Spaltrohrmotorpumpen verstehen
Natürlich wurden Bände darüber geschrieben, warum Pumpen ausfallen. Es ist auch nicht übertrieben zu behaupten, dass bei Pumpenbränden, die auf solche Ausfälle zurückzuführen sind, normalerweise eine Gleitringdichtung beteiligt ist (Bild 1).
Gleitringdichtungen versagen häufig als Folge einer vorangegangenen Lagerbeanspruchung. In einigen Fällen liefern Dichtungshersteller Produkte mit engen Abständen zwischen dem Umfang rotierender Dichtungsteile und dem Durchmesser (Bohrung) stationärer Dichtungsteile. Wir glauben, dass Benutzer Dichtungen für Kohlenwasserstoffprodukte spezifizieren sollten, um den API-Standards (American Petroleum Industry) zu entsprechen. Wir glauben auch, dass der Käufer auf Abweichungen von der Spezifikation des Benutzers oder den geltenden Richtlinien (wie API-682) aufmerksam gemacht werden sollte.
Es gibt jedoch andere Möglichkeiten, Dichtungsfehler zu vermeiden. Eine davon wäre, wann immer anwendbar, Spaltrohrmotor-Zentrifugalpumpen zu spezifizieren. Sie werden auch als „hermetisch dichte“ Pumpen bezeichnet und enthalten keine Gleitringdichtungen.
Geschichte der Spaltrohrmotorpumpen In Abb. 2 ist ein Querschnitt einer Spaltrohrmotorpumpe dargestellt. Die Entwicklung dieser Kreiselpumpen ist eng mit dem Ausbau der nuklearen Stromerzeugungstechnik verbunden. Ab Anfang der 1950er Jahre führten Sicherheitsüberlegungen zur Entwicklung von hermetisch geschlossenen Arbeitskreisläufen. Damals wurde das Konstruktionsprinzip des Spaltrohrmotors – seit 1914 bekannt– praktische Anwendung gefunden.
Bald darauf folgte die Anerkennung der Vorteile dieser Pumpen durch die chemische Industrie. Tatsächlich schuf die zusätzliche Nachfrage eine breite wirtschaftliche Basis für die Herstellung von Spaltrohrmotorpumpen.
In den 1960er Jahren hatten sich Spaltrohrmotorpumpen bis zur Standardisierung entwickelt. Die wachsende Bevölkerung und der steigende Lebensstandard sowohl in den Industrie- als auch in den Entwicklungsländern erforderten innovative Technologien, um die anspruchsvollen und zunehmend dringenden Probleme des Umweltschutzes zu lösen. Zunehmend wurden Spaltrohrmotorpumpen Teil der Antwort.
Wir erkennen gerne an, dass in den letzten drei Jahrzehnten auf dem Gebiet der mechanischen Wellendichtung viele Fortschritte erzielt wurden. Doch seit Mitte der 1970er-Jahre sind Umwelterwägungen, die Konsolidierung der Industrie und die Automatisierung von Prozessen immer wichtiger geworden. Es ist in diesem Zusammenhang—in einem breiten Spektrum flüssiger Bewegungsaufgaben—dass die traditionelleren Versiegelungsarten entweder unzureichende Sicherheit bieten oder Verschmutzungs- und Verlustbedenken aufwerfen, die nicht länger toleriert werden können.
In einigen Fällen stehen die Kosten für Robbenunterstützungs- und Überwachungssysteme in keinem Verhältnis zum potenziellen Erfolg. Es ist nur fair, auf Dienstleistungen hinzuweisen, die mit „offenen“ oder herkömmlich abgedichteten Kreiselpumpen schlichtweg nicht erbracht werden können. Eine absolut hermetische Förderung von Flüssigkeiten mit Kreiselpumpen ist nur möglich, wenn das auf den Pumpenrotor aufgebrachte Drehmoment extern erzeugt wird. Um diese Anforderung zu erfüllen, ist ein starres externes Statorsystem erforderlich, das entweder Elektromagnete oder Permanentmagnete verwendet. In einigen Branchen können herkömmlich abgedichtete Pumpen Menschenleben und Sachwerte gefährden. Daher sind herkömmlich abgedichtete Pumpen nicht immer die „beste verfügbare Technologie“. Dementsprechend müssen die eingesetzten Mittel dort, wo der Stand der Technik diesen Schutz ermöglicht, an den erzielten Ergebnissen ausgerichtet sein.
