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Schraubenspindelpumpen sind mit die verschleißärmsten Pumpen auf dem Markt – und doch erzwingen schwierige Fördermedien spezielle Maßnahmen. ITT Bornemann stellt hier nun ein neuartiges Verschleißschutzkonzept für seine Pumpen vor.

Die Schraubenspindeltechnologie, die ITT Bornemann unter anderem in seinen Multiphasenpumpen einsetzt, ist aufgrund der sich nicht berührenden Fördergeometrien grundsätzlich verschleißarm.

Der Verschleiß von strömungsbeaufschlagten Bauteilen stellt in der Verfahrenstechnik grundsätzlich ein großes Problem dar. Eine Kombination von Abrasion und Korrosion bedeutet für eine Vielzahl der in der Pumpentechnik gängigen Werkstoffe eine äußerst kritische Belastung. Schraubenspindelpumpen haben hier einen Vorteil: Weil sich die Förderelemente nicht berühren und ihre Förderkammergeometrie sich nicht ändert, ist die Technologie an sich bereits verschleiß- und wartungsarm. Auf Basis dieser Technologie hat ITT Bornemann seine Multiphasenpumpen entwickelt, 1993 zum Patent angemeldet und damit einen Paradigmenwechsel in der Ölförderung begründet.

Trotzdem zeigt sich beispielsweise bei der Ölförderung in Venezuela, dass die Förderelemente bereits nach sechs Monaten wegen des hohen Sandanteils im Öl so stark verschlissen sind, dass ein Austausch nötig wird. „Nicht nur die Ersatzteile kosten Geld, sondern auch die Ausfallzeiten“, bemerkt Jens Dralle, Global Product Manager Industrial bei ITT Bornemann, „also bat man uns, eine Lösung zu finden.“ Das Unternehmen aus Obernkirchen arbeitet seit über 15 Jahren intensiv am Thema Verschleiß – und hatte auf das Problem eine Antwort. Auf der Powtech 2019 in Nürnberg präsentierten die Ingenieure ein neuartiges Verschleißschutzkonzept, das die Standzeiten der Schraubenspindelpumpen deutlich verlängert.

„Dazu haben wir in einem Versuchsstand experimentiert, wie die Pumpe beschaffen sein muss, um den Verschleiß so gering wie möglich zu halten. Während adhäsiver Verschleiß aufgrund der sich nicht berührenden Schrauben grundsätzlich ausgeschlossen ist“, so Dralle, „lagen vor allem Abrasion und Erosion im Fokus. Voraussetzung für Verschleiß ist zunächst, dass die Partikel härter sind als das Pumpenmaterial. Nahezu kein Verschleiß ist zudem zu erwarten, wenn die Partikel größer sind als der Spalt zwischen den Förderelementen. Sie gelangen dann nicht in die Spalte der Pumpe, sondern werden durch die Förderkammern im Medium mittransportiert und richten deshalb keinen Schaden an. Sind die Partikel in ihrer Größe fast identisch zum Spalt, droht Abrieb. Sind sie kleiner als der Spalt, ist Erosion eine mögliche Folge.“

Große Partikel, hier grün dargestellt, geraten nicht in den Spalt zwischen Gehäuse und Fördergeometrie. Sie stellen deshalb kein Problem dar. Mittlere und kleine Partikel hingegen können abrasiven und erosiven Verschleiß verursachen.

„Um unter möglichst reellen Bedingungen agieren zu können, wurde im ersten Schritt ein Prüfstand aufgebaut, der reproduzierbar und realitätsnah ist“, erklärt Dralle. Der Ingenieur beschäftigte sich schon in seiner Diplomarbeit mit dem Thema Verschleiß und hat die einzelnen Schritte der Entwicklung bei ITT Bornemann intensiv verfolgt. Als Problem verursachendes Material verwendeten die Mitarbeiter der Forschungsabteilung einen Quarzsand, der kontinuierlich in das Fördermedium hinzugeben wurde. „Wir wollten den Verschleiß verstehen und sehen, welche Parameter überhaupt Auswirkungen auf den Verschleiß haben: Drehzahl, Differenzdruck oder aber die Fördergeometrie.“ Aus diesem Grund wird dem Medium nach der Passage durch die Pumpe der Sand entzogen und die gleiche Menge an frischem Sand vor der Pumpe wieder zugegeben. Kein Korn passiert die Pumpe zweimal und nutzt sich ab – die Bedingungen entsprechen nahezu der Realität. Die Erkenntnisse flossen stets direkt in die Weiterentwicklung der Pumpen mit ein.

