Das Auslassventil während derKreiselpumpenDer Betrieb birgt zahlreiche technische Risiken.
Unkontrollierte Energieumwandlung und thermodynamisches Ungleichgewicht
- 1.1 Bei geschlossenem System und starkem Temperaturanstieg des Mediums wird nahezu die gesamte zugeführte Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Das Medium kann die Wärme nicht abführen, wodurch die Temperatur in der Pumpenkammer stark ansteigt. Im Dauerbetrieb verdampft das Medium, was die Verkohlung des Dichtungsmaterials beschleunigt.
1.2 Ausfall des Dichtungssystems In einer Umgebung mit hohen Temperaturen und Verdampfung des Mediums kommt es bei der auf die Schmierung und Kühlung durch das Medium angewiesenen Gleitringdichtung zu einem Überhitzungsausfall – die Gleitringdichtung weist Trockenreibung auf und die Dichtfläche verbrennt.
Anomale mechanische Belastung
- 2.1 Überschreitung der Axialkraft Die Axialkraft des schließenden Ventils beträgt üblicherweise das 1,5- bis 5-Fache der Kraft im Normalbetrieb. Die Axiallast des Lagers kann die Belastungsgrenze erreichen oder sogar überschreiten, was zum Bruch oder zur Verformung des Lagerkäfigs führen kann.
2.2 Vibrations- und Ermüdungsschäden Die durch hohe Temperaturen verursachten Unterschiede in der Wärmeausdehnung führen zu thermischer Verformung oder thermischer Spannung, zu einem anormalen Spalt zwischen dem Laufrad und dem Pumpengehäuse sowie zum Einfluss einer unausgewogenen hydraulischen Last. Dies führt zu einer Beeinträchtigung des dynamischen Gleichgewichts des Rotors, zu verstärkten Vibrationen und schließlich zu Ermüdungsschäden an den Bauteilen.
Kavitation und Materialschädigung
3.1 Die Kavitationszugabe (NPSH) führt zur Verdampfung des Mediums [wodurch die Kavitationszugabe (NPSHa) des Geräts unter den erforderlichen NPSHr-Wert der Pumpe sinkt], wodurch Blasen entstehen. Die durch den Kollaps der Blasen erzeugte Stoßwelle kann 690 MPa erreichen und zu Lochfraß und wabenförmigen Abplatzungen am Laufrad führen.
3.2 Metallographische Gefügeverschlechterung Bei Laufrädern aus austenitischem Edelstahl kann es bei lokal hohen Temperaturen zu Sensibilisierung kommen, wodurch die interkristalline Korrosionsrate steigt und die Zugfestigkeit sinkt. Bei Laufrädern aus Kohlenstoffstahl sind die Probleme bei hohen Temperaturen gravierender. Dazu gehören Hochtemperaturoxidation und Entkohlung, die zu einer Verringerung der Oberflächenfestigkeit und allgemeiner Stabilität führen. Enthält der Stahl Verunreinigungen wie Schwefel und Phosphor, segregieren diese bei hohen Temperaturen leicht an den Korngrenzen und verursachen thermische Sprödigkeit und Rissbildung im Betrieb. Unter langfristiger Einwirkung hoher Temperaturen weist Kohlenstoffstahl eine geringe Kriechfestigkeit auf. Lokale Temperaturspitzen können die Kriechverformung beschleunigen, was letztendlich zum Bruch oder Ermüdungsversagen des Laufrads führen kann.
Systemsicherheit und wirtschaftliche Risiken
4.1 Überschreitet der Druck im Drucklagergehäuse den Grenzwert und das Schließen des Ventils, erreicht der Pumpenausgangsdruck 120–150 % des Nennwerts. Dadurch besteht die Gefahr, dass der eingestellte Druck des Sicherheitsventils überschritten wird, was zu einer Druckentlastung oder zu Rissen in der Rohrleitungsschweißnaht führen kann.
4.2 Anstieg des Energieverbrauchs und der Wartungskosten Der Betrieb bei Ventilabschaltung ist der „Killerzustand“ von Kreiselpumpen, der kurzfristig den Energieverbrauch erheblich erhöht und langfristig zu schwerwiegenden Schäden an der Anlage führt. Die Gesamtwartungskosten können sich dadurch um das 3- bis 10-Fache erhöhen.
Verschlechterung der Arbeitsbedingungen in den Medien
Bei flüchtigen Medien (z. B. Flüssiggas) beschleunigt der Betrieb des geschlossenen Ventils die Verdampfung der flüssigen Phase, und die Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenströmung in der Pumpenkammer verursacht plötzliche Strömungsänderungen, was zu periodischen Schwingungen der axialen Kräfte und einer Beschleunigung des Verschleißes der Komponenten führt.
Branchenerfahrung und Standardanforderungen
6.1 Branchenerfahrung: Gemäß der praktischen Anwendung sollte die maximale Laufzeit des Kreiselpumpenventils 2 Minuten nicht überschreiten und ist üblicherweise auf 1 Minute begrenzt. Es wird empfohlen, ein Verriegelungssystem einzurichten, das das Abschaltprogramm automatisch auslöst, sobald das Auslassventil schließt oder die Laufzeit überschreitet.
6.2 Die Norm API 610, 12. Ausgabe, legt fest, dass einige hochenergetische, integrierte Getriebe- oder mehrstufige Pumpen bei geschlossenem Auslassventil einen raschen Temperaturanstieg aufweisen, was Prüfungen bei geschlossenem Ventil unmöglich und/oder unsicher macht. Der Temperaturanstieg steht in engem Zusammenhang mit der Leistungsdichte. Die Leistungsdichte PD kann näherungsweise wie folgt berechnet werden:
P-Wert: Nennleistung pro Stufe bei Wasserdruck in PS (oder MW).
D imp: Nennlaufraddurchmesser in Zoll (oder m)
D-Düse: Nenndurchmesser des Auslassflansches in Zoll (oder Metern). Bei einstufigen Pumpen mit doppelter Saugseite entspricht der Durchmesser des Einlassflansches dem Durchmesser des Auslassflansches.
Der typische kritische Wert für PD beträgt 0,286 hp/in.3 (13 MW/m3). Bei Überschreitung dieses Wertes wird empfohlen, die Pumpe während der Leistungsprüfung nicht mit geschlossenem Auslassventil zu betreiben.
Veröffentlichungsdatum: 04.06.2025