Unter Berücksichtigung der Einschränkungen von Pumpen mit „offenem Design“ (solche mit Packung oder Gleitringdichtungen), die zur Luft- und Wasserverschmutzung beitragen können, sollten wir uns daher bemühen, uns gründlich mit dem Stand der Technik des hermetischen Antriebs vertraut zu machen Techniken für Kreiselpumpen. Die Fakten mögen uns überraschen.
Aufbau und Funktionsbeschreibung Als äußerst umweltfreundliche Maschinen sind Spaltrohrmotor-„Hermetic“-Pumpen heute in Europa und Japan sehr weit verbreitet. Während wir in den Vereinigten Staaten Fuß fassen, müssen wir bei unserem Streben nach Wettbewerbsfähigkeit verlorenes Terrain zurückgewinnen. Überall dort, wo gefährliche, giftige, umweltschädliche, teure, ätzende, potenziell explosive Flüssigkeiten mit hoher oder niedriger Temperatur gefördert werden müssen, sollten Spaltrohrmotorpumpen jedoch sehr genau in Betracht gezogen werden.
Der Spaltrohrmotor verbindet die bekannte Hydraulik von Kreiselpumpen mit dem ebenso bewährten Drehstrom-Asynchronmotor. Der Hydraulikteil ist direkt mit dem Antriebsmotor verbunden. In den magnetisch überbrückten Spalt zwischen Rotor und Stator wird eine rohrförmige Hülse oder „Dose“ eingesetzt. Die "Dose" trennt die Rotorkammer absolut und hermetisch von der unter Druck stehenden Fluidpumpumgebung. Mit anderen Worten, die „Dose“ ist die Grenze zwischen dem flüssigkeitsumhüllten Pumpenrotor und dem nicht benetzten Statorraum (Abb. 2). Die „Dose“ trennt also den Motor in zwei Funktionsbereiche; es stellt das hermetische Dichtelement des Pumpenaggregats dar. Im Wesentlichen wird das für die Wellendrehung erforderliche Drehmoment über das aus einem nichtmagnetischen Material bestehende Spaltrohr auf elektromagnetischem Weg übertragen. Diese Antriebsart benötigt keine Wellendurchführung durch das fluidführende (meist unter Druck stehende) Gehäuse; es sind somit keine dynamischen Dichtungen oder Gleitringdichtungen erforderlich. Die erforderlichen statischen Dichtungen sind in der Regel problemlos, können aber in Sonderfällen durch Schweißverbindungen ersetzt werden.
Spaltrohrmotorpumpen sind also vollhermetische Pumpenaggregate. Der Pumpenteil kann ein- oder mehrstufig ausgeführt sein. Das Pumpenlaufrad (oder Laufräder bei mehrstufigen Pumpen) ist am überhängenden Ende einer gemeinsamen Pumpen- und Motorwelle montiert. Die Leistungsparameter dieser Pumpen entsprechen nun den Vorgaben ihrer Haupteinsatzgebiete –der Chemie- und Raffinerieindustrie. Derzeit (2008) liegt die obere Leistungsgrenze bei 600 kW. Um möglichst nahe an die maßlichen und leistungsbezogenen Hüllkurven einer Vielzahl von Standard-Kreiselpumpen (DIN 24256 bzw. ISO 2858 in der chemischen Industrie) heranzukommen, stehen viele tausend heute im Einsatz befindliche Spaltrohrmotorpumpen zur Verfügung die Standardhydraulik dieser Pumpenbaureihe. Die identischen Außenabmessungen von hermetischen und „traditionellen“ Kreiselpumpen nach DIN und ISO ermöglichen eine schnelle Umrüstung von konventionellen auf hermetische Pumpen. Selbstverständlich ermöglicht dies eine Reduzierung der Ersatzteillageranforderungen jeder modernen Einrichtung.
