Themenbereich Dichtungstechnik

Smart Packing Lösung - ein neuer Meilenstein für das Condition Monitoring bei Kolbenverdichtern

In Kompressoranwendungen werden die Dichtelemente von Kolbenstangendichtungen meist aus optimierten PTFE- und PEEK-Rezepturen mit Füllstoffen zur Verstärkung und Selbstschmierung hergestellt. Die Lebensdauer der Dichtelemente ist manchmal der Flaschenhals auf dem Weg zu einer ausreichenden Betriebszeit zwischen zwei routinemäßigen Wartungen und die Wahl des richtigen Materials bestimmt die Zuverlässigkeit von Kompressorsystemen. In industriellen Prozessanwendungen kann das Verschleißverhalten des Dichtungsmaterials stark von den Anforderungen der Anwendung beeinflusst werden.

Selbst die am besten geeigneten Dichtwerkstoffe versagen manchmal aufgrund von plötzlich auftretenden Schwankungen der Prozessparameter sowie   Verunreinigungen im Gas. Dies kann dazu führen, dass der Kompressor in einigen Anwendungsfällen innerhalb kurzer Zeit ausfällt, obwohl Material und Konstruktion der Dichtelemente die gleichen sind, die über mehrere Jahre hinreichend zuverlässig gelaufen sind. Zudem zeigen “A" und “B”-Maschinen bei z.B. 2 x 100% Konzepten, die das gleiche Gas unter den gleichen Bedingungen mit dem gleichen Material und der gleichen Konstruktion verdichten, manchmal eine deutlich unterschiedliches Verschleißverhalten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass selbst die beste Kombination von Dichtmaterial und Dichtringdesign das Risiko ungeplanter Ausfälle nur auf ein Minimum reduzieren, aber niemals 100-prozentig zuverlässig ausschließen kann.

Folglich ist ein Online-Verschleißstatus der Dichtelemente einer Kolbenstangenpackung erforderlich, um die größtmögliche Zuverlässigkeit des Systems zu erreichen, und die maximalen Betriebsstunden der Dichtelemente auszunutzen.

»Eine Online-Verschleißmessung der Dichtelemente einer Kolbenstangenpackung ist erforderlich, um die größtmögliche Zuverlässigkeit des Systems zu erreichen und die maximalen Betriebsstunden der Dichtelemente auszunutzen.«

Dr. Marc Langela, Leiter Material- und Produktentwicklung bei der STASSKOL GmbH

Stand der Technik

Bereits heute versucht die Industrie, den Zustand der Verschleißteile in Kolbenstangendichtungen abzuschätzen durch:

a) die Messung der Temperatur an der Leckgasleitung,

b) die Messung der Leckgasmenge oder

c) die Messung der Temperatur innerhalb der Packung.

Hintergrund all dieser Methoden ist die Annahme, dass die Leckgasmenge stark mit dem Verschleißzustand der Kolbenstangendichtung korreliert.

Um diesen Zusammenhang zu untersuchen, wurden Kompressortests durchgeführt. Mit dem Ziel, die Leckagerate der Kolbenstangenpackung während der gesamten Betriebsdauer des Einbaus zu messen, wurde ein schnell verschleißender Werkstoff (voller Verschleiß nach ca. 800 Stunden) verwendet.

Es zeigte sich, dass die Leckagerate während der gesamten Testdauer hohe Schwankungen aufweist (siehe Abbildung 1). Die Durchflussmenge überschritt 30 m³/h kurz nach 100 % der geplanten Lebensdauer und die Prüfung war beendet.

Daher kann der Verschleißzustand der Einbauten von Kolbenstangenpackungen nicht zuverlässig durch Messung der Leckgasmenge an der Entlüftungsleitung abgeschätzt werden. Nur eine direkte Messung der Packungseinbauten kann dies leisten.

Das Smart Packing-Konzept

Das Konzept beginnt mit der Frage, wie sich die Abmessungen der Dichtelemente durch Verschleiß ändern. Dieser findet am Innendurchmesser des Dichtringes statt, und die Elemente bewegen sich dabei in Richtung der Kolbenstange. Dadurch verringert sich der Außendurchmesser des Dichtringes, was durch eine geeignete Sensoranordnung gemessen werden kann.

Als geeignetes Messsystem wurde ein Wirbelstromsensor (Eddy Current) aufgrund der folgenden Vorteile gewählt:

- druckbeständig bis 100 bar

- temperaturbeständig bis zu 150 °C

- unempfindlich gegenüber Verunreinigungen (Schutt, Öl usw.)

- kompakte Abmessungen (geringer Platzbedarf)

- Messbereich von mindestens 2 mm

Die zentrale Idee hinter Smart Packing besteht darin, die Bewegung eines einzelnen Dichtungsrings in Richtung der Kolbenstange mit Hilfe eines Indikatorstiftes zu visualisieren. (illustriert durch Abbildung 2). Der Stift folgt der Bewegung des Dichtelements und ein Wirbelstromsensor misst die Bewegung des Stifts. Aus der Messung des Sensors kann der Verschleißzustand des Dichtrings berechnet werden.

 

Die Sensorsignale der verschiedenen Dichtringe innerhalb der Kolbenstangenpackung werden von Controllern, die sich an der Außenseite des Distanzstücks befinden, gesammelt und verarbeitet. Sowohl die Sensoren als auch die Controller sind für maximale Sicherheit ATEX-zertifiziert. Alle Signale der Steuerungen führen in die "STASSKOL smart box" zur Analyse des aktuellen Verschleißzustandes an den verschiedenen Packungen und deren Dichtringen. Das Ergebnis dieser Datenanalyse kann dann mit einer bestimmten Frequenz (z.B. ein Update pro Stunde) an das Monitoring System des Kunden übertragen werden.

Kundenvorteile

Ein unerwarteter Kompressorausfall kann zu hohen Ausfallzeiten und damit zu hohen finanziellen Verlusten für den Endanwender führen. Um auf der sicheren Seite zu sein, wird die Lebensdauer der Dichtelemente - insbesondere bei ungeschmierten Anwendungen - nicht zu 100 % ausgenutzt, d.h. es bleiben wertvolle Betriebsstunden ungenutzt, dafür wird die Zuverlässigkeit erhöht. Das Smart Packing System (siehe Abbildung 3) misst den Verschleißzustand der Dichtelemente einer Packung eines Kolbenkompressors, um eine zuverlässige Prognose der Restlebensdauer zu liefern. Dies ermöglicht eine Ausnutzung der maximalen Lebensdauer der Dichtungselemente zu nahezu 100 % und stellt sicher, dass neue Teile und Techniker rechtzeitig für eine geplante Überholung zur Verfügung stehen. Durch das klare Verschleißzustandsbild der Smart Packing können auch die Wartungsintervalle anderer Verschleißteile wie Ringe und Ventile mit der Packungswartung abgestimmt werden, und somit eine bessere Verfügbarkeit bei geringeren Kosten erreicht werden.

 

Somit ist Smart Packing ein wirklich neuer Meilenstein für das Condition Monitoring und für die vorausschauende Wartung von Kolbenverdichtern, die dem Kunden vollständige Informationen über den Verschleißstatus der Kolbenstangenpackungen als eine der Hauptverschleißteile des Kompressorsystems liefert.

Im nächsten Blog-Beitrag werden wir eine weitere Strategische Business Unit der NEUMAN & ESSER GROUP beleuchten: Die Process Technologie. Am 19. Juni erfahren Sie mehr zur Pendelmühle eXtra (PMX) von NEUMAN & ESSER Process Technology.