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Verschleißprozesse an Pumpenteilen

Beschichtung lohnt - aber welche?

Der Verschleiß von Pumpenlaufrädern stellt in der Pumpentechnik ein großes Problem dar. Um die bewährten Werkstoffe weiterverwenden zu können und dennoch die Lebensdauer von Pumpen zu erhöhen, untersuchten Wissenschaftler am Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre (IMWV) der Uni eine Vielzahl an Beschichtungswerkstoffen und –verfahren. Zudem erstellten sie ein Simulationsmodell, das die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln in einer Strömung und der Pumpenwand ermittelt.

Werden abrasive Medien wie zum Beispiel eine Flüssigkeit mit Spänen durch ein Pumpensystem transportiert, so schlagen die scharfkantigen Partikel auf den Pumpenteilen auf und tragen dort das Material ab. Beim Pumpenlaufrad kann man diesen Materialabtrag über die abnehmende Förderleistung beobachten, während der Materialabtrag am Pumpengehäuse erst beim Austritt der Förderflüssigkeit aus der Pumpe bemerkt wird. Dies kann in bestimmten Fällen zum Problem werden, weil das Medium dann in die Umgebung gelangt und gegebenenfalls dort Schäden verursacht.


Verteilung der Auftreffgeschwindigkeit der Partikel
Verteilung der Auftreffgeschwindigkeit der Partikel

Ein Ausweg sind Beschichtungen – doch welche? Um dies herauszufinden, nahm die aus Prof. Siegfried Schmauder und Andreas Reuschel vom IMWV sowie Thomas Merkle von der Firma Schmalenberger bestehende Gruppe verschiedene Schichttypen sowie verschiedene Beschichtungsverfahren unter die Lupe. Die untersuchten Schichtsysteme reichten von dünnen Hartstoffschichten wie Titannitrid über thermisch gespritzte und elektrochemisch abgeschiedene Schichten bis hin zu sehr dicken, per Laserauftrag geschweißten Verbundwerkstoffschichten. Die zur Charakterisierung der Schichten erforderlichen Schichthärten wurden mit Mirkohärteverfahren und – wo nötig – mit Härteeindrücken im Nanometerbereich bestimmt. An einem speziell aufgebauten Verschleißprüfstand testeten die Wissenschaftler die Schutzwirkung der verschiedenen Beschichtungswerkstoffe unter anwendungsnahen Randbedingungen und verglichen die beschichteten Pumpenlaufräder mit einem unbeschichteten. Durch verstärktes Strahlen mit Sand oder Glasperlen kann die Graugussoberfläche für den Beschichtungsprozess gut präpariert werden. Teilweise ist ein anschließendes Härten der Randschichten durch Einlagern von Stickstoff (Plasmanitrieren) notwendig, um die Haftfähigkeit noch zu erhöhen. „Zum Schutz vor Abrasion eignen sich verschiedene Beschichtungsverfahren“, erklärt Andreas Reuschel. „Je nach Anwendung und Feststoff (Späne, Schleifstaub, Sand) muss man aber entscheiden, welcher Beschichtungsprozess und welche Schichtdicke optimal sind.“
Um den Verschleiß an besonders betroffenen Stellen des Laufrades besser zu verstehen, führte die Gruppe in Zusammenarbeit mit anderen Instituten der Uni CFD-Simulationen (computerbasierte Strömungssimulationen) durch, die Einblicke in den Strömungszustand innerhalb der Pumpe ermöglichen. Da die Flüssigkeit in der Pumpe ständig in Bewegung ist, erfordert dies eine immense Rechenleistung, die durch das Höchstleistungsrechenzentrum der Uni zur Verfügung gestellt wurde.
 


Wie treffen Partikel auf die Wand?
Diese Simulationen dienen zudem als Grundlage, um die Interaktion zwischen Partikeln und Wand an den besonders beanspruchten Stellen auf dem Laufrad und im Gehäuse zu berechnen. Dazu simulierten die Wissenschaftler den Partikeltransport innerhalb der Strömung. Neben den Partikelbahnen im Medium errechneten sie auch, mit welcher Auftreffgeschwindigkeit und in welchem Winkel zur Flächennormalen die Partikel die Wand berühren. Diese Werte wurden für jedes Partikel gespeichert und lokal ausgewertet. Hierzu führten die Wissenschaftler ein Verschleißmodell ein, das neben den aus der Partikeltransportsimulation stammenden Daten auch Materialkennwerte berücksichtigt. Somit wurde eine Schnittstelle zwischen dem Partikeltransport in der Strömung und der Auswertung durch ein Verschleißmodell geschaffen. „Durch die Kopplung der Strömungssimulation und der Verschleißberechnung ist es uns gelungen, neben der strömungstechnischen Überprüfung bestehender beziehungsweise neuer Ausführungen von Pumpenlaufrädern den Feststofftransport mit zu berücksichtigen“, so Reuschel. Durch die Interaktion der Partikel mit der Pumpenwand können Rückschlüsse auf örtliche Verschleißschwerpunkte und das Verhalten verschiedener Basismaterialien beziehungsweise Oberflächenbeschichtungen und -modifikationen hinsichtlich Verschleißwiderstand gezogen werden.
 


Schäden an einem Pumpenlaufrad, die durch Partikel und Späne in abrasiven Medien verursacht sind.   (Fotos: Institut)
Schäden an einem Pumpenlaufrad, die durch Partikel und Späne in abrasiven Medien verursacht sind. (Fotos: Institut)

Mehrinvestition rechnet sich
Bei der Betrachtung der Standzeit rückten die gesamten Anschaffungs-, Nutzungs- und Entsorgungskosten (Total Cost of Ownership, TCO) ebenso in den Vordergrund wie die Lebenszykluskosten, die auch die Kosten für Instandhaltung, Reparaturen und vor allem der Verfügbarkeit der Anlage beziehungsweise die Kosten für den Ausfall bei deren Stillstand enthalten. Dies trägt dem Ziel vieler Betreiber Rechnung, Maschinen und Anlagen zu kaufen, bei denen die gesamten Kosten – von der Anschaffung über die Betriebskosten bis hin zur Verwertung über einen Zeitraum von etwa acht bis zehn Jahren – genau definiert werden können. Im Rahmen der TCO-Betrachtung geht der Wert für die höhere Standzeit direkt in die Wirtschaftlichkeitsberechnung mit ein. Die Bilanz der Gesamtbetrachtung, so Reuschel: „Die Mehrinvestition in Pumpen mit Beschichtung ist in den allermeisten Fällen sehr viel wirtschaftlicher als der Verzicht darauf, da die Kosten für Reparaturen und Produktionsausfall sehr viel höher sind.“ Andreas Reuschel/amg



Kontakt

Andreas Reuschel
Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre
Tel. 0711/685-62547
e-mail: andreas.reuschel@mpa.uni-stuttgart.de
 


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