Es gibt jedoch erhebliche zusätzliche Vorteile. Diese Vorteile sowie die beeindruckenden Effizienz- und MTBF-Statistiken von hermetisch abgedichteten API-konformen Pumpen werden im folgenden Sidebar-Abschnitt diskutiert, der zusammen mit George Dierssen von IndustryUptime verfasst wurde.
Als Berater für Anlagenzuverlässigkeit können wir eindeutig mindestens fünf (und wahrscheinlicher 10) definierbare Vorteile von Spaltrohrmotorpumpen gegenüber herkömmlichen API-610-Pumpen erkennen. Diese Vorteile gehören zu einer oder mehreren Kategorien, die sich letztendlich in einem sicheren, zuverlässigen, wartungsarmen, kostengünstigen und umweltverträglichen Service niederschlagen. Um einige Vorteile aufzuzählen:
Positives sekundäres Containment, kein unkontrolliertes Austreten in die Atmosphäre (selbst bei ausgefallenen Lagern)
Keine Gleitringdichtung
Keine Ausrichtung (gilt für Installations- und Wartungsarbeiten)
Keine Schmierung (kein Öl)
Kein Fundament oder Mörtel
Gegenwärtig hat jede der fünf Raffinerien in der San Francisco Bay Area eine oder mehrere Spaltrohrmotorpumpen in sehr zufriedenstellendem Betrieb. Während sie von fast null bis vielleicht 2 % der Pumpenpopulation ausmachen, glauben wir jetzt, dass Spaltrohrmotorpumpen (CMPs) wahrscheinlich für 50 % der Pumpen an einem typischen Raffineriestandort anwendbar sind. Natürlich gibt es Einschränkungen (z. B. Thermoschock, Trockenlauf, Schlämme usw.), die in den meisten Fällen durch technische Steuerungen gehandhabt werden können. Dennoch scheint es, dass CMPs die ideale Wahl für viele HP-Dienste (Kohlenwasserstoffverarbeitung) sind. Dies gilt insbesondere, da moderne Anlagen hohe Erwartungen an die Anlagenverfügbarkeit und Betriebssicherheit stellen. Obwohl sich diese Erwartungen in einem soliden Standard widerspiegeln –API-685– die spärliche Präsenz von CMPs in US-Anlagen ist verwirrend.
Abgesehen von ungewöhnlicher Mathematik, einer der Co-Autoren (dieses Sidebar-Abschnitts) stellte überrascht fest, dass die durchschnittliche mittlere Zeit zwischen Reparaturen (MTBR) für CMPs –Berücksichtigung jedes der vielen Tausend, die von zwei verschiedenen großen Herstellern hergestellt wurden– beträgt 7,5 Jahre. Dies führt uns zu der Frage, ob wir die Branchendaten insgesamt verfeinern sollten. Unseren Erkenntnissen zufolge verwenden 80–90 % der japanischen Werke CMPs (ein Hersteller liefert offenbar 1700 Pumpen pro Monat!) und 60–70 % der europäischen Werke verwenden entweder magnetgetriebene Pumpen oder CMPs. Also sind wir der Frage nachgegangen. Unsere Bewertung und der wesentliche Beitrag eines angesehenen CMP-Herstellers lassen sich in einigen wichtigen Punkten zusammenfassen.
Ein erfolgreicher europäischer Hersteller hat Erfahrung mit CMP-Leistungsaufnahmen von 700 PS und mehr. Diese werden in vielen verschiedenen Konfigurationen angeboten, mit oder ohne Kühler, mit oder ohne separaten Lagerschmierkreisläufen, mit einer oder zwei (oder mehr!) Stufen usw. Aus Platzgründen können wir nur eine davon zeigen (Abb. 3). . Außerdem werden jetzt üblicherweise ziemlich hohe Fluiddrücke durch CMPs erreicht. Obwohl unabhängig, verwendet ein deutscher Hersteller Schweizer Pumpentechnologie für Impellerhydraulik. Getrennte (saubere) Windschatten schmieren die üblicherweise in CMPs dieser Firma verbauten Gleitlager.
