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Innovative Verbundwerkstoffe schonen Energie und Finanzen

Stark im Team

von Dipl.–Ing. Martin Swierczek

Die Themen Energieeinsparung und Lebensdauer sind für Unter­nehmen der chemischen und petrochemischen Industrie im Hinblick auf umwelttechnische Aspekte nicht nur wichtig, sondern auch bares Geld wert. Neben dem Energieverbrauch von Pumpenanlagen in Chemie­werken und Raffinerien wird auch den Standzeiten der Anlagen­ immer größere Beachtung geschenkt. Daher forscht die Industrie­ nach immer neuen Werkstoffen und Technologien, da sich Energieeinsparungen von bereits 1% für die Anlagenbetreiber rechnen­ können. Mit Spalt- und Laufringen sowie Lager aus Hochleistungsverbundwerkstoffen ist es möglich, den Wirkungsgrad von Pumpen um mehrere Prozent zu erhöhen und die Standzeiten um ein Vielfaches zu verlängern.

Definition Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe sind eine Mischung aus zwei oder mehr Komponenten: üblicherweise Fasern (Füllstoff) und ein Polymer (Matrix).

// Fasern sind zwar sehr beanspruchbar, können aber allein nicht eingesetzt werden.

// Polymere haben ebenfalls nicht die notwendigen physikalischen Eigenschaften, um als stabiles Verschleißteil verwendet werden zu können.

Durch den Verbund von Fasern und einem Polymer wird ein Material mit einzigartigen Eigenschaften erzeugt, welche die einzelnen Komponenten allein nicht haben.

Das Polymer (Matrix) verbindet die Fasern so miteinander, dass eine Last auf das ganze­ Fasernetz verteilt wird. Die Fasern geben der Matrix Festigkeit und sorgen dafür­, dass Wärme abgeleitet wird.

Kunststoffe sind viskoelastisch (ein Material­, das auf eine Deformation viskos und elastisch reagiert), sie brauchen einen Füllstoff, damit die Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen verbessert wird und um eine allmähliche Verformung aufgrund der viskosen­ Natur des Materials zu verhinder­n.

Überlegene Leistung

Verbundwerkstoffe, die aus mit Karbon­fasern verstärkten Thermoplastmaterialien bestehen, sorgen für eine Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit, die durch Verschleißteile aus Metall nicht erreicht werden.

Die Bezeichnung WR steht für Wear Resistan­t (verschleißfest) und bezieht sich auf den niedrigen Reibungskoeffizienten und die nicht scheuernden, nicht fressenden Eigenschaften des Materials.

Bei einem richtigen Einsatz der WR-Materialien­ können Pumpen sicher bei Spielwerten betrieben werden, die nur halb so groß wie die vom API (Amerikanisches­ Petrochemieinstitut) empfohlenen Werte für Metallverschleißringe. Ein geringeres Spiel der Schleiß-/Laufringen verringert die Leckage zwischen den Pumpstadien und die interne Rückführung, somit wird der Pumpenwirkungsgrad erhöht.

Verbundwerkstoffe wurden erstmals in der Spezifikation API 610, neunte Ausgabe veröffentlicht. Diese Norm erkennt die Ver­besserungsmöglichkeit und weist auf diese Werkstoffe auf Polymerbasis als eine Alternative zu Verschleißmaterialien aus Metall hin, um die Pumpeneffizienz bei geeigneten­ Anwendungen zu verbessern.

WR-Werkstoffe und ihre Eigenschaften

// WR-Verbundwerkstoff aus kurzen Kohle­fasern und PEEK™ (Polyethetether­keton). Dieses Material wurde gezielt für Anwendungen in der Pumpenindus­trie entwickelt und wird hauptsächlich für Anwendungen mit eingepressten Teilen verwendet (Gehäuseverschleißringe, Lager, frei bewegliche Komponenten). Der radiale thermische Volumen­ausdehnungskoeffizient ist ca. 2,5-mal größer als der von Kohlenstoffstahl und wird für Temperaturen bis zu 135 °C empfohlen (Abb.?1).

