung 2 Im obigen Beispiel (Diagramm 12) soll bei steigender Fördermenge eine Leis‐ tungs-anpassung durch Drehzahlerhöhung erfolgen. Der bisherige Betriebs‐ punkt BP1 auf der Anlagenkennlinie AKL1 ergibt sich bei der Drehzahl n1. Durch das Zuschalten weiterer Verbraucher (höhere Fördermenge) ergibt sich BP1.2 auf der Anlagenkennlinie AKL2 mit der Drehzahl n1. Zur gewünschten Erhöhung der Fördermenge auf 222 m³/ h wird die Drehzahl auf n2 erhöht. Da‐ durch stellt sich der neue Betriebspunkt BP2 auf der Anlagenkennlinie AKL2 ein. 81 4.1. Vermeidung von Auslegungs- und Planungsfehlern <?page no="83"?> Der Betriebspunkt der Pumpe ist durch Änderung der Anlagenkennlinie und gleichzeitiger Verlagerung der Pumpenkennlinie exakt einstellbar. Die Volumenstromanpassung durch eine Drehzahlregelung mittels Frequen‐ zumrichter hat weitere Vorteile. Durch den Einsatz eines Frequenzumrichters, der die Drehzahl dem Bedarf anpasst, kann der elektrische Strom und damit auch die Kosten proportional der Volumenstrom-Reduzierung eingespart werden. Bei entsprechender Regelung sind Einsparungen bis über 50 % möglich. Durch Erhöhung der Frequenz (z. B. von 50 Hz auf 60 Hz) ändern sich folgende Förderdaten: ▸ Drehzahl (3000 1/ min _ 3600 1/ min) [ x 1,2] ▸▸ Fördermenge (Q 2 = Q 1 x 1,2) ▸▸ Förderhöhe (H 2 = H 1 x 1,2²) ▸▸ Förderleistung (P 2 = P 1 x 1,2³) ▸ Tabelle 10: Änderung der Förderdaten durch Frequenzerhöhung Aus obiger Tabelle wird ersichtlich, dass sich bei einer Erhöhung der Frequenz um 20 % auf 60 Hz die Förderleistung um 73 % erhöht. Folglich kann bei einer Reduzierung der Drehzahl auch der Energieverbrauch drastisch reduziert werden. Optimaler Druck oder Volumenstrom bei Kaskadenschaltung: Drehzahlgeregelte Pumpen sorgen für einen konstanten Druck oder einen kon‐ stanten Volumenstrom. Beim Betrieb mit mehreren Pumpen in Kaskade erfasst der Drucksensor bei‐ spiels-weise den Druck in der Rohrleitung und regelt den vorgegebenen Soll-Wert je nach Funktion. Das Signal geht direkt an den Frequenzumrichter, der den Volumenstrom dem vorgegebenen Wert anpasst. 82 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="84"?> Bild 49: Kaskadenschaltung von Pumpen Beim Betrieb mit mehreren Pumpen erfasst ein Sensor jede Soll-Abweichung, die sich durch das Zu- oder Abschalten weiterer Pumpen ergibt. Das Signal des Sensors wird direkt auf die Pumpe übertragen und regelt die Drehzahl entspre‐ chend dem Bedarf nach oben oder unten. Durch die optimale Einstellung von Druck oder Volumenstrom ist die Prozesssicherheit gewährleistet und dass das System immer mit dem gewünschten Sollwert gefahren wird. Bild 50: Kaskadenschaltung mehrerer Pumpen 83 4.1. Vermeidung von Auslegungs- und Planungsfehlern <?page no="85"?> Energiebedarf (Leistung) ohne Frequenzumrichter Bei 50 % Drosselung noch 90 % elektrische Leistungsaufnahme Energiebedarf (Leistung) mit Frequenzumrichter Bei 50 % Drosselung noch 30 % elektrische Leistungsaufnahme Diagramme 13 und 14: Leistungsaufnahme bei Betrieb mit und ohne Frequenzum‐ richter Die Vorteile und Randbedingungen des Pumpenbetriebs sind nachfolgend noch‐ mals zusammengefasst: • Betriebspunkt der Pumpe ist durch Änderung der Anlagenkennlinie und • gleichzeitiger Verlagerung der Pumpenkennlinie (durch Frequenzände‐ rung) exakt einstellbar • geringerer Energieverbrauch • • optimaler Wirkungsgrad des Motors / der Pumpe ist parametrierbar • • Motorschonung (keine Überspannungsprobleme) durch langsames An‐ • laufen (Rampenschaltung) • Grundsätzlich gilt: Eine Erhöhung der definierten maximalen Frequenz • ist nicht zu empfehlen • Pumpen, die für einen definierten Maximal-Frequenz-Betrieb (z. B. 50 Hz) • ausgeführt wurden, dürfen nicht in der Frequenz nach oben (z. B. 60 Hz) geändert werden, da der Motor sonst überlastet werden kann oder die Pumpe kavitiert • Ist eine Frequenzänderung nach oben trotzdem nötig, muss der • Laufrad-Durchmesser verkleinert werden 84 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="86"?> • Auch bei nachträglichem Einbau des Frequenzumrichters ist eine Über‐ • lastung des Motors durch eine Fehlbedienung des FU möglich. Auch eine Druckregelung ist mittels Frequenzumrichter realisierbar und schont die Pumpe. Wird in einem Rohrleitungsnetz der Druck konstant gehalten, können Druckstöße und auch Trockenlauf vermieden werden. Durch Program‐ mierung der Soll-Parameter kann der gewünschte Pumpenbetrieb exakt einge‐ stellt werden. Ausgehend von einer Gesamtkostenbetrachtung, bei der der Energieanteil mit 45 % den größten Kostenfaktor ausmacht (siehe Kapitel 8.3), ist es sehr loh‐ nenswert, hier zu optimieren. Zumal vor dem Hintergrund steigender Energie‐ preise in Zukunft mit einer exponentiellen Steigerung der Kosten für Energie zu rechnen ist. Durch gesetzliche Vorschriften der Europäischen Union werden in Zukunft immer mehr drehzahlgeregelte Antriebe zum Einsatz kommen, ungeregelte werden eher weniger zum Einsatz kommen. In folgender Beispielrechnung ist dargelegt, wie sich bei verschiedenen Be‐ triebs-Intervallen einer Pumpe die Wirtschaftlichkeit darstellt. [21] Daten Pumpe Bemessungsbetriebspunkt: 1 bar / 350 m³/ h 2. Betriebspunkt bei Bemessungsdrehzahl: 0,01 bar / 600 m³/ h Bemessungsdrehzahl: 1.430 1/ min Bemessungswirkungsgrad: 75 % Angaben zur Anlagenkennlinie Max. Betriebspunkt (für Häufigkeitsverteilung): 1 bar / 350 m³/ h Angaben für die Energiekostenbetrachtung Energiepreis: 0,1 €/ kWh Zusätzliche Kosten Umrichter: 2.500 € Wirkungsgrad der Antriebsachse: 90 % Alternative Regelung: Drosselregelung Tabellen 11 a - 11 c: Vorgaben für die Berechnung 85 4.1. Vermeidung von Auslegungs- und Planungsfehlern <?page no="87"?> In dieser Beispielrechnung wird eine Pumpe im Betriebspunkt 1 bar/ 350 m³/ h betrieben. Ausgehend von einer Gesamtlaufzeit von 7 700 Stunden pro Jahr läuft die Pumpe in unterschiedlichen Intervallen (s. Häufigkeitsverteilung in Dia‐ gramm 17). Von 200 h/ a bei 10 % des Volumenstroms, 800 h/ a bei 20 %, 1 300 h/ a bei 30 % des Volumenstroms und weiteren Intervallen, wurde ein Jahreszyklus simuliert. Diagramm 15: Bemessungs-Betriebspunkte mit Drehzahlabhängigen Kennlinien [21] Diagramm 16: Laufzeit in h pro Jahr bei 10 verschiedenen Betriebsintervallen [21] 86 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="88"?> Diagramm 17: Datenzusammenfassung für die Berechnung [21] 87 4.1. Vermeidung von Auslegungs- und Planungsfehlern <?page no="89"?> Vergleich Energiekosten Energiekosten pro Jahr Einsparung mit Umrichter [€] Einsparung mit Umrichter [%] Drehzahlgeregelt (Umrichter) 1.495€ 0€ 0% Max. Betriebspunkt 6.650€ 5.155€ 78% Bypass-Regelung 6.596€ 5.101€ 77% Drosselregelung 6.768€ 5.273€ 78% Tabelle 12: Ergebnis der Energiekosten-Berechnung [21] Diagramm 18: Kosteneinsparung pro Jahr der 10 Intervalle [21] Amortisation Alternative Regelung Drosselregelung Energieeinsparung pro Jahr 5.273 € Zusätzliche Kosten Umrichter 2.500 € Theoretische Amortisierungszeit 0,5 a Tabelle 13: Amortisations-Betrachtung [21] Die Berechnung ergab, dass sich die zusätzlichen Kosten von 2 500,- € für einen Frequenzumrichter bei dieser Betriebsweise in 10 verschiedenen Intervallen be‐ 88 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="90"?> reits schon nach 0,5 Jahren amortisieren. Auch bei anderen, viel ungünstigeren Betriebs-Intervallen, amortisiert sich aber ein Frequenzumrichter bereits nach wenigen Jahren. 4.1.3.2. Anpassung des Laufraddurchmessers Eine Anpassung der Pumpe an den Betriebspunkt ohne zusätzliche Kompo‐ nenten bietet die Bearbeitung des Pumpenlaufrades. Durch die Veränderung des Laufrad- Durchmessers - durch Abdrehen - kann der erforderliche Betriebs‐ punkt eingestellt werden. Im folgenden Diagramm sind die Abdrehkurven dargestellt. Diagramm 19: Betriebspunkt-Anpassung durch Abdrehen des Laufrades Zwar lässt sich die Pumpe nicht stufenlos regeln wie mit einem Frequenzum‐ richter, aber durch eine mechanische, einmalige Maßnahme, kann der Betriebs‐ punkt angepasst werden. Eine spätere, weitere Änderung würde bedeuten, das Laufrad weiter abzudrehen oder ein neues Laufrad einzubauen. 89 4.1. Vermeidung von Auslegungs- und Planungsfehlern <?page no="91"?> Diagramm 20: Motor- Leistungsaufnahme bei verschiedenen Laufrad-Durchmessern Im obigen Diagramm ist die Leistungsaufnahme des Motors bei veränderten Laufrad-Durchmessern dargestellt. Mit zunehmendem Fördervolumen erhöht sich der Energieeinspar-Effekt durch den verkleinerten Laufrad-Durchmesser. Wie bereits im vorigen Kapitel beschrieben, ist auch solch eine Anpassung für die Pumpe schonender als eine Drosselregelung. 4.1.3.3. Anpassung durch veränderte Viskosität Soll eine Pumpe für Öl oder dem Öl ähnliche Medien eingesetzt werden, muss die veränderte Viskosität berücksichtigt werden. Zum Schutz vor Verschleiß oder sogar Zerstörung der Pumpe sind die anderen Betriebsbedingungen bei Öl zu beachten. Betriebspunkt und Anlagenkennlinie für Öl sehen anders aus als bei Wasser. Die höhere Viskosität von Öl gegenüber Wasser ergibt eine steilere Drossel‐ kurve und auch eine steilere Anlagenkennlinie. 90 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="92"?> Diagramm 21: Vergleich der Kennlinien für Wasser und Öl Der Betriebspunkt verlagert sich auf den Schnittpunkt der Drosselkurve für Öl mit der Anlagenkennlinie für Öl. Die Veränderungen gegenüber Wasser oder wasserähnlichen Medien können folgendermaßen zusammengefasst werden: • Viskosität: • höher • Nullförderhöhe: • bleibt gleich • Wirkungsgrad: • verschlechtert sich • Leistungsbedarf: • erhöht sich • Umrechnung: • ist pauschal nicht möglich Die Ursachen für den erhöhten Leistungsbedarf ergeben sich aus einer erhöhten Reibung in der Pumpe, den Rohrleitungen und Armaturen. Die Umrechnung erfolgt nach der Formel: 91 4.1. Vermeidung von Auslegungs- und Planungsfehlern <?page no="93"?> wobei: H = Förderhöhe [m] p = absoluter Druck [Pa] ρ = spezifische Dichte des Fördermediums [kg/ m³] g = örtliche Fallbeschleunigung [m/ s²] Diagramm 22: Vergleich der Förderhöhen und Wirkungsgrade für Wasser und Öl Wie aus obigem Diagramm ersichtlich, ist sowohl die Förderhöhe (Drossel‐ kurve) als auch der Wirkungsgrad der Pumpe bei Wasser höher als bei Öl. Der Unterschied kann nicht mittels eines Faktors herunterskaliert werden, sondern muss im Einzelfall berechnet werden (siehe obige Formel). In jedem Fall benötigt man bei denselben Förderbedingungen aber einem anderen Medium wie bei‐ spielsweise Öl, eine andere Pumpe, da das Öl eine andere Viskosität hat als Wasser. Bei Öl bedeutet das eine größere Pumpe. 4.2. Ursachen für Kavitation Die Ursachen für Kavitation sind örtliche Druckabsenkungen, verursacht durch Übergeschwindigkeiten oder Schwingungen, sie kann aber auch durch globale 92 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="94"?> Druckabsenkungen infolge von verringerter Atmosphäre oder vergrößerter Saughöhe bzw. verkleinerte Zulaufhöhe und Reibung entstehen. Anzeichen dafür sind wachsende Geräusche und Vibration der Pumpe und des Fundaments. Bei Teillast kann das Laufrad am Eintritt geschädigt werden, bei Überlast am Austritt. 4.2.1. Schäden infolge von Kavitation Wird in der strömenden Flüssigkeit der Siededruck erreicht oder unterschritten, entsteht Kavitation (lat. Cavus = Hohlraum). Auch als Hohlsog bezeichnet, be‐ wirkt die Kavitation durch örtliche Druckabsenkung im System eine Verdamp‐ fung des Fördermediums. Dies geschieht bei Übergeschwindigkeit. Es bilden sich Dampfblasen, die in der strömenden Flüssigkeit mitgerissen werden. In Bereichen höheren Drucks als des Verdampfungs-/ Siededrucks, kon‐ densieren sie wieder und fallen in sich zusammen. Die Dampfblasen fallen schlagartig, mit Schallgeschwindigkeit und mit hoher Geräuschentwicklung in sich zusammen, sie „implodieren“. Lokal entstehen hierbei Druckstöße bis über 1 000 bar. Bei dieser Implosion entsteht im Flüssigkeitsstrahl mit hoher Ge‐ schwindigkeit ein „Mikro-Jet“, der im Innern der Pumpe bzw. des Systems zu kraterförmigen Materialabtragungen führt. Bild 51: Laufrad mit „Kavitations-Kratern auf der Schaufeloberfläche Auch Wandrauigkeiten können Verdampfungskeime entstehen lassen, die Ka‐ vitation auslösen. Bei längerem Kavitationsbetrieb tritt Verschleiß auch an La‐ gern und Gleitringdichtung auf. 93 4.2. Ursachen für Kavitation <?page no="95"?> Bild 52: neuwertiges Bronze-Laufrad Bild 53: geschädigtes Laufrad Das geschädigte Laufrad in Bild 53 wurde durch Überlagerung von chemischem Einfluss, Abrasion und Kavitation zerstört. 4.2.2. Kavitationsarten Die in Pumpen hauptsächlich auftretenden Kavitationsarten sind Schichtkavi‐ tation und Wolkenkavitation. 4.2.2.1. Schichtkavitation Die Schichtkavitation ist gekennzeichnet durch ein großes zusammenhän‐ gendes Dampfgebiet. Durch eine erhöhte Anströmgeschwindigkeit tritt an der Vorderkante der Laufradschaufel eine Ablösung des Flüssigkeitsstroms auf. Dieses Phänomen führt nach kurzer Zeit zu einer vollständigen Ablösung der Flüssigkeitsströmung von der Profiloberfläche der Laufradschaufeln. Die Folge ist ein starker Wirkungs-gradabfall. 4.2.2.2. Wolkenkavitation Diese Art von Kavitation ist die bei Kreiselpumpen am häufigsten auftretende Art, die Kavitationserosion bewirkt. Sobald nach dem Auftreten der Schichtka‐ vitation eine weitere Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt, tritt ein Übergang von stationärer zu instationärer Schichtkavitation ein. 94 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="96"?> Im hinteren Bereich der Laufradschaufeln bricht das Dampfgebiet auf und führt zur Entstehung von Blasenwolken. Die Anhäufung von sehr kleinen Blasen im Größenbereich von 10-20 µm, wird Wolkenkavitation genannt. Die wieder implodierenden Dampfblasen führen dann zu dem schädigenden Mate‐ rialabtrag an Laufrad und Spiralgehäuse. Experiment Simulation Bild 54: Wolkenkavitation an einem Tragflügel [55] 4.2.3. Kavitation und NPSH-Wert Der NPSH-Wert der Pumpe umschreibt die Haltedruckhöhe der Pumpe, bezogen auf die Pumpenmitte. Übersetzt bedeutet NPSH = Net Positive Suction Head. Diese Nettosaughöhe klassifiziert das Saugverhalten der Pumpe. Der erforderliche NPSH-Wert einer Pumpe gibt an, um wieviel die gesamte Druckhöhe in der Bezugsebene für den NPSH-Wert mindestens über der Dampf‐ druckhöhe der Förderflüssigkeit liegen muss, um ein einwandfreies Arbeiten der Pumpe zu gewährleisten. Der vorhandene NPSH-Wert der Anlage muss in jedem Fall größer sein als der NPSH-Wert der Pumpe. Aus Sicherheitsgründen ergibt sich eine empfohlene Reserve von 0,5 m, was bedeutet, dass NPSH Anlage >= NPSH Pumpe + 0,5 m sein muss. NPSH Anlage = Haltedruckhöhe der Anlage NPSH Pumpe = Haltedruckhöhe der Pumpe Der NPSH-Wert hat die Einheit m. 95 4.2. Ursachen für Kavitation <?page no="97"?> Diese Haltedruckhöhe der Pumpe ist die im Laufradsaugstutzen vorhandene und auch erforderliche Mindestzulaufhöhe die notwendig ist, damit keine Kavitation auftritt. Die NPSH-Kennlinie einer Pumpe kann auf dem Pumpenprüfstand gemessen werden. Der Prüfstand arbeitet mit einem geschlossenen Kreislauf. Das Ab‐ senken des Systemdrucks erfolgt mit einer Vakuum-Pumpe. Die Berechnung erfolgt nach der Formel: wobei: p1 = Druck im Eintrittsquerschnitt der Anlage pamb = Luftdruck p v = Dampfdruck des Fördermediums v1 = Durchflussgeschwindigkeit im Eintrittsquerschnitt der Anlage z s = geodätische Höhe bezogen auf das Bezugsniveau ρ = Dichte des Fördermediums g = örtliche Fallbeschleunigung Diagramm 23: NPSH-Kennlinie, am Prüfstand gemessen 96 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="98"?> 4.2.4. Kavitationsvermeidung Niedrige Drücke sollten vermieden werden, insofern dass der Dampfdruck auch bei Druckschwankungen nie unterschritten werden kann. Eine vergrößerte Saughöhe oder eine verkleinerte Zulaufhöhe muss ebenfalls vermieden werden. Die Materialauswahl beeinflusst die Gefahr der Kavitationserosion, also den möglichen Materialabtrag erheblich. So ist Grauguss dabei viel empfindlicher als hochwertiger Edelstahlguss oder Al-Bronze. Oberflächenvergütungen, Be‐ schichtung-en oder Auftragsschweißungen wirken sich sehr positiv auf die Wi‐ derstandsfähigkeit gegen Kavitationserosion aus. Weitere Maßnahmen helfen, Kavitationsschäden zu verringern oder ganz zu vermeiden: • möglichst niedrige Drehzahl der Pumpe wählen • • den Förderstrom auf mehrere Pumpen verteilen • • Einbau eines Vorschaltlaufrades (s. a. Kap. 5.5.2., Inducer) • • Flüssigkeitstemperatur so gering wie möglich halten (Dampfdruck be‐ • achten) • Auswahl von Krümmern und Armaturen mit kleinen Widerstandsbei‐ • werten • Gezielte Materialauswahl, vor allem bei korrosivem Wasser • • Auswahl von kurzen Saugleitungen mit möglichst großem Querschnitt • 4.3. Trockenlaufschutz Bekannterweise führt Trockenlauf bei Gleitringdichtungen aufgrund man‐ gelnder Schmierung nahezu sofort zur Zerstörung. Neben Systemen zur Zu‐ standsüber-wachung existieren Systeme, bei denen eine Sperrflüssigkeit für Schmierung sorgt und somit den Trockenlauf verhindert. 