Technologie der Nippelabdichtungen von Kreiselpumpen: Vergleich von Einzel-, Doppel- und Kartuschen-Systemen

1. Einleitung

Die Effizienz und Zuverlässigkeit der Betriebsführung von Kreiselpumpen auf industriellen Unternehmen in der Ukraine hängt kritisch vom Zustand der Wellendichtungen ab. Die Ausfluss des Arbeitsmediums durch Gleitringdichtungen oder veraltete Konstruktionen führt zu Notstopp, ökologischen Strafen und erheblichen Produktivitätsverlusten. Laut den Daten unserer ingenieurtechnischen Praxis bei UNITEC-D GmbH sind über 40 % der außerplanmäßigen Wartungen von Pumpenanlagen in der chemischen, metallurgischen und energieversorgenden Branche direkt mit dem Ausfall der axialen Dichtungen zusammenhängend. Die richtige Wahl der Konstruktion – einfach, doppelt oder Kartuschen – bestimmt den MTBF-Wert (mittlerer Ausfallabstand), der bei modernen Systemen über 25.000 Stunden kontinuierlicher Betriebszeit liegen muss.

2. Grundlegende Prinzipien

Die Funktion des axialen Dichtungsringes basiert auf der Schaffung eines dichten Kontakts zwischen zwei sich relativ zueinander drehenden ebene Flächen. Eine Paarung der Gleitflächen ist am Wellenansatz (rotierender ringförmiger Element) befestigt, die andere Paarung im Pumpengehäuse (feststehender Ring, stationärer Ring). Die Dichtheit wird durch das axial wirkende Kraftmoment erreicht, das durch den Federblock und den hydraulischen Druck des Mediums erzeugt wird.

Der wichtigste physikalische Prozess ist die Bildung einer Flüssigkeitsmikroschicht zwischen den Reibflächen (Face Gap). Die Dicke dieser Schicht beträgt normalerweise zwischen 0,5 und 3 Mikrometern. Wenn die Schicht zu dünn ist, tritt trockenes Reiben, thermisches Überlasten und die Zerstörung von Siliciumkarbid oder Kohlenstoffgraphit auf. Wenn die Schicht zu dick ist, steigt der volumetrische Durchfluss des Mediums. Die Berechnung der Reibparameter basiert auf dem hydrodynamischen Lastkoeffizienten ($K$), der gemäß der Formel bestimmt wird:

K = (P_3 - P_b) / (P_s - P_b)

$P_3$ — der Druck in der Dichtkammer, $P_b$ — der Reibflächen-Druck (Ausgleich), $P_s$ — der Umgebungsdruck.

3. Technische Spezifikationen und Standards

Das Entwerfen und Herstellen von Nuten ist durch internationale und nationale Normen geregelt, die Austauschbarkeit und Sicherheit gewährleisten:

• ISO 2858 — Axiale Abmessungen und nominelle Kennwerte für axial eingeleitete Kreiselpumpen (Klasse PN 16).
• ISO 21049 / API 682 — Technische Bedingungen für Wellendichtsysteme von Kreiselpumpen und Rotationspumpen. Definiert die Konstruktionsklassifizierung (Kategorien 1, 2, 3) und die Typen der Reinigungspläne (Plan 11, 32, 53A usw.).
• DIN 24960 — Deutscher Normen für Maße und Klassifizierung von festen und rotierenden Ringen.
• DSTU ISO 5199 — Technische Anforderungen an Kreiselpumpen. Klasse II.
• DSTU EN 809 — Pumpen und Pumpaggregate für Flüssigkeiten. Allgemeine Sicherheitsanforderungen.

Zertifizierung gemäß den Normen CE und UkrSEPRO ist für den Lieferung von Ausrüstung auf den ukrainischen Markt obligatorisch, was die Einhaltung der Sicherheitsvorschriften der Normen NPB 0.00-1.59-18 gewährleistet.

4. Auswahl und Anpassung: Einzelkanal-, Doppelkanal- und Kartuschen-Systeme

Der ingenieurtechnische Auslegung von Dichtungen basiert auf den physikalisch-chemischen Eigenschaften des zu pumpenden Mediums (Temperatur, Viskosität, Toxizität, Anwesenheit von abrasivem Material), sowie auf dem Betriebsdruck und der Drehzahl des Wellenachs.

