Minus 170° C ... und sie läuft doch!
Dr.-Ing. Jan Steinhausen
+49 5971 9710.64
Für eine neue Anlage zur Kohlenmonoxiderzeugung setzt ein Industriebetrieb beim Prozess der Methanwäsche des CO-Produkts zur Förderung des Flüssigmethans bei ca. - 170° C eine mehrstufige Tauchmotorkreiselpumpe in Topfbauweise (mit senkrechter Welle) ein. Nach der Inbetriebnahme der Anlage sind an dieser Kreiselpumpe mehrfach Schäden an den Wälzlagern aufgetreten (Standzeiten ca. 6 Wochen), so dass schließlich auf eine Pumpe eines anderen Herstellers mit Radialgleitlagern im Fördermedium und ölgeschmierter Axiallagerung außerhalb der Förderflüssigkeit umgerüstet wurde. Jedoch trat auch hier nach ca. 1 Woche Betriebsdauer ein erster Schaden verbunden mit einer auffälligen Geräuschentwicklung auf. Die Maschine wurde daraufhin überprüft und wieder in Betrieb genommen. Bereits nach kurzer Zeit verlor die Pumpe jedoch erneut an Förderhöhe, so dass sie wieder außer Betrieb gesetzt werden musste. Seitens des Unternehmens wurde nun vermutet, dass rotordynamische Effekte den Ausfall der Kreiselpumpe verursachen.
Mit dem Ziel während der folgenden Wiederinbetriebnahme eine schwingungstechnische bzw. rotordynamische Bewertung des Pumpenbetriebs vorzunehmen wurde KÖTTER Consulting Engineers (KCE) mit der Konzeption und Durchführung einer Untersuchung beauftragt. Das Konzept umfasste im wesentlichen drei Schritte:
1. Die Auswahl geeigneter Sensorik für Tieftemperaturanwendungen.
2. Messtechnische Bestimmung eines Referenzzustandes für die Kreiselpumpe unter Prüfstandbedingungen.
3. Überwachung der Maschine während der Wiederinbetriebnahme in der Anlage mit Flüssigmethan bei –170 °C.
Im ersten Schritt wurden nach der Auswahl der geeigneten Sensorik die Beschleunigungssensoren und deren notwendige Kapselung im Labor auf ihre Eignung unter Verwendung von Flüssigstickstoff überprüft.
Zur Einschätzung des grundlegenden schwingungstechnischen Betriebsverhaltens der Kreiselpumpe und zur Ermittlung eines Referenzzustandes sind im zweiten Schritt Messungen auf dem Prüfstand des Herstellers beim Betrieb mit Wasser durchgeführt worden. Hierbei wurden auch die relevanten strukturmechanischen Eigenfrequenzen der Kreiselpumpe bestimmt.
Bei der Wiederinbetriebnahme zeigten die Schwingungsmessungen nach dem Start der Kreiselpumpe ein zunächst unauffälliges Schwingungsverhalten. Die Messsignale waren zu diesem Zeitpunkt qualitativ mit denen auf dem Prüfstand ermittelten vergleichbar. Nach etwa 15 Betriebsstunden konnte gleichzeitig mit dem Beginn des Abfalls der Förderhöhe - und damit einem erneuten Schaden - eine drehzahlsubsynchrone Frequenzkomponente in den Schwingungssignalen festgestellt werden. Diese bildete sich hauptsächlich in der Messebene am Eintritt (Inducer) der Hydraulikeinheit aus. Bei gleichzeitigem Anstieg des breitbrandigen Schwingungsniveaus wurde auch die erste mechanische Biegeeigenfrequenz der Hydraulikeinheit angeregt. Insgesamt wurden an den Messpositionen an der Hydraulikeinheit innerhalb des Pumpentopfes die Grenzwerte erheblich überschritten. Jedoch blieb das Schwingungsniveau an den Messpositionen außerhalb des Pumpentopfes unterhalb der zulässigen Grenzwerte.
Durch die Analyse der Messwerte konnte belegt werden, dass primär eine auftretende Rotorinstabilität als Schadensursache zu benennen ist. Durch eine dezentrierende Wirkung der Kräfte in den Lager- und / oder Dichtspalten kommt es zu einer Destabilisierung des Rotors und damit zu Schwingungen, die als drehzahlsubsynchrone Komponenten in den Signalen zu erkennen sind. Als Abhilfemaßnahmen wurden von KÖTTER Consulting Engineers u. a. die folgenden Modifikationen empfohlen:
a) Verstärkung der Tragfähigkeit der Radiallager.
b) Reduktion der Umfangsgeschwindigkeit des Fluids innerhalb der Dichtspalte.
c) Überprüfung der Auslegung des Inducers, evtl. Verzicht auf den Inducer.
Bei der Überarbeitung der Kreiselpumpe durch den Hersteller wurde insbesondere die Tragfähigkeit des Gleitlagers am Eintritt der Hydraulikeinheit verbessert und auch auf den Inducer für diesen Einsatzfall der Kreiselpumpe verzichtet.
Die Kreiselpumpe läuft nun doch! Seit ca. 6 Monaten ohne Auffälligkeiten trotz minus 170 °C.