4.3.1. Sperrkammersysteme Bei Systemen ohne Sperrdruck werden die Gleitringdichtungen drucklos mit Sperrflüssigkeit beaufschlagt. Die Gleitringdichtungen befinden sich in einem Sperrbehälter, der mit Sperrflüssigkeit gefüllt ist. Die Sperrflüssigkeit sorgt für Schmierung und Kühlung und verhindert somit den Trockenlauf. 97 4.3. Trockenlaufschutz <?page no="99"?> Bild 55: Trockenlaufschutzsystem mit Sperrkammer ohne Sperrdruck Bei Bedarf wird die Flüssigkeit in der Sperrkammer nachgefüllt. Bei Systemen mit Sperrdruck befindet sich die Gleitringdichtung in der Sperr‐ kammer, die druckbeaufschlagt ist. Bild 56: Trockenlaufschutzsystem mit Sperrkammer und mit Sperrdruck Die zirkulierende Sperrflüssigkeit steht unter Überdruck und verhindert das Eindringen von Schmutzpartikeln. Dieses System bietet somit einen Trocken‐ lauf- und einen Verschleißschutz. 98 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="100"?> 4.3.2. Pump control Dieses System bietet einen Trockenlaufschutz, indem die Stromwerte überwacht werden. Sobald bei Trockenlauf der Stromwert abfällt, schaltet die Pumpe ab. Das System hat noch einige weitere Funktionen, die in den folgenden Ab‐ schnitten näher beschrieben werden. Bild 57: Trockenlaufschutz-system Pump control überwacht die elektrische Stromauf‐ nahme 4.4. Condition Monitoring Systeme (CMS) Solche Systeme zur elektronischen Zustandsüberwachung ermöglichen es, dem Verschleiß vorzubeugen und helfen, die Lebenszykluskosten durch Stö‐ rungs-früherkennung zu reduzieren. Durch Verschleiß oder falsche Anwendung kommt es zum Ausfall oder zur Zerstörung der Pumpen. Nicht sachgerechter Einsatz, falscher Anschluss, oder falsche Materialauswahl sind häufige Ursachen für den Ausfall der Pumpen. Defekte Gleitringdichtungen oder Kugellager sind die häufigsten Reklamationsursachen. Schätzungsweise 30 % der Reklamationen treten in den ersten Wochen nach der Inbetriebnahme auf. Elektronische Über‐ wachungssysteme für Pumpen ermöglichen eine genaue Feststellung von Ver‐ schleiß und Schadensursachen. Es kann der Nachweis geliefert werden, warum und wann eine Pumpe kaputt geht. 99 4.4. Condition Monitoring Systeme (CMS) <?page no="101"?> Wann sind CMS-Systeme aber besonders sinnvoll? Bei Anwendungen für kritische Flüssigkeiten und Betriebszustände: z. B. Flüssigkeiten mit hohem Feststoff-Anteil, Kochsalzlösungen, Chemikalien, kritische Verfahrensprozesse, oder Pumpentrockenlauf über einen längeren Zeitraum. Sie bieten Schutz vor plötzlichen Ausfällen, erhöhen die Betriebssicherheit, ermöglichen die Einspa‐ rung einer Reservepumpe und tragen zur Kosteneinsparung bei. Grafik 1: Zustandsüberwachung von Pumpen und Anlagen Durch das elektronische Überwachungssystem kann weitgehend gewährleistet werden, dass die Pumpen im vorgesehenen Betriebszustand betrieben und Stö‐ rungen rechtzeitig erkannt und behoben werden. Vor allem bei komplexeren Pumpen-Anlagen und Spezialpumpen ist eine Überwachung sinnvoll: - Überwachungsnachweis, warum und wann eine Pumpe kaputt geht. - - Messung von Strom, Spannung, Anschlussart, Temperatur, Druck, - - Volumenstrom, Betriebsstunden und Gasgehalt. - 100 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="102"?> - Messung des Luftanteils (z. B. Abschaltung bei Luftansaugung der - Pumpen). - Anzeige einer Störmeldung, Warn-Meldung bei Verschleiß, Leucht- oder - Akustik- Signal. - Beispiele für Schadensanzeige: Lagerschaden, Kavitation, Leckage, För‐ - derdruck zu hoch / zu gering, Druckseite geschlossen, Saugseite ge‐ schlossen. - Überwachung mehrerer Pumpen (5, 10, 20, o. ä.) über PC, evtl. als Dienst‐ - leistung. Die Anwendung der Systeme zur Zustandsüberwachung (condition monitoring system / CMS) beinhaltet aber mehr als nur ein Überwachungssystem. Dieses Konzept beginnt bereits bei der Schadensvermeidung. In der nächsten Stufe steht die Erkennung des Fehlers im Mittelpunkt. Schlussendlich wird durch Fehler-management der Fehler bzw. Schaden bewertet um Folgeschäden zu ver‐ meiden. Auch Fern-Diagnosen mittels Modem sind möglich. 4.4.1. Fehlervermeidung Eine gute Planung der Pumpenanlage hilft schon vorbeugend, Schäden zu ver‐ meiden. Das bedeutet, dass jede Komponente des Systems wie auch die Pumpe selbst exakt ausgelegt sein muss. Wurde eine genaue Gesamtbetrachtung des Systems durchgeführt, ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass ein unvorherge‐ sehener Fehler auftritt. Vorhersehbare Fehler, wie beispielsweise durch Abnutzungserscheinungen hervor-gerufene Reparaturen sind bei dieser Betrachtungsweise eingeplant. Durch die Installation von Überlast-Schutzeinrichtungen lässt sich der Schaden unmittelbar vor Eintritt vermeiden. 4.4.2. Fehlererkennung Auch bei guter Planung können Störungen nicht vollständig ausgeschlossen werden. Um angemessen „regeln“ zu können, wird das System mit Hilfe von Sensoren überwacht. Veränderungen von Druck, Temperatur, Schwingungen, Volumenstrom und Drehmoment geben bei Messungen Aufschluss über einen sich anbahnenden Schaden. 101 4.4. Condition Monitoring Systeme (CMS) <?page no="103"?> 4.4.3. Fehlermanagement Um wiederkehrende Störungen sofort zu erkennen und Folgeschäden zu ver‐ meiden, dient das Fehlermanagement. Dazu zählt, dass Fehler nach der Erkennung bewertet und entsprechend einer festzulegenden Klassifizierungsvorschrift in einer Matrix dokumentiert werden. Die genaue Analyse der Ursachen hilft, den Fehler gezielt zu beheben und durch Einleitung von vorausschauenden Maßnahmen Folgeschäden zu ver‐ meiden. 4.4.4. Pump control 8 Bei diesem System handelt es sich um eine Weiterentwicklung des unter Kapitel 4.3.2. beschriebenen Systems „pump control“. Die Elektronik zur Datenerfas‐ sung der Betriebsparameter befindet sich im Klemmenkasten (Schutzart IP 55). Über ein RS 485-Schnittstellenkabel werden die Daten an eine zentrale Inter‐ face-Einheit übertragen. Pro Einheit werden 8 Pumpen erfasst. Das System ist erweiterbar, beispielsweise auf 20 Pumpen. Über einen Service-Adapter (RS 232) werden die Daten an den zentralen Leitstand bzw. Service-PC übertragen. Grafik 2: Monitoring-System pump control 8 überwacht 8 Pumpen 102 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="104"?> Dabei werden folgende Betriebsparameter erfasst: • Betriebsstunden •• Anzahl der Trockenläufe •• Anzahl der Motorüberlastungen •• Anzahl der Netzeinschaltungen •• Druck •• Volumenstrom •• Strom/ Spannung •• Drehrichtung •• Phasenausfall • Bild 58: Überwachungssystem pump control wird anstelle des Klemmenkastens auf die Pumpe montiert. Die Überwachungs-Parameter sind Strom und Temperatur. Dabei werden Menügeführt die Sollwerte und die zulässigen Grenzwerte pro zu überwachende Pumpe einprogrammiert. In Tabellenform werden auf dem Bildschirm die aktuellen Zustandsdaten angezeigt, ebenso die Diagnose und Fehleranzeige. Über den entsprechenden Button kann die jeweilige Pumpe über das PC-Programm ein- und ausgeschaltet werden. Über dieselbe Schnittstellen‐ verbindung (bi-direktional) lassen sich auch die Soll- und Grenzwerte einstellen, die eine Störungsmeldung bzw. ein Abschalten der Pumpe bewirken. Befinden sich die Pumpen in einem ordnungsgemäßen Zustand, wird dies angezeigt. Ebenso wird eine Störung visuell auf dem Bildschirm angezeigt. 103 4.4. Condition Monitoring Systeme (CMS) <?page no="105"?> Bild 59: Benutzeroberfläche mit Zustandsdiagnose Die Überwachung kann am PC in der Produktionshalle erfolgen, ist aber auch als Fernwartung realisierbar. Grafik 3: Schaltplan pump control 8 mit Fernwartung 104 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="106"?> 4.4.5. Pump monitoring Hierbei handelt es sich um ein Diagnose-System, das mit Hilfe der Schwin‐ gungs-analyse die Ermittlung einer Störung oder eines Schadens ermöglicht. Jeder Pumpentyp hat ein für sich typisches Schwingungsverhalten. Diese Schwingungen ändern sich bei unterschiedlichen Betriebszuständen (Kavita‐ tion, Trockenlauf, geschlossener Schieber, etc.) aber auch bei Defekten an der Pumpe wie beispielsweise Gleitringdichtung. So kann unter zu Hilfenahme der Drehzahl ein eindeutiger „Schwin‐ gungs-Fingerabdruck" für jede Pumpe erstellt werden. Dadurch wird eine zu‐ verlässige Aussage über den Allgemeinzustand der Pumpe möglich. Die Überwachungs-Parameter sind hier Schwingung und Temperatur. Zur Schwingungsmessung wird ein Körperschallsensor, zur Drehzahlmessung ein Drehzahlsensor (Lasersensor) eingesetzt. Die Messgröße bei der Schwin‐ gungs-messung ist die Beschleunigung und wird in g gemessen (9,81 m/ s²). Dieses System ist ein selbstlernendes System. Bei der Erstinbetriebnahme werden die Istwerte der zu überwachenden Pumpen ermittelt und abgespei‐ chert. Für jede Pumpe wird eine Charakteristik erstellt, Störungen werden si‐ muliert bzw. eingestellt. Es wird ein Sollbereich der Parameter (grüner Bereich) und ein Störungsbereich (roter Bereich) definiert, so dass später beim Auftreten der Störung das System sofort den Zustand, d. h. die Art und Dimension erkennt. Durch ein Signal Normalzustand (grün) oder Störung (rot) kann ein Ser‐ vice-Mitarbeiter sofort erkennen, welche Pumpe sich in welchem Zustand be‐ findet. Das Programm gliedert sich in die folgenden Bereiche: • Pumpen-Verwaltung • • Setup Messkanäle • • Setup Grafik • • Messungen Starten • • Messungen Speichern • • Messungen Laden • Die Benutzeroberfläche auf dem Leitstand-PC mit online-Diagrammen ge‐ staltet sich folgendermaßen: 105 4.4. Condition Monitoring Systeme (CMS) <?page no="107"?> Bei Kavitation sind Drehzahl und Schwingung stark erhöht. Bild 60: Benutzeroberfläche mit Online-Diagramm Neben Drehzahl und Schwingungswert wird als Klartextmeldung „Kavitation“ als Störungsart angezeigt. Im Folgenden sind die verschiedenen Messungen sowie die Auswertungen in Diagrammform dargestellt. 106 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="108"?> Diagramm 24: Schwingungsvergleich bei unterschiedlichen Betriebszuständen Im obigen Diagramm sind die Körperschallschwingungen als Maximalwert und als Durchschnittswert dargestellt. Die Körperschallschwingungen werden in g gemessen, der höchste Wert liegt hier bei 49 g, im Betriebszustand Trockenlauf. Die Maximalwerte müssen nicht häufig vorkommen, es kann sein, dass der Peak nur einmal in der gesamten Messung aufgetreten ist. Die Magnitude ist der Mittelwert der Fourier-Analyse, einer mathematischen Methode, Schwingungen zu analysieren. Mit ihrer Hilfe wird die Amplitude jeder Frequenz angezeigt. 4.4.6. Contracting Pumpenanlagen nach dem Contracting-Modell zu betreiben beinhaltet, dass der Vertragspartner, der „Contractor“, die Anlage bzw. die Pumpen betreibt und für einen störungsfreien Betrieb sorgt. Das Modell basiert auf der Idee des schottischen Erfinders James Watt (1736-1819), der damals schon als Dienstleistung den Betrieb einer Dampfma‐ schine anbot. Installation der Maschine und Kundendienst für 5 Jahre. 107 4.4. Condition Monitoring Systeme (CMS) <?page no="109"?> Contracting beim Betrieb von Pumpen oder Pumpensystemen bedeutet die Bereitstellung der Pumpen durch die Dienstleistungsfirma einschließlich regel‐ mäßiger Wartung, Reparatur und Austausch der Pumpen. Somit werden die Pumpen nicht gekauft, sondern ähnlich dem Leasing-Ver‐ fahren gegen eine jährliche Contracting-Gebühr bereitgestellt. Der Anlagenbe‐ treiber spart sich die Kosten für die Investition, Wartung und Reparatur sowie evtl. Energiekosten. Die vertraglich über mehrere Jahre vereinbarte Contrac‐ ting-Gebühr deckt diese Kosten ab. Der Vorteil für den Betreiber der Pumpen ergibt sich daraus, dass er letztendlich „störungsfreien, optimierten Betrieb der Pumpen einkauft“ und sich um nichts Weiteres kümmern muss. Alles Weitere übernimmt der Vertragspartner, der eben auf diesen störungsfreien Betrieb spe‐ zialisiert ist. Hier kommen dann die Systeme zur Zustandsüberwachung (Condition Mo‐ nitoring) zum Einsatz. Denn auch der Contractor hat großes Interesse daran, dass die Pumpen einerseits störungsfrei laufen, aber auch wenig Reparaturen anfallen und der Energieverbrauch optimiert ist. Der Anlagenbetreiber spart sich Fachpersonal ein, das eben der Contractor bereitstellt. Hierbei bietet sich die Möglichkeit der Fernwartung an. Der Service-Mitar‐ beiter des Contractors überwacht extern per Modem die Anlagen des Kunden von seinem Büro aus. Über Service-Vertrag geregelt, kann dann bei Bedarf die Reparatur sehr genau geplant werden, bevor der Service-Mitarbeiter zum Kunden fährt. Vorteile für den Betreiber der Anlage im Einzelnen: - alles aus einer Hand - - Bereitstellung von betriebsbereiten Pumpen - - zuverlässiger Pumpenbetrieb, Erhöhung der Betriebssicherheit - - Früherkennung kritischer Betriebszustände - - Verschleiß- und Lebensdauerprognose - - Reparatur, bzw. Austausch der Pumpen vor dem Schadensfall - - dadurch weniger Produktionsausfall oder unvorhersehbare Kosten - - schnelle Störungsbehebung - - Fernüberwachung - - „Investition ohne Geld“ (Eigentümer muss nicht selbst investieren) - Durch die spezialisierte Arbeitsweise des Contractors bietet sich für den Pumpen-betreiber die Möglichkeit, sich auf sein Kerngeschäft, den Betrieb oder die Produktion mit den Pumpenanlagen zu konzentrieren und sich zu entlasten 108 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="110"?> von Erstellung und Überwachung der Wartungspläne, langwierigen Schadens‐ analysen und Reparaturen. Produktionsausfall sollte dann zur Seltenheit werden. 4.5. Strömungsoptimierung Nach dem Energie-Erhaltungssatz von Bernoulli geht auch in der Strömung keine Energie verloren. Die Summe aller Energien ist in jedem Punkt im System konstant. Jedoch kann Reibungsenergie im Rohrsystem und in der Pumpe sys‐ tembedingt einen bemerkenswerten Anteil ausmachen, was letztendlich zu er‐ heblichen Strömungsverlusten führen kann. Die Einflussparameter, die die Höhe des Druckverlustes direkt beeinflussen sind: • Querschnitt des Rohres • • Länge der Rohrleitung • • Innen-Rauigkeit des Rohres • • Viskosität und Dichte des Fördermediums • • Strömungsart (laminar und turbulent) • Die laminare Strömung, auch als Schichtströmung bekannt, bringt vergleichs‐ weise wenig Druckverlust und tritt vor allem auch in geraden Rohrleitungen auf. Bei sehr rauen Innenwänden der Rohre und erhöhter Strömungsgeschwin‐ digkeit wird aus der laminaren, die mehr verlustbehaftete turbulente Strö‐ mung. Sie tritt vor allem in Einbauten, wie Absperrschiebern, Ventilen, Rohr‐ verengungen oder -erweiterungen auf. Bereiche im System, die turbulente Strömung erzeugen, sollten demnach möglichst vermieden werden. Die Verluste in der Pumpe lassen sich zusammenfassen bzw. treten an fol‐ genden Stellen auf: • Ansaugstutzen • • Eintrittskante des Laufrads • • Schaufelrückseiten • • Laufradrückseiten • • Druckstutzen • Das Laufrad sollte dementsprechend optimiert sein. Der Saugstutzen sollte immer größer sein als der Druckstutzen. 109 4.5. Strömungsoptimierung <?page no="111"?> 4.5.1. Verluste an Pumpenbauteilen Rauigkeit an Oberflächen von Laufrad und Spiralgehäuse sollten ebenfalls ver‐ mieden werden, da sie nach der Grenzschicht-Theorie Wirbel erzeugt und somit durch eine turbulente Komponente der Strömung Verluste bewirkt. Weitere Optimierungsmöglichkeiten sind: - Einsatz von reibungsarmen Kugellagern - - Reduzierung der Spaltverluste zwischen Laufrad und Spiralgehäuse - - Zusätzliche Glättung der Oberfläche von Laufrad und Spiralgehäuse - 4.5.2. Verluste in Rohren, Elementen und Armaturen Liegt eine laminare Rohrströmung vor, hält sich der Strömungsverlust im ge‐ raden Rohr in Grenzen. Um aber die Strömungsverluste im Rohrleitungssystem zu minimieren, sollte ein ausreichend großer Rohrdurchmesser gewählt werden. Aber die Abhängig‐ keit der Strömungsverluste von der Art und Beschaffenheit von Rohren, Ele‐ menten und Armaturen muss besonders berücksichtigt werden. Insbesondere haben • Kniestück • • 90 °- Bogen • • sprungartige Rohrverengung • • kantiger Einlauf • • Schieber • • Drossel-/ Absperrventil • einen großen Einfluss auf die Strömungsverluste. Im Folgenden sind einige Kennwerte exemplarisch aufgeführt: Bild 61: PVC-Rohr 110 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="112"?