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Das Forschungsprojekt „ReMain“ ermittelte Ausfallursachen

09.10.2011 -

Das Forschungsprojekt „ReMain“ ermittelte Ausfallursachen, kritische Bauteile und mögliche Vermeidungsmaßnahmen. Pumpen sind wichtige Anlagenkomponenten, deren ungeplanter Stillstand erhebliche Kosten verursacht. Um bei Ausfall einer Pumpe dem Stillstand der gesamten Anlage vorzubeugen, werden Redundanzen vorgesehen, die entsprechenden Mehraufwand bedeuten. Pumpenbetreiber und -instandhalter praktizieren Strategien der ausfall- und zeitbasierten Instandhaltung, da bisher keine geeignetere Strategie praxistauglich realisierbar ist. Diese erzielen häufig jedoch nicht die maximale Verfügbarkeit bezogen auf ungeplante Stillstände und den wirtschaftlich optimierten Einsatz von Ressourcen. Auf längere Sicht können die Anforderungen an die Instandhaltung nur durch einen zustandsabhängigen, vorausschauenden Ansatz erfüllt werden, der auf die wesentlichen ausfallkritischen Bauteile und Ausfallursachen abgestimmt werden muss.

Eine kostengünstige Zustandsdiagnose und Restlebensdauerprognose von Pumpen rückt daher zunehmend in den Interessenbereich der Betreiber und Instandhalter. Eine Restlebensdauerprognose würde dem Betreiber die Möglichkeit bieten, basierend auf dem technischen Zustand der Pumpe die erforderlichen Instandhaltungstätigkeiten zu planen, oder durch Korrektur der Betriebsweise den Verschleiß der Pumpe zu reduzieren.

„ReMain“-Betreiberumfrage

Das Verbundprojekt „ReMain“ (Reliability Centred Maintenance) über Zuverlässigkeitsoptimierung von Pumpensystemen versucht eine solche Lösung zu erarbeiten (Projekthomepage www.remain.server.de). Dazu müssen sowohl die Anforderungen der Betreiber und Instandhalter an ein Verfahren als auch die Anforderungen, die aus den Prozessen resultieren, ermittelt werden. Gleichzeitig muss die Ist-Situation der Kreiselpumpentypenpopulationen bekannt sein und ausfallkritische Bauteile sowie Ausfallursachen identifiziert werden. Mit der Durchführung einer repräsentativen Umfrage in unterschiedlichen Branchen wurden im Projekt herstellerübergreifend die erforderlichen Informationen zusammengetragen.

Datenbasis, Pumpenpopulationen, statistische Auswertung

Aus der Datenbasis von insgesamt 32.508 Kreiselpumpen wurde die Einteilung in Chemienormpumpen (mit dynamischer Wellendichtung), Spaltrohrmotorpumpen (SRM), Magnetkupplungspumpen (MKP) und Wassernormpumpen vorgenommen (Abb. 1). Wassernormpumpen weichen durch andere Baugrößenreihen und verwendete Werkstoffe sowie Druckstufen ab, wobei hier Gleitringdichtungen zunehmend die Stopfbuchspackung verdrängen.

Den größten Anteil nehmen die Chemienormpumpen ein. Diese haben einen Anteil von einem Drittel der Gesamtpopulation, Spaltrohrmotorpumpen nehmen mit 6 % die kleinste Gruppe ein, Magnetkupplungspumpen sind mit 19 % und Wassernormpumpen mit nur 9 % vertreten.

Im Bereich der Chemienormpumpen kommen als Wellendichtung in der Regel Gleitringdichtungen (GLRD) zum Einsatz: Davon sind 63 % der Pumpen mit einfachwirkenden und 37 % mit doppeltwirkenden GLRD ausgestattet. Bei letzteren überwiegt der Anteil der flüssigkeitsgeschmierten GLRD (94 %); gasgeschmierte finden nur geringfügig Verwendung (6 %).

Für die Auswertung in Hinblick auf die Verteilung der Hydraulikgrößen lag eine Datenbasis von 39.553 Pumpen zugrunde. Davon sind ca. 16 % der Pumpen mit einer Größe von 32 – 200 mm stark verbreitet, gefolgt von 50 – 200 mm mit ca. 14 %. Insgesamt ist die 32er Rohrweite mit 35 % die stärkste Fraktion, gefolgt von den 50er Nennweiten.