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Dr.-Ing. Jan Steinhausen
+49 5971 9710.64
Für eine neue Anlage zur Kohlenmonoxiderzeugung setzt ein Industriebetrieb beim Prozess der Methanwäsche des CO-Produkts zur Förderung des Flüssigmethans bei ca. - 170° C eine mehrstufige Tauchmotorkreiselpumpe in Topfbauweise (mit senkrechter Welle) ein. Nach der Inbetriebnahme der Anlage sind an dieser Kreiselpumpe mehrfach Schäden an den Wälzlagern aufgetreten (Standzeiten ca. 6 Wochen), so dass schließlich auf eine Pumpe eines anderen Herstellers mit Radialgleitlagern im Fördermedium und ölgeschmierter Axiallagerung außerhalb der Förderflüssigkeit umgerüstet wurde. Jedoch trat auch hier nach ca. 1 Woche Betriebsdauer ein erster Schaden verbunden mit einer auffälligen Geräuschentwicklung auf. Die Maschine wurde daraufhin überprüft und wieder in Betrieb genommen. Bereits nach kurzer Zeit verlor die Pumpe jedoch erneut an Förderhöhe, so dass sie wieder außer Betrieb gesetzt werden musste. Seitens des Unternehmens wurde nun vermutet, dass rotordynamische Effekte den Ausfall der Kreiselpumpe verursachen.
Mit dem Ziel während der folgenden Wiederinbetriebnahme eine schwingungstechnische bzw. rotordynamische Bewertung des Pumpenbetriebs vorzunehmen wurde KÖTTER Consulting Engineers (KCE) mit der Konzeption und Durchführung einer Untersuchung beauftragt. Das Konzept umfasste im wesentlichen drei Schritte:
1. Die Auswahl geeigneter Sensorik für Tieftemperaturanwendungen.
2. Messtechnische Bestimmung eines Referenzzustandes für die Kreiselpumpe unter Prüfstandbedingungen.
3. Überwachung der Maschine während der Wiederinbetriebnahme in der Anlage mit Flüssigmethan bei –170 °C.
Im ersten Schritt wurden nach der Auswahl der geeigneten Sensorik die Beschleunigungssensoren und deren notwendige Kapselung im Labor auf ihre Eignung unter Verwendung von Flüssigstickstoff überprüft.
Zur Einschätzung des grundlegenden schwingungstechnischen Betriebsverhaltens der Kreiselpumpe und zur Ermittlung eines Referenzzustandes sind im zweiten Schritt Messungen auf dem Prüfstand des Herstellers beim Betrieb mit Wasser durchgeführt worden. Hierbei wurden auch die relevanten strukturmechanischen Eigenfrequenzen der Kreiselpumpe bestimmt.
Bei der Wiederinbetriebnahme zeigten die Schwingungsmessungen nach dem Start der Kreiselpumpe ein zunächst unauffälliges Schwingungsverhalten. Die Messsignale waren zu diesem Zeitpunkt qualitativ mit denen auf dem Prüfstand ermittelten vergleichbar. Nach etwa 15 Betriebsstunden konnte gleichzeitig mit dem Beginn des Abfalls der Förderhöhe - und damit einem erneuten Schaden - eine drehzahlsubsynchrone Frequenzkomponente in den Schwingungssignalen festgestellt werden. Diese bildete sich hauptsächlich in der Messebene am Eintritt (Inducer) der Hydraulikeinheit aus. Bei gleichzeitigem Anstieg des breitbrandigen Schwingungsniveaus wurde auch die erste mechanische Biegeeigenfrequenz der Hydraulikeinheit angeregt. Insgesamt wurden an den Messpositionen an der Hydraulikeinheit innerhalb des Pumpentopfes die Grenzwerte erheblich überschritten. Jedoch blieb das Schwingungsniveau an den Messpositionen außerhalb des Pumpentopfes unterhalb der zulässigen Grenzwerte.
Durch die Analyse der Messwerte konnte belegt werden, dass primär eine auftretende Rotorinstabilität als Schadensursache zu benennen ist. Durch eine dezentrierende Wirkung der Kräfte in den Lager- und / oder Dichtspalten kommt es zu einer Destabilisierung des Rotors und damit zu Schwingungen, die als drehzahlsubsynchrone Komponenten in den Signalen zu erkennen sind. Als Abhilfemaßnahmen wurden von KÖTTER Consulting Engineers u. a. die folgenden Modifikationen empfohlen:
a) Verstärkung der Tragfähigkeit der Radiallager.
b) Reduktion der Umfangsgeschwindigkeit des Fluids innerhalb der Dichtspalte.
c) Überprüfung der Auslegung des Inducers, evtl. Verzicht auf den Inducer.
Bei der Überarbeitung der Kreiselpumpe durch den Hersteller wurde insbesondere die Tragfähigkeit des Gleitlagers am Eintritt der Hydraulikeinheit verbessert und auch auf den Inducer für diesen Einsatzfall der Kreiselpumpe verzichtet.
Die Kreiselpumpe läuft nun doch! Seit ca. 6 Monaten ohne Auffälligkeiten trotz minus 170 °C.
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Bild 1: Letzte Vorbereitungen an der Sensorik der Kreiselpumpe vor der Wiederinbetriebnahme in der Anlage
Bild 2: Frequenzspektrum der Schwinggeschwindigkeit nach ca. 15 Betriebsstunden – Messposition am Eintritt der Hydraulikeinheit
Bild 3: Einbau der Kreiselpumpe zum Probelauf auf dem Prüfstand