Anlagenbau & Prozesstechnik

Schwachstellenanalyse soll mögliche Ursachen für einen Pumpenausfall eingrenzen

25.02.2014 -

Für die Produktivität eines Betriebs ist es für den Anlagenbetreiber wichtig, wiederkehrende Ausfallszenarien und ungeplante Stillstände zu vermeiden. Es gilt, Schwachstellen zu erkennen und Lösungsansätze zu definieren. Eine häufige Ursache für Anlagenausfälle ist meist nicht die Pumpe selbst, sondern deren fehlerhafter Einsatz. Redundante Ausführungen der Pumpen tragen daher nicht immer zu einer Erhöhung der Verfügbarkeit der jeweiligen Betriebseinheit bei. Zur Erfassung aller Einflussfaktoren, die zu einem Ausfallszenario führen können, ist für die nachhaltige Betriebsoptimierung eine systematische Analyse erforderlich.

Ausgehend von einem integrierten, Gewerken übergreifenden Betrachtung werden im Rahmen einer Schwachstellenanalyse alle Ausfallszenarien erfasst, um mögliche Ursachen für einen Pumpenausfall strukturiert einzugrenzen. Ziel einer solchen Analyse ist, durch den effizienteren Betrieb einer Pumpe Kosten einzusparen und die Anlagenverfügbarkeit zu erhöhen. Das kann zum einen durch die Reduzierung der mechanischen Belastungen und die Vermeidung von ungünstigen Betriebszuständen (z.B. Kavitation, Druckstoß, Trockenlauf) erfolgen. Ebenso möglich ist das Verringern des Anlagenverschleißes und damit des Wartungs- und Reparaturaufwands an der Pumpe.

Fehlerquellen aufdecken

Eine Ursache für einen Pumpenausfall kann die falsche Pumpenauswahl sein. Diese richtet sich häufig nach Lagerhaltigkeit, Verfügbarkeit, Lieferzeit oder auch Investitionskosten. Das heißt, die individuellen Einsatzbedingen sowie Werkstoffanforderungen bleiben dabei unberücksichtigt. Weitere Gründe sind ein falsches Rohrleitungsdesign, insbesondere auf der Saugseite, oder prozesstechnische Auslöser wie die falsche Positionierung und Parametrierung von Sensoren.

Daher müssen zunächst folgende grundlegende Fragen erörtert werden:

  • Unter welchen Bedingungen fallen die Pumpen aus (beim An- und/ oder Abfahren, normaler Betrieb)?
  • Wie wurde erkannt, dass die Pumpen ausgefallen sind?
  • Liegen die Prozessparameter vor?
  • Wie wird die Anlage gefahren?
  • Liegen technische Kenndaten der Pumpen vor?
  • Für welches Medium wurden die Pumpen ausgelegt?
  • Sind die Pumpen für die aktuell geförderten Mengen ausgelegt?
  • Welche Maßnahmen wurden bereits vom Betreiber erprobt?
  • Welche Ergebnisse wurden durch die verschiedenen Maßnahmen erzielt?

Die Darstellung des Istzustands erfolgt hierbei mit Hilfe von Prozesssimulationen, um so Temperatureinflüsse, Veränderungen der Fördermengen und der Fahrweisen sowie Einsatzprodukte untersuchen zu können. Ergänzend ist nach Definition der Fahrweisen im Einzelfall eine dynamische Druckstoßbetrachtung sinnvoll, da durch einen Pumpenausfall auch Druckstöße generiert werden können. Dies ist bspw. bei Verladeanlagen mit langen Zuleitungen und hohen Durchsätzen zu beachten.

Gegenmaßnahmen definieren

Sind mögliche Ursachen identifiziert, müssen gezielte Gegenmaßnahmen definiert werden. Dazu zählen die Anpassung der verfahrenstechnischen Prozessparameter, die Änderung des Werkstoffs insbesondere bei Verschleißteilen, die Optimierung des regelungstechnischen Konzepts sowie gegebenenfalls eine Änderung der Aufstellungsbedingungen.