// WR-Verbundwerkstoff aus langen, endlosen, mit PEEK™ umhüllten Kohlefasern wird über ein Wickelverfahren gefertigt und eignet sich daher ideal für rotations­symmetrische Teile in Pumpen­. Dieser Verbundwerkstoff wird auch für Anwendungen zum Einpressen und Aufschrumpfen verwendet (Laufradverschleißringe, Gehäuseringe, Lager, frei bewegliche und zweiteilige Komponenten). Die physikalischen Eigen­schaften in Richtung der Faserwindungen sind mit denen von Stahl vergleichbar. Der radiale thermische Volumenausdehnungskoeffizient ist ca. halb so groß wie der von Kohlenstoffstahl und wird für Temperaturen bis zu 274 °C empfohlen (Abb.2).

// WR-Verbundwerkstoff aus bidirektional angeordnetem Kohlefasergewebe in einer­ Polymere-Matrix. Aufgrund seiner Faserausrichtung eignet sich dieser Werkstoff ideal für alle Arten von axialen­ Lagern in Pumpen (Abb.3).

Die vorgenannten Hochleistungsverbundwerkstoffe vereinen neben den oben genannten spezifischen Merkmalen die folgenden Materialeigenschaften:

// Hervorragende tribologische Eigenschaften

// Abriebfest, kein „Festfressen“ mit ­rotierenden Stahlteilen

// Gute Notlaufeigenschaften

// Hohe mechanische Festigkeiten

// Unempfindlich gegen Schläge und Stoßbelastungen

// Breite chemische Beständigkeit

// Exzellente Hydrolyse- und ­Korrosionsbeständigkeit

Typische Anwendungen

Durch die Verbiegung der Welle bei ­fliegend gelagerten Pumpen kommt es häufig zu einem vorzeitigen Dichtungs- und Lagerverschleiß. Die Radiallager ver­sagen infolge der durch die Verbiegung erzeugten Spannung, während die Gleitringdichtungen verschlissen werden. Diese Probleme können durch eine Verringerung des Spiels zwischen Laufring und Spaltring durch WR-Produkte gelöst werden. Da dieses­ Material nicht verschleißt und nicht frisst, beschädigt es auch in solchen kritischen­ Anwendungen keine Metallteile.

Vertikale Pumpen erfordern ein geringes Lagerspiel, um seitliche Belastungen zu minimie­ren und hydraulisch verursachte Schläge und Vibrationen an der Welle aufzufangen. Durch den Einsatz der Hoch­leistungsverbundwerkstoffe können Betreiber ihre Pumpen mit verringertem Spiel betreiben und so ihre Leistungsfähigkeit beachtlich steigern.

Bei horizontalen Pumpen in normalen Betriebs­bedingungen unterstützt der Druckunterschied in Ringen und Gleit­lagern die Zentrierung der Welle. Infolge von Störeinflüssen, wie z.B. einem Saugdruckverlust kann es zu Kavitation bei der Inbetriebnahme kommen. Hierbei kommt es zu einer Berührung der Laufoberflächen, die zu Verschleiß oder auch Fressen der Pumpenteile führt. Die Lagerteile aus Verbundwerkstoff bieten Festigkeitswerte wie die von Metall, können aber durch ihre Abriebs­festigkeit auch unter extremen Bedingung­en, die sonst zu einem Ausfall der Pumpe führen würden, betrieben werden­ (Abb.4).

Andere Anwendungen

Spalttopf aus Xycomp®-Verbundwerkstoff.Bei magnetisch angetriebenen Pumpen gehen­ bis zu 10 % der Energie als Wärme aufgrund von Wirbelströmen verloren. Wird eine Pumpe mit einem Spalttopf aus Xycomp®-Verbundwerkstoff betrieben, benötigt diese weniger Energie, da die ­Übertragung der Magnetkraft praktisch ­wirbelstromfrei verläuft.

Der Spalttopf aus Xycomp® funktioniert als Dichtungselement der Magnetkupplung und dichtet den inneren Rotor gegen den äußeren Rotor hermetisch ab. Betreiber von Pumpen/Mischern mit Magnetkupplungen verbessern die Drehmomentübertragung und somit die Produktivität und schützen die Umwelt (Abb.5).

Erfahrene Ingenieure bei Werkstoffher­stellern, Endanwendern und Pumpen OEMs auf der ganzen Welt arbeiten eng zusammen, um die bestmöglichen Lösungen­ mit Hochleistungsverbund­werkstoffen für jede Anwendung zu finden.­

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