> Rohr, 30 m, PVC hart, DIN 19532 Druckverlust Strömungsgeschwindigkeit DN 80 0,263 bar 2,562 m/ s DN 100 0,095 bar 1,718 m/ s DN 150 0,014 bar 0,812 m/ s Tabelle 14: Druckverlust in Abhängigkeit von Strömungsgeschwindigkeit und Rohr‐ durchmesser Geradsitzventil Druckverlust: 0,016 bar Schieber Druckverlust: 0,030 bar Sprungartige Rohrverengung von 80 mm auf 50 mm Druckverlust: 0,278 bar Druckverlust: 0,206 bar Bild 62: Druckverlust bei DN 80 und einer Strömungsgeschwindigkeit von 2,562 m/ s 111 4.5. Strömungsoptimierung <?page no="113"?> Bild 63: Strömungssimulation des Systems [40] Zusammenfassend lässt sich sagen, dass jegliche Querschnitts- oder Rich‐ tungs-veränderung der Flüssigkeitsströmung Verluste verursacht. Eine gezielte Auswahl der Komponenten hilft Verluste zu reduzieren und somit Energie und Kosten einzusparen. 4.5.3. Optimierung durch Strömungssimulation Sowohl die Strömung des Fördermediums als auch die Schäden, die im Innern der Pumpe durch abrasive Medien entstehen, können durch Strömungssimula‐ tion vorausberechnet werden. Um die Strömung des zu fördernden Mediums in Pumpe und System genauer analysieren zu können, kann durch entsprechende CFD-Software (CFD= Com‐ putational Fluid Dynamics) der Strömungsverlauf berechnet werden. Dazu müssen die genauen geometrischen Daten zur Pumpengeometrie und zum System, sowie die Strömungsdaten wie Volumenstrom, Druck etc. verfügbar sein. Zur Berechnung werden die Geometriedaten des Pumpensystems mit der Software aufbereitet. Anschließend erfolgt eine Vernetzung (Gitternetz) als Vor‐ bereitung für die Berechnung der Strömung. 112 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="114"?> Bild 64: Druckverlust in Einbauten [40] Die CAD-Daten werden direkt genutzt, um Material und Strömungshohlräume zu erfassen. Mit Hilfe eines mathematischen und physikalischen Models werden für laminare, turbulente und Übergangsströmungen die entsprechenden Mo‐ dellierungen erstellt. Daraus lassen sich dann Betriebszustände simulieren. Bild 65: Stromfaden, Geschwindigkeitsverlauf 113 4.5. Strömungsoptimierung <?page no="115"?> Bild 66: absolute Geschwindigkeit auf der Laufradoberfläche Bild 67: Druckverlauf innerhalb des Laufrades Zur Abschätzung der Strömungsverhältnisse in Pumpe und System ist eine Strömungssimulation ratsam. Durch die Simulation unterschiedlicher Be‐ triebs-zustände lässt sich die effizienteste Betriebsweise ermitteln. Auch die voraus-schauende Vorhersage von Schäden lässt sich durch Strömungssimula‐ tion sehr gut abbilden. 4.5.4. Strömungs- und Verschleißsimulation Zur Erfassung der erosiven Belastung der Bauteiloberflächen können numeri‐ sche Strömungssimulationen (CFD-Simulationen) durchgeführt werden. Dabei kann auch der Transport von Partikeln im Medium modelliert werden. Durch 114 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="116"?> instationäre Simulation der Strömungszustände, werden die Orte des Material‐ abtrags am Laufrad bewertet. Durch Integration der Partikel-Wand-Interaktion während der Laufzeit der CFD-Berechnung können qualitative Abtragraten an jedem Punkt der Bauteiloberfläche berechnet werden. Dadurch ist es möglich, bereits während der Auslegung der Pumpe besonders Verschleiß beaufschlagte Stellen zu erkennen und sowohl werkstofftechnisch als auch konstruktiv zu berücksichtigen. Um zur Verschleißsimulation die plastischen Verformungsvorgänge, die wäh‐ rend der Belastung im Werkstoff auf mikrostruktureller Ebene vorherrschen zu untersuchen, werden Finite-Elemente-Netze erstellt. Diese Netze werden an‐ schließend mit realitätsnahen Randbedingungen versehen, die es erlauben die lokale Verformung beim Aufbringen äußerer Lasten zu berechnen. Hieraus können Rückschlüsse auf die Potentiale zur Werkstoffoptimierung abgeleitet werden. Verschleißsimuation Bild 68: Anzahl der Partikel-Einschläge auf dem Laufrad bei der Förderung von Partikel-beladener Strömung. 115 4.5. Strömungsoptimierung <?page no="117"?> Simulation Versuch Bild 69 und 70: Verschleiß-Simulation - Verteilung der Auftreffgeschwindigkeit der Par‐ tikel In der obigen Darstellung lässt sich gut erkennen, dass die Partikel von den Laufradschaufeln erfasst werden und anschließend entlang der Schaufelober‐ seite gleiten. Durch Auswertung der Auftreffwinkel, der Auftreffgeschwindig‐ keit und der herrschenden Strömungsbedingungen können den im Prüfstand entstehenden Schadensbildern die entsprechenden Schädigungsmechanismen zugeordnet werden. Bei der Strömungs- und Verschleißsimulation ergeben sich folgende Erkennt‐ nisse: • Die Geschwindigkeitsvektoren zeigen die höchste Geschwindigkeitsdif‐ • ferenz zwischen Laufrad und Medium an den Eintrittskanten des Lauf‐ rads. • An der Schaufelrückseite bilden sich Wirbel, die einen relativ großen Be‐ • reich des Schaufelkanals beeinflussen. • Im Bereich dieser Wirbel treten sehr starke Verschleißerscheinungen auf. • Die Untersuchungen ergaben, dass der Verschleiß in Form von Erosion haupt‐ sächlich von den Einflussparametern Partikelgeschwindigkeit, dem Auf‐ prall-winkel und der Duktilität des Werkstoffs abhängig ist. 116 4. Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß <?page no="118"?> Bei einem flachen Aufprallwinkel der Partikel kommt es zur plastischen De‐ formation. Bei senkrechtem Auftreffen der Partikel kommt es an der Auftreff‐ stelle zur „Kraterbildung“. Mit Näherungsformeln für die Winkelabhängigkeit des Erosionsabtrags wurde für das unbeschichtete Material ein Maximum des Abtrags bei 12-13° Aufprallwinkel errechnet. Bei den harten Oberflächen tritt der maximale Abtrag bei einem steilen Aufprallwinkel von 80-90° auf. Die Schadensbilder der ein‐ zelnen Bauteile sind nahezu deckungsgleich mit den Ergebnissen der Strö‐ mungssimulation. [24] Zusammenfassung der Verschleißsimulation Durch die Verschleißversuche und Untersuchungen konnte ermittelt werden, dass die Oberflächenhärte allein nicht als Merkmal für die Verschleißvermei‐ dung ausreichend ist. Die numerischen Untersuchungen zeigen Potentiale für die Verbesserung der Eigenschaften der Bauteiloberflächen der Pumpenkom‐ ponenten. Die Simulationen bilden die Kennliniendaten unter Berücksichtigung mo‐ dellmäßiger Vereinfachungen gut ab. Die Strömungsverläufe in der Pumpe und im Rohrleitungs-system können dargestellt werden. Strömungswirbel auf dem Pumpenlaufrad verursachen bei abrasiven Medien Verschleiß. Die Geschwin‐ digkeitsvektoren zeigen die höchste Differenz zwischen Laufrad und Medium an den Eintrittskanten des Laufrades. Je höher die Durchflussgeschwindigkeit, desto höher der Verschleiß bzw. der Materialabtrag. Die Versuche zeigen deutlich, dass die Schadensbilder der einzelnen Bauteile mit den Ergebnissen der Strömungssimulation sehr gut übereinstimmen. Die Stellen mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit zeigen die stärksten Ver‐ schleißerscheinungen. Die Verschleißsimulation ist somit eine gute Möglichkeit, zu erwartende Schäden durch abrasiven Verschleiß vorauszuberechnen. 117 4.5. Strömungsoptimierung <?page no="120"?> 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß Unabhängig davon, welche Pumpenbauteile dann letztendlich geschädigt werden, hat die Betriebsweise einen großen Einfluss auf die Schadensfreiheit und Langlebigkeit einer Anlage. Da ein direkter Zusammenhang zwischen Drehzahl, Verschleiß und Geräuschentwicklung besteht, gilt es zur Optimierung des Prozesses die Drehzahl bzw. die Durchflussgeschwindigkeit im Pumpsystem anwendungs-bezogen zu reduzieren. Je geringer die Geschwindigkeit, desto ge‐ ringer der Verschleiß und die Geräuschentwicklung. Nach Möglichkeit sollten deshalb Pumpen mit geringerer Drehzahl, z. B. 4-polige mit Drehzahlen von 1.450 1/ Min bzw. Frequenzumrichter zur Drehzahlanpassung eingesetzt werden. Verschleiß-reduzierende Schutzmaßnahmen und Oberflächenvergütungen können an den folgenden Bauteilen durchgeführt werden: - Laufrad - - Spiralgehäuse - - Druckdeckel - - Lager - - Rohrleitungen - - Gleitringdichtungen (Sperrkammer, etc.) - - weitere Bauteile - Falls notwendig, sind auch konstruktive Maßnahmen wie beispielsweise ver‐ schleißmindernde Einsätze sinnvoll. 5.1. Korrosionsschutz Es eignen sich verschiedene Beschichtungssysteme als Korrosionsschutz‐ schichten. Organische, anorganische oder nichtmetallische Diffusionsüberzüge. Bevor aber die jeweilige Schicht aufgebracht werden kann, bedarf es einer Vor‐ behandlung. Die Bandbreite reicht von mechanischer Reinigung bis hin zu ther‐ mischen Reinigungs-verfahren. <?page no="121"?> 5.1.1. Verfahren der Oberflächenvorbereitung Bürsten Die einfachste Möglichkeit der mechanischen Oberflächenvorbereitung ist das Bürsten. Sich leicht lösende Teilchen auf der Oberfläche werden hierbei entfernt. Es kommen entweder Naturborsten, oder Borsten aus Kunststoff oder aus Metall zum Einsatz. Strahlen Ein Strahlmittel (Sand oder Glasperlen) wird mit hohem Druck pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch (Schleuderräder) auf der Metalloberfläche zum Aufprall gebracht. Dadurch lösen sich auch Partikel, die sich durch das Bürsten nicht entfernen lassen. Schleifen Mit Hilfe körniger Schleifmittel oder durch Stahlwolle wird die Metalloberfläche bearbeitet. Schaben Die Oberfläche wird mit einer gehärteten Stahlschneide durch Schaben vorbe‐ reitet. Reinigen mit Drahtnadel Mit Hilfe einer Drahtnadel-Druckluftpistole können Verunreinigungen insbe‐ sondere aus Ecken und Winkeln entfernt werden. Flammstrahlen Mit einem Flammstrahlbrenner werden etwas fester sitzende Stoffe wie Rost oder Zunder durch kurzzeitiges Strahlen entfernt. Blankglühen Dünne Oxidschichten werden bei hohen Temperaturen durch reduzierende Gase entfernt. 120 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß <?page no="122"?> 5.1.2. Klassifizierung der Korrosionsschutzschichten Organische Schichten Beschichtungsstoffe aus Pigmenten, Kunststoffen, oder bituminöse Stoffe werden auf die Metalloberfläche aufgebracht. Anorganische Schichten Es werden anstrichartige Beschichtungsstoffe (z. B. Zink-Ethylsilikat), Füllstoffe und Bindemittel auf Basis von Ethyl- oder Alkalisilikat auf die Oberfläche auf‐ getragen. Keramik-Beschichtungen Durch thermisches Spritzen wird die aus anorganischen Kristallen bestehende Keramik-Schicht auf der Metalloberfläche erzeugt. Kondensationsverfahren Hierbei unterscheidet man zwischen physikalischen und chemischen Verfahren. Beim physikalischen PVD-Verfahren (physical vapour deposition) wird mittels eines nichtmetallischen Beschichtungsstoffes, der durch Kondensation im Va‐ kuum verdampft, die Schicht auf der zu schützenden Metalloberfläche herge‐ stellt. Beim chemischen CVD-Verfahren (chemical vapour deposition) wird durch eine oberflächenkatalytische Reaktion mit gasförmigen Verbindungen des Be‐ schichtungs-stoffes die Schicht auf der Metalloberfläche erzeugt. Oxid-Überzüge Thermisch erzeugt, entstehen durch Oxidation von Stahl in heißer Luft oder in Salz-schmelzen dünne, blaue Oxidüberzüge. In alkalischen Salzlösungen sind die Schichten dunkelbraun bis schwarz. Nichtmetallische Diffusionsüberzüge Nitrierschutzschichten entstehen indem das Metall in stickstoffabgebenden Chemikalien geglüht wird. Borierschichten werden mit Bor abgebenden Stoffen hergestellt (pulver-, granulat- oder pastenförmig). (Quelle: DIN 50902: 1994-07) 121 5.1. Korrosionsschutz <?page no="123"?> 5.1.3. Materialauswahl Je nach Anwendungsfall und dem zu erwartenden Verschleiß kann bereits vor‐ beugend ein Schaden minimiert oder ausgeschlossen werden. Ist mit Korrosion zu rechnen, sollte auf Grauguss als Material verzichtet werden. Im Rahmen be‐ stimmter Einsatzgrenzen kann Edelstahl (1.4571, 1.4539) verwendet werden. Ab einem Wert von 4 500 mg/ l CL-Ionen sollte Edelstahl 1.4571, ab 18 000 mg/ l CL-Ionen Edelstahl 1.4539/ 1.4462 (Guss) oder Bronze (2.1050), und ab einem Wert von 30 000 mg/ l CL-Ionen sollte AL-Bronze (2.0980/ 2.0966) eingesetzt werden Sofern die Festigkeitsanforderungen es zulassen, ist die sicherste Variante, Pumpen oder Pumpenteile aus Kunststoff zu verwenden. 5.1.4. Kunststoffbeschichtungen Kunststoffbeschichtungen können bedingt gegen Verschleiß eingesetzt werden. Als Korrosionsschutz oder auch bei gering abrasiven Fördermedien eignen sich Kunststoffbeschichtungen. Die Auswahl eines Beschichtungssystems bedeutet nicht nur die Auswahl der Schicht an sich, sondern die Auswahl einer passenden Kombination aus Grund‐ werkstoff, Beschichtung, Schichtdicken und Werkstoffübergängen. Bei den Beschichtungen werden prinzipiell zwei Gruppen von Schichtsys‐ temen unterschieden: • Reaktionsschichten - entstehen durch Beeinflussung der Randschicht z. • B. durch Wärme, Diffusion oder Implantation von Legierungselementen • Auflageschichten - entstehen durch Aufbringen bzw. Abscheiden von • Elementen Kunststoff-Beschichtungen zählen zu den Auflageschichten. Bei wenig abra‐ siven Medien eignen sich Kunststoff-Beschichtungen sehr gut zur Glättung der Oberfläche und somit zur Reduzierung von Strömungsverlusten. Versuche haben ergeben, dass der Wirkungsgrad der Pumpe um bis zu 9 % erhöht werden konnte. 122 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß <?page no="124"?> Bild 71 und 72: Laufrad und Spiralgehäuse mit Kunststoff-Beschichtung In untenstehender Tabelle sind beispielhaft die Kenndaten von 2 Materialien, die sich als Kunststoff-Beschichtung eignen aufgeführt. Material PFA (Perfluoralkoxylalkan) ETFE (Ethylen-Tetra‐ fluorethylen) Wasseraufnahme (bis zur Sättigung) Gering: < 0,03% Gering: 0,03% Einsatztemperatur - 200 bis + 260 °C - 100 bis + 150 °C Sonstige Eigenschaften anti-adhäsives Verhalten anti-adhäsives Verhalten Schichtdicke 0,4 - 0,6 mm 0,4 - 0,6 mm Tabelle 15: Werkstoff-Kennwerte ausgewählter Kunststoffe Verschlissene Pumpenteile, die durch Korrosion, Erosion oder Kavitation be‐ schädigt wurden, lassen sich durch Kunststoffbeschichtungen wieder repa‐ rieren. Die geschädigten Teile werden vor der Beschichtung einer eingehenden Vorbehandlung unterzogen. Je nach Schädigungsgrad, wird den Teilen durch Auftragsschweißen wieder die nötige Festigkeit zurückgegeben, die Oberfläche wird nachfolgend sandge‐ 123 5.1. Korrosionsschutz <?page no="125"?> strahlt. Nach einer Grundierbeschichtung auf metallischer Basis, erfolgt die Endbeschichtung mit einer Keramik-verstärkten Epoxidschicht. Bild 73: Laufrad nach Auftragsschweißen und Sandstrahlen [U&Z] Bild 74: Laufrad nach Reparatur-Grundie‐ rung [U&Z] Bild 75: Laufrad mit 2 K-Keramik-Epoxid-Beschichtung [U&Z] Die Pumpenteile sind nach der Reparatur nahezu neuwertig und sind für einen weiteren Betriebszyklus einsatzfähig. Bei stark abrasiven Medien eignen sich Kunststoff-Beschichtungen nicht, hier können sogenannte „Hartschichten“ eingesetzt werden. 5.1.5. Korrosionsschutz bei Edelstahl Die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl ist bestimmt durch die Stahlart und das Medium, das mit der Oberfläche in Kontakt tritt. Eine korrosive Atmosphäre 124 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß <?page no="126"?> wie beispielsweise Salzwasser oder Chemikalien können den Edelstahl zer‐ stören. Die Gestaltung der Oberfläche spielt dabei eine große Rolle. Unbehan‐ delt, geschliffen oder poliert, mit steigender Tendenz wird die Korrosionsbe‐ ständigkeit verbessert. Grundsätzlich schützt die sich auf natürlichem Wege bildende Passivschicht den Stahl vor Korrosion. Das Chrom im Stahl reagiert mit dem Sauerstoff der Umgebung und bildet Chromoxid als Passivschicht. Neben Chromoxiden ent‐ halten Passivschichten auch Eisenoxide. Je höher der Chromanteil, desto höher die Korrosionsbeständigkeit. Diagramm 25: Chrom-/ Eisen-Verhältnis verschiedener Oberflächen und Behandlungs‐ arten des Edelstahls 1.4401 [30] Durch einen chemischen Prozess kann die Passivschicht gegen Korrosion ge‐ stärkt werden. Dabei wird die Oberfläche mit Chrom angereichert und unter Wärmezufuhr (140°C - 220 °C) nachbehandelt. 125 5.1. Korrosionsschutz <?page no="127"?> Diagramm 26: Lochfraß-Beständigkeit in Abhängigkeit der Oberflächen-beschaffenheit [30] Je hochwertiger die Oberfläche, desto beständiger ist die Passivschicht gegen Zerstörung. Im obigen Diagramm ist die Lochfraß-Beständigkeit des Edelstahls 1.4301 bei verschiedenen Oberflächen dargestellt. Die elektropolierte Ober‐ fläche mit nachträglicher Behandlung zeigt die beste Beständigkeit. Ausschlag‐ gebend für die Korrosionsbeständigkeit ist somit die Passivschicht auf der Edel‐ stahloberfläche. 5.1.6. andere Optionen Als weitere Option der Korrosion standzuhalten bietet sich an, die Pumpenteile aus Vollkunststoff zu fertigen, oder falls aus Festigkeitsgründen notwendig, zu‐ sätzlich einen Edelstahl-Mantel um das Pumpengehäuse zu legen. 126 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß <?page no="128"?