Die Ergebnisse der Betrachtungen werden in einer Entscheidungsmatrix abgebildet, um die verschiedenen Lösungsansätze analysieren, vergleichen und bewerten zu können. Neben den wirtschaftlichen Kenngrößen wie Investitionskosten, Instandhaltungskosten, Amortisationsdauer und Anlagenverfügbarkeit, werden hierbei auch sicherheitstechnische Aspekte berücksichtigt. Veranschaulichen sollen dieses gezielte Vorgehen die beiden folgenden Praxisbeispiele.

Tankanlage für Altlösemittel

Zu Befeuerung von Drehrohröfen werden feststoffhaltige Altlösemittel eingesetzt, die ein unterirdischer Lagertank bereitstellt. Die Förderung in die Öfen erfolgt über eine Dosierpumpe. Zur Homogenisierung der flüssigen Abfallstoffe im Lagerbehälter wird zusätzlich eine Umwälzpumpe eingesetzt. Das Problem: Auf der Ausspeiseseite kam es wiederholt zu erheblichen Schäden an den Tauchpumpen und infolgedessen zu Totalausfällen des Lagers. Während des Betriebs erbrachten die Pumpen nicht die gewünschte Förderleistung und fielen häufiger über den Trockenlaufschutz aus. Darüber hinaus schwankte die Durchflussregelung stark.

Nach einer systematischen Analyse konnten Kavitation, die Bildung von Gaspolstern auf der Druckseite der Pumpen und ein falsches Pumpendesign als mögliche Ursachen für den Ausfall der Pumpen und die instabile Durchflussregelung identifiziert werden. Zudem war die Zirkulationspumpe falsch ausgelegt, was zu einer Sedimentation größerer Partikel führte.

Auf dieser Grundlage ergaben sich verschiedene Lösungsansätze, die anhand einer Entscheidungsmatrix (Tabelle 1) bewertet wurden. Auf Grundlage dieser Matrix wurde beschlossen, die Laufräder von halboffen auf geschlossen zu ändern und die Rohrleitungsführung durch den Einbau automatischer Entlüfter mit einer Anbindung an den Lagertank zu optimieren. Diese Maßnahmen konnten zeitnah mit geringem Aufwand umgesetzt werden und führten zu einer Erhöhung der Standzeit von zirka acht Wochen auf rund zehn Monate.

LPG-Tankfeld

In einem bestehenden Tanklager für druckverflüssigte Gase kam es nach Nutzungsänderung bzw. Umwidmung einzelner Tanke zu häufigen Ausfällen der Auslagerungspumpen. Da die angeschlossenen LPG-Verbraucher über keine Pufferungskapazitäten verfügten, mussten vereinzelt Anlagenteile unplanmäßig abgefahren werden (Bild 1). Die prozesstechnische Simulation der Betriebszustände mit den angepassten Stoffdaten kam zu dem Ergebnis, dass es abhängig von den klimatischen Bedingungen zu Ausgasungen in der Saugleitung kam. Dies führte zum Abschalten der Pumpen durch den Trockenlaufschutz .

In diesem Fall wurden das Aufbringen einer Isolierung auf der Pumpen-Saugseite zur Reduzierung des Wärmeeintrags und die Optimierung des saugseitigen Entlüftungskonzeptes durch zusätzliche Entgaser als wirtschaftlichste Lösung priorisiert. Nach Umsetzung dieser Maßnahmen konnten die Ausgasungen soweit minimiert werden, dass es zu keinen weiteren Abschaltungen der Pumpen durch den Trockenlaufschutz kam.

Fazit: Ganzheitliche Betrachtung unabdingbar

In der Praxis lassen sich Pumpenausfälle oft nicht durch einfache kausale Zusammenhänge beschreiben. Verschiedene Einflussgrößen, die erst im Zusammenwirken eine negative Reaktion hervorrufen, müssen daher ganzheitlich betrachtet werden. Im Rahmen einer Schwachstellenanalyse zur Betriebsoptimierung und Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit /-sicherheit ist es unerlässlich, auch zunächst trivial erscheinende Ausfälle, interdisziplinär zu analysieren um zu einer nachhaltigen Problemlösung zu gelangen.

 

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