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Gleitringdichtungen Die Auswahl von Gleitringdichtungen erfordert Kompromiss zwischen Verschleiß und Leckage

| Autor/ Redakteur: Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Die klassischen Anwendungsgebiete für Gleitringdichtungen sind Pumpen, Mischer, Rührwerke und Zentrifugen – und dort sind sie bei nicht bestimmungsgemäßem Gebrauch eine häufige Quelle für Störungen. Es lohnt also, sich intensiv mit der korrekten Auswahl der Gleitringdichtung zu befassen. PROCESS hat sich bei einigen Herstellern umgesehen.

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LaserFace-Strukturen durch gezielte Bemusterung der Gleitflächen einer Gleitringdichtung: Zuführnuten erzeugen einen starken hydrodynamischen Druck, der die Gleitflächen durch einen stabilen Schmierfilm mit hoher Tragkraft sicher trennt. Rückführnuten leiten die Schmierflüssigkeit zur Produktseite zurück, die Leckage zur Atmosphärenseite wird erheblich reduziert.
LaserFace-Strukturen durch gezielte Bemusterung der Gleitflächen einer Gleitringdichtung: Zuführnuten erzeugen einen starken hydrodynamischen Druck, der die Gleitflächen durch einen stabilen Schmierfilm mit hoher Tragkraft sicher trennt. Rückführnuten leiten die Schmierflüssigkeit zur Produktseite zurück, die Leckage zur Atmosphärenseite wird erheblich reduziert.
( Bild: John Crane )

Auf einer Pumpen-Tagung von PROCESS berichtete Hans-Wilhelm Laarmann von Flowserve, was aus Sicht eines Herstellers von Gleitringdichtungen (GLRD) zu den schwierigeren Einsatzfällen zählt: Das sind neben hohen Abdichtdrücken und hohen Temperaturen des Abdichtmediums vor allem hochviskose Medien bzw. Medien mit Feststoffen. Hinzu kommen geometrische Herausforderungen, beispielsweise eng bemessene Einbauräume wie feste Maße durch Achsabstände z.B. bei Schraubenspindelpumpen.

Laarmann benannte auch die vier Voraussetzungen für den erfolgreichen Betrieb einer Gleitringdichtung: Planparallelität der Gleitflächen, Rechtwinkligkeit der Dichtflächen zur Rotationsachse, federelastischer Kontakt der Dichtflächen sowie Vorhandensein eines Schmierfilmes zwischen den Dichtflächen.

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Den letzten Punkt behandelte Bernhard Borngräber von John Crane in seinem Vortrag anlässlich der diesjährigen Pumpen-Praktikerkonferenz der TU Graz: Ein gut ausgebildeter Flüssigkeitsfilm zwischen den Dichtflächen minimiert zwar den Gleitflächenkontakt und reduziert Reibung und Verschleiß, allerdings um den Preis einer hohen Leckage.

Bei realen Gleitringdichtungen stellt die hydraulische Auslegung einen Kompromiss zwischen möglichst geringen Leckageraten und akzeptablem Dichtflächenverschleiß dar.

Gezielte Bemusterung der Gleitflächen

Dieser Widerspruch könne aufgelöst werden, zeigt sich Borngräber überzeugt: „Mit der gezielten Bemusterung der Gleitflächen – wir nennen das LaserFace-Strukturen – erreichen wir eine deutliche Verbesserung der hydrodynamischen Schmiereigenschaften im Dichtspalt von Gleitringdichtungen, bei gleichzeitig niedrigen Leckagewerten. In einer Reihe von Anwendungen wurde die Praxistauglichkeit bereits nachgewiesen.“

Und so funktioniert‘s

Wie funktioniert die LaserFace-Behandlung? Es handelt sich dabei um gezielt hergestellte Strukturen auf den Gleitflächen. Zuführnuten erzeugen einen starken hydrodynamischen Druck, der die Gleitflächen durch einen stabilen Schmierfilm mit hoher Tragkraft sicher trennt. Rückführnuten leiten die Schmierflüssigkeit zur Produktseite zurück, die Leckage zur Atmosphärenseite wird erheblich reduziert.