> Bild 76: Kunststoff-Pumpe mit Edel‐ stahl-Mantel Bild 77: Kunststoff-Pumpe mit Me‐ tall-Rahmen 5.1.7. Korrosionsschutz an Gleitringdichtungen Gleitringdichtungen eignen sich sehr unterschiedlich für korrosive Medien. Diagramm 27: Vergleich der Korrosionsfestigkeit SiC, WC, Sic-Si Aus dem Vergleich der Werkstoff-Kenndaten ergibt sich, dass sich Silizium‐ karbid (SIC) bei Anwendungen mit Korrosionsgefahr am besten eignet. 127 5.1. Korrosionsschutz <?page no="129"?> 5.2. Abrasionsschutz Um über die richtige Schutzmaßnahme entscheiden zu können, müssen ausrei‐ chend Informationen über Art und Ausmaß der Verschleißerscheinungen vor‐ liegen. Optische Begutachtung, u. U. die Durchführung eines Versuchs, sollten einer Maßnahme die durchgeführt werden soll, vorangeschaltet werden. Auch sollten über Art und Anteil der sich im Fördermedium befindenden Feststoffe ausreichend Informationen vorliegen. Vor allem bei komplizierteren Schadens‐ fällen sollte eine Strömungsanalyse durchgeführt werden. Erst danach sollte man entscheiden, ob konstruktive Maßnahmen notwendig sind, oder eine Ober‐ flächenschutzmaßnahme sinnvoll ist. Bei sehr extremer, abrasiver Beanspruchung empfiehlt es sich, über ein Ver‐ schleiß-Überwachungskonzept nachzudenken. Welches Überwachungssystem dann zum Einsatz kommt, stationär, permanent, mobil, oder mit zyklischer Mes‐ sung, kann dann letztendlich erst nach einer eingehenden Kosten-Nutzen-Ana‐ lyse erfolgen. Bild 78: Schäden durch Korrosion und Abrasion am Spiralgehäuse 5.2.1. Verschleißanalyse Die Analyse sollte in jedem Fall mit der Überprüfung der Pumpendaten anhand des Abnahmeprotokolls beginnen. Viele Schadensfälle sind auch schon im An‐ lagenschema zu erkennen, so dass dieses Schema ebenfalls herangezogen werden sollte. Sind hier keine Fehler erkennbar, ist der nächste Schritt die Scha‐ dens-untersuchung mit der Interpretation des Schadensbildes. 128 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß <?page no="130"?> Die Untersuchung des Schadenbildes durch eine Dokumentation mit Fotos und Skizzen erleichtert die Arbeit sehr. Es ist ratsam, eine Schadensuntersu‐ chung gemäß VDI 3822 durchzuführen. Schwerpunkte dabei sind die drei Schritte der Schadensanalyse: Schadensbeschreibung, Bestandsaufnahme und Schadenshypothese. Einzeluntersuchungen, zum Beweis der Schadenshypo‐ these können gegebenenfalls zusätzlich durchgeführt werden. Die wichtigsten Begriffe der Schadenanalyse nach VDI 3822 sind im Fol‐ genden zusammengestellt: Bild 79: Schadensanalyse am Prüfbecken • Schaden - Veränderungen an Einzelkomponenten, durch die die vorge‐ • sehene Funktion beeinträchtigt oder unumgänglich gemacht wird. • Schadensart - Benennung des Schadens (z. B. Bruch, Abrasion, Korrosion) • • Schadensteil - Vom Schaden betroffene Komponente, Bauteil oder Bruch‐ • stück eines Bauteils • Schadensbild - Äußerer Zustand des beschädigten Bauteils • • Schadenstelle - Stelle des Schadens am Schadensteil • • Schadenserscheinung - Kennzeichnende Merkmale der Schadensart • • Schadensablauf - Zeitliche Entwicklung des Schadens (bis zum Bruch) • Die Beschreibung des Schadensbildes sollte am besten durch eine Dokumenta‐ tion des Schadens mit Hilfe von Fotografien, Skizzen und Zahlendaten und evtl. Messungen durchgeführt werden. Alle Auffälligkeiten sollten festgehalten werden. Vom Schadensteil oder den betroffenen Pumpenbereichen sollten Ab‐ messungen, konstruktive und fertigungstechnische Details, sowie der Einbau und die spezifischen Einzelheiten der Beanspruchung erfasst werden. Aussehen, Lage und Ausgangs-punkt von Verformungen, Rissen, Brüchen, Korrosions- und Verschleißerscheinungen sollten genau ermittelt und dokumentiert 129 5.2. Abrasionsschutz <?page no="131"?> werden. Stoffliche Merkmale der Oberfläche geben zusätzlich hilfreiche Infor‐ mationen über den Schaden. 5.2.2. Strömungsanalyse Ist der Schaden durch die Abrasion erheblich, und sind die Gründe nicht sehr plausibel nachzuvollziehen, empfiehlt sich, eine Strömungsanalyse durchzu‐ führen. Es sollten möglichst viele Parameter und Informationen über die Rand‐ bedingungen vorliegen. Insbesondere über das Fördermedium sollten bekannt sein: Viskosität, Feststoffanteil, Temperatur, Volumenstrom, Förderdruck, Strö‐ mungsgeschwindigkeit und evtl. pH-Wert. Durch die Strömungssimulation werden dann die Kennliniendaten unter Be‐ rücksichtigung modellmäßiger Vereinfachungen abgebildet. Die Strömungsver‐ läufe/ Strom-linien und Wirbelbildung an Laufradschaufeln und Spiralgehäuse sind zu erkennen. Bereiche an denen besonders großer Verschleiß auftritt und somit Materialabtrag erfolgt, sind sehr schnell ersichtlich. Nach Vergleich der Simulationsergebnisse mit den tatsächlichen Schäden, kann dann entschieden werden, wo und an welchen Bauteilen Maßnahmen sinnvoll sind. 5.3. konstruktive Maßnahmen Vorbeugend kann der Verschleiß durch entsprechende Maßnahmen stark kom‐ pensiert und gegebenenfalls vermieden werden. Wellenschutzhülse Dabei wird die Welle an den abrasionsgefährdeten Stellen mit einer Schutzhülse versehen. Entlastungsbohrungen Entlastungsbohrungen am Laufrad dienen der Reduzierung der Axiallast und zum Schutz der Lager. Verschleißplatten Verschleißplatten sind auswechselbar und zum Schutz des Spiralgehäuses hinter dem Laufrad montiert. 130 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß <?page no="132"?> Keramik-Einsätze Bei sehr harten Feststoffen kann Abhilfe durch Keramik-Einsätze an den bean‐ spruchten Stellen geschaffen werden. Überwachung mittels Sensors Die Überwachung mittels eines Abrasions-Sensors bietet die Möglichkeit, durch ein Signal die Abnutzung anzeigen zu lassen. 5.3.1. verschleißmindernde Einsätze Um die Lebensdauer der Pumpengehäuse zu verlängern, bietet sich mit einer Verschleißplatte im Pumpengehäuse eine recht einfache und kostengünstige Maßnahme an. Da im Schadensfall, zum Austausch der Verschleißplatte das Pumpengehäuse nicht mit der Verrohrung abmontiert werden muss, ist der Aufwand zum Austausch überschaubar. Ein Kostenvergleich mit einem neuen Pumpen-gehäuse erübrigt sich. Bild 80: Verschleißplatte im Pumpenge‐ häuse (vor Schädigung) Bild 81: Abrasion an den Schrauben-boh‐ rungen (nach Schädigung) Beim Vergleich der beiden Fotos ist erkennbar, dass der abrasive Medienabtrag an den Kanten der Schraubenbohrungen beginnt. Bevor die komplette, recht dicke Verschleißplatte abgetragen sein wird, fallen voraussichtlich eher die Schraubenköpfe ab. Verschleißschutz für Anlagenkomponenten und Rohrlei‐ tungen aus Keramik sind bei sehr harten Verschleißpartikeln im Fördermedium empfehlenswert. 131 5.3. konstruktive Maßnahmen <?page no="133"?> Bild 82: verschiedene Keramik-Inlets [15] Mit sehr unterschiedlichen Wanddicken, Größen und Geometrien sind solche Einsätze verfügbar. Für große Rohrleitungen können sie gut eingepasst werden. Bei kleineren Rohrleitungsdurchmessern sind durch die Wanddicken entspre‐ chende Grenzen gesetzt. Sonderanfertigungen sind jedoch meist realisierbar. 5.3.2. Überwachung mittels Sensoren Beim Laufrad kann der Materialabtrag über die abnehmende Förderleistung be‐ obachtet werden, während der Materialabtrag am Pumpengehäuse erst beim Austritt der Förderflüssigkeit bemerkt wird. Bei trocken aufgestellten Pumpen ist dies ein kritischer Faktor, da das Medium dann in die Umgebung auslaufen kann. Um diesen Verschleiß frühzeitig zu erkennen und entsprechende Wartungsmaß‐ nahmen einleiten zu können, kommt der Verschleißsensor zum Einsatz. Sensor Position von drei Sensoren an Versuchspumpe Verschleißbereich Verschleißplatte im Spiral‐ gehäuse Bild 83 - 85: Einbausituation des Sensors 132 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß <?page no="134"?> Grafik 4: Abrasions-Sensor im Pumpen-Spiralgehäuse Mit Hilfe von Sensoren sollte die Wandstärke von Pumpengehäuse-Bauteilen überwacht werden. Die Wandstärke sollte an den Stellen überwacht werden, an denen der Materialabtrag durch das abrasive Medium groß ist. Durch den Ma‐ terialabtrag entsteht die Gefahr von Leckage durch Undichtheit am Gehäuse an die Umgebung. Um diesen Verschleiß frühzeitig zu erkennen und entsprechende Wartungsmaßnahmen einleiten zu können, kam der Verschleißsensor zum Ein‐ satz. Funktionsbeschreibung Der Verschleißsensor wird an besonders vom Materialabtrag betroffenen Gehäuse-Bereichen eingebaut. Bei diesem Sensorprinzip wird die Leitfähigkeit des Mediums ausgenutzt. Der Sensor hat eine zylindrische Form, dessen Kern aus leitfähigem Material besteht, der mit einer Isolierschicht aus Kunststoff um‐ 133 5.3. konstruktive Maßnahmen <?page no="135"?> geben ist. Der Sensor wird in ein Sackloch, dicht eingeklebt. Über Sensoren in verschiedenen Einbautiefen, kann der Materialabtrag, beobachtet werden. Grafik 5: Anschluss-Schaltbild des Abrasions-Sensors Angeschlossen wird der Sensor an eine 24 Volt-Spannungsquelle (DC). Die Mas‐ seleitung wird am Gehäuse befestigt und auf die Auswerteeinheit geführt. Die Auswerteeinheit ist ein Schwellwertschalter, dessen Schaltpunkt auf Maximale Empfindlichkeit 1V eingestellt wird. Das abrasive Medium trägt bei Kontakt mit dem Sensor die Schutzschicht ab und über das Medium wird der elektrische Kontakt zum Gehäuse hergestellt. Wird die Schaltspannung überschritten, wird über einen Potentialfreien Schalter ein Leucht- und Akustiksignal aktiviert. Ist solch ein Verschleiß-Sensor sehr gut positioniert, kann vorausschauend eingegriffen werden. Bevor der Verschleiß zu einem Schaden führt, kann das Spiralgehäuse im Rahmen der Wartung ausgewechselt werden. 5.3.3. Gummierungen Gummierungen, beispielsweise aus EPDM, sind bedingt bei abrasiven Förder‐ medien einsetzbar. Da die Gummierung weicher ist als die Metallpartikel, „fe‐ 134 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß <?page no="136"?> dert“ sozusagen beim Aufprallen das Gummi die Partikel zurück. Die Partikel prallen ab und werden mit dem Fördermedium weitertransportiert. Bild 86: Gummierung von Spiralgehäuse und Druckdeckel Bevor die Gummierung aufgebracht wird, muss die Oberfläche gut gereinigt werden, damit die Haftung auf dem Metall fest genug wird. Möglicherweise muss ein Primer (Haftvermittler) eingesetzt werden. Die Dicke der Gummierung sollte max. 4 mm betragen. Der Feststoffanteil sollte 15 % nicht überschreiten. Nachteil ist, dass die Pumpen-Komponenten vor der Gummierung stark be‐ arbeitet werden müssen, damit die Schichtdicke der Gummierung ausgeglichen werden kann. Je nach Belastung wird aber auch der Verschleiß nicht ausbleiben. Nach ge‐ wisser Zeit werden dennoch kleine Gummi-Partikel abgetragen, auch entstehen kleine Risse. Die Standzeit einer Pumpe kann durchaus verdoppelt werden, je nach Beanspruchung auch noch mehr. Nach ersten Beschädigungen wird aber die Gummierung nach und nach abgetragen werden. 5.3.4. verschleißbeständige Gusseisenwerkstoffe Bei abrasiv-korrosiver Beanspruchung wird sehr oft auch weißes Gusseisen eingesetzt. Dieser auch als Hartguss bezeichnete Werkstoff ist sehr ver‐ schleiß-beständig. Die Besonderheit dieses Werkstoffs beinhaltet, dass der Koh‐ lenstoffgehalt chemisch gebunden als Karbid vorliegt. Die Bruchfläche ist weiß oder silbrig, im Gegensatz zum Grau des Graugusses. Es gibt verschiedene Sorten von Hartguss, je nach Legierungsanteilen und Legierungsgrad. Je nach 135 5.3. konstruktive Maßnahmen <?page no="137"?> Gefüge entstehen bei un-oder niedriglegierten Sorten Chromkarbid, Molyb‐ dänkarbid, Niobcarbid oder Vanadiumcarbid. Die Härte der Karbide reicht von 800 HV bei Eisenkarbid, 1 600 HV bei Chromkarbid bis zu 2 800 HV bei Vana‐ diumcarbid. Werkstoff Härte in Vickers [HV] Eisenkarbid 800 HV Chromkarbid 1 600 HV Vanadiumkarbid 2 800 HV Grauguss 210 HV Tabelle 16: Härtewerte der Gusseisenwerkstoffe in HV Ein Hartguss, bei dem Nickel und Chrom im Verhältnis 2: 1 als Legierungsbe‐ standteile enthalten sind, ist unter dem Handelsnamen „Ni-Hard“ bekannt (z. B. Ni-Hard 1 oder Ni-Hard 4). Die Eigenschaften können durch die Veränderung des Kohlenstoffgehalts variiert werden [52]. Obwohl der Chromgehalt des Hart‐ gusses zum Teil sehr hoch ist (> 20 %), ist er nicht sehr korrosionsbeständig. Dies liegt daran, dass der Hauptanteil des Chroms in den Karbiden gebunden ist und der Gehalt anderer Legierungselemente wie z. B. Nickel oder Molybdän nicht ausreichend hoch ist. Allerdings ist die Korrosionsbeständigkeit stark abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Fördermediums. Bei stark abrasiven Medien wie beispielsweise Sand-/ Wassergemischen, lassen sich solche Werkstoffe gut einsetzen. Da aber die Legierungskosten re‐ lativ hoch sind, reduziert sich diese Anwendung hauptsächlich auf sehr spezielle Sonderlösungen. Außerdem erfordern die Bauteile aus Hartguss spezielle Guss‐ werkzeuge. Eine spanende Nachbearbeitung (Abdrehen, Gewindeschneiden) der Gussteile ist nur mit Spezialwerkzeug möglich. Beispielsweise eine Leistungsanpassung der Pumpe durch Veränderung des Laufrad-Durchmessers durch Abdrehen ist schwer möglich. 5.4. Oberflächenvergütung Hierbei handelt es sich nicht um eine Vergütung durch ein galvanisches Ver‐ fahren, sondern um eine gezielte „Aufhärtung“ der Randschicht, die eine Stei‐ gerung der Festigkeit gegen Abrasion bewirkt. Wie bereits in 4.2.1. beschrieben, beruht die Auswahl der Verschleißschutzschicht auf drei Schritten der syste‐ 136 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß <?page no="138"?> matischen Schadensanalyse: Schadensbeschreibung, Bestandsaufnahme und Schadens-hypothese. Nach genauer Kenntnis des Schadensbildes bzw. der Ver‐ schleiß-erscheinung ist es sinnvoll, die Anforderungen an das Schicht-Sub‐ strat-System festzulegen. Dies betrifft einerseits die tribologischen Anforde‐ rungen, sowie konstruktive und fertigungsbedingte Anforderungen und schlussendlich die Materialanforderungen. Anschließend kann eine Auswahl geeigneter Verschleißschutzschichten erfolgen. 5.4.1. Harte Schichten Wie bereits in Kap. 4.1.2. beschrieben, bedeutet die Auswahl eines Beschich‐ tungs-systems nicht nur die Auswahl der Schicht an sich, sondern die Auswahl einer passenden Kombination aus Grundwerkstoff, Beschichtung, Schichtdi‐ cken und Werkstoffübergängen. Die harten Schichten zählen zu den Reaktions‐ schichten. Die Reaktionsschichten entstehen durch Beeinflussung der Randschicht z. B. durch Wärme, Diffusion oder Implantation von Legierungselementen. Durch eine spezielle Oberflächenbehandlung lassen sich „weiche“ Materialien in der Randschicht härten, so dass durch ihren größeren Widerstand gegen ab‐ rasive Medien die Standzeit der Pumpe erheblich erhöht werden kann. Bei den verschiedensten Beschichtungsverfahren ist die Haftung der Schicht auf der Grauguss-Oberfläche ein Problem. Durch verstärktes Sandstrahlen oder Glasperlen-strahlen muss die Schicht für den Beschichtungsprozess präpariert werden. Bei dünnen Schichten muss noch eine zusätzliche Glättung erfolgen, um ein befriedigendes Ergebnis erreichen zu können. Unter den „Dickschichten“ eignet sich das Laserauftragsschweißen sehr gut, da die Dicke der Schicht durchaus >1 mm sein kann. Beim Nitrieren und Nitrocarburieren wird der Reibungskoeffizient und die Adhäsions-neigung verringert, dagegen wird der Abriebwiderstand und die Festigkeit gegen Ermüdung durch Wechselverformungen erhöht [45]. 137 5.4. Oberflächenvergütung <?page no="139"?> Grafik 6: Substrat-Schicht-Aufbau [31] 5.4.1.1. Nitrocarburieren Das Nitrocarburieren beinhaltet einen Nitrierprozess (Gas oder Salzbad) bei dem aus dem Nitriermittel in die Werkstückoberfläche sowohl Stickstoff als auch Kohlenstoff eindiffundiert. Dabei wird das Werkstück in Stickstoff-/ Kohlenstoff-haltiger Umgebung einer Temperatur von 480 bis 590 °C ausgesetzt. Durch den Stickstoff und den Kohlenstoff findet in der Randschicht eine Veränderung der chemischen Zu‐ sammensetzung und des Gefüges statt. 5.4.1.2. Plasmanitrieren Hierbei findet der Nitrierprozess im Plasma (elektrisch leitfähiges Gas) in einem Vakuum-Ofen bei 350 bis 600 °C statt. Der Stickstoff aus dem Nitriermittel dif‐ fundiert in die Oberfläche ein und bewirkt eine Veränderung der chemischer Zusammen-setzung und des Gefüges in der Randschicht. Es ergibt sich hierbei ein sehr geringer Verzug und eine nur unbedeutende Maß-veränderung. Dieses Verfahren eignet sich deshalb bei entsprechend dünnwandigen Bau‐ teilen besser als das Nitrocarburieren. 138 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß <?page no="140"?> Bild 87: Nitrierschicht und Kernzone nach dem Plasmanitrieren [35] Bild 88: Laufrad mit Nitrierschicht nach dem Plasmanitrieren 139 5.4. Oberflächenvergütung <?page no="141"?