In den USA hat die Industrie immer noch Schwierigkeiten, die schlechte Praxis der Installation schlecht passender Rohrleitungen an Strömungsmaschinen aufzugeben. Während ursprünglich angenommen wurde, dass ein CMP etwas anfälliger sein könnte als eine API-610-Zentrifugalpumpe, ist dies bei der überwiegenden Mehrheit der CMPs nicht mehr der Fall. In jedem Fall, der einem Experten bekannt ist, wurden Spaltrohrmotorpumpen (CMPs) für deutlich höhere zulässige Düsenlasten als die äquivalenten API-610-Pumpen konstruiert. Der europäische CMP-Hersteller ist in der Lage, zulässige Düsenlasten anzubieten, die das Drei- bis Vierfache der maximal zulässigen API-610-Lasten sind (denken Sie daran, dass es bei CMPs keine Ausrichtungsprobleme gibt). Hier ist meist die Flanschverschraubung der limitierende Faktor.
Wir erinnern uns, dass vor Jahrzehnten (und in Größen von annähernd 1000 PS) vertikale Prozesspumpen, die mit auf dem Pumpenfundament schwimmenden Fußplatten ausgestattet waren, in erstklassigen Einrichtungen zur Norm wurden. Ebenso empfiehlt der europäische Hersteller, CMP-Grundplatten (eigentlich Sohlenplatten) nicht zu verankern, sondern mit der Rohrleitung schwimmen zu lassen. Schwimmende Sohlenplatten bieten erhebliche Einsparungen bei den Verrohrungskosten. Bei mehreren kürzlich durchgeführten Hochdruckprojekten entsprachen die Einsparungen bei den Rohrleitungen den Kosten der Pumpen! Dennoch bestehen einige Käufer bis heute darauf, dass Grundplatten geliefert werden.
Vor Jahren waren einige HPI-Standorte (kohlenwasserstoffverarbeitende Industrie) mit gewerkschaftlichen Bedenken konfrontiert – ob ein CMP ein elektrisches Gerät oder eine Pumpe ist, war damals die Frage. Der CMP-Experte erwähnte, dass dies zwar ein Problem sein könnte, seine aktuelle Empfehlung jedoch darin besteht, die CMP-Einheiten für alle notwendigen Reparaturen an eine sehr erfahrene Reparaturwerkstatt in Louisiana zu senden. Wir glauben, dass dieser Ansatz angesichts der begrenzten Verfügbarkeit von qualifiziertem Außendienst- und Werkstattpersonal in vielen Werken sinnvoll ist.
Wir haben auch die Beobachtung gemacht, dass Ingenieure allzu oft nur auf die Vermarkter traditioneller Pumpen hören – „Ich kann keinen Fehler machen, wenn ich genau das mache, was mein ehemaliger Chef getan hat. Er ist immer auf Nummer sicher gegangen und jetzt ist er VP of Engineering!“ Der nationale Vertriebsleiter eines bekannten Herstellers von Spaltrohrmotorpumpen stimmte zu und sagte, dass es immer noch eine große Zurückhaltung gebe, etwas auszuprobieren, das als „neue Technologie“ wahrgenommen werde – obwohl CMPs natürlich als ausgereifte Technologie gelten.
Vielleicht und oft zu Unrecht wird angenommen, dass CMPs mehr Energie verbrauchen als herkömmliche Pumpen. Ein europäischer CMP-Experte widerlegte diesen Irrglauben. Er stellte fest, dass er in über 30 Jahren der Anwendung von CMPs noch nie gesehen hatte, dass eine dieser Einheiten mehr Energie verbrauchte als die Pumpe, die sie ersetzte! Während er früher davon ausgegangen war, dass dies darauf zurückzuführen war, dass abgenutzte Pumpen ausgetauscht oder bessere Auswahlen (Kurvenanpassungen) gefunden wurden, glaubt er jetzt, dass die ursprünglichen Einheiten zu optimistisch in Bezug auf ihre veröffentlichte Effizienz waren und nie viele Verluste enthielten – wie die, die auf zurückzuführen sind Kupplungen und Dichtungen.