5. Best Practices für Montage und Inbetriebnahme

Fehler beim Montageprozess sind die Ursache für 50 % der vorzeitigen Versagen von Dichtungen. Einhaltung des Wartungsplans gewährleistet den projektiven Lebenszyklus:

1. Prüfen Sie das Axialspiel des Wellenstücks in der Bereiche des Dichtungsringes. Es darf nicht mehr als 0,05 mm für Geschwindigkeiten bis 3000 U/min betragen.
2. Führen Sie eine axiale Verschiebung des Wellen (Axialspiel) durch – das zulässige Wert darf nicht größer als 0,13 mm sein.
3. Reinigen Sie die Sitzflächen. Verwenden Sie neutrale Schmierstoffe zur Vereinfachung der Montage der O-Ringe (Verwendung von mineralischen Schmierstoffen mit Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) ist verboten).
4. Beim Einbau des Kartuschen-Dichtungssetzes sind die Flanschmuttern gleichmäßig (im Kreuz) mit dem vorgegebenen Drehmoment anzuziehen.
5. Nach dem Fixieren des Dichtungskolbens sind die Montageklammern (setting clips) unbedingt zu entfernen, andernfalls ist ein mechanisches Beschädigen der Oberflächen beim Start unvermeidlich.
6. Führen Sie eine Vorprüfung durch und füllen Sie die Dichtungskammer mit Flüssigkeit. Ein Trockenstart auch nur für 3 Sekunden führt zu thermischem Schock und Zerstörung der Kohgrafitringe.

6. Ausfallmodi und Wurzelursachenanalyse (RCA)

Ein visueller Oberflächenblick nach dem Abmontieren ermöglicht die präzise Bestimmung der Ursache des Vorfalls:

• Thermischer Schock (Thermal Stress): Radiale Risse an harten Ringen (Karbidsilikat SiC, Wolframsilikat WC). Ursache: Betrieb ohne Kühlflüssigkeit oder Verschiebung des Spülstroms.
• Abrieb (Abrasive Wear): Gleichmäßiges Verschleiß der Enden mit Bildung tiefen Einritzungen. Ursache: hoher Gehalt an harten Partikeln im Medium, fehlender Zyklon-Separator (Plan 31) oder Filter.
• Chemische Korrosion (Chemical Attack): Schwellen, Weichwerden oder Zerstörung sekundärer Dichtungen (Kautschuk). Ursache: falsche Materialauswahl (z. B. Verwendung von Viton in einer Umgebung mit Ammoniak oder Ketonen).
• Kavitationszerstörung (Cavitation Erosion): Oberflächenzerstörungen (Pitting) an metallischen und kohlenstoffbasierten Bauteilen. Ursache: Betrieb der Pumpe außerhalb der Arbeitskennlinie (Q-H-Kurve), niedriger Kavitationsausgleich ($NPSH_a < NPSH_r$).

7. Prognostiziertes Wartung und Zustandsmonitoring

Um zum Schutz vor Ausfällen bei kritischen Pumpenaggregaten ukrainischer Unternehmen werden moderne Diagnosemethoden angewendet:

• Schwingungsanalyse: Die Messung von hochfrequenten Schwingungen (Spektralanalyse mit Demodulation/HFE) ermöglicht die Erkennung von Unwuchten, Kavitation und der Anfangsstufe von Eigenoscillationen der Dichtung.
• Thermometrie: Kontinuierliche Temperaturmessung in der Dichtungskammer (oder der Barriereflüssigkeit). Eine Temperaturerhöhung über +85°C bei wasserbasierten Medien weist auf eine Verschlechterung der Schmierung oder Verunreinigung der Spüllinien hin.
• Durchflussüberwachung: Für Doppelspindeln – Kontrolle des Füllstands und des Drucks der Pufferflüssigkeit im Versorgungssystembehälter (Plan 53A). Ein Druckabfall weist auf Schäden am inneren oder äußeren Dichtungssystem hin.

8. Vergleichsmatrix der Konfigurationen

9. Schlussfolgerung

Die Auswahl der Technologie für ein Kreuzscheiben-Dichtung an Zentrifugalpumpen ist ein ingenieurtechnisches Entscheidungsproblem, das direkt die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der Produktion beeinflusst. Der Übergang von Schwämmen zu modernen ausgewogenen und Kartuschen-Systemen reduziert den Energieverbrauch durch Reibung und beseitigt vollständig unkontrollierte Ausflüsse. Ingenieure von UNITEC-D GmbH sind bereit, Expertenunterstützung bei der Auswahl optimierter Komponenten, dem Berechnen von Systemen gemäß API 682 und dem Liefern von Originalersatzteilen für Ihr Unternehmen zu bieten.

Bekanntmachung mit unserem Katalog zuverlässiger industrieller Komponenten auf unserer Website: https://www.unitecd.com/e-catalog/.

10. Verweisung

• ISO 21049:2004 — Pumpen — Antriebswellenverschleißsysteme für Kreiselpumpen und Drehkappenpumpen.
• API Standard 682 — Antriebswellenabdichtungssysteme für Kreiselpumpen und Drehkranzpumpen, 4. Auflage.
• DIN EN 12756 — Mechanische Dichtungen — Hauptmaße, Bezeichnung und Materialcodes.
• DS TU ISO 5199-2001 — Axialverdichter. Klasse II. Technische Anforderungen.
• Technische Whitepapers & Engineering Guidelines, UNITEC-D GmbH Laborarchiv, Augsburg, 2023.