> 5.4.1.3. Laserauftragsschweißen Beim Laserauftragsschweißen wird lokal und präzise Material aufgetragen. Das Material kann dabei in Bezug auf Härte und mechanische Eigenschaften genau auf den Lastfall abgestimmt werden. Diese Schicht hat eine Härte von 900 HV, besitzt dadurch eine sehr hohe Standfestigkeit und bewirkt durch die hohe Schichtdicke von 1 mm eine Erhö‐ hung der Standzeit. Eine Anpassung der Geometrie ist allerdings notwendig, da die Hydraulik durch Laserauftragsschweißen verändert wird. Aufgrund der relativ dicken Schicht und der speziellen Art des Fertigungsver‐ fahrens, können Verschleißplatte und Laufrad entsprechend den Anforderungen der Anwendungen bis zu max. 1000 µm (1 mm) Schichtdicke beschichtet werden. Die geringe, aber konzentrierte Wärmeeinbringung garantiert minimale Ver‐ züge. Das Prinzip des Laserauftragsschweißens bzw. -beschichtens besteht darin, pulverförmiges Material auf ein Werkstück aufzuschweißen, so dass fest haftende, erhöhte Spuren (Schweißraupen) entstehen. Dazu wird das Material des Werkstücks mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls im Brennfleck leicht angeschmolzen. Gleichzeitig wird Zusatzmaterial in das Schmelzbad gebracht und ebenfalls aufgeschmolzen. Nach der Erstarrung haftet das Zusatzmaterial fest auf dem Werkstück. Dieser Vorgang erfolgt schnell und kontinuierlich. Durch Kombination von einzelnen Beschichtungsspuren lassen sich flächige und mehrlagige Beschichtungen realisieren, wie sie für die Reparatur und den Verschleißschutz benötigt werden. Bild 89: Laserauftragsschweißen am Laufrad Bild 90: Prinzip 140 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß <?page no="142"?> Bild 91: Laufrad mit Lasergeschweißten Schaufeln Schichtdicke: 1000 µm Härte: 900 HV Bild 92: Gefüge-Schliffbild einer Laserauftrags-Schweißschicht 141 5.4. Oberflächenvergütung <?page no="143"?> 5.4.1.4. Kohlenstoffschichten Kohlenstoffschicht ta-C (tetraedrisch amorpher Kohlenstoff): Aufgrund der relativ dünnen Schichtdicke, muss das Substrat vor der Beschich‐ tung vorbehandelt werden. Zusätzlich zum Sandstrahlen bzw. Glasperlen‐ strahlen sollten die Bauteiloberflächen durch Schleifen geglättet werden. Die Kohlenstoff-Schicht hat eine Härte von 4 500 HV. Dieses Verfahren eignet sich für die Beschichtung des Laufrads. Bild 93: Laufrad mit amorpher Kohlenstoffschicht Das Verfahren: Lasergesteuertes Vakuumbogen-Beschichten (laser-arco) Das Laser-Arc-Beschichtungsprinzip vereint die Vorteile der Verfahren VAD (Vacuum Arc Deposition) und PLD (Pulsed Laser Deposition). Durch die Ver‐ wendung eines kostengünstigen Pulslasers wird eine zeitliche und örtliche Steuerung der Bogenentladung möglich. Mit Hilfe eines Laserpulses wird ein sehr stromstarker Bogen mit Spitzenströmen von etwa 1,8 kA gezündet, wobei die Dauer auf 130 μs begrenzt ist. Die amorphe Kohlenstoff-Schicht wird im PVD- Verfahren durch Verdampfen von Graphit abgeschieden. Das Laser-Arc-Modul kann an jede handelsübliche Beschichtungsanlage an‐ gedockt werden. 142 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß <?page no="144"?> Bild 94: Gefüge-Bild der ta-C - Schicht 5.4.1.5. Diamant ähnliche Schichten Duplex-Schicht: In dieser Schicht ist das sehr harte Siliziumkarbid (SiC) enthalten, womit eine Schicht-Härte von 2 600 HV erreicht wird. Die Schichtdicke kann bis zu 100 µm aufgetragen werden. Diese Schicht eignet sich für Spiralgehäuse und Laufrad. Bild 95: Schliffbild der Duplex- Schicht 143 5.4. Oberflächenvergütung <?page no="145"?> Kenndaten der Schicht: • Diamantpartikelgrößen • 1 - 45 μm • Typische Korngrößen: • 1-3 / 8-12 / 20-30 μm • Korngröße: • 1-3 μm • Einlagerungsvolumen: • 25 - 40 % • Schichtdicke: • bis 100 μm Beschichtungsverfahren: Die groben Diamantpartikel werden im ersten Beschichtungsschritt auf der Oberfläche fixiert. Der Freiraum zwischen den groben Diamantpartikeln wird im zweiten Beschichtungsschritt mit einer weiteren Dispersionsschicht bis zum gewünschten Einbettungsgrad aufgefüllt. Diese zweite Dispersionsschicht ent‐ hält deutlich feinere Diamantpartikel. Durch die Duplexbeschichtung wird der Verschleißwiderstand der Chemisch Nickel - Matrix REM deutlich erhöht. Duplex-Schicht: Bild 96: Oberflächenstruktur chemisch-Nickel-Diamant (Partikelgröße 40 µm) 5.4.1.6. Zusammenfassende Bewertung der Beschichtungsprozesse Zum Schutz vor Abrasion eignen sich verschiedene Beschichtungsverfahren. Je nach Anwendung und Feststoff (Späne, Schleifstaub, Sand, sehr harte Feststoffe) muss über den anzuwendenden Prozess und die Schichtdicke entschieden werden. Eine selektive Beschichtung, vor allem durch Laser-Auftragsschweißen, ist je nach Anwendung sehr gut machbar. 144 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß <?page no="146"?> Material E-Modul [N/ mm²] Härte [HV] Grauguss (GG), ohne Schicht 100 000 210 GG + Nitrocarburieren 110 000 600 - 660 GG + Plasmanitrieren 110 000 1160 - 1200 GG + Laserauftragsschweißen 210 000 900 GG + ta-C (Kohlenstoffschicht), Diamor 300 000 4 500 GG + chemisch- Nickel- Dispersionsschicht mit Diamantpartikel (ESK) 145 000 2 600 Tabelle 17: Härte und E-Modul nach der Beschichtung Die Herstellverfahren wurden in untenstehender Bewertungsmatrix verglichen, um eine Basisinformation zur Entscheidung über die Schichtauswahl zu geben. Schicht: ta-C Duplex Laserauftragsschweißen Schichtdicke 10 µm 50 µm 1000 µm Herstell-Ver‐ fahren Vakuumbogen-Be‐ schichten (laser-arco) mit amorphem Kohlen‐ stoff. Elektr. Anschluss‐ leistung: > 20 KW Fixierung der Dia‐ mant-partikel auf der Oberfläche und Auffüllung der Frei-räume mit Dis‐ persions-schicht Elektr. Anschluss‐ leistung: > 30 KW Aufschweißen von pulver-förmigem Material. Elektr. Anschluss‐ leistung: < 10 KW Bearbeitungszeit für ein Laufrad 4-5 h 2 h 5 Min Prozess-Tempe‐ ratur < 180 °C 90 ° C 1 300 °C Nach-Tempern 350 ° C Tabelle 18: Herstellverfahren 145 5.4. Oberflächenvergütung <?page no="147"?> Im Rahmen der vorausschauenden Instandhaltung lässt sich anhand der Ver‐ schleiß-daten und der Angaben über Durchflussgeschwindigkeit und Betriebs‐ stunden ein Lastprofil für Pumpen erstellen. Eine Strömungssimulation gibt Aufschluss über die stark beanspruchten Bereiche im Innern der Pumpe. Vor allem bei Sonderanwendungen kann dann eine Abschätzung über die zu erwar‐ tende Standzeit der Pumpe gemacht werden. Eine Erhöhung der Standzeit recht‐ fertigt die Mehrkosten die durch die Beschichtung entstehen vor allem auch deshalb, weil dadurch die Kosten für den Produktionsausfall stark reduziert werden können. 5.5. Sonderkonstruktionen Um bei besonders verschleißbehafteten Prozessen die Schäden zu minimieren und die Standzeit auf ein akzeptables Maß zu erhöhen, sind zusätzlich zu den Beschichtungen verschiedene Sonderkonstruktionen realisierbar. 5.5.1. Schneidradpumpe Bei Werkzeugmaschinen werden Pumpen unter anderem auch zum Fördern von mit Metallspänen verunreinigten Kühlmitteln verwendet. Die Metallspäne bilden sehr oft Knäuel, die ein zuverlässiges Fördern des Kühlmittels behindern. Auf Spänezerkleinerer (Spänebrecher) oder Hebeanlagen, die teuer und auf‐ wändig sind, wird häufig verzichtet. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, Pumpen mit Schneidwerken zu kombinieren. Dazu wird auf der Pumpenwelle, dem ei‐ gentlichen Laufrad ein Vorzerkleinerer vorgeschaltet. Bei verschiedenen Pumpen am Markt sind Schneidlaufrad und Vorzerklei‐ nerer im Pumpengehäuse angeordnet. Der Vorzerkleinerer ist vom Ansaugs‐ tutzen der Pumpe umgeben, so dass die Späneknäuel im Pumpengehäuse zer‐ kleinert werden. Allerdings besteht hier die Gefahr der Verstopfung falls die Späneknäuel zu groß sind, oder die Späne nicht klein genug geschnitten werden. Andere Systeme bestehen aus Pumpe und separatem Spänebrecher. Diese Systeme sind aufwändiger, benötigen mehr Platz und erhöhen die Investitions‐ kosten. Eine weitere Variante einer einstufigen Kreiselpumpe in kompakter Block‐ bauform ist ebenfalls mit einem dem Laufrad vorgebauten Schneidwerk ausge‐ rüstet. Das vorgesetzte Schneidwerk sitzt auch auf der verlängerten Pumpen‐ welle. Hier sitzt aber das Schneidrad direkt vor dem Pumpengehäuse. Sobald die Flüssigkeit mit den Spänen angesaugt wird, können die Späne durch das 146 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß <?page no="148"?> Schneidwerk vor dem Eintritt in die Pumpen zerkleinert werden. Das Schneidrad zerschlägt die Späneknäuel und schneidet die Späne. Die Pumpe kann dadurch verstopfungsfrei arbeiten und die guten Saugeigenschaften bleiben erhalten. Grafik 7: Einbau der Pumpe mit Schneidwerk im Behälter 147 5.5. Sonderkonstruktionen <?page no="149"?> Bild 97: Schneidrad mit Schneidplatte Die Schneidplatte und die Messer des Schneidrads sind gehärtet und dadurch sehr verschleißfest. Die Durchgangsöffnungen der Schneidplatte, als Langlö‐ cher ausge-führt, sind so gewählt, dass das Pumpeninnere vor zu großen Teilen geschützt wird. Teile, wie z. B. abgebrochene Bohrer, können dadurch nicht in die Pumpe gelangen und das Laufrad nicht beschädigen. Bild 98: Pumpe mit Schneidwerk 148 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß <?page no="150"?> Bild 99: Späne vor dem Zerkleinern Bild 100: Späne nach dem Zerkleinern 5.5.2. Pumpe mit Inducer Bei verschiedenen Anwendungen arbeiten Pumpen in Prozessen mit geringen Saughöhen. Dies kann der Fall sein bei Prozessen mit Unterdruck, oder wenn Fördermedien mit niedrigem Siedepunkt gepumpt werden müssen. Der erfor‐ derliche NHSH-Wert liegt dann sehr grenzwertig, so dass das Kavitationsrisiko hoch ist. Grafik 8: Pumpe mit Inducer Bild 101: Inducer 149 5.5. Sonderkonstruktionen <?page no="151"?> Um dieses Risiko zu minimieren und Schäden möglichst auszuschließen, kann ein Inducer-Laufrad auf der Pumpenwelle direkt vor das Pumpenlaufrad mon‐ tiert werden. Dieses Vorsatzlaufrad mit schraubenförmiger Geometrie erhöht sozusagen als „Vorpumpe“ den Druck am Laufradeintritt und minimiert das Kavitationsri‐ siko und die daraus resultierenden Folgeschäden. Durch den Inducer werden außerdem Lärm und Energieverluste minimiert. 150 5. Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß <?page no="152"?> 6. Mobile und stationäre Schadensüberwachung Stationäre Anlagen zur Zustands- oder Schadensüberwachung sind im Allge‐ meinen aufwendiger und teurer als mobile Systeme. Kriterien für die Auswahl sind: geforderte Häufigkeit der Messsignale, Notwendigkeit einer Trendanalyse, erforderliche Genauigkeit der Messwerte, voraussichtliches Gefahrenpotential und auch das zu erwartende Schadensrisiko. Nicht zuletzt ist eine Kosten-/ Nutzen-Rechnung ausschlaggebend. 6.1. Mobile Schadensüberwachung Wird eine Pumpe neu installiert, ist es sinnvoll, diese für eine bestimmte Zeit zu überwachen. Dabei ergeben sich wichtige Erkenntnisse darüber, ob die Pumpe richtig auslegt wurde (Typ) und ob alle technischen Anforderungen er‐ füllt sind. Die Analyse der Pumpen-Messdaten und die Geräuschentwicklung liefern außerdem wichtige Erkenntnisse über den Prozessablauf und über den Betriebszustand der Pumpe. Ob die Pumpe im vorgesehenen Betriebspunkt läuft, kann ebenfalls ermittelt werden. Soll eine neue Pumpe mit veränderten Eigenschaften eine andere Pumpe er‐ setzen, wird durch die Überwachung ermittelt, ob die Pumpe die volle Funktion der alten Pumpe erfüllt und ob die Leistung der Pumpe ausreicht. Dadurch kann in einem frühen Stadium die Gefahr eines später eintretenden Schadensfalls minimiert werden. Sofern die Ergebnisse der Überwachung zufriedenstellend sind und die laufenden Prozesse zu keinem Störfall führen, kann das Pumpen-Überwachungs-system wieder demontiert und an einer anderen Pumpe installiert werden. Die in Kapitel 3 beschriebenen Parameter wie Druck, Temperatur, Drehzahl etc. können mit mobilen Messgeräten ermittelt werden. Ebenso sind zwischen‐ zeitlich mobile Kompaktgeräte verfügbar, die auch Schwingungen, Zustand der Wälzlager und Kavitation messen, auswerten und dokumentieren können. Durch solche mobilen Messgeräte lassen sich Aufwand und Kosten sparen, da bei weniger kritischen Anlagen die mobile, kurzzeitige Überwachung ausreicht und kein stationäres Messsystem notwendig ist. <?page no="153"?> 6.2. stationäre Zustandsüberwachung Die Überwachung mit einem stationären System ist dann sinnvoll, wenn ge‐ fährdende Fördermedien im Einsatz sind oder wenn ein gestörter Prozessablauf der Pumpenanlage sehr großen Schaden verursachen kann. Gefahrstoffe können durch zu hohe Drücke oder Temperaturen zum Risiko werden, oder durch Auslaufen oder Überlaufen des Fördermediums aus dem Behälter zu Schäden führen. Oftmals übertreffen die Folgekosten sogar die Kosten für den eigentlichen Schaden. Kritische Prozesse, die einen sehr kontinuierlichen Förderstrom über einen längeren Zeitraum, evtl. auch im 24-Stunden-Betrieb erfordern, können kaum ohne eine stationäre Zustandsüberwachung auskommen. Starke Schwan‐ kungen der Anlagen-parameter, lassen sich durch eine Überwachung + Rege‐ lung in den Griff bekommen. Insbesondere in explosionsgefährdeten Bereichen ist eine Überwachung un‐ verzichtbar. Dabei wird noch unterschieden zwischen Staubexplosion und Gas‐ explosion. Die Pumpen- und Anlagenkomponenten müssen den gültigen EU-Vorschriften für die jeweilige, explosionsgefährdete Atmosphäre entspre‐ chen. Hier ist eine sogenannte ATEX-Zulassung erforderlich. Bei sehr kom‐ plexen Prozessen bietet sich außerdem die Möglichkeit der Fernwartung durch eine Spezialfirma an. 6.2.1 Aufbau der stationären Zustandsüberwachung Zur exakten Messwert-Erfassung ist auf eine sachgerechte Installation der ein‐ zelnen Komponenten und der zum System gehörenden Geräte zu achten. Hierzu zählen neben der Pumpe die Sensoren, Datenleitungen, Messbox, PC und Netz‐ werk. Durch Falschinstallation auftretende Messfehler können verheerende Folgen haben. Auch die eingesetzte Software muss regelmäßig überprüft werden. Zum Aufbau des Überwachungskonzepts müssen Messungen zur Grenz‐ wert-Ermittlung durchgeführt werden. Dazu werden gezielt Messungen bei Störungen durch-geführt. Der Ablauf gestaltet sich folgendermaßen: • Messen der Störungen • • Abspeichern der Messdaten • • Analyse der Messdaten • • Festlegung der Grenzwerte • • Dokumentation in Tabellensystemen • 152 6. Mobile und stationäre Schadensüberwachung <?page no="154"?> Die Messungen im Prozess erfordern dann: • Messen der Prozessparameter • • Analyse der Messdaten • • Vergleich der Werte mit den Grenzwerten • • Erkennung der Grenzwertüberschreitungen • • Bewertung der Grenzwertüberschreitungen • Treten Störungen auf, gibt es verschiedene Möglichkeiten, um die Störmel‐ dungen weiterzuverarbeiten: • Anzeige auf dem Bildschirm mit Fehlermeldung • • Anzeige auf dem Bildschirm mit Fehlermeldung und Weiterleiten zu • einem übergeordneten Terminal • Anzeige auf dem Bildschirm mit Fehlermeldung und sofortiger Reaktion • z. B. „Pumpe Stopp.“ Die Störmeldung kann auch als Alarm-Meldung definiert und weitergeleitet werden wie beispielsweise: • Produktionsstopp • • Alarm weiterleiten im Firmennetz • • Alarm per E-Mail an Dienststellen außerhalb • • Alarm per E-Mail an Wartungsfirma • Soll eine automatisierte Zustandsüberwachung implementiert werden, findet eine laufende ebenfalls automatisierte Analyse der Messdaten statt. Diese Ana‐ lyse bedeutet, dass die Erkennung einer Störung dadurch zustande kommt, dass ein Messwert-Vergleich mit den hinterlegten Grenzwerten erfolgt. Das anschließende Signal auf die erkannte Störung nach einer Grenzwert-Über‐ schreitung kann auf sehr unterschiedliche Art weiterverarbeitet werden: • Anzeige am Monitor • • Klingelton • • Blinkende Warnleuchte • • Ausschalten der Anlage • • Überprüfung anderer Sensoren z. B. Rauchmelder, Raumtemperatur, • Gas-Analysen, etc. Die stationäre Zustandsüberwachung bietet eine zuverlässige Maßnahme zur frühen und schnellen Schadensbegrenzung. Beispielsweise können durch recht‐ zeitiges Abschalten schwere und teure Schäden verhindert werden. 153 6.2. stationäre Zustandsüberwachung <?page no="155"?> Über Art und Umfang des Überwachungssystems kann nach Durchführung einer Risikoanalyse und nach Abschätzen des Schadenspotentials entschieden werden. 6.3. praktische Beispiele der Schwingungsmessung Die Schadensdiagnose durch Zustandsüberwachung und Schwingungsanalyse kann online, oder wenn ein Störfall die Zerstörung der Pumpe zur Folge hatte, durch die Analyse der registrierten Messdaten erfolgen. Aber durch korrekte Zustandsüberwachung kann ein Schaden komplett vermieden werden. Jeder Pumpentyp hat ein für sich typisches Schwingungsverhalten. Diese Schwingungen ändern sich bei unterschiedlichen Betriebszuständen wie Kavi‐ tation, Trockenlauf, etc., aber auch bei defekten Bauteilen an der Pumpe wie z. B. die Gleitringdichtung. So kann unter zu Hilfenahme der Drehzahl ein eindeutiger Schwin‐ gungs-"Fingerabdruck" für jede Pumpe erstellt werden. Dadurch wird eine zu‐ verlässige Aussage über den Allgemein-Zustand der Pumpe möglich. 