Ein Pumpenspezialist berichtete von seinen Erfahrungen mit einem Hersteller konventioneller Pumpen, der seine Aggregate immer mit Lippendichtungen anstelle von geflochtenen Packungen oder Gleitringdichtungen testete. Vor einigen Jahren wurde dieser Experte auf ein Unternehmen aufmerksam gemacht, das bekannt gab, dass es Angebote (erhaltene Angebote) auf der Grundlage von Eingangs-kW bewerten würde. Infolgedessen stieg die „garantierte“ Pferdestärke um fast 10 % gegenüber den veröffentlichten Kurven einiger Bieter. Der Gutachter rät den Vergabebehörden der Nutzer, für die angebotenen Geräte einen Eingangs-kW-Wert zu verlangen. Er wies darauf hin, dass namhafte CPM-Hersteller dem gerne nachkommen würden, da sie natürlich sowohl Pumpe als auch Motor liefern.
Der durchschnittliche Benutzer/Käufer ist enttäuscht, dass er keinen Müll durch Lager und Komponenten mit engem Spiel schicken kann. Natürlich muss der Anbieter den Benutzer wirklich über die Grenzen der Ausrüstung aufklären und wiederholt nach den Eigenschaften des Prozessstroms und der Flüssigkeit fragen. Viele Ausfälle, die in der Vergangenheit auf „Feststoffe“ oder „Trockenlauf“ zurückgeführt wurden, wurden tatsächlich durch internes Verdampfen der Flüssigkeit ausgelöst. Das kann am Fehlen eines guten Wärmeausgleichsprogramms für das Gerät oder an schlichter Unkenntnis des Lieferanten liegen. Noch wichtiger ist, dass der Hersteller häufig eine unzureichende Fehleranalyse oder Nachverfolgung durchgeführt hat, um die wahre Grundursache eines Fehlers zu ermitteln. Ein interessanter Faktor ist der maximale Wärmeanstieg; es tritt bei einem CMP nach dem Abschalten aufgrund der latenten Wärme im Motor auf. Dieses Problem kann immer durch die richtige Motordimensionierung angegangen werden, Spülen des Motors nach dem Abschalten oder andere Methoden – vorausgesetzt, der Käufer und ein sachkundiger Hersteller kooperieren. Was für einige ein Problem darstellt, ist für andere kein Problem.
Betrachten Sie es als die Verantwortung des Herstellers, viele Fragen zu stellen und sowohl Benutzer als auch Hersteller solide Antworten zu geben. Verfolgen Sie Fragen zum maximal (kurzfristig) zulässigen Temperaturanstieg des gepumpten Mediums. Die Antworten auf solche Fragen sind leicht zu bekommen. Wenn ein intelligenter Anwender weiß, was er pumpt und seine Prozessflüssigkeiten genau beschreibt, ist die Tatsache, dass er im Begriff ist, ein CMP zu kaufen, zweitrangig.
Vor Jahrzehnten wurde die Überlegenheit von CMPs in Kenneth Fischers gemeinsamer Präsentation von Hoechst und Celanese auf einem der internationalen Symposien der Texas A&M University beschrieben. Die Protokolle dieser Versammlungen sind leicht verfügbar und die früheren Ausgaben gingen auf viele Bedenken der Benutzer ein und lieferten einige Fehlerstatistiken usw.
Allzu oft überlässt der Einkäufer Entscheidungen dem Planungsunternehmen und ermutigt diese Firmen dann, weitgehend auf der Grundlage von Kosten und Zeitplan zu kaufen. Der Auftragnehmer kauft dann eine konventionelle Pumpe vom günstigsten Anbieter. Ein zuverlässigkeitsorientierter Benutzer muss eingreifen und ein gewisses Maß an Verantwortung für die Anleitung und Anleitung übernehmen, die Konstruktionsunternehmen und rein einkaufsorientiertes Personal benötigen. Solide Lebenszykluskostenstudien sind besser als vorgefasste oder veraltete Meinungen.
Außerdem und leider haben CMPs möglicherweise einen schlechten Ruf bekommen, als bestimmte Verkäufer ihre Vorzüge in der Vergangenheit überverkauft haben. Während die Vorzüge von Spaltrohrmotorpumpen unbestritten sind, gibt es nichts, was nicht falsch gekennzeichnet, missverstanden, verleumdet oder zerstört werden könnte. Es gibt keine Ausnahmen von dieser Regel.