Besondere Vorteile zeigt die Technologie u.a. bei flüchtigen Medien, wo konventionelle GLRD nur eine begrenzte Lebensdauer erreichen. Das Potenzial dieser Technologie besteht in einer erheblichen Ausweitung der Einsatzgrenzen bei verbesserter Lebensdauer der Gleitringdichtungen.

Es gibt jedoch Einsatzgrenzen: Die Technik ist derzeit nur bei sauberen Medien anwendbar, höhere Feststoffanteile im abzudichtenden Medium können die Funktion einschränken. Die minimal erforderliche Temperaturmarge zum Siedepunkt des abzudichtenden Produktes beträgt bei flüchtigen Medien 3 bis 5 Kelvin.

Siliciumcarbid: Werkstoff der Wahl

Generell ist Siliciumcarbid (SiC) der Werkstoff der Wahl in einer Gleitringdichtung – härter als Quarz und Korund, wird seine Härte nur noch von einem Diamanten übertroffen. Gegenüber der Werkstoffpaarung Hartmetall/Kohle oder Hartmetall/Hartmetall besticht SiC/SiC durch seine Korrosionssicherheit und die Einsatzmöglichkeiten bei abrasiven Medien.

Doch auch hier musste beispielsweise der Pumpenbetreiber bislang Kompromisse eingehen, fehlen dem herkömmlichen SiC doch die Notlaufeigenschaft bei kurzzeitigem Trockenlauf und auch die Einsatzmöglichkeiten in Heißwasser sind beschränkt.

Für solche Einsatzfälle offeriert ESK Ceramics die Qualität SiC-G (Ekasic-G): Ein direkt gesinterter SiC mit eingelagertem Graphit – also die Kombination einer Hart/Hart- und einer Hart/Weich-Paarung. Die eingelagerten Graphit-Teilchen wirken wie ein trockenes Gleitmittel und reduzieren bei kurzzeitig fehlender Schmierung (kein Medium vorhanden, Trockenlauf) die Reibung – eine wichtige Eigenschaft, um die Standzeit der Gleitringdichtung auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen zu erhöhen.

Der Werkstoff weist auch Vorteile beim Einsatz in demineralisiertem Wasser auf: Während andere SiC-Qualitäten hier leicht korrodieren, bleibt SiC-G beständig.

Behält einen kühlen Kopf

Zusammen mit und für einen Anlagenbauer in der Food-Industrie hat Grundfos die Air-Cooled-Top-Dichtung entwickelt. Bei dieser Produktvariante wird die Gleitringdichtung durch ein zusätzlich eingebautes luftgekühltes Kopfstück vom Pumpenkörper getrennt. Dieses verhindert eine übermäßige Wärmeübertragung vom Pumpenkörper auf die Gleitringdichtung, die auf der Oberseite des Kopfstückes sitzt.

Für das luftgekühlte Kopfstück selbst ist keine externe Kühlung erforderlich. Die Gleitringdichtung wird durch das Fördermedium geschmiert, das der Dichtung mittels Zulaufkanälen durch das Kopfstück zufließt. Um die maximale Temperatur an der Wellendichtung von 120 °C einzuhalten, sollte die Temperatur des Fördermediums 180 °C nicht überschreiten.

Da Gleitringdichtungen aufgrund mechanischer und technologischer Limitierungen hohen Temperaturen auf Dauer nicht standhalten, ist die luftgekühlte Gleitringdichtung in vielen Fällen eine wirtschaftliche Alternative zu wellendichtungslosen Ausführungen.

Wenn‘s besonders aggressiv wird

Eine Auswahl von Gleitringdichtungen, die aggressivsten Anforderungen standhalten, bietet Garlock. Die Dichtungen eignen sich für Wellen von Pumpen, Mischern und Kompressoren. Die Baureihe „Gulliver“ z.B. gibt es in Ausführungen mit Elastomer-Faltenbalg oder mit Gummi-O-Ringen u.a. zum Einsatz in der Chemie. Die Reib- und Gegenlaufflächen bestehen aus Kohlenstoff, silizierter Kohle, Wolfram- oder Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, vergütetem Stahl, Gussstahl oder aus einem Chromoxid-Plasma-Überzug.