Kleine Nennweiten sind – insbesondere in Hinblick auf Chemienormpumpen – stärker repräsentiert. Dabei ist jedoch zu beachten, dass größere Aggregate auch überproportional höhere Investitionskosten und Leistung bedeuten.

Am Lehrstuhl für Strömungsmaschinen und Strömungsmechanik (SAM) der TU Kaiserslautern wurden im Laufe jahrelanger Forschungstätigkeiten unterschiedliche Umfragen durchgeführt. Der Summenvergleich aus den Jahren 1984 und 1991 zur aktuellen Umfrage zeigt, dass der Anteil der Wassernormpumpen abnimmt, der Anteil der MKP als hermetisch dichter Normpumpenersatz zunimmt. Die Chemienormpumpe allgemein hält sich auf einem konstanten Niveau.

Einen weiteren interessanten Aspekt bilden die Antriebskonzepte. Netzsynchrone Antriebe überwiegen stark. Die damit verbundene Drosselregelung stellt eine einfache und sehr variable Art der Regelung dar. Allerdings ist sie mit teilweise großen hydraulischen Verlusten behaftet. In Zeiten steigender Energiepreise wird zunehmend über das Einsparpotential von drehzahlgeregelten Antrieben nachgedacht. Der kleine Anteil drehzahlgeregelter Antriebe (5 %) zeigt die aktuelle Hemmnis der Betreiber auf. Der Anteil von Pumpen mit vierpoligem Motor (64 % gegenüber 31 % bei zweipoligen Maschinen) hat entsprechenden Einfluss auf die Lebensdauer der Pumpenbauteile. Gerade bei kleinen Aggregaten, den Serienprodukten, werden identische Lagerträger und Laufräder eingesetzt. Zwar nimmt die hydraulische Leistung in dritter Potenz mit der Drehzahl ab, die Lebensdauer der rotierenden Teile steigt aber. Werden die Aggregate größer, bleibt dieser Effekt durch angepasste Konstruktionen mehr und mehr aus.

Ausfallkritische Bauteile und Ausfallursachen

Im zweiten Teil der Umfrage wurden die Betreiber gebeten, jeweils drei repräsentative Pumpen auszuwählen und unter anderem Informationen zu Wartungs- und Inspektionsvorgängen, Betriebsart, Redundanz, durchschnittlichen Ausfallzeiten, ausfallrelevanten Bauteilen und Schadensursachen abgefragt.

Bei fast allen Befragten liegen Betriebsvorschriften und Arbeitsanweisungen für Wartung und Inspektion vor, in denen Zeitpunkt und Umfang der Kontroll- und Pflegearbeiten festgelegt sind. Inspektionen erfolgen in der Regel wöchentlich, Wartungen überwiegend monatlich. Dabei werden die erforderlichen Instandhaltungstätigkeiten zu 100 % selbst durchgeführt; eine Vergabe der Instandhaltung an externe Dienstleister findet nicht statt. In 64 % der Fälle werden das Instandhaltungs- und Bedienungspersonal in der Aufgabe der Wartung und Inspektion separat geschult.

Bei der Betriebsart überwiegt der Dauerbetrieb, Kurzzeitbetrieb ist in einem Drittel der Fälle anzutreffen, Tagesbetrieb kommt vergleichsweise selten vor.

Redundanzen überwiegen eindeutig. Bei Betreibern, die eine Produktion direkt oder indirekt mit den Pumpenaggregaten sichern müssen oder aus versicherungstechnischen Gründen Druck auf einem Löschwassernetz halten müssen, ist die Verfügbarkeit ein wichtiges Kriterium.

In der Umfrage überwiegen kalte Redundanzen, da der Prozess oft keine wechselnde Schaltung erlaubt, weil Medien z. B. auskristallisieren oder erkalten und die abgeschaltete Pumpe evtl. nicht mehr angefahren werden kann. Entsprechend den Redundanzverteilungen führen bei der Mehrzahl der befragten Betreiber Pumpenschäden zu keinem Prozess- bzw. Produktionsausfall. Lediglich für 3 % der Betreiber bedeutet ein Pumpenschaden einen Prozessstillstand von zwei Tagen. Für je ein Drittel aller Befragten ist die Ausfallzeit kürzer als ein halber Tag oder gar nicht vorhanden, da Redundanzen sofort greifen.