6.3.1. Aufbau der Messtechnik Im Folgenden sind verschiedene Sensoren abgebildet. Bild 102: Beschleunigungssensor Bild 103: Drehzahlsensor 154 6. Mobile und stationäre Schadensüberwachung <?page no="156"?> Bild 104: Thermoelement Bild 105: 6-Kanal-Messbox Die Messkette für jeden zu messenden Parameter ist folgendermaßen aufgebaut: Messpunkt - Sensor - Kabel - Messverstärker - PC Der Beschleunigungssensor misst den Körperschall zur Schwingungsanalyse, das Thermoelement wird zur Temperaturmessung eingesetzt. Bild 106: Telemetrie - Sender Bild 107: Telemetrie-Empfänger Mit Hilfe eines Telemetrie-Systems können die Messdaten kabellos übertragen werden. Die Anzahl der Kanäle mit den zu übertragenden Signalen ist begrenzt auf die Möglichkeiten der nutzbaren Funkfrequenzen. Die Aufbereitung der Messdaten findet mit einer Messbox nahe an der Pumpe statt. Von dort können die digitalen Daten mit Ethernet bis zu 100 Meter Entfernung an das Haupt-Ter‐ minal übertragen werden. 155 6.3. praktische Beispiele der Schwingungsmessung <?page no="157"?> 6.3.2. Vermeidung von Messfehlern Messfehler können eine Überwachung oder eine Messung komplett zunichte‐ machen. Entweder die Messung hat eine Streuung von mehr als 10 % oder ist komplett falsch. Je nach Anwendung sind ungenaue Messungen schwer wei‐ terzuverarbeiten und oft unbrauchbar. Bei einer Messung ist auf folgende Dinge zu achten: • Richtige Auswahl der Sensoren • • richtige Positionierung der Sensoren • • hohe Messfrequenzen, ansonsten werden nicht alle Schwingungen ge‐ • messen. • Angaben des Sensorherstellers zur richtigen Kalibrierung beachten. • • Passende Zeitintervalle - Mittelwertbildung • • Falls notwendig, Mess-Verstärker verwenden • • Toleranzen/ Schwankungsbreite der zu messenden Parameter berücksich‐ • tigen • Umgebungsbedingungen berücksichtigen (Temperatur, Luftfeuchte, etc.) • • Kostenrelevanz der Genauigkeit • • Genauigkeit: so genau wie möglich, aber so genau wie nötig • Gehen mehrere Parameter, die falsch oder ungenau gemessen wurden, in die Berechnung mit ein, führt dies zu Fehlerfortpflanzung. Beim falschen Ender‐ gebnis ist dann nicht mehr nachzuvollziehen, wo der Fehler herkommt. Erst durch mühsame Fehlerrechnung und Nachmessungen kann das Ergebnis kor‐ rigiert werden. 6.3.3. Analyse der Messsignale Nach Vergleich der Messwerte mit den Grenzwertdaten ergeben sich Rück‐ schlüsse über den Betriebszustand der Pumpe: Drehzahlen: Normalbetrieb: Die Drehzahl der Pumpe befindet sich im Sollbereich. Saugseite geschlossen: Die Drehzahl ist erhöht. Erhöhter Luftanteil: Die Drehzahl ist stark erhöht. Kavitation: Die Drehzahl ist sehr stark erhöht. Temperatur-Messungen: Normalbetrieb: Normaler Temperaturverlauf beim Warmlaufen. Das Kugel‐ lager erwärmt sich aufgrund der Reibung. Durch das fließende Wasser in der Pumpe bleibt die Temperatur der Gleitringdichtung konstant. 156 6. Mobile und stationäre Schadensüberwachung <?page no="158"?> Druckseite geschlossen: Durch die Reibung des Laufrades mit dem Wasser erhöht sich die Wassertemperatur, da kein frisches Wasser nachfließen kann. Die Temperatur des Kugellagers erhöht sich durch die Erwärmung des Ge‐ häuses. Kavitation: Es ist nicht genügend kühlendes Wasser im Gehäuse, dadurch erhöht sich die Temperatur der Gleitringdichtung und des Kugellagers. Trockenlauf: Schneller Anstieg der Gleitringdichtungs-Temperatur sichtbar. 6.3.4. Schadensdiagnose mithilfe der Schwingungsanalyse Wie bereits in Kapitel 4.4.5. (pump monitoring) dargestellt, wird bei der Schwin‐ gungsdiagnose noch die gemessene Drehzahl hinzugezogen. Der Beschleuni‐ gungsbzw. Körperschallsensor misst die Körperschallschwingung der Pumpe. Als Messwert wird die Beschleunigung in g gemessen (9,81 m/ s²). Die Analyse des momentanen Betriebszustandes der Pumpen erfolgt mittels Frequenzanalyse. Dazu werden vom Messprogramm die Messdaten geladen und FFT-Spektren (Fast Fourier-Transformation) berechnet. Weiter werden die Pe‐ gelwerte und die Drehzahl in Abhängigkeit des vorliegenden Datenformats be‐ rechnet. Für jede Störungsart (Trockenlauf, Kavitation, geschlossener Schieber) wird eine Kombination von Grenzwerten, Grenzkurven und Anstiegswerten ermit‐ telt, was ein sicheres Erkennen der Störungsart ermöglicht. Zur Trendanalyse für die Wartungszyklen der Pumpen werden die ermit‐ telten Daten abgespeichert. Die Daten aus der Vergangenheit werden um die aktuellen ergänzt und gemeinsam, z. B. in 3-D-Form, dargestellt und analysiert. Eine Gruppe von Störungen kündigt sich durch Verändern bestimmter Größen vorher an. 157 6.3. praktische Beispiele der Schwingungsmessung <?page no="159"?> Bild 108: Pumpe im Normal-Zustand (Schwingung und Drehzahl) In obigem Diagramm-Bild sind die Drehzahl und die Schwingung dargestellt. Die Klartext-Anzeige “Normal“ sagt aus, dass sich die Pumpe 1 im Normalzu‐ stand befindet, die Pumpe 2 ist abgeschaltet. Dieses System ist ein selbstlernendes System. Bei der Erstinbetriebnahme werden die Istwerte der zu überwachenden Pumpen ermittelt und abgespei‐ chert. Für jede Pumpe wird eine Charakteristik erstellt (Störungen werden si‐ muliert bzw. eingestellt), ein Sollbereich der Parameter (grüner Bereich) und ein Störungsbereich (roter Bereich) definiert, so dass später beim Auftreten der Stö‐ rung das System sofort den Zustand, d. h. Art und Dimension erkennt. 158 6. Mobile und stationäre Schadensüberwachung <?page no="160"?> Bild 109: Betriebszustand: Saugseite geschlossen Bei diesem Diagramm ist ebenfalls Drehzahl und Schwingung dargestellt. Die Klartext-Anzeige “Saugseite zu“ sagt aus, dass sich die Pumpe 1 in einem Stö‐ rungszustand befindet. Die Messwerte für Schwingung und Drehzahl sind zu hoch, sie liegen über den Werten für den Normalzustand. 159 6.3. praktische Beispiele der Schwingungsmessung <?page no="161"?> Bild 110: Betriebszustand: erhöhter Luftanteil Bei diesem Diagramm sagt die Klartext-Anzeige “mit Luft“ aus, dass sich die Pumpe ebenfalls in einem Störungszustand befindet. Der Messwert für die Schwingung ist zu niedrig, der Wert für die Drehzahl zu hoch. Telemetrische Übertragung Wie bereits oben angesprochen, können die Messdaten auch kabellos, mit Hilfe eines Telemetrie-Systems übertragen werden. Die Sensoren geben analoge Messdaten an die angeschlossene Sendestation ab, die sich unmittelbar an der Pumpe befindet. Die analogen Messsignale werden vor der telemetrischen Über-tragung digitalisiert und über den Sender im MHz-Band zum Empfänger übertragen. Die Telemetrie-Empfangsstation befindet sich am Mess-PC, bzw. am Leitstands-PC. Die übertragenen digitalen Messdaten werden zunächst zur wei‐ teren Bearbeitung gewandelt und dann in eine Datei geschrieben bzw. in einem alokierten RAM-Bereich hinterlegt. [16] 160 6. Mobile und stationäre Schadensüberwachung <?page no="162"?> Köperschall-Messungen mit Beschleunigungs-Sensoren In den folgenden Bildern sind die Zeitverläufe der angeschlossenen Sensoren mit unterschiedlichen Betriebszuständen bzw. Störungen zu erkennen: Bild 111: Normal-Zustand Die Pumpe läuft im Normalzustand, die Körperschallschwingungen sind gleich‐ mäßig und ausgeglichen. Bild 112: Zustand mit Luft 161 6.3. praktische Beispiele der Schwingungsmessung <?page no="163"?> Die Pumpe fördert im Medium Luft mit, die Körperschallschwingungen sind ungleich-mäßig und stark schwankend. Bild 113: Kavitation Die Pumpe kavitiert. Es kommt zu örtlicher Druckabsenkung bei Übergeschwin‐ digkeit und zu Dampfblasenbildung bei Verdampfung des Fördermediums. Die Körperschall-schwingungen sind ungleichmäßig, pulsierend und mit hoher Amplitude. Bild 114: Pumpe läuft rückwärts 162 6. Mobile und stationäre Schadensüberwachung <?page no="164"?> Die Pumpe läuft rückwärts, sie fördert zwar, aber zu wenig. Die Körper‐ schall-schwingungen sind relativ gleichmäßig, aber mit hoher Amplitude. 163 6.3. praktische Beispiele der Schwingungsmessung <?page no="166"?> 7. Hinweise zu Planung und Konzeption von vorausschauender Instandhaltung Ein störungsfreier Betrieb von Pumpensystemen kann durch eine zukunftsori‐ entierte, intelligente Instandhaltungsstrategie ermöglicht werden. Instandhal‐ tung gliedert sich hauptsächlich gemäß DIN 31051 in die Grundmaßnahmen Wartung, Inspektion, Instandsetzung und Verbesserung. Dabei beinhaltet die Instandhaltung den funktionsfähigen Betrieb einer Pumpenanlage über den ge‐ samten Lebenszyklus, von der Inbetriebnahme bis zur Entsorgung. Während die Wartung grundlegende Maßnahmen wie Überprüfung, Reini‐ gung oder auch Austausch von Verschleiß-Komponenten beinhaltet, werden bei der Inspektion schon umfangreichere Maßnahmen durchgeführt. Es werden Daten des Istzustands mit denen des Sollzustands verglichen und möglicher‐ weise auch Messungen von Betriebsdruck, Temperatur, Stromaufnahme, Dreh‐ zahl etc. notwendig. Bei der Instandsetzung wird davon ausgegangen, dass die Pumpenanlage ganz oder teilweise außer Betrieb ist, oder eine betriebsunterbrechende Störung vorliegt. Schwachstellen oder Schäden werden bei dieser Maßnahme behoben. Die Verbesserung der Instandhaltung bedeutet, die Funktionsfähigkeit der An‐ lage noch zu steigern, damit Unterbrechungen oder Produktionsausfälle mög‐ lichst vermieden werden. Dies kann einerseits der vorsorgliche Austausch einer oder mehrerer Komponenten sein, oder auch eine zustandsorientierte Instand‐ haltung bedeuten. Vorausschauend, bevor ein Schaden eintritt, können Instand‐ haltungsmaßnahmen eingeleitet werden, indem eine kontinuierliche Überwa‐ chung der Anlage erfolgt. Der Messung und Aufzeichnung relevanter Parameter folgt die Analyse und Auswertung und anschließend die Planung und Durch‐ führung von Maßnahmen. Unvorhergesehene Störungen und Ausfälle können somit vermieden, Repa‐ raturen minimiert werden. Nicht zuletzt die Einsparung von Reserve-Pumpen bringt beträchtliche Kostenvorteile. Über Art und Umfang des Überwachungs‐ systems muss im Einzelfall, je nach Anwendung entschieden werden. 7.1. Pumpenüberwachung Nach wie vor wird bisher die ausfallorientierte Instandhaltung praktiziert. Die Pumpe wird bis zum Ausfall betrieben, erst dann werden die verschlissenen <?page no="167"?> Komponenten ausgetauscht. Die zeitbasierte Instandhaltung beinhaltet vor‐ sorglich, die verschleiß-relevanten Bauteile regelmäßig zu erneuern, auch dann, wenn sie noch nicht verschlissen sind. Durch zustandsorientierte, vorausschauende Instandhaltung sollen Anlagen‐ stillstand, was Kosten und Produktionsausfall bedeutet, vermieden werden. Durch vorsorglich durchgeführte Arbeiten und ausgetauschte Komponenten können direkte Kosten eingespart werden. 7.2. Diagnose-Systeme Sowohl bei der punktuellen Inspektion, als auch bei der Online-Überwachung gliedert sich der Prozess in die folgenden Einzelschritte: • Messen, Erfassen, Speichern • • Berechnen, Auswerten, Bewerten • • Darstellen, Klassifizieren, Alarm erkennen • • Maßnahmenplanung und -umsetzung • Wie in Kapitel 3 bereits beschrieben, müssen die speziellen Anlagen-/ Pumpen‐ para-meter erfasst und bewertet werden, um geeignete Maßnahmen zu planen. Druck-, Temperatur-, Drehzahl-, oder Strommessgeräte können als stationäre Anzeige- Instrumente ohne weitere Funktionen zur regelmäßigen Inspektion in der Anlage eingebaut sein. Darüber hinaus kommen für die regelmäßige In‐ spektion mobile Diagnosesysteme zum Einsatz, die durchaus neben den Mess‐ funktionen auch Analysefunktionen besitzen. Prozessparameter wie Druck, Temperatur oder Volumenstrom, sowie Schwingungen, Drehzahl oder Unwucht werden aufgezeichnet und ausgewertet. Signalanalysen, Trendaufzeichnungen, bis hin zu kompletten Maschinendiagnosen lassen sich mit mobilen Geräten erstellen. Durch entsprechende Software können Messaufgaben programmiert werden. Während der Messung erfolgt ein Vergleich der gemessenen Werte mit vorgegeben-en Grenzwerten. Nach Abspeicherung und Auswertung kommt es zur Erstellung von Diagnosemeldungen. Stationäre Diagnose-Systeme zur Online-Zustandsüberwachung sind bei komplexeren Anlagen sinnvoll. Solche Systeme vereinen Erfassen, Messen, Steuern, Regeln (EMSR) bis hin zur Dokumentation in einem Gerät. Auf den Überwachungsterminals werden dem Wartungspersonal die aktuellen Anla‐ genparameter, Störungen, Alarme oder sonstige Hinweise gemeldet. Durch spe‐ zielle Instandhaltungssoftware können Informationen und Vorschläge zu In‐ 166 7. Hinweise zu Planung und Konzeption von vorausschauender Instandhaltung <?page no="168"?> standhaltungsmaßnahmen bis hin zu Ersatzteil-bereitstellung angezeigt werden. Die Überwachung mitsamt Dokumentation aller Instandhaltungsmaß‐ nahmen ermöglicht einen nahezu störungsfreien Betrieb der Anlagen. Aufwand und Kosten müssen den Kosten für Produktionsausfall und Folgeschäden ge‐ genübergestellt werden, um die Wirtschaftlichkeit zu ermitteln. Da solche Sys‐ teme auch Trends aufzeichnen und vorausschauend bewirken, Schäden zu ver‐ meiden, ist der technologische Aufwand oftmals eindeutig gerechtfertigt. 7.3. Datentransfer Handelt es sich um eine neue Anlage, wird die Datenübertragung zur Pumpen-überwachung in das Netzwerk der Gesamtanlage integriert oder an eine SPS- Steuerung angekoppelt. Unter der Vielzahl der gängigen Netzwerke sind Profibus und Industrial-Ethernet-Systeme weit verbreitet. Auch über Wire‐ less-Kommunikationssysteme (Profinet), lassen sich die Daten übertragen. Am Wichtigsten bei der Planung aber ist, dass die entsprechenden Schnittstellen verfügbar sind. Derzeit wichtige und weit verbreitete Systeme sind: Industrial-Ethernet-Systeme Feldbus-Systeme Ethernet/ IP Profibus Profinet CANopen Ether CAT Devicenet SafetyNet CC-Link Powerlink Modbus Sercos Tabelle 19: Feldbussysteme und Industrial-Ethernet-Systeme Um nicht unterschiedliche Systeme aufeinander abstimmen zu müssen, bietet sich an, Profinet aufgrund seiner Durchgängigkeit und Offenheit einzusetzen. Im Bereich des Motorantriebs bietet die Ethernet-Technik die Möglichkeit, die Daten im Zyklustakt der Motorenregelung, mit der Steuerung in Echtzeit auszutauschen. Was die Flexibilität anbetrifft, sind in der Antriebstechnik bisher Ethernet/ IP und Profinet weit verbreitet. 167 7.3. Datentransfer <?page no="169"?> 7.3.1. Digitalisierung - Industrie 4.0 Die Digitalisierung und Vernetzung von Maschinen und Geräten hat das Ziel, die Wertschöpfung ganzheitlich zu steigern. Die Fertigungsprozesse, von der Entwicklung über die Produktion bis zum Vertrieb, werden über das Internet gesteuert. Zur Koordinierung und Umsetzung von Industrie 4.0 haben sich die Industrieverbände VDMA (Maschinenbau), ZVEI (Elektro) und BITKOM (IT) zusammengeschlossen. Industrie 4.0 ist ein Zukunftsprojekt und die High-Tech-Strategie der Bundesregierung, im Ausland auch als CPS (Cyber-Physical Systems) bekannt. Mit der Planung wurde 2013 begonnen. Die Umsetzung soll bis zum Jahr 2030 abgeschlossen sein. Folgende Einzelziele wurden definiert: • Neuorganisation von Fabriken • • Flexibilisierung der Produktion mit dem Ziel der wirtschaftlichen Ferti‐ • gung sehr vieler Produktvarianten bis hin zur Losgröße 1 • Produktivitätssteigerung bis zu 30 % wird angestrebt • • Produktionsgestaltung: sicherer, ressourcensparend, zuverlässiger • Bild 115: Die industrielle Entwicklung [9] 168 7. Hinweise zu Planung und Konzeption von vorausschauender Instandhaltung <?page no="170"?> Neue Geschäftsmodelle sollen einen höheren Nutzen, sowohl für den Kunden als auch für die Unternehmen ermöglichen. Dazu muss eine Fülle an Daten ana‐ lysiert und bewertet werden. Die Analyse kann nach einem 4-Stufen-Konzept erfolgen: - was ist passiert? - - warum ist es passiert? - - was wird mit welcher Wahrscheinlichkeit passieren? - - was sollte getan werden? - In der vierten Stufe werden mögliche Handlungsempfehlungen erzeugt, die aufgrund der tatsächlich vorherrschenden Situation zu neuen Geschäftsmo‐ dellen führen sollen. Was aber bedeutet dies für die Pumpen der Zukunft? Neue Pumpenkonzepte werden bi-direktional “kommunizierende Pumpen“ beinhalten. D.h. Pumpen werden Signale und Informationen senden und empfangen um Prozesse und Systeme zu optimieren. Konkret könnte das bedeuten: „die Pumpe bestellt ihr Ersatzteil selbst“. Zur Realisierung der „kommunizierenden Pumpe“ müssen BUS-Systeme ein‐ gesetzt werden, die die hohen Anforderungen erfüllen können. Die Kommuni‐ kations-technologie muss unabhängig von Hersteller, Branche, Betriebssystem und Programmiersprache sein. Die Skalierbarkeit zur Vernetzung von Sensoren, SPS-Steuerungen, PCs und Smartphones ist ebenfalls notwendig. Diese Möglichkeiten schafft OPC-UA, die standardisierte Schnittstelle für den Datenaustausch zwischen Anwendungen unterschiedlicher Hersteller. Her‐ kömmliche Feldbusse können teilweise ersetzt werden. 