Wenn herkömmliche Gleitringdichtungen aufgrund ihrer Dichtlippe aus elastomeren Werkstoffen nicht mehr einsatzfähig sind, ist womöglich PS-Seal die Lösung. Diese Dichtungen kommen als sog. schwimmende Abdichtungen dort zum Einsatz, wo konventionelle Dichtungen aufgrund von Wellenauslenkungen längst an ihre Grenzen gelangt sind, z.B. in Mischern, Trocknern und Rührwerken.

Verschleißgeschützt dank Diamant

Mit der Diamantbeschichtung von Gleitringdichtungen hat EagleBurgmann eine Entwicklung auf den Markt gebracht, die hohen Verschleißschutz im Trockenlauf, bei Mischreibung und abrasiven Medien bietet.

Die kristalline Diamantschicht eignet sich für Anwendungen in der Öl- und Gasindustrie (z.B. Mehrphasen-Pumpen), Slurry-Anwendungen, Chemie, Pharma und Haustechnik (Heißwasser). Die bis zu 8 µm dicke Diamantschicht auf den Gleitringen zeichnet sich durch extreme Härte, sehr gute Wärmeleitfähigkeit, hohe chemische Beständigkeit und geringe Reibwerte aus. Die maximale Haftung auf dem Trägermaterial ist dabei ein entscheidender Faktor.

Bei den „DiamondFaces“ handelt es sich um eine mikrokristalline Schicht, die mittels der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) auf die Gleitringe aufgebracht wird. Das entscheidende Kriterium ist die horizontale Anordnung der 2000 °C heißen Wolframdrähte im Vakuumofen. Dies ermöglicht die Herstellung von Schichtdicken bis zu 8 µm bei gleichzeitig ebenen Dichtflächen, die für die Funktionssicherheit der Gleitringdichtung unerlässlich sind. Die Schichthaftung übertrifft bisher bekannte Praxisanforderungen, da der kristalline Diamant eine chemische Verbindung mit dem Siliciumcarbid-Ring eingeht.

Service für Shell Rheinland Raffinerie

Burgmann Industries hat mit der Shell Deutschland Oil GmbH Rheinland Raffinerie, Werk Godorf und Werk Wesseling, einen „Rahmenvertrag über Serviceleistungen für Gleitringdichtungen“ abgeschlossen. Die Shell Rheinland Raffinerie ist mit einer jährlichen Verarbeitungskapazität von etwa 17 Millionen Tonnen die größte Raffinerie Deutschlands.

Ziel des Servicevertrages ist es, die Standzeiten der Gleitringdichtungen signifikant zu steigern. Um Ausfälle und damit Reparaturen in Zukunft zu vermeiden, werden Schadensbilder und -ursachen diskutiert und damit verbundene Verbesserungsmaßnahmen gemeinsam definiert, die anschließend in SEPRO dokumentiert, überwacht und protokolliert werden. SEPRO ist ein Programm auf Intranet-Basis, das eigens zur Verwaltung und Auswertung von Serviceverträgen entwickelt wurde. Dieser Servicevertrag macht Burgmann zum umfassenden Servicepartner von Shell.

Markus Hampel, Rotating Equipment & Reliability Engineer, Shell Rheinland: „Der Vertrag mit Burgmann bringt für Shell große Vorteile. Wir sparen viel mehr als das Programm uns kostet.“ Schon in den ersten Monaten wurden Verbesserungspotenziale erarbeitet, die für beide Partner von Nutzen sind: „Mit dem Bau dieses Service Centers haben Shell und Burgmann alle Vorteile der kurzen Wege“, so Fred Kirchmayr, Leiter Service Deutschland Burgmann Industries.

Der Autor ist redaktioneller Mitarbeiter bei PROCESS.E-Mail: bitpress@t-online.de

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