„Die Drehzahl zum Beispiel ist ein wichtiger Einflussfaktor auf den Verschleiß. Es gelten bestimmte Grenzwerte, die im Allgemeinen nicht überschritten werden sollten. Aber auch hier gibt es wiederum Anwendungen, bei denen eine höhere Drehzahl Vorteile bringt, da sich Partikel nicht am Grund und somit im Spalt absetzen können. “

Die Kombination macht’s

Über die Jahre zeigte sich aber, dass die Auslegung der richtigen Pumpe allein mitunter nicht ausreicht. Die Ingenieure begannen, mit Materialien zu experimentieren, Härtungsverfahren und Beschichtungen zu testen. Die beste Lösung sei, ist sich Dralle sicher, die komplette Fördergeometrie aus Keramik oder Hartmetall herzustellen – was den Kostenrahmen aber in aller Regel sprenge und selbst im Hinblick auf die Lebenszykluskosten nicht zu rechtfertigen sei. „Eine Kombination aus Randschichthärtung und Dünnschichtbeschichtung des Grundmaterials aber zeigte sich als besonders vielversprechend“, erklärt Dralle. Gleichzeitig bleibe die Korrosionsbeständigkeit bei Verwendung von austenitischen Werkstoffen sowie bei Duplex- Werkstoffen erhalten. „Wir können so eine Standzeitverlängerung um den Faktor vier bis fünf erzielen und bleiben preislich dennoch mit nur 20 bis 30 Prozent Aufpreis attraktiv.“

Die Multiphasenpumpe wird zum Beispiel in Ölfeldern in Venezuela eingesetzt, wo der hohe Sandanteil bisher für Abrasion an den Schrauben sorgte. Mit dem neuen Verschleißschutzkonzept wird die Standzeit um den Faktor 4 bis 5 verlängert.

Das neue Verschleißschutzkonzept wurde bereits in mehreren Feldversuchen und unter verschiedensten Anwendungsmöglichkeiten getestet. „Wir freuen uns, dass unsere Versuchsergebnisse auf dem Prüfstand in der Realität reproduzierbar sind“, so Dralle. Während der Einsatz im venezolanischen Ölfeld zeigte, dass sich die Abstände des nötigen Austauschs auf über zwei Jahre gestreckt haben, konnte das Konzept auch in der Lebensmittelbranche überzeugen. Die Standzeit der hier eingesetzten Schraubenspindelpumpe SLH konnte mit Verschleißschutz je nach Fördermedium – mal Zahnpasta mit Putzpartikeln für saubere Zähne, mal scharfe Chilisoße mit Kernen – deutlich verlängert werden.

TCO im Blick

Vor allem unter dem Aspekt der Total Cost of Ownership (TCO) und der Life Cycle Cost (LCC) überzeugt das neue Verschleißschutzkonzept von ITT Bornemann. So muss die Anschaffung einer neuen Pumpe stets auch im Hinblick auf die gesamten Kosten – von der Anschaffung über die Betriebskosten bis hin zur Verwertung über einen gewissen Zeitraum – betrachtet werden. Der Wert für die höhere Standzeit geht direkt in die Wirtschaftlichkeitsberechnung mit ein. Da anfallende Reparaturen und absehbare Ausfallzeiten deutlich teurer ausfallen, ist die Mehrinvestition in Pumpen mit Beschichtung in der Regel sehr viel wirtschaftlicher.

Mit einem ausgefeilten Predictive Maintenance-Konzept will ITT Bornemann darüber hinaus die Meantime-Between-Failure (MTBF) erhöhen. Die mit einem Sensor ausgestatteten Systeme werden über den so genannten i-Alert überwacht und senden Daten über Vibrationen, Temperaturen und Betriebsstunden. Bei auffälligen Maschinenparametern sendet die datensammelnde Applikation schon jetzt Informationen. Künftig werden sich die Daten nutzen lassen, um anstehende Wartungen sinnvoll zu terminieren – und Ausfallzeiten noch weiter zu minimieren.

 

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