7.3.2 OPC-UA Die OPC-UA-Schnittstelle bietet durch ihre offene Plattform einen breiten Da‐ tenaustausch. „Open Platform Communications Unified Architecture“, kurz OPC-UA ist ein internationaler Standard, der durch die Zusammenarbeit von Herstellern, Anwendern und Forschungs-Instituten entstanden ist. Kompo‐ nenten wie Sensoren, Regler, SPS, Smartphones, Leiterplatten, Behälter und Maschinen können über ein gemeinsames, flexibles Netzwerk kommunizieren. Bisher in der „alten Welt Industrie 3.0“ sind die Strukturen durch Hardware gegeben. Funktionen sind an Hardware gebunden und die Kommunikation er‐ folgt zwischen den Hierarchie-Ebenen. Das Produkt steht außerhalb der Struktur. 169 7.3. Datentransfer <?page no="171"?> In der „neuen Welt Industrie 4.0“ sind Maschinen und Anlagen flexibel. Die Funktionen werden im Netzwerk verteilt, alle Teilnehmer sind über Hierar‐ chie-Ebenen hinweg miteinander vernetzt. Die Kommunikation findet zwischen allen Beteiligten untereinander statt. Das Produkt steht nicht außerhalb, son‐ dern ist Teil des Netzwerkes. Bild 116: alte Welt - Hierarchie-Ebenen neue Welt - Netzwerk [48] 7.4. Fernwartung Ist erst einmal das Wartungskonzept in ein industrielles Netzwerk integriert, ist der Weg zur Fernwartung nicht sehr weit. Beispielsweise erlaubt Profinet über den Web-Server auf die Daten einer Anlage, unabhängig vom Ort, zuzugreifen. Die Mess-signale der Sensoren können online, per Fernwartung erfasst und auch ausgewertet werden, sofern eine Ferndiagnose-Schnittstelle vorhanden ist. Dies schafft die Möglichkeit, kleinere Störungen zu beheben, ohne dass sofort Rei‐ sekosten entstehen. Der komplette Diagnoseablauf, von der Erfassung der Mess‐ werte über die Berechnung und Auswertung, kann so bewerkstelligt werden. Die Ethernet-Technologie schafft somit Möglichkeiten, die Überwachungs- und Wartungsaufgaben bei überschaubaren Kosten als externe Dienstleistung zu vergeben. 170 7. Hinweise zu Planung und Konzeption von vorausschauender Instandhaltung <?page no="172"?> 7.5. Diagnose und Wartung als Dienstleistung Instandhaltung und Wartung extern zu vergeben, bedeutet dennoch, dass der Betreiber einer Pumpenanlage seine Anlagendaten genau kennt. Die kritischen Bereiche, bzw. die Anlagen-Parameter, die überwacht werden sollen, müssen bekannt sein. Auch ist im Vorfeld zu klären, reicht eine regelmäßige, in festen Zeitabständen durchgeführte Inspektion, oder ist eine Online-Überwachung sinnvoll. Ausfallrisiken und Ausfallkosten sind dem Aufwand für die Wartung gegen‐ über-zustellen. Im eigenen Hause entstehende Kosten für Personal und Mess‐ ausrüstung sind ein weiteres Kriterium für die Entscheidung. Kriterien für Wartungs-Option Eigenes Wartungs‐ personal Externe Wartung durch Dienstleister Geschultes Fachpersonal + ++ Planbare Fixkosten + ++ Flexibilität ++ + Modernste Messtechnik + +++ Risikoabschätzung + ++ Zuverlässige, regelmäßige Wartung + ++ Durchführung von kleinen Reparaturen ++ + Tabelle 20: Vergleich: Inhouse-Wartung oder externe Wartung Externe Dienstleister haben im Allgemeinen speziell ausgebildetes Fachpersonal und die dem Stand der Technik entsprechende Messausrüstung. Sowohl Full-Service-Wartung als auch nur einzelne Module bieten die Dienstleister an. Ob nur die Überwachung oder auch komplette Reparaturen beauftragt werden, muss dann im Einzelfall entschieden werden. Der Abschluss eines Wartungs‐ vertrags kann u. U. für kleinere Unternehmen eine passende Lösung sein. 171 7.5. Diagnose und Wartung als Dienstleistung <?page no="174"?> 8. Wirtschaftlichkeit der vorausschauenden und zustandsorientierten Instandhaltung Die Wirtschaftlichkeit von verschiedenen Maßnahmen orientiert sich einerseits an dem Nutzen und den dafür aufgewendeten Kosten. Ausschlaggebend ist aber der Zeitraum des Betriebs der Pumpe von der Inbetriebnahme bis zur Entsor‐ gung. Der Kostenblock Investition macht bei wenigen Pumpensystemen mehr als 10 % der Gesamtkosten aus, bei den meisten eher weniger. Kosten für War‐ tung, Reparatur und Energie überwiegen. Deshalb ist ein störungsfreier, ener‐ gieoptimierter Betrieb umso sinnvoller. 8.1. Optimale Betriebspunkt-Anpassung Die optimale Betriebspunktanpassung ist die einfachste und effektivste Art, En‐ ergie und Kosten einzusparen. Die Schwierigkeit besteht oft darin, die Anla‐ genkennlinie exakt zu ermitteln und folglich den Betriebspunkt festzulegen. Im Betriebspunkt hat die Pumpe den besten Wirkungsgrad, den optimalsten Ener‐ gieverbrauch und wird bezüglich der mechanischen Belastung am schonendsten betrieben. Die einzelnen Möglichkeiten zur Optimierung wurden bereits in Ka‐ pitel 4.1.3. beschrieben. 8.2. Energie-Effizienz Global betrachtet sind mehr als 20 % des Weltenergiebedarfs an elektrischer Energie auf den Betrieb von Pumpensystemen zurückzuführen. Ressourcen zu schonen und der Energieverknappung entgegenzuwirken sind die eine Seite, Kosteneinsparung durch effizienten Pumpenbetrieb eröffnet andererseits große Chancen. Die Effizienz von Pumpensystemen hängt maßgeblich von ihrem Betrieb, d. h. von der Anpassung von Druck und Volumenstrom an den tatsächlichen Be‐ darf ab. Um eine genauere Aussage darüber machen zu können, müssen die verschiedenen Kostenarten des Systems über seinen ganzen Lebenszyklus be‐ trachtet werden. Eine Untersuchung des VDMA ergab, dass die Anschaffungs‐ kosten nur etwa 10 % der Lebenszykluskosten ausmachen, die Energiekosten aber mit mehr als 40 % den größten Kostenanteil ausmachen. <?page no="175"?> Der Einsatz von Energiesparmotoren kann einen guten Beitrag zur Energie‐ einsparung leisten. Die Drehzahlregelung durch Frequenzumrichter kann aber das dreibis fünf-fache an Energieeinsparung ermöglichen. Das größte Ein‐ sparpotential liegt aber in der hydraulischen Optimierung des Pumpsystems. Zur genaueren Abschätzung des Einsparpotentials muss eine Betrachtung der gesamten Anlage erfolgen. Nach Einschätzung des ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Elektro‐ nikindustrie e. V.) liegt das Einsparpotential bei elektromotorisch angetriebenen Systemen folgendermaßen: -Energieoptimierte Motoren: - 10 % -Elektronische Drehzahlregelung: - 30 % -Mechanische Systemoptimierung: - 60 % Energieoptimierte Motoren Zunehmend fällt das Augenmerk auf die Effizienz bzw. den Wirkungsgrad der elektrischen Antriebe. Gemäß der neuen EU-Verordnung EN 60034-30: 2009 werden seit 16.Juni 2011 die Motoren nicht mehr nach der EFF- Klassifizierung bewertet, sondern sind nach IE- Klassen (International Efficiency) unterteilt. Diese Norm schreibt Mindestwirkungsgradklassen ab IE2 für Drehstrommo‐ toren vor. Phasen der EU-Verord‐ nung Nr. 640/ 2009 (50 Hz) der Europäische Union Anforderungen Hinweise Phase 1: Ab dem 16. Juni 2011 Die Motoren müssen die Wirkungs-gradklasse IE2 erfüllen. IE2/ hoher Wirkungsgrad vergleichbar mit EFF1 (europäisches CEMEP-Abkommen) Phase 2: Ab dem 1. Januar 2015 Motoren mit einer Nenn‐ leistung von 7,5 - 375 kW müssen entweder die Wir‐ kungsgradklasse IE3, oder wenn sie mit einem dreh‐ zahlgeregelten Antrieb ausgestattet sind, IE2 er‐ füllen. IE3 / Premium-Wir‐ kungs-grad von der Klasse IE2 abgeleitet mit ca.15 % geringeren Verlusten Phase 3: Ab dem 1. Januar 2017 Motoren mit einer Nennleistung von 0,75 - 375 kW müssen entweder die Wirkungsgradklasse IE3, oder wenn sie mit einem drehzahlgeregelten Antrieb ausge‐ stattet sind, IE2 erfüllen 174 8. Wirtschaftlichkeit der vorausschauenden und zustandsorientierten Instandhaltung <?page no="176"?> Phase 4: Ab dem 1. Juli 2021 Motoren mit einer Nennleistung von 0,75 - 1000 kW müssen die Wirkungsgradklasse IE3 erfüllen Motoren mit einer Nennleistung von 0,12 - 0,74 kW müssen die Wirkungsgradklasse IE2 erfüllen Ab dem 1. Juli 2024 Motoren mit einer Nennleistung von 75 - 200 kW müssen die Wirkungsgradklasse IE4 erfüllen. Tabelle 21: Zeitplan mit Phasen der EU-Verordnung zur Wirkungsgradsteigerung bei Elektro-Motoren [53] Die Entwicklung in Richtung Energieeffizienz bei den Motoren wird weiter‐ gehen. Die neue EU Verordnung sieht weiter vor, dass ab 1.Januar 2015 Dreh‐ strommotoren von 7,5 kW bis 375 kW entweder der höheren Effizienzklasse IE3 entsprechen, oder in der IE2-Variante mit Frequenzumrichter ausgerüstet sein müssen. Ab 1. Januar 2017 betrifft diese Regelung auch Motoren von 0,75 kW bis 7,5 kW. Ab 1. Juli 2021 und ab 1. Juli 2024 tritt Phase 4 in Kraft die Regelung für Motoren von 0,12 kW bis 1000 kW. Technologisch werden diese Anforderungen durch verschiedene Varianten ge‐ löst. • mehr Kupfer in den Motoren • • Motoren mit integriertem Frequenzumrichter • • Synchron-Motoren mit Permanentmagnet • Der Einsatz von energieoptimierten Motoren ist nicht nur aus Energie‐ spar-Gründen sinnvoll. Beim Betrieb von Pumpen, die oft mehrere Jahrzehnte funktionstüchtig sind, ergibt sich außerdem eine erhebliche Kostenersparnis. Je nach Pumpengröße und Betriebsstunden pro Jahr, haben sich solche Pumpen schon nach wenigen Jahren amortisiert. Diesbezüglich sind schon neuartige, drehzahlvariable Asynchron-Motoren mit Display am Markt verfügbar. Der Umrichter ist dabei axial zum Motor auf der Welle montiert und besitzt eine Energiespar-Funktion, sowie eine Betriebs‐ datenerfassung, die gegen Netzausfall abgesichert ist. Die Daten werden bis zu 6 Stunden gespeichert. Weitere Besonderheiten solche Motoren: - Umgebungs-Temperatur bis 50 °C ohne Leistungsreduzierung - - Temperaturüberwachung, vielfältige Schutzfunktionen - - Prozessregelung über U/ f-Kennlinien - - USB-Schnittstelle, über PC, Adapterkabel als Standard - 175 8.2. Energie-Effizienz <?page no="177"?> - Kommunikation via Feldbusanbindung: RS 485, CAN Open, ProfiNet, - ProfiBus, oder OPC-UA - 3-phasig, 200-480 V: Größen: 0,75 kW; 1,5 kW; 2,2 kW; 3,5 kW; 5,5 kW - - 1-phasig, 0-230 V: Größe: 2,2 kW - - Schutzart: IP 55 Standard, optional: IP 65, Zulassungen: CE und UL - Da die effektiveren Motoren weniger Abwärme entwickeln, ist in vielen Fällen kein Lüfterrad notwendig. Auch die Optimierung der elektrischen Wicklung ergibt eine Wirkungsgradverbesserung. Spezielle Kugel-/ Wälzlager (Low-torque-Wälzlager) weisen ein 40-50 % ge‐ ringeres Reibmoment auf. Die geringere Reibung ermöglicht oftmals die Aus‐ wahl eines kleineren Elektromotors. Eine Wirkungsgradverbesserung um 1,5 - 2 % scheint realistisch zu sein. Bild 117: Optimierungsmöglichkeiten am elektrischen Antrieb [42] Ausgehend von Pumpen mit viel effektiveren Motoren, kann weiteres Optimie‐ rungs-potential konstruktiv umgesetzt werden. Untersuchungen ergaben, dass bezüglich der Pumpenhydraulik durchaus noch Potential besteht. Durch Verbesserung der Oberfläche an Laufrad, Druck‐ deckel und Spiralgehäuse kann der Wirkungsgrad noch um einige % erhöht werden. Optimierung von Spaltweite und Entlastungsart leisten einen weiteren Beitrag. Gut ausgewuchtete Laufräder bewirken neben weniger Geräuschentwick‐ lung auch einen geringeren Energieverbrauch. 176 8. Wirtschaftlichkeit der vorausschauenden und zustandsorientierten Instandhaltung <?page no="178"?> Die Reduzierung der Wanddicken bei den Laufrädern bringt eine Gewichts‐ einsparung. Durch das geringere Gewicht wird das Trägheitsmoment Jw redu‐ ziert. Vor allem auch bei häufigem An- / Abschalten sowie Drehzahländerungen bringt dies Einsparung von Energie. Bei den Gleitringdichtungen kann durch Glättung der Berührungsflächen oder Einbringen eines dünnen Schmierfilms zwischen die Flächen, der Rei‐ bungs-widerstand, der in Verlust-Wärme umgewandelt wird, reduziert werden. Noch besser sind diamantbeschichtete Gleitringdichtungen. Die erwartete „Summe“ der Energieeinsparung könnte bei der Komponente Pumpe +/ - 10 % Wirkungsgradverbesserung ergeben. Nach der Betrachtung der Komponente Pumpe soll eine Gesamt-Systembe‐ trachtung des Pumpensystems erfolgen: Grafik 9: Einzelkomponenten eines Pumpensystem - optional [42] Da Pumpen-Systeme oft sehr komplex sein können und unterschiedliche Kom‐ ponenten umfassen, muss bei der Systemanalyse jede Komponente separat be‐ trachtet werden. Jeder Einzelwirkungsgrad bestimmt den Gesamtwirkungsgrad maßgeblich. Eine optimale Anpassung an den Betriebspunkt kann durch das Abdrehen der Laufräder und den Einsatz von Frequenzumrichtern geschehen. Die Prozessoptimierung (Kaskadenschaltung, exakte Definition v. Förder‐ höhe und Durchsatz) bietet unabhängig von der Pumpe hohes Einsparpotential. 177 8.2. Energie-Effizienz <?page no="179"?> Grafik 10: Vergleich Drossel-Regelung mit Drehzahl-Regelung [42] In obiger Grafik ist die Förderleistung bzw. Nutzleistung im Vergleich zur not‐ wendigen elektrischen Leistung dargestellt. Die Nutzleistung wurde hier mit 100 % angesetzt. Vergleicht man die beiden Energiefluss-Diagramme, so wird deutlich, dass das Haupteinsparpotential im Antriebsprozess liegt. Bei der konventionellen Drossel-Regelung muss das 2,85-fache der Förder‐ leistung in Form von elektrischer Energie aufgewendet werden. Die elektroni‐ sche Drehzahl-Regelung fordert hingegen nur das 1,6-fache. Weniger Energieverbrauch des Gesamt-Systems durch zusätzliche Maß‐ nahmen wie optimale Anpassung an den Betriebspunkt, Optimierung von Rohr‐ leitung, Ventilen, Drehzahlregelung durch Frequenzumrichter, sowie Prozess‐ optimierung der Anlage, könnten durchaus 30-35 % System-Wirkungsgradverbesserung bewirken. 8.3. Lebenszykluskosten Um die Kosten von Pumpen näher analysieren zu können, ist es notwendig, eine Gesamtkostenbetrachtung durchzuführen. Diese Betrachtung beinhaltet die Be‐ rechnung der sogenannten „Lebenszykluskosten“. 178 8. Wirtschaftlichkeit der vorausschauenden und zustandsorientierten Instandhaltung <?page no="180"?> Diese Aspekte von TCO (Total Cost of Ownership) und LCC (Life Cycle Cost) rücken bei der Betrachtung der Standzeit einer Pumpen-Anlage in den Vorder‐ grund. Dem erklärten Ziel von vielen Betreibern, Pumpen-Anlagen zu kaufen, bei denen die gesamten Kosten, von der Anschaffung über die Betriebskosten bis hin zur Verwertung über einen Zeitraum von 20 - 30 Jahren genau definiert werden können, wird damit Rechnung getragen. In diesen Lebenszykluskosten (LCC) sind auch die Kosten für Instandhaltung, Reparaturen und vor allem der Verfügbarkeit der Anlage, bzw. die Kosten für den Ausfall bei Stillstand der An‐ lage enthalten. D.h. im Rahmen der TCO-Betrachtung geht der Wert für die höhere Standzeit direkt in die Wirtschaftlichkeitsberechnung mit ein. Die Mehrinvestition in qualitativ hochwertige Pumpen mit speziellen Be‐ schichtungen, energiesparenden Motoren oder intelligenten Regelungen, ist in den allermeisten Fällen sehr viel wirtschaftlicher, als der Verzicht darauf. Die Kosten für Reparaturen und Ausfall der Pumpenanlagen sind sehr viel höher. Die Lebenszykluskosten [ LCC - Life Cycle Costs] setzen sich in der Summe folgendermaßen zusammen: LCC = Summe aus: 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 Die Hauptkostenfaktoren ergeben sich aus: Anschaffungskosten, Instandhaltung, Energiekosten, sonstige Kosten 179 8.3. Lebenszykluskosten <?page no="181"?> Diagramm 28: Kostenaufteilung bei Pumpen Bei Betrachtung der Kostenanteile ist unübersehbar, dass auf Instandhaltung und Energieverbrauch das Hauptaugenmerk gerichtet werden muss. Lösungen dazu sind: Verschleißschutz zur Reduzierung der Instandhaltung und Reparatur, Optimierung des Energieverbrauchs durch Frequenzumrichter, hydraulische Optimierung des Systems, sowie energieoptimierte Motoren. 8.3.1. Anschaffungskosten Da die Anschaffungskosten bei der LCC-Betrachtung nur mit rund 10 % zu Buche schlagen, ist der Anschaffungspreis weniger relevant als die übrigen Kosten. Fällt also eine kostengünstige Pumpe nach 2 Jahren aus und muss ersetzt werden, sind keine Kosten gespart im Vergleich zu einer Pumpe, die 15 Jahre in Betrieb ist. Die Wirtschaftlichkeit lässt sich mit bereits verfügbarer LCC-Soft‐ ware verschiedener Anbieter berechnen, um einen Vergleich einzelner Pum‐ penvarianten durchzuführen. Der Kaufpreis einer Pumpe muss also immer den übrigen Kosten gegenübergestellt werden, insbesondere den Kosten für Energie und Instandhaltung. 8.3.2. Energiekosten Im Vergleich zu den Anschaffungskosten, die einmalig als Fixbetrag (incl. Ab‐ zinsung) anfallen, sind die Energiekosten sehr dynamisch. Obwohl auch Energiekosten Schwankungen unterworfen sind, war und ist die Tendenz aber immer steigend. Bei einem Anteil der Energiekosten von ca. 45 % der LCC ist dies der kritischste Faktor, dessen Teuerungsrate nur sehr schwer abschätzbar ist. Energie zu sparen durch Anlagenoptimierung, energie‐ sparende Motoren oder elektrische Drehzahlregelung ist deshalb in jedem Fall wirtschaftlich. Die Amortisationszeiten reichen hier von einigen Monaten bis zu einigen wenigen Jahren. 