Innerhalb der erhobenen Population wurde die GLRD als zentrales ausfallkritisches Bauteil identifiziert. Die dynamische Wellendichtung ist das empfindlichste Bauteil der modernen Pumpe. Weitere ausfallrelevante Bauteile sind das Lager (Wälzlager) und das Laufrad bzw. der Dichtspalt.

Die wesentlichen Ausfallursachen sind hydraulische Störungen (z. B. Betrieb weit außerhalb des Optimums, Trockenlauf, unzulässige Kavitation, Gasmitförderung) sowie mechanische Störungen (z. B. Ausrichtungsfehler, Rohrleitungsverspannungen). Interessant waren die Angaben unter „sonstige Ausfallursachen“, die viele Betreiber intuitiv mit Fehlbedienung ausgefüllt haben. Tatsächlich werden viele Pumpen durch Fehlbedienung (menschlich und/oder aus dem Verfahren) geschädigt.

Anforderungen an Diagnosesysteme

Im dritten Teil der Betreiberumfrage wurde eine Anforderungsliste abgefragt. Diese wurde unterteilt in überwachungsrelevante Bauteile und Ausfallursachen. Bei den zu überwachenden Bauteilen überwiegt deutlich die Lagerüberwachung, insbesondere die Schwingungen und die Temperatur. Für die Wälzlagerüberwachung ist die Schwingungsanalyse über definierte Schadensfrequenzen bereits ein zielführendes Mittel zur Zustandsbeurteilung. Weiterhin wird die Überwachung der Wellenabdichtung (GLRD) als relevant angesehen, die durch Sichtkontrollen von Leckage oder Füllstands- bzw. Sperrdrucküberwachung vielfach auch online vorgenommen wird. Die Kupplung sowie der Wirkungsgrad werden ebenso häufig überwacht, wobei gerade bei großen Aggregaten (> 30 kW) die Bedeutung der Performance überwiegt. So sind bspw. die Betriebskosten bei Großpumpen von Wasserversorgern stark abhängig vom Wirkungsgrad.

Die Anforderungen hinsichtlich Ausfallursachen zeigte deutlich die häufig fehlende Kenntnis des Betriebszustandes der Pumpen in vielen Anlagen auf. Insbesondere kleinere Aggregate, die in der Anzahl aber überwiegen, sind in der Regel wenig instrumentiert.

Hydraulische Störungen zeigen deutlich die Kavitationsschädigung auf. Gasmitförderung hat zunächst nur Einfluss auf das Betriebsverhalten, kann aber bei steigender Intensität zu Trockenlauf führen. Leckagen, die aus vorangegangenen Schädigungen entstehen, sind aus sicherheitstechnischen Gründen oft nicht zulässig. Ebenfalls wurde Unwucht als überwachungsrelevante Störung genannt. Schließlich sei noch die Blockade genannt, die bei vielen Medien der chemischen Industrie nicht zulässig ist, da das eingeschlossene Medium hierbei stark erwärmt wird. Dieser Fall führt zu schneller Schädigung der dynamischen Wellendichtung durch mangelnde Kühlung bzw. Kavitation und Trockenlauf. Häufig sind diese Aggregate mit Zwangsbeipässen versehen.

Zusammenfassung

Die Pumpenpopulationen wurden entsprechend dem Anforderungsprofil der Umfrage ausgewertet und dargestellt. Demnach ist der am häufigsten verwendete Kreiselpumpen- Typ die Chemienormpumpe mit GLRD (einfach- und doppeltwirkend), Ausführung mit Normmotor und Wellenkupplung, keine Drehzahlregelung, Antrieb mit 2.900 U/min. Die ausfallkritischen Bauteile eines Kreiselpumpensystems sind: GLRD, Lager (Wälzlager), Laufrad (Spaltverschleiß). Als Ausfallursachen sind zu nennen: Störungen aus der Betriebsweise (z. B. Betrieb außerhalb des Optimums), hydraulische Störungen (z. B. Kavitation, Gasmitförderung), mechanische Störungen (z. B. Unwucht, Ausrichtungsfehler), Fehlbedienung.

Kontakt:
Dipl.-Kff. Britta Kohlmann, Abteilung
Instandhaltungslogistik
Fraunhofer-Institut für Materialfluss und
Logistik, Dortmund
britta.kohlmann@iml.fraunhofer.de
Dr.-Ing. Simon Schneider
BASF SE, Ludwigshafen
simon.schneider@basf.com
www.remain.server.de

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