180 8. Wirtschaftlichkeit der vorausschauenden und zustandsorientierten Instandhaltung <?page no="182"?> Im Folgenden wird dies an zwei konkreten Beispielen dargestellt: Prozesspumpen, Beispiel 1: Vor der Optimierung Nach der Optimierung Regelung: Bypass + Drosselventil Frequenzumrichter Überdimensionierte Pumpe, 18,5 kW Energieeffiziente Pumpe, 1,5 kW Stromverbrauch: 57 000 kWh Stromverbrauch: 5 590 kWh Investition: 3 800,- € Stromkosten: 6840,- € Stromkosten: 670,- € Senkung des Stromverbrauchs: 51 410 kWh/ Jahr Kostensenkung: 6 170,- €/ Jahr (bei Stromkosten von 12 cent/ kWh) CO 2 - Reduzierung: 33 t/ Jahr (bei deutschem Strommix: 633 g CO 2 / kWh) Amortisationszeit: < 1 Jahr Tabelle 22: Kosten- und CO 2 -Einsparung bei einer Pumpenanlage Prozesspumpen (27 Pumpensysteme, ca. 2 500 Pumpen), Beispiel 2: Vor der Optimierung Nach der Optimierung Regelung: Bypass + Drosselventil Frequenzumrichter Überdimensionierte Pumpen Energieeffiziente Pumpen/ IE2-Motoren Stromverbrauch: 2 305 000 kWh Stromverbrauch: 1 678 530 kWh Investition: 111 530,- € Stromkosten: 276 600,- € Stromkosten: 201 424,- € Senkung des Stromverbrauchs: 626 470 kWh/ Jahr Kostensenkung: 75 180,- €/ Jahr (bei Stromkosten von 12 cent/ kWh) CO 2 - Reduzierung: 400 t/ Jahr (bei deutschem Strommix: 633 g CO 2 / kWh) Amortisationszeit: ca. 1,5 Jahre [7] Tabelle 23: Kosten- und CO 2 -Einsparung bei mehreren Pumpensystemen 181 8.3. Lebenszykluskosten <?page no="183"?> Durch den Ersatz der Drossel-Regelung oder der Bypass-Regelung durch eine Drehzahl-Regelung mit Frequenzumrichter, kann der Wirkungsgrad der Pumpen um einige Prozent gesteigert werden. 8.3.3. Wartung und Reparatur Qualitativ gute Pumpen haben zwar gegebenenfalls einen höheren Preis, sind aber meist wartungsfrei und wenig reparaturanfällig. Regelmäßige Wartung gemäß dem entsprechenden Wartungsplan hilft aber die Gesamtkosten zu mi‐ nimieren. Vor allem bei kritischen oder komplexen Anlagen ist eine voraus‐ schauende Instandhaltung zu empfehlen. Geeignete Zustandsüberwa‐ chungs-Systeme (Condition Monitoring) sind bereits am Markt verfügbar. Damit lassen sich Störungen, die letztendlich Kosten bedeuten vermeiden. Auch hier kann mittels LCC-Software die Wirtschaftlichkeit bzw. die Amortisations‐ dauer errechnet werden. 8.3.4. Sonstige Kosten Ein weiteres Zehntel der Gesamtkosten kann unter dem Faktor „sonstige Kosten“ zusammengefasst werden. Kosten für Einrichtung/ Inbetriebnahme, Be‐ triebs- und Umweltkosten sowie Kosten für Produktionsverlust bei Störungen. Ein installiertes Zustandsüberwachungssystem, das hilft Störungen mit da‐ rauffolgen-dem Produktionsausfall zu vermeiden, hat sich in den meisten Fällen sehr schnell amortisiert. Kosten für Stilllegung und Entsorgung wirken sich bei einer langen Lebensdauer einer Pumpe nicht so sehr aus. Umso mehr aber bei kurzer Lebensdauer. 8.3.5. Software zur LCC-Berechnung Am Markt sind bereits verschiedene Softwaresysteme zur LCC-Berechnung verfügbar. • Wälzlager: • http: / / bearinx-online-easy-friction.schaeffler.com • Anlagen: • www.world-class-manufacturing.com • Pumpensysteme: • www.system-energieeffizienz.de • Pumpen/ elektr. Antriebe: • www.zvei.org/ Lebenszykluskosten Der Lebenszykluskostenrechner für Pumpen ermöglicht, die Systeme, auch mit unterschiedlichen Last- und Leistungsprofilen zu vergleichen. Es können die verschiedene Betriebsparameter für die Berechnung verschiedener Pumpensys‐ 182 8. Wirtschaftlichkeit der vorausschauenden und zustandsorientierten Instandhaltung <?page no="184"?> teme eingegeben werden. Das Berechnungsergebnis ist ein Kosten-Wert, der die Lebenszykluskosten der Systeme vergleichen lässt, um das günstigste auszu‐ wählen. In den meisten Fällen wird nicht das System mit den günstigsten In‐ vestitionskosten das kostengünstigste sein, sondern das System mit den nied‐ rigsten Energie- und Instandhaltungskosten. 8.3.6. Zusammenfassende Betrachtung der LCC Kosten für Instandhaltung und Energie machen zusammen ca. 80 % der Ge‐ samt-kosten aus. Wartungsarme Pumpensysteme, die meist in der Anschaffung teurer sind aber höheren Qualitätsstandards entsprechen, zahlen sich ganz si‐ cher aus. Energiesparende Maßnahmen zu treffen, vor allem bei Pumpen im Dauerbetrieb, gehört mit zu der effektivsten Systemoptimierung. Die Kosten für Energie und Material werden in den nächsten Jahren definitiv steigen. Einerseits fließen die Energiekosten direkt in die Kosten für den Betrieb einer Pumpen-Anlage pro Betriebsstunde bzw. pro Jahr mit ein. Da aber die Material-verarbeitung, beispielsweise eines Gussgehäuses oder die Kupferwick‐ lung eines Elektromotors ebenfalls Energie verbrauchen, wirken sich steigende Energiekosten auch auf die Herstellkosten und somit gleich mehrfach negativ aus. Umso mehr wird, was bei anderen Produkten bereits als Kennwert gilt, die sogenannte „pay back time“ in den Vordergrund rücken. Das bedeutet, der Zeit‐ raum, in dem sich eine verbesserte Pumpenanlage amortisiert. Allein durch die zunehmende Materialverknappung werden die Materialpreise steigen. Die Kosten, die von den Energiekosten abhängig sind wie Förderung, Transport und Verarbeitung, kommen hinzu. Recyclingfähige Produkte, mit wiederverwert‐ baren Materialien, werden an Bedeutung gewinnen. Je recyclingfähiger eine Pumpe ist, desto höher wird ihr Restwertsein zum Zeitpunkt der Entsorgung sein. Das bedeutet, beim Kaufpreis einer Pumpe wird zunehmend der Recyc‐ lingwert Berücksichtigung finden. 8.4. Kostensteigerung und Materialverknappung Schäden und Verschleiß sind immer verbunden mit Materialverbrauch, Kosten und schlussendlich mit Energieverbrauch. Deshalb ist auch hier eine ganzheit‐ liche Betrachtungsweise angebracht. Zunehmend werden Materialien, die wie‐ derverwert-bar sind eingesetzt werden. Energiekosten werden immer stärker die Gestaltung der Produkte beeinflussen. 183 8.4. Kostensteigerung und Materialverknappung <?page no="185"?> 8.4.1. Energiekosten-Steigerung In den letzten Jahren sind die Energiekosten kontinuierlich angestiegen. Die stagnierende bzw. abnehmende Rohölförderung deutet auf eine Verknappung der Ölreserven hin. Im Jahre 2008, einem Jahr mit sehr hohem Wirtschafts‐ wachstum, stiegen die Energiepreise in nie dagewesene Höhen, der Rohölpreis lag im Juni 2008 bei 140 US $ pro Barrel. Nach einem Rückgang in Jahre 2009 wurde der Spitzenwert in 2011 wieder nahezu erreicht. Quelle: TESCON, www.tescon.de, 2020 Diagramm 29: Durchschnittlicher Jahresölpreis in US$ pro Barrel Diagramm 30: Weltweit abnehmende Förderung von Öl und Flüssiggasen [Peak Oil] 184 8. Wirtschaftlichkeit der vorausschauenden und zustandsorientierten Instandhaltung <?page no="186"?> Wissenschaftler der Vereinigung „Association for the study of Peak Oil“ rechnen zukünftig mit einer stark rückläufigen Rohöl-Förderung. Demzufolge werden die Energiepreise kontinuierlich ansteigen und direkt die Produktionskosten, auch bei Pumpen, beeinflussen. 8.4.2. Materialkosten Die Materialkosten bilden im produzierenden Gewerbe mit mehr als 45 % noch vor den Personalkosten, den größten Kostenblock. Während die Arbeitspro‐ duktivität seit 1960 um den Faktor 3,5 gesteigert werden konnte, blieb die Ent‐ wicklung der Materialproduktivität weit zurück (Faktor 2). Studien haben ge‐ zeigt, dass eine 20%ige Steigerung der Materialeffizienz bis zum Jahre 2015 realisierbar erscheint. [6] Da die Materialkosten unmittelbar mit Kosten für Transport, Energie und Entsorgung verbunden sind, ist das Einsparpotential hier bei einer Verbesserung der Material-effizienz sehr hoch. (Grafik: Statistisches Bundesamt, 2010) Diagramm 31: Kostenstruktur im Produzierenden Gewerbe, [www.demea.de] Material effizient einsetzten bedeutet, sowohl bei der Herstellung der Produkte den Ausschuss und Verschnitt zu minimieren, als auch das fertige Produkt hin‐ sichtlich des Materialeinsatzes zu optimieren. Moderne Computer-Simulations‐ 185 8.4. Kostensteigerung und Materialverknappung <?page no="187"?> werkzeuge bieten hier vielfältige Möglichkeiten um beispielsweise Wanddicken zu reduzieren. Fertigungsmethoden und Produkt-Design müssen dem optimierten Materi‐ aleinsatz angepasst werden. Diagramm 32: Kostenanteile Material und Personal [Quelle: RKW Kompetenzzentrum] Im Vergleich zu den Kosten für Personal sind die Kosten für Material in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen. Einerseits gibt es hier Einsparpotential, andererseits ist es aber umso wichtiger, den Materialeinsatz so zu gestalten, dass die Produkte bzw. Pumpen möglichst lange ohne Störung und Verschleiß funk‐ tionsfähig sind. Um aber Schäden an Pumpen zu minimieren, sind hochwertige, verschleiß‐ feste Materialien empfehlenswert. Da über die Lebensdauer der Pumpe be‐ trachtet, die Anschaffungskosten den kleineren Anteil ausmachen, ist die In‐ vestition in eine hochwertige, langlebige und wartungsarme Pumpe lohnenswert. 186 8. Wirtschaftlichkeit der vorausschauenden und zustandsorientierten Instandhaltung <?page no="188"?> 8.4.3. Recycling - Materialrückgewinnung Steigende Energie und Materialpreise werden zukünftig mehr und mehr die Art und die Ausführung der Pumpen und Systeme bestimmen. Konsequenterweise werden Pumpenbauteile aus den Metallen wie Stahl, Kupfer und Aluminium langlebig und recyclingfähig sein müssen. Nach der Entsorgung werden sie sorgfältig in ihre Einzelteile zerlegt und wiederverwertet werden. Auch die Komponenten der Elektromotoren werden, in Einzelteile zer‐ legt, wiederverwendet werden. Bauteile aus Kunststoff werden nur wettbewerbsfähig sein, wenn sie ent‐ weder sehr kostengünstig herstellbar und entsorgbar sind, oder voll recycling‐ fähig. Die Materialverknappung wird dazu führen, dass eine Standzeiterhöhung noch mehr wie bisher bares Geld bedeutet. Den Produktionsausfall durch ein gut funktionierendes Pumpensystem zu vermeiden, wird zu noch höheren Kosten-einsparungen wie bisher führen. 187 8.4. Kostensteigerung und Materialverknappung <?page no="190"?> 9. 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[Bild 91,92,93,94,95,96,100,101,102,103], Hastrich, H.P.; Dr.Sibaei+Hastrich Ingenieur-ge‐ sellschaft b.R., Holzkirchen. [Bild 104], Steins, D; Betriebskosten senken mit Energiesparmotoren; Deutsches Kupferinstitut, Düsseldorf, 2011. [Grafik 1], Merkle, T. [Grafik 2], Schmalenberger GmbH + Co. KG (Tagliavia G.) [Grafik 5], Schmalenberger GmbH + Co. KG (Hausmann, M.) [Grafik 7,8], Schmalenberger GmbH + Co. KG (Przibylla, R.) [Tabellen 1,2,3,4,5,6,7,13,16,17,19,20,21,22,23] ; Merkle, T. [Diagramm 25,26], Piesslinger-Schwaiger, S., H. Zahel; Höhere Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl durch Polinox Protect und Polinox Protect TC; Poligrat AG, München, 2011 [Diagramm 19], Schmalenberger GmbH + Co. KG (S. Hack) Nicht gekennzeichnete Bilder, Grafiken, Diagramme, Tabellen: Schmalenberger GmbH + Co.KG 192 9. Literaturverzeichnis <?page no="194"?> 10. Verwendete Formelzeichen und Einheiten Zeichen H Förderhöhe H stat statischer Förderhöhenanteil (Anlage) H dyn dynamischer Förderhöhenanteil (Anlage) J W Trägheitsmoment η Wirkungsgrad P Förderleistung Re Reynoldszahl Q Fördermenge V Strömungsgeschwindigkeit p1 Druck im Eintrittsquerschnitt der Anlage p amb Luftdruck p v Dampfdruck des Fördermediums n Drehzahl n q spezifische Drehzahl v 1 = Durchflussgeschwindigkeit im Eintrittsquerschnitt der Anlage ν kinematische Viskosität (Nü) z s geodätische Höhe bezogen auf das Bezugsniveau ρ Dichte des Fördermediums g örtliche Fallbeschleunigung <?page no="195"?> Einheiten A Stromstärke 1/ min Drehzahl bar Druck °C Temperatur f Frequenz (Hz) HV Härte in Vickers K Einheit für Temperaturdifferenz kg/ m³ Feststoffanteil kg/ l Feststoffanteil kW Leistung / Motorleistung mg/ l Cl-Ionenanteil m/ s Strömungsgeschwindigkeit m/ s² Erdbeschleunigung (9,81 m/ s²) N/ mm² Zugspannung (E-Modul) μm Schichtdicke m³/ h Durchfluß/ Volumenstrom V Volt 194 10. Verwendete Formelzeichen und Einheiten <?page no="196"?> Register Abdrehkurven 89 Abrasion 37, 45, 124 Anlagen-Kennlinie 75, 77, 81 Anorganische Schichten 121 Bentonit 38 Bernoulli 109 Betriebspunkt 73, 75, 80 Blankglühen 120 Bürsten 120 Bus-Systeme 167 Bypass-Regelung 28, 88, 182 CFD - Computational Fluid Dynamics 65, 109, 112 Condition Monitoring 99 Contracting 104, 107 Datentransfer 167 Diagnose-Systeme 166 Diamant ähnliche Schichten 143 Digitalisierung 168 Drahtnadel 120 Drehstrom 16 Drehzahl 19, 70 Drehzahlmessung 70 Drehzahlregelung 14, 31, 80, 85, 178 Drosselkurve 75, 91 Drosselregelung 30, 85, 88 Druckmessung 70 Druckverlust 13f., 111, 113 Elektrische Antriebe 24 Energie-Effizienz 173 Energiegleichung 95 ETFE 123 Ethernet 167 Fehlermanagement 102 Feldbus 167 Fernwartung 170 Feststoffpartikel 33, 36 Flammstrahlen 120 Förderhöhe 74 Fördermenge 73 Fremdkörper 33 Frequenzanalyse 71, 157 Frequenzumrichter 80, 82, 85, 174, 178 Geräuschentwicklung 61 Gleichstrom 15 Gleitringdichtungen 52-57 Gleitwerkstoffe 54f. Grenzschicht 110 Grenzwertermittlung 152 Gummierungen 134 Gusseisenwerkstoffe 135 Haifischhautoberfläche 41 Haltedruckhöhe 95 Hartguss 135 Hohlsog 93 Implosion 93 Inducer 149 Industrie 4.0 168 Instandhaltung 165, 173 Karbide 54f., 136 Kaskadenschaltung 82 Kavitation 50, 61, 92, 94f. Kohlenstoffschichten 142 Kommunizierende Pumpen 169 Kondensationsverfahren 121 Korrosion 45, 47, 59 Korrosionsschutz 119, 124 Lackwasser 67 Laminare Strömung 109 Laserauftragsschweißen 140 <?page no="197"?> LCC, Life cycle costs 179 Lochfraß 47, 126 Magnetkupplungen 22 Maschinendiagnosen 154, 165 Meerwasser 47, 126 Motoren 25, 174 Nitrieren 137 Nitrocarburieren 138 NPSH-Wert 95 Oberflächenvergütung 136 Oberflächenvorbereitung 120 OPC-UA-Bus 169 Organische Schichten 121 Parallelschaltung von Pumpen 76 Passivschicht 47, 125 PFA 123 pH-Wert 47 Plasmanitrieren 138 Pourbaix-Diagramm 47 Profibus 167 Profinet 167 Pumpenauswahlprogramme 73, 77 Pumpenturbine 19 Q-H-Kennlinie 74, 79 Regelungsarten 28 Reihenschaltung von Pumpen 76 Resonanzgeräusche 62 Reynoldszahl 13 Rohrleitungsverluste 110 Schaben 120 Schadensanalyse 129, 151 Schadensbilder 57 Schichtkavitation 94 Schleifen 120 Schleifsand 46 Schwingungsanalyse 71, 157, 161 Schwingungsmessung 69, 154 Siliziumkarbid 54 Slurry 38 Spaltrohrmotorpumpen 23 Sperrkammer 97 Stern-Dreieck-Schaltung 27 Strahlen 120 Strommessung 71, 103 Strömungssimulation 65, 112, 114, 130 Strömungsverluste 75, 80, 109 TCO, Total cost of ownership 179 Telemetrie 155, 160 Temperaturmessung 69, 156 Thermoelementen 69 Trendanalyse 157 Trockenlauf 59 Trockenlaufschutz 97 Turbulente Strömung 109 Überlastung 35 Undichtigkeit 61 Unwucht 176 Ursachen von Verschleiß 61 Verdampfungskeime 93 Verluste 80, 109 Verschleiß 37, 119, 128 Verschleißsimulation 114 Viskosität 73, 91 Volumenstrom 74 Volumenstromanpassung 82 Wälzlager 176, 182 Wechselstrom 15 Weißes Gusseisen 135 Wirtschaftlichkeit 173 Wolframkarbid 54 Wolkenkavitation 94 Zustandsüberwachung 100, 152, 166, 170 196 Register <?page no="198"?> ISBN 978-3-8169-3507-0 Hier erhalten Planer, Anlagenbauer und Betreiber wichtige Informationen zum Betrieb von Kreiselpumpen und darüber, wie sich Schäden an Pumpen und Pumpensystemen minimieren oder vermeiden lassen. Das Buch vermittelt Hinweise und Vorschläge für Maßnahmen zu Fehlervermeidung, Fehlererkennung (Überwachung) und Fehlermanagement. Anhand von praktischen Beispielen werden Schadensmechanismen und Zusammenhänge aufgezeigt und bewertet. Der Autor zeigt auch, dass eine vorausschauende Instandhaltung in wirtschaftlich interessantem Rahmen möglich ist. Der Inhalt Grundlagen zur Förderung verschleißbehafteter Medien - Messtechnische Erfassung von Störungen und Verschleiß - Vorbeugung vor Kavitation und Verschleiß - Maßnahmen an Bauteilen zur Reduzierung von Verschleiß - Mobile und stationäre Schadensüberwachung - Hinweise zu Planung und Konzeption von vorausschauender Instandhaltung - Wirtschaftlichkeit der vorausschauenden Instandhaltung - Energieeinsparung und Lebenszykluskosten (LCC) Die Zielgruppe Planer, Anlagenbauer und Betreiber von Anlagen zur Förderung verschleißbehafteter Flüssigkeiten mit Feststoffen, Maschinenhersteller, Fachleute im Bereich Instandhaltung, Studierende der Fachbereiche Maschinenbau und Verfahrenstechnik Der Autor Dipl.-Ing. (FH) Thomas Merkle, M.Eng., verfügt über jahrzehntelange Erfahrungen in den Bereichen Strömungstechnik und Energietechnik - von Entwicklung und Konstruktion bis hin zu Planung und Betrieb von Pumpen und Pumpensystemen. Seit nahezu 20 Jahren arbeitet er in leitender Position eines Industrieunternehmens in der Pumpenbranche. Im Rahmen dieser Tätigkeit wurden zahlreiche Untersuchungen zum Thema »Pumpenverschleiß« und »Effizienzsteigerung« durchgeführt